CC BY
43Абдурагимов И. М., Куприн Г. Н., Куприн Д. С.
БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЕ ПЕНЫ -НОВАЯ ЭРА В БОРЬБЕ С ЛЕСНЫМИ ПОЖАРАМИ
В статье представлена новейшая разработка в области пожаровзрывопредотвращения - быстротверде-ющая пена (БТП) на основе структурированных частиц кремнезёма. На основе результатов сравнительных огневых испытаний доказана более высокая огнетушащая эффективность БТП по сравнению с существующими наиболее распространёнными средствами тушения лесных пожаров. Предложены перспективы практического применения БТП при локализации лесного пожара путём создания огнестойких заградительных полос.
Ключевые слова: быстротвердеющая пена, тушение, твёрдые горючие материалы, лесные пожары.
Существующее огромное многообразие лесных горючих веществ и материалов - от мхов, лишайников и папоротников, мелких и средних кустарников всех видов и до огромных вековых деревьев-великанов, при рассмотрении его на молекулярном уровне процесса горения, почти одинаково... Горение твёрдых горючих материалов (ТГМ) происходит примерно по одинаковому тепловому механизму: активное пламенное горение происходит только тогда, когда основное «тело» горючего материала прогрето выше температуры начала пиролиза ТГМ (порядка 200-
250 °С) или температуры максимальной интенсивности пиролиза (порядка 350-500 °С), когда из них ещё активно выделяются паро-газообразные летучие фракции, которые, смешиваясь с кислородом окружающего воздуха, горят активным пламенем [1-4]. Или на стадии окончания пиролиза большинства ТГМ, когда основная их масса уже прогрета до температуры 550-600 °С и процесс пиролиза почти закончился, выход горючих летучих фракций почти прекратился, но активно идёт процесс диффузионного, гетерогенного горения раскалённых поверхностных слоёв ТГМ.
На лесных пожарах оба этих режима горения (пламенное - факельное горение с видимым огнём и диффузионное гетерогенное горение - тление), как правило, протекают одновременно в одном и том же месте, что ещё больше осложняет общее описание лесного пожара (рис. 1,2) [2].
При этом лесные пожары отличает, как правило, очень высокое численное значение безразмерного параметра - коэффициента поверхности горения:
К = Рф
п физ.гор/ пл.пож. 1
/р
. пл
Продукт горения
Зона химической реакции (гомогенное горение
Гетерогенное горение (тление)
Зона химической реакции
Продукты пиролиза ТГМ
Рисунок 1. Схема гомогенного и гетерогенного горения ТГМ
Рисунок 2. Развитие лесного пожара с переходом низового пожара в верховой
где /фИЗГор - суммарная площадь поверхности реально горящих лесных горючих материалов, м2; Р - проекция зоны горения на го-
1 1 пл.пож. У У
ризонтальную (реже - вертикальную) плоскость, м2.
В начальной стадии развития лесного пожара численное значение Кп (а соответственно, горючая «нагрузка», рГН (кг/м2) и массовая скорость выгорания лесных горючих материалов угн (кг/м2-с)) быстро возрастает с 2-3 до 15-20 и более (в зависимости от характера лесной растительности и вида пожара). Одновременно с этим резко возрастает общая (суммарная) теплота пожара 0п (кДж/с или кВт):
0п = Чн^ЛГМ ,
где Ь - коэффициент полноты сгорания, для лесных пожаров обычно равный 0,7-0,9; Рп -примерная общая площадь пожара, м2; цГМ -осреднённая, удельная теплота сгорания горючего материала, кДж/кг.
Но такое интенсивное пламенное горение (особенно низового лесного пожара) на конкретном, фиксированном участке леса длится сравнительно недолго - минут 10-15 при постепенном снижении интенсивности горения за счёт быстрого сгорания тонких горючих лесных материалов: листвы, хвои, тонких (менее 1 см в диаметре) веток и сучков. Кп горения резко снижается (до 1,5-2), и пламенное горение на данном участке леса постепенно уменьшается или почти прекращается, переходя в более «трудный» для пожарных режим - тление. «Одиночные» ветки диаметром более 46 см (кроме расположенных в одной вертикальной плоскости друг над другом и находящихся от других на расстоянии меньшем чем 15-20 см) самостоятельно пламенным горением гореть вообще неспособны из-за недостатка внешнего притока тепла (порядка 10-15 кДж/м2-с), необходимого для поддержания устойчивого пламенного горения ТГМ типа древесины. Поэтому они вскоре переходят в длительный режим тления, который в зависимости от влажности, температуры окружающей среды и силы ветра может продолжаться ещё несколько дней. А интенсивное, бушующее пламенное горение за это время перемещается на всё новые и новые участки леса.
Зона горения низовых пожаров перемещается по лесным горючим материалам со скоростью от 3-5 до 10-15 м/мин, в зависимости
от направления и скорости ветра и вида лесной растительности, верховые пожары при сильном ветре могут распространяться со скоростью до 50-60 м/мин и более. Огненная стихия может перемещаться по территории лесных массивов неделями и даже месяцами (!) в зависимости от размеров лесного массива и климатических (погодных) условий в данном регионе.
Главное в борьбе с этой катастрофической стихией, как в разгар пламенного горения, так и в режиме активного тления, при температуре горящей поверхности порядка 650750 °С и более, - постепенное или внезапное снижение температуры среды и, главное, температуры лесных горючих материалов ниже некоторого порогового значения.
Наилучшим способом тушения лесного пожара, то есть прекращения процесса горения во всех его видах и формах и исключения возможности их самопроизвольного повторного возгорания на данном участке [1, 3, 5-7] -охлаждение всех без исключения лесных ТГМ ниже температуры начала их пиролиза (примерно 120-200 °С). Но более надёжным, конечно, будет охлаждение лесного ТГМ до температуры порядка 25-30 °С. Все остальные приёмы и способы тушения лесного пожара -лишь паллиативное решение и временный выход из бедственного положения.
Остановить лесной пожар можно и путём прекращения его распространения на близлежащие участки леса. Это возможно, например, при создании вокруг горящего участка леса надёжной преграды, типа огнезащитной полосы, полностью замкнутой и непреодолимой для прохождения или переноса пламени с горящего участка за его пределы. Ширина и параметры такой «заградительной полосы» сильно колеблются в зависимости от характера лесного горючего материала, погодных условий и характера (вида) лесного пожара. В среднем её ширина составляет от 6-8 до 30-40 и более метров. Подробнее об этом несколько позже.
Поскольку главное для успешного тушения лесного пожара - эффективное охлаждение лесных ТГМ, а наибольшей удельной теплоёмкостью Св = 4,19 кДж/кг-°С (4,19 кДж/л-°С) и наибольшей теплотой испарения 0и = 2 166 кДж/кг (кДж/л) обладает обычная вода, и при максимальной реализации её теплоотводящих способностей 1 литр воды способен отвести от разогретой поверхности
лесных ТГМ порядка 2 500 кДж/л, то почти все пожарные специалисты в мире, пленённые этой «магической» цифрой, довольно безуспешно пытаются тушить пожары ТГМ, и особенно лесные пожары, преимущественно обычной водой. Добавление смачивателей или использование низкократной пены, как правило, даёт очень незначительное повышение эффективности тушения лесных пожаров.
При этом не учитывается, что 85-90 % воды, поданной на тушение пожаров ТГМ, пропадает зря [1, 3, 8-11]! Причин этому много, среди них и неизбежная подача воды мимо очага горения, и стекание с поверхности ТГМ воды, не успевшей нагреться и испариться за счёт теплоты охлаждаемых горящих поверхностей, и преждевременное стекание воды из-за плохой смачиваемости лесных горючих материалов. А при «ковровом» тушении лесных пожаров методом сброса на них воды с пролетающего самолёта потери воды нередко достигают 95-98 %! Тем не менее, такой способ тушения лесных пожаров, считающийся наиболее «прогрессивным» и «современным» (с применением уникальных самолётов-амфибий типа Бе-200 или специальных самолётов на базе Ил-76 или Боинга 747), на деле имеет 2-4 % коэффициента полезного использования воды, и более того, является чрезвычайно дорогостоящим [6-8, 10, 11].
Именно поэтому в 2014-2015 гг. в НПО «СОПОТ» были разработаны новые огнету-шащие средства и новая технология тушения лесных пожаров. Это быстротвердеющие пены с заданным заранее временем отверждения, созданные на основе обычных российских пенообразователей. Попытки тушения пожаров ЛВЖ-ГЖ твердеющими пенами предпринимались еще в 1950-60 гг., а возможно и раньше. Но возникающие при этом сложности полностью перечёркивали все их преимущества. Только исключительные параметры новых твердеющих пен с практическим использованием нано-технологий смешения ингредиентов трёхсоставных компонентов пены и удачное использование золь-гель превращений коллоидной составляющей обычной воздушно-механической комбинированной пены, с последующим покрытием её молекулярным слоем окиси кремния, придают этой пене совершенно особые качества огнетушащего средства.
Во-первых, она обладает отличной «кроющей способностью» по терминологии худож-
ников и маляров. Она сколь угодно тонким, равномерным и сплошным слоем покрывает поверхность почти любого ТГМ. Во-вторых, эта пена обладает исключительно высокими адгезионными свойствами. Она почти мгновенно прилипает не только к наклонным и вертикальным поверхностям, но и к горизонтальным «потолочным» поверхностям, образуя на них слой пены толщиной от 0,5 до 2,5-3 см, который чуть позже просто невозможно не только стереть, но даже соскрести посторонним предметом. И в таком состоянии слой пены держится почти на любых твёрдых поверхностях от 10-15 ч до нескольких суток. В-третьих, каждый пузырёк твердеющей пены оказывается покрытым микронным слоем ЭЮ2, что делает слой пены практически идеальным теплоизолятором и полностью негорючим веществом. Температура древесины под слоем такой пены толщиной всего 0,5-2 см не поднимается выше 50-60 °С даже после длительного воздействия открытого пламени газовой горелки с температурой пламени более 1000 °С. При этом сама пена под воздействием пламени горелки почти не изменяется и не разрушается (лишь слегка уплотняется и чернеет). И, в-четвёртых, что самое главное, твердеющая пена в момент соприкосновения с горящей или защищаемой от горения поверхностью ТГМ почти не теряет своей удельной теплоемкости и теплоты испарения. То есть она сохраняет все преимущества воды как огнетушащего средства при тушении пожаров ТГМ (включая и лесные пожары многих видов), добавляя к ним свои возможности.
Пена способна создавать огнезащитную полосу на любой поверхности (включая траву, заросли папоротника, кустарник, подлесок, кроны высоких деревьев), любой требуемой ширины и толщины пенного покрова. Реальное время существования такой огнезащитной полосы от 20-30 ч до нескольких дней, в зависимости от вида поверхности нанесения и погодных условий (сила ветра, дождя, солнцепёка и проч.).
При проведении официальных сертификационных испытаний данной огнетушащей пены низкой кратности (Кп = 10), созданной на основе обычного пенообразователя российского производства, для сравнительной оценки эффективности процесса тушения эталонного штабеля древесины типа А-1 были использованы четыре огнетушащих состава:
Рисунок 3. Время свободного горения модельного очага пожара ТГМ - 5 минут
1) обыкновенная вода;
2) низкократная пена Кп = 10 на основе пенообразователя, используемого для получения твердеющей пены той же кратности;
3) вода со смачивателем на основе плёнкообразующего фторсодержащего смачивателя типа ЛРРР, в соответствии с техническими условиями на его применение при тушении пожаров ТГМ;
4) испытываемый впервые огнетушащий состав на основе БТП.
Все четыре цикла испытаний проводились в совершенно одинаковых условиях, при равном секундном расходе огнетушащих жидкостей - порядка 0,9 л/с (примерно 1 л/с в начальный период тушения и порядка 0,8 л/с на заключительной стадии тушения из-за небольшого падения давления в резервуаре с огнетушащим средством (ОС) за время тушения) (рис. 3, 4).
Результаты испытаний примерно таковы: на тушение одного и того же типа штабеля древесины потребовалось:
- воды (обыкновенной) - 35 л;
- обычной пены низкой кратности - 25 л (по раствору пенообразующей жидкости);
- воды с плёнкообразующим смачивателем типа ЛРРР - 20 л;
- раствора быстротвердеющей пены -6 л (то есть почти в 9 раз меньше обыкновенной воды, почти в 4 раза меньше обычной пены средней кратности (той же пены, но без отвер-дителя), и почти в 3,5 раза меньше воды с добавлением смачивателя ЛРРР).
Но преимущества нового огнетушащего состава не только в значительном уменьшении количества ОС, затраченного на тушение типового штабеля, что очень важно и само по себе.
Рисунок 4. Время тушения модельного очага пожара ТГМ - 5 секунд
А ещё в двух чрезвычайных обстоятельствах. Во-первых, это минимальное время тушения горящего штабеля твердеющей пеной по сравнению с другими ОС - 6-7 сек. (вода с раствором смачивателя ЛРРР - 20 сек.; пена средней кратности - 25 сек.; обычная вода - 35 сек.). Это особенно важно с позиций пожарной тактики и обеспечения безопасности при работе пожарных, а также при спасении пострадавших при пожаре. Во-вторых, после тушения штабеля древесины любым из указанных выше ОС, штабель повторно загорался под действием открытого пламени газовой горелки в среднем через 20-30 секунд прямого воздействия открытого пламени. И только при наличии тонкого слоя отвердевшей за 5-10 секунд пены древесина штабеля не прогревалась и не загоралась ни через 5, ни через 10 минут прямого воздействия пламени газовой горелки. Древесина становилась практически «негорючей» и сохраняла такое состояние в течение нескольких суток (рис. 5).
Рисунок 5. Результат тушения (на поверхности образован неразрушающийся слой БТП)
Так как же сравнить или количественно оценить преимущества того или иного огне-тушащего состава по результатам проведённых испытаний, в особенности по такому важнейшему на пожаре параметру как время тушения? В своё время для количественной оценки качества тушения каждого конкретного пожара или каждого нового ОС был предложен показатель эффективности тушения:
ПЭТ = РЛхЛ (мУл-сХ
где Рп - площадь пожара; УОС - общий, суммарный объём (или количество) ОС, затраченного в процессе тушения данного пожара; ^ -полное время тушения пожара, с. или мин.
Этот параметр имеет вполне определённый физический смысл: чем большую площадь можно потушить 1 литром ОС за определённое время, или чем быстрее можно потушить большую площадь пожара 1 литром ОС, тем выше эффективность процесса тушения.
Тогда по результатам сертификационных испытаний новой пены, проведённых с непосредственным участием представителей ВНИИПО МЧС РФ, показатель эффективности тушения эталонного штабеля древесины у твердеющих пен примерно в 50 раз выше, чем при тушении такого же штабеля древесины обычной водой, примерно в 10-15 раз эффективнее, чем тушение обычной низкократной пеной и в 3-4 раза эффективнее тушения водой с добавкой плёнкообразующего смачивателя типа ДРРР американского производства, широко рекомендуемого для тушения пожаров ТГМ.
В практике пожаротушения случаются такие пожары, на которых главной задачей пожарной охраны становится не тушение пожара, а реальное ограничение зоны (области) его распространения на аналогичные, смежные объекты. Одним из примеров такого рода пожаров может служить мощный развившийся пожар на штабеле 6-метровых досок (размеры такого штабеля 6x6x6 м) в караване штабелей на крупном складе товарной древесины или лесобирже. Пожар этот невелик по площади -всего 35-40 м2, но его Кп достигает 50-100 и более! И физическая поверхность реального и очень интенсивного горения так велика и труднодоступна для подачи ОС, что становится практически невозможным эффективно потушить такой пожар существующими сред-
ствами и техникой пожаротушения. Это хорошо известно многим опытным руководителям тушения пожара. Такой пожар не то чтобы вообще не тушат - его тушат, активно подают на пожар огромное количество ОС, используют разные технические возможности для подачи ОС внутрь штабеля. Но при всём при этом его только слегка «притушивают», снижая интенсивность горения горящего штабеля древесины и предотвращая распространение пожара на соседние штабели. А горящему дают «спокойно» догореть, выгореть и погаснуть.
Примерно такая обстановка может сложиться при определённых вариантах развития и распространения некоторых видов лесных пожаров, особенно при недостатке сил и средств для тушения. Весьма вероятна ситуация развития такого пожара, когда рациональнее не тушить сам очаг горения, а «дать ему возможность» более или менее безопасно догореть и потухнуть, по естественным законам диффузионного горения ТГМ лесного происхождения. А все имеющиеся силы и средства пожарной охраны, включая вертолётную авиацию, мобилизовать на создание заградительных, огнепреграждающих, огнезащитных полос, для гарантированной локализации очага лесного пожара в зоне его первичного возникновения и предотвращения распространения горения за пределы огнепреграждающей полосы. В такой ситуации твердеющие воздушно-механические комбинированные пены с регулируемым временем отверждения от 2-3 до 30-40 сек. и более становятся совершенно незаменимыми и внеконкурентными (рис. 6, 7).
Рисунок 6. Полное прекращение продвижения горения на границе соприкосновения с заградительной полосой
Рисунок 7. Создание пенной заградительной полосы с помощью: а - гусеничной пожарной машины твердопенного тушения; б - передвижного пожарного комплекса с УКТП «Пурга»;
в - ВВСУ «Пурга 30x2» на внешней подвеске вертолета МИ-8
С помощью любого способа подачи пены - ручными стволами или с барражирующего на малой высоте вертолёта - можно создать гарантированно надёжную огнезащит-
ную полосу с практически любой требуемой шириной и толщиной огнестойкого пенного покрытия, эффективно существующего в течение 10-15 и более дней.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдурагимов И. М, Андросов А. С., Исаева Л. К., Крылов Е. В. Процессы горения. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984. - 268 с.
2. Конев Э. В. Физические основы горения растительных материалов. - Новосибирск: Наука, 1977. - 240 с.
3. Абдурагимов И. М, Говоров В. Ю, Макаров В. Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. -М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980. - 255 с.
4. Асеева Р. М, Серков Б. Б., Сивенков А. Б. Горение древесины и её пожароопасные свойства. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. - 262 с.
5. Абдурагимов И. М. О нормативном времени тушения ординарных внутренних пожаров твердых горючих материалов // Пожарное дело. - 2007. - № 8. - С. 36.
6. Абдурагимов И. М. Механизмы огнетушащего действия средств пожаротушения / Сб. ст. по физике и химии горения и взрыва. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - С. 5, 46.
7. Абдурагимов И. М. Проблема тушения крупных лесных пожаров / Сб. ст. по физике и химии горения и взрыва. -М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - С. 55.
8. Абдурагимов И. М. Закупка новой партии Бе-200 -очередная ошибка МЧС РФ // Пожаровзрывобезопасность. -2012. - № 1. - С. 75-78.
9. Москвилин Е. А. Применение авиации для тушения лесных пожаров // Пожарная безопасность. - 2009. - № 1. -С. 89-92.
10. Абдурагимов И. М. Проблемы борьбы с лесными пожарами в России и всех лесообильных странах мира // Пожаровзрывобезопасность. - 2012. - № 9. - С. 79-87.
11. Абдурагимов И. М. Проблема тушения лесных и торфяных пожаров (тепловая теория тушения пожаров ТГМ на открытых пространствах и внутри зданий и сооружений) // Пожаровзрывобезопасность. - 2012. - № 10. - С. 66-77.
Abduragimov I., Kuprin G., Kuprin D. FAST-HARDENING FOAMS - A NEW ERA IN FIGHTING FOREST FIRES
ABSTRACT
Purpose. The article introduces the latest development in the field of fire and explosion prevention: fast - hardening foam (FHF) on the basis of the structured particles of silica. Its physicochemical properties, unique characteristics and advantages compared to existing most common means of fighting forest fires have been briefly described.
Methods. Fire extinguishing efficiency of FHF was checked in the laboratory, bench and field tests, in particular, during extinction of a model fire to compare it with the other extinguishing agents: water, foam-based synthetic hydrocarbon foam compound, foam-based fluorine-containing AFFF foam compound. FHF fire isolation properties were field tested by simulating a forest fire.
Findings. Fire tests have shown that 6 liters of fast-hardening foam solution were required to extinguish a wood pile, which is almost 9 times less than that of ordinary water, almost 4 times less than common medium expansion foam quantity (the same foam, but without a hardener), and almost 3,5 times less than water with an added AFFF wetting agent. In addition, it took FHF minimum time (6-7 seconds) to extinguish a burning pile compared to the other extinguishing agents (water with AFFF wetting agent
REFERENCES
1. Abduragimov I.M., Androsov A.S., Isaeva L.K., Krylov E.V. Protsessy goreniia [Combustion processes]. Moscow, VIPTSh MVD SSSR Publ., 1984. 268 p.
2. Konev E.V. Fizicheskie osnovy goreniia rastitel'nykh materialov [Physical basis of burning plant material]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1977. 240 p.
3. Abduragimov I.M., Govorov V.Yu., Makarov V.E. Fiziko-khimicheskie osnovy razvitiia i tusheniia pozharov [Physico-chemical basis of development and fighting fires]. Moscow, VIPTSh MVD SSSR Publ., 1980. 255 p.
4. Aseeva R.M., Serkov B.B., Sivenkov A.B. Gorenie drevesiny i ee pozharoopasnye svoistva [Water-combustion of wood and its flammable properties]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2010. 262 p.
5. Abduragimov I.M. About the normative time of extinguishing internal fires of ordinary solid combustible materials. Pozharnoe delo, 2007, no. 8, p. 36. (in Russ.).
6. Abduragimov I.M. Mekhanizmy ognetushashchego deistviia sredstvpozharotusheniia [Mechanisms of fire extinguishing action of fire extinguishing means. In sourcebook on physics and
solution - 20 seconds; medium expansion foam -25 seconds; ordinary water - 35 seconds).
It was found that a barrier line from fast-hardening foam does not allow the flames of a forest fire to overcome it.
Research application field. The highest efficiency of FHF can be achieved, for example, when extinguishing indoor fires of residential (including high rise) buildings, public and industrial structures; ammunition and hazardous chemical substances storage facilities; extinguishing and localizing forest and steppe fires; protecting building and loadbearing structures from destruction due to thermal effects of a fire in the process of fire extinction.
Conclusions. Unlike ordinary air-mechanical foam, fast-hardening foam has a long-term effect. When applied in forest conditions, it is not destroyed for a long time and does not flow down tree crowns, sticking to needles, branches and vegetative ground cover. It can be an obstacle to ground and crown fires break out and propagation during almost the whole fire season.
Key words: fast-hardening foam, extinguishing, solid combustible materials, forest fires.
chemistry of combustion and explosion]. Moscow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 2012, pp. 5, 46.
7. Abduragimov I.M. Problema tusheniia krupnykh lesnykh pozharov [Problem of extinguishing of large forest fires. In sourcebook on physics and chemistry of combustion and explosion]. Moscow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 2012. pp. 55.
8. Abduragimov I.M. Purchase of new parcel of Be-200 - next error of EMERCOM of Russian Federation. Pozharovzryvobezopasnost, 2012, no. 1, pp. 75-78. (in Russ.).
9. Moskvilin E.A. Use of aircraft for fighting forest fires. Pozharnaiabezopasnost, 2009, no. 1, pp. 89-92. (in Russ.).
10. Abduragimov I.M. The problems of fight against forest fires in russia and all rich-in-forests countries of the world (Who is guilty and what to do?). Pozharovzryvobezopasnost, 2012, no. 9, pp. 79-87. (in Russ.).
11. Abduragimov I.M. Problem of suppression of forest and peat fires (The thermal theory of suppression of solid combustible material fires on open spaces and inside buildings and constructions). Pozharovzryvobezopasnost, 2012, no. 10, pp. 66-77. (in Russ.).
iOSiF ABDURAGiMOV
GENNADY KuPRiN
DENiS KuPRiN
Doctor of Technical Sciences, Professor
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Candidate of Technical Sciences
JSC SIC "Sopot": the Contemporary Fire Fighting Technologies, St. Petersburg, Russia
JSC SIC "Sopot": the Contemporary Fire Fighting Technologies, St. Petersburg, Russia
