3.10. Пожароопасность как фактор производственной среды

Горючие системы бывают однородные и неоднородные. К химически однород-ным относят системы, в которых горючее вещество и воздух перемешаны друг с дру-гом. Горение таких газо-, паро- или пылевоздушных систем называют кинетическим. К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхность раздела (например, твердые горючие вещества и жидкости, находящиеся на воздухе). При горении химически неоднородных горючих систем кислород воздуха непрерывно диффундирует сквозь продукты сгора-ния к горючему веществу. В месте химического взаимодействия участвующих в реак-ции веществ образуется зона горения — пламя, в которой прореагировавшие вещества нагреваются до температуры горения и за счет своего тепла воспламеняют следующие порции еще непрореагировавших ве­ществ, поступающих в зону горения за счет диффу-зии. Этот вид горения определяется явлениями диффузии и теплопроводности и поэто-му называется диффузионным (горение свечи, дров в костре и др.). Пожар также пред-ставляет собой диффузионный процесс неконтролируемого горения, происходящего вне специального очага.

Кинетическое горение отличается тем, что реакция между горючим и окислителем имеет объемный характер. Примером такой системы служит газовоздушная смесь, помещенная в сосуд, или паровоздушная смесь в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Скорость реакции горения системы зависит от концентрации исходных веществ и тем­пературы, т.е. определяется кинетическими параметрами участвующих в реакции веществ. Если такое горение происходит в замкнутом объеме, то оно сопровождается повышением давления и носит характер взрыва.

Возникновение горения чаще всего связано с нагреванием горючей системы тем или иным источником воспламенения. При этом энергия молекул горючего и кислорода увеличивается и при достижении опре­деленного значения энергии молекулы горючего вещества вступают в соединение с кислородом воздуха.

В основе теории горения лежит учение академика Н.Н. Семенова о цепных реакциях. Согласно теории цепных реакций процесс окис­ления начинается с активации горючего вещества. Реакция окисления сопровождается выделением тепла и при определенных условиях может самоускоряться. Этот процесс самоускорения реакции окисления с переходом ее в горение называется самовоспламенением. Самовоспла­менение может быть тепловое и цепное. В первом случае самовоспла­менение возникает вследствие превышения скорости тепловыделения над скоростью теплоотвода.

Рассмотрим процесс теплового самовоспламенения на примере смеси горючего газа с воздухом, помещенной в сосуд объемом У. При атмосферном давлении и комнатной температуре реакция между го­рючим газом и кислородом воздуха в сосуде практически не идет. Как известно, скорость химической реакции пропорциональна произведе­нию концентраций реагирующих веществ и возрастает с повышением температуры. При повышении температуры сосуда и смеси скорость реакции и выделения тепла соответственно увеличится. Зависимость скорости выделения тепла от температуры имеет вид:

,

где — скорость выделения тепла; Q — теплота сгорания газа; V — объем горючей смеси; К — константа скорости реакции; С — концен­трация реагирующего вещества; v — порядок реакции; Е — энергия активации; R — универсальная газовая постоянная; Т — температура смеси. Графически эта зависимость показана на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Зависимость скорости теп­ловыделения q₁ и теплоотвода q₂ от температуры Т

Необходимость активации, т.е. затраты некоторой энергии при химическом превращении, обусловлена затратой энергии на разрыв старых (существующих) межатомных связей. Реакция возможна лишь в том случае, если взаимодействующие молекулы получают определенный запас энергии, достаточный для разрыва или ослабления межатомных связей. Выделяющееся тепло передается горючей смеси и она нагревается. Как только температура смеси превысит темпера­туру стенок сосуда, начнется отвод тепла через стенки сосуда в окружающую среду. Количество тепла, отводимого через стенки сосуда в единицу времени, пропорционально разно­сти температур смеси и стенок сосуда, т. е.

,

где q₂ — скорость отвода тепла через стенки сосуда;  — коэффициент теплоотдачи; S — поверхность стенок сосуда; Т — температура смеси; Т₀ — температура стенок сосуда.

На рис. 3.12 представлена зависимость скорости тепловыделения q₁ и теплоотво-да q₂ от температуры Т. С помощью графика легко проследить изменение соотношения выделяющегося тепла в результате реакции и рассеивающегося через стенки сосуда. При температуре Т₀ смесь будет вначале нагреваться и температура ее повысится до значения Т_А соответствующего точке А (точки пересечения кривой q₁(Т) л прямой q₂(T) при начальной температуре Т₀). Саморазогрев смеси выше температуры Т_А невозмо-жен, так как теплоотвод через стенки будет превышать тепловыделения. При начальной температуре смеси и сте­нок сосуда Т1 прямая q₂(T) будет касаться кривой q₁(T) в точке В. В этом случае саморазогрев смеси возможен до температуры Т_В. Кроме того, даль-нейший саморазогрев смеси также возможен, так как выше и ниже точки В скорость выделения тепла в результате химической реакции превышает теплоотвод через стенки сосуда. В точке В тепловом режим будет неустойчивым — при отклонении от состоя-ния, отвеча­ющего точке В, система в В не возвратится, а будет удаляться от этого со-стояния. При сколь угодно малом повышении температуры стенок сосуда кривые не будут иметь общих точек и, следовательно, равновесный тепловой режим невозможен, произойдет резкое повышение температуры и соответственно скорости реакции.

Одной из особенностей пожара, вызванного горением газовоздушных и паровоздушных смесей, является образование огневого шара, время существования которого колеблется от нескольких секунд до нескольких минут. Опасным фактором огневого шара является тепло­вой импульс. Размеры огневого шара, время его существования и величина теплового импульса зависят от количества сгораемого вещества.

Тепловое поражение человека определяется величиной теплового импульса: тепловой импульс от 80 до 160 кДж/м² вызывает первую степень ожоговой травмы (болезненное покраснение кожи), от 160 до 400 кДж/м² — вторую степень (образование пузырей на коже челове­ка); от 400 до 600 кДж/м² — третью степень (омертвление кожи с частичным поражением росткового слоя); более 600 кДж/м² — четвер­тую степень (омертвление кожи и поражение глубинных слоев тканей). Тепловое поражение более 25 % поверхности кожи человека практи­чески приводит к его гибели.

Опасными факторами пожара, воздействующими на людей и ма­териальные ценности, помимо указанных ранее открытого пламени, повышенной температуры корпусов оборудования и окружающей сре­ды, являются также токсические продукты горения и термического разложения, пониженная концентрация кислорода в воздухе рабочей зоны и вызванные описанными факторами их вторичные проявления: осколки, движущиеся части разрушившихся аппаратов, агрегатов, ус­тановок, конструкций, токсические вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок, электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов, опасные факторы взрыва, проис­ходящие вследствие пожара.

Эти факторы приводят к отравлениям, ухудшению работы органов дыхания, к травмированию работающих.

Согласно ССБТ ГОСТ 12.1.004—91 допустимый уровень пожарной опасности для людей должен быть не более 10^-6 воздействия опасных факторов пожара, превышающих допустимые значения, в год в расчете на каждого человека.

Непревышение такого уровня опасности обеспечивается созданием на предприятиях системы пожарной безопасности.