CC BY
18УДК 614.842.847 DOI 10.25257^.2017.4.50-55
Козлачков В. И.|, Волошенко А. А.
ОПЕРАТИВНАЯ ОЦЕНКА УГРОЗЫ ЛИЧНОМУ СОСТАВУ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ ОТ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
ПРИ ТУШЕНИИ ПОЖАРА
В действующем законодательстве личный состав подразделений ФПС МЧС России должен соблюдать требования, обеспечивающие защиту от воздействия опасных факторов пожара и (или) ограничение последствий воздействия опасных факторов пожара. В данной статье предлагается экспресс-оценка безопасного маневрирования личным составом пожарно-спасательных подразделений при проведении действий, связанных с тушением пожара с учётом влияния теплового потока. Для получения формулы был использован метод наименьших квадратов, основанный на минимизации суммы квадратов отклонений некоторых функций от искомых переменных.
Ключевые слова: безопасное расстояние, тепловой поток, угроза, маневрирование, федеральная противопожарная служба, личный состав.
Н
а сегодняшний день при оценке ситуации на пожаре не учитывается:
- оценка угрозы распространения опасных факторов пожара, в частности тепловой поток, оценка которого регламентируется законом № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (ст. 9), через проёмы в ограждающих конструкциях зданий, сооружений, пожарная опасность заполнения которых не нормируется (ч. 3 и 7 ст. 87);
- расчётная информация об определении конкретной безопасной границы работы личного состава от воздействия повышенных тепловых воздействий.
Однако подобные критерии входят в зону ответственности не только руководителей тушения пожара, но и государственного пожарного надзора (сотрудники ФПС МЧС России).
До сих пор проблема гармонизации оценки подобных ситуаций при тушении пожара пожарными подразделениями не решена. Для этого необходимо провести оценку работы пожарных подразделений, в которой будет учитываться угроза от повышенных тепловых воздействий, например, от воздействия теплового потока, используя только информацию, полученную визуальным путём.
Методика исследования и измерений. Проведение численного эксперимента и получение экспресс-формул от влияния теплового потока при пожаре на людей, участвующих в подаче огнетушащих веществ в очаг пожара, одетых в специальную защитную одежду и без неё, будет решением данной проблемы. Для редукции воздействия теплового потока и применения её в оперативном режиме можно воспользоваться методикой, представленной в приложении 3 государственного стандарта 12.1.004-91* «Пожарная безопасность. Общие требования», а также в работах [1-7].
Расчётная методика управления пожарными рисками при оценке воздействия лучистого тепла, передаваемого при пожаре через проёмы, выражается уравнением (1) лучистого теплообмена между телами, разделёнными прозрачной средой:
<7кр — епрО>
'О4 .100,1
100
Ф1-2.
(1)
где Ти - температура излучающей поверхности, К; Тдоп - допустимая температура на облучаемой поверхности, К; С0 - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, равный 5,7 Вт/(м2-К4); епр -приведённая степень черноты системы; ф1-2 - коэффициент облучённости между поверхностями.
Температура пламени Ти при горении твёрдых горючих материалов принята 1 000 °С. Допустимая температура Тдоп на облучаемой поверхности была выбрана на основе справочных данных. В этом случае приведённая степень черноты системы приближённо определяется по уравнению
1
1
пр
1 1,1 1 ,
—+--1 —+ —-1
= 0,649,
обл
0,7 0,9
где еи - степень черноты факела пламени (при горении древесины и изделий из неё принимается равной 0,7); еобл - степень черноты облучаемой поверхности (принимается равной 0,9).
При оценке воздействия критических значений теплового потока пожара коэффициент облучённости для одной четвёртой части площади поверхности определялся по формуле
Коэффициент облучённости между поверхностями тогда будет равен: ф1-2 = 4ф1-2 .
Результаты. Для определения безопасного расстояния были учтены параметры, указанные в таблицах 1—3. Значения высоты и ширины проёма составляют от 0,8 до 2,1 м с шагом 0,1 м. Численный эксперимент по определению воздействия теплового потока при горении твёрдых горючих материалов проводился с излучающей поверхностью, в качестве которой были выбраны: - кожа человека,
Таблица 1
Фрагменты численного расчёта по определению границы безопасного доступа, при котором учитывается воздействие критической интенсивности теплового излучения и времени её падения на кожу человека
Расчётные параметры Критическая интенсивность теплового излучения, кВт/м2
№ п/п Проём, ширинахвысота, мхм Температура излучающей поверхности, Ти , К Критическая температура облучаемой поверхности, К ритическое время облучения, с Безопасное расстояние, м
Ткр , К 1 2 3 1 2 3 1 2 3
1 0,8x0,8 1273 343 1,4 - 5,2547 7 Непереносимая 2,2591 10,5 Непереносимая 1,7976
2 0,8x0,9 1273 343 1,4 - 5,5694 7 боль через 20-30 2,3871 10,5 боль через 3-5 1,8957
... ... ... ... ...
195 2,1x2,0 1273 343 1,4 - 13,4650 7 Непереносимая 5,7952 10,5 Непереносимая 4,6147
196 2,1x2,1 1273 343 1,4 - 13,7938 7 боль через 20-30 5,9302 10,5 боль через 3-5 4,7189
Таблица 2
Фрагменты численного расчёта по определению границы безопасного доступа, при котором учитывается воздействие критической интенсивности теплового излучения и времени её падения на специальную защитную одежду пожарного общего назначения
№ п/п Проём, ширинахвысота, мхм Температура излучающей поверхности, Ти , К Критическая температура облучаемой поверхности, Ткр , К Критическая интенсивность теплового излучения, кВт/м2 Критическое время облучения, с Безопасное расстояние, м
1 0,8x0,8 1273 473 4,2 - 2,9534
2 0,8x0,9 1273 473 4,2 - 3,1255
... ...
195 2,1x2,0 1273 473 4,2 - 7,5722
196 2,1x2,1 1273 473 4,2 - 7,7528
Таблица 3
Фрагменты численного расчёта по определению границы безопасного доступа личного состава, при котором учитывается воздействие критической интенсивности теплового излучения и времени её падения на специальную защитную одежду пожарного изолирующего типа
№ п/п Проём, ширинаxвысота, MxM Температура излучающей поверхности, Ти , К Критическая температура облучаемой поверхности, Ткр , К Критическая интенсивность теплового излучения, кВт/м2 Критическое время облучения, с Безопасное расстояние, м
1 0,8x0,8 1273 473 5 240 2,6914
2 0,8x0,9 1273 473 5 240 2,8469
... ...
195 2,1x2,0 1273 473 5 240 6,9015
196 2,1x2,1 1273 473 5 240 7,0649
2л
агс^
где а - высота факела пламени в оконном проёме; Ь - половина ширины факела пламени в оконном проёме; г - расстояние между излучающей и облучаемой поверхностью.
- специальная защитная одежда пожарного общего назначения (боевая одежда пожарного),
- специальная защитная одежда пожарного изолирующего типа [8].
По методу наименьших квадратов были получены упрощённые расчётные формулы для определения значений безопасного расстояния г с учётом воздействия поверхностной плотности теплового потока и изменения высоты и ширины проёма с величиной достоверности аппроксимации R2.
Графическая зависимость безопасных расстояний от ширины проёма была получена в результате изменения расчётных значений высоты в диапазоне от 0,8 до 2,1 м в каждом значении ширины. Аналогично была получена графическая зависимость безопасных расстояний от высоты проёма в результате изменения расчётных значений ширины проёма в диапазоне от 0,4 до 1,05 м в каждом значении высоты (рис.).
Ниже представлены экспресс-формулы по определению безопасного расстояния г в зависимости от площади и времени воздействия факела пламени из проёма на поверхности:
1) кожа человека (1,4 кВт/м2) - неограниченное время:
г = (-0,0002 ((Ь - 0,7)/0,1)2 + + 0,0157 ((Ь - 0,7)/0,1) + 0,2266)х х((а - 0,7)/0,1) + (-0,0045 ((Ь - 0,7)/0,1)2 + + 0,3114 ((Ь -0,7)/0,1) + 4,8624);
9
8-
м 7 -
ф' 6-
н 5 -
от ст 4-
с а 3-
о_ 2-
1-
0
у = -0[00фхР + 0|3114х + 4,8624
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Ширина, м а
5 4 3 2 1
0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 Высота, м б
Графическая зависимость значений ширины проёма (а) и высоты проёма (б) на безопасное расстояние г до облучаемой поверхности (кожа человека) при неограниченном воздействии теплового потока, величина достоверности аппроксимации R2 = 0,9999
2) кожа человека (7,0 кВт/м2) - непереносимая боль через 20-30 с:
г = (-0,0001 ((Ь - 0,7)/0,1)2 + 0,0079 ((Ь - 0,7)/0,1) +
+ 0,0836)х((а -0,7)/0,1) + (-0,0022 ((Ь - 0,7)/0,1)2 +
+ 0,1384 ((Ь - 0,7)/0,1) + 2,1107);
3) кожа человека (10,5 кВт/м2) - непереносимая боль через 3-5 с:
Г = (-0,0001 ((Ь - 0,7)/0,1)2 + 0,0069 ((Ь - 0,7)/0,1) + 0,0597)х((а - 0,7)/0,1) + (-0,0019 ((Ь - 0,7)/0,1)2 + + 0,1126 ((Ь - 0,7)/0,1) + 1,6889);
4) специальная защитная одежда пожарного общего назначения (4,2 кВт/м2) - неограниченное время:
Г = (-0,0001 ((Ь - 0,7)/0,1)2 + + 0,0096 ((Ь - 0,7)/0,1) + 0,1181)х((а - 0,7)/0,1) + + (-0,0027 ((Ь - 0,7)/0,1)2 + + 0,1779 ((Ь - 0,7)/0,1) + 2,7466);
5) специальная защитная одежда пожарного изолирующего типа (5,0 кВт/м2) - в течение 240 с:
г = (-0,0001 ((Ь - 0,7)/0,1)2 +
+ 0,0089 ((Ь - 0,7)/0,1) + 0,1052)х((a - 0,7)/0,1) +
+ (-0,0024 ((Ь - 0,7)/0,1)2 +
+ 0,161 ((Ь - 0,7)/0,1) + 2,5221),
где Ь - ширина проёма, м; a - высота проёма, м.
Расчeт погрешности измерений и сравнительный анализ. Для определения точности применения и отражения близости результатов измерений следует провести сравнительный анализ результатов расчётов по методике и экспресс-формулам (табл. 4), предварительно воспользовавшись формулой
е. =
АХ \ХК<Я~Х\
ист измер
100%,
где ех - относительная погрешность; Ax - абсолютная погрешность; х - истинное значение; х -
г 1 ист 1 измер
измеряемая величина.
Таблица 4
Результаты анализа расчётов по определению границы безопасного доступа
Характеристики площади факела пламени Высота проёма, а, м Ширина проёма, Ь, м Критическая интенсивность теплового излучения, кВт/м2 Расстояние г по методике, м Расстояние г по экспресс-формуле, м Относительная погрешность, %
0,8 0,8 5,0 2,6914 2,7947 3,84
1,15 1,8 5,0 4,7762 4,7734 0,06
2,07 0,84 10,5 2,6551 2,7399 3,19
1,59 1,87 1,4 11,3353 11,2976 0,33
Результаты сравнительного анализа расчётов показывает высокую точность измерений, что соответствует малым относительным погрешностям результатов, не превышающих 3,84 %.
Для оценки воздействия теплового потока при применении в практической деятельности данной расчётной методики и разработанной экспресс-методики авторы настоящей статьи провели сравнительный анализ (табл. 5).
Результаты сравнительного анализа предварительной оценки риска, связанного с угрозой влияния лучистого теплового потока от пожара на личный состав пожарно-спасательных подразделений, показал значимую эффективность практического применения экспресс-метода в практической деятельности - время, необходимое для применения расчётного метода составляет порядка 25 мин, а по экспресс-формулам - не более 1 мин.
Личный состав подразделений ФПС МЧС России при тушении пожаров и проведении аварийно-спасательных работ должен соблюдать требования нормативно-правовых актов (приказ Министерства труда и социальной защиты РФ от 23 декабря 2014 года № 1100н «Об утверждении Правил по охране труда в подразделениях федеральной противопожарной службы Государственной противопожарной службы»; приказ МЧС РФ от 31 марта 2011 года № 156 «Об утверждении
ЛИТЕРАТУРА
1. Кошмаров Ю. А, Башкирцев М. П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. Учебник. - М.: Высшая инженерная и пожарно-техническая школа МВД СССР, 1987. - 400 с.
2. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров / пер. с англ. К. Г. Бомштейна; под ред. Ю. А. Кошмарова, В. Е. Макарова. - М.: Стройиздат, 1990. - 424 с.
3. Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1-2. Общие воздействия. Воздействия для определения огнестойкости (ТКП БЫ 1991-1-2-2009) [Электронный ресурс] // ФГУП «Стандартинформ» [сайт]. Режим доступа: http://www.vniiki.ru/ collection.aspx?control=40&id=5312916&catalogid=eurocode_aus (Дата обращения 05.12.2017 г.)
4. Гоман П. Н, Соболевская Е. С. Разработка программы расчёта интенсивности теплового излучения при пожаре [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. - 2016. - Вып. 1 (65). - С. 250-257. Режим доступа:
Таблица 5
Сравнительный анализ применения для работы с методами
Методы Количество формул Количество расчётных показателей Время, мин
Расчётный метод 6 12 25
Экспресс-метод 1 2 1
Порядка тушения пожаров подразделениями пожарной охраны») и документов [9], обеспечивающие защиту от воздействия опасных факторов пожара и (или) ограничение последствий воздействия опасных факторов пожара.
Условия применения данных формул позволили обобщить условия по оценке риска распространения опасных факторов пожара, в частности уделялось внимание оценке угрозы воздействия теплового потока от пожара на различные материалы:
- критической интенсивности теплового излучения и времени ее падения;
- высоте и ширине излучаемого проёма.
Полученные экспресс-формулы просты в применении для сотрудников ФПС МЧС России [10, 11] при проведении пожарно-тактических учений, занятий или тренировок по ликвидации пожара.
http://academygps.ucoz.ru/ttb/2016-1/2016-1.html (Дата обращения 05.12.2017 г.)
5. Козлачков В. И., Лобаев И. А, Ягодка Е. А, Богатов А. А, Проценко А. Ю. Экспресс-оценка безопасных расстояний до пожарной нагрузки с учётом расчётного времени эвакуации людей [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. - 2015. - Вып. 4 (62). - С. 74-83. Режим доступа: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2015-4/2015-4.html (Дата обращения 05.12.2017 г.)
6. Хабибулин Р. Ш. Конечно-элементное моделирование теплового состояния резервуара в условиях воздействия лучистых тепловых потоков пожара // Безопасность жизнедеятельности. - 2009. - № 1. - С. 40-42.
7. Соболь В. Р., Гоман П. Н., Януть В. И. О влиянии формы протяженного теплового источника на плотность лучистого потока энергии // Весц Белорусского государственного
педагогического университета имени Максима Танка. Сер. 3 <^зжа. Матэматыка. 1нфарматыка. Бiялогiя. Геаграфiя». -2010. - № 4. - С. 3-8.
8. Болибрух Б. В., Хмель М. Разработка и верификация расчётной модели теплового состояния теплозащитной одежды пожарного при различных видах испытаний // Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza. - 2015. - Т. 38, № 2. - С. 53-61. DOI: 10.12845/bitp.38.2.2015.4.
9. Методические рекомендации по действиям подразделений федеральной противопожарной службы при тушении пожаров и проведении аварийно-спасательных работ от 26.05.2010 № 43-2007-18 [Электронный ресурс] // Правовая Россия [сайт]. Режим доступа: http://lawru.info/dok/2010/05/26/n220225.htm (Дата обращения 05.12.2017 г.).
10. Козлачков В. И., Лобаев И. А, Волошенко А. А. Проблема оценки пожарных рисков при применении требований пожарной безопасности по ограничению распространения пожара [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. - 2016. - Вып. 2 (66). - С. 79-81. Режим доступа: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2016-2/2016-2.html (Дата обращения 05.12.2017 г.).
11. Козлачков В. И., Ягодка Е. А., Волошенко А. А. Оценка пожарных разрывов с учётом воздействия теплового потока на имущество [Электронный ресурс] // Технологии техно-сферной безопасности. - 2016. - Вып. 3 (67). Режим доступа: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2016-3/2016-3.html (Дата обращения 05.12.2017 г.).
Материал поступил в редакцию 26 июня 2017 года.
Kozlachkov V.|, Voloshenko A.
OPERATIONAL EVALUATION OF HEAT FLUX THREATS TO PERSONNEL OF FIRE AND RESCUE UNITS WHEN EXTINGUISHING A FIRE
ABSTRACT
Purpose. According to the current laws the personnel of units of the Federal Fire Service of EMERCOM of Russia must keep up the requirements that provide protection from foreground risks and (or) limitation of their consequences during fire and escue operations.
Methods. In order to solve this problem we propose to evaluate the safe maneuvering of personnel of fire and rescue units during tactical fire-fighting operations with regard to heat flux exposure. We have used the following as a surface exposed to heat flux: human skin withstanding heat flux exposure for indefinite time, human skin withstanding heat flux exposure that causes severe pain in 20-30 seconds; human skin withstanding heat flux exposure that causes severe pain in 3-5 seconds; a fire entry suit withstanding heat flux exposure for indefinite time; a protective aluminized fire proximity suit withstanding heat flux exposure for 240 seconds.
Findings. The results of the comparative analysis of the preliminary risk assessment related to the threat of the influence of radiant heat flux from fire to the personnel of fire and rescue units have shown significant effectiveness of the practical field application of the express method.
Research application field. The obtained express formulae of the influence of radiant heat flux spreading through openings in case of fire will be the basis for the safe work boundary definition to ensure successful maneuvering while conducting fire fighting activities.
Conclusions. Critical intensity of heat flux, its exposure time, height and width of openings are needed data for operational evaluation of heat flux exposure threats (during fire drills).
Key words: safe distance, heat flux, threat, maneuvering, Federal Fire Service, personnel.
REFERENCES
1. Koshmarov Yu.A., Bashkirtsev M.P. Termodinamika i teploperedacha v pozharnom dele [Thermodynamics and heat transfer in firefighting]. Moscow, Vysshaia inzhenernaia i pozharno-tekhnicheskaia shkola MVD SSSR Publ., 1987. 400 p.
2. Drysdale D. An introduction to fire dynamics. New York, John Wiley and Sons, Chichester, 1985. 424 p. [Russ. ed.: Vvedenie v dinamiku pozharov.Trans. by K.G. Bomshteina; Ed. by Yu.A. Koshmarova, V.E. Makarova Moscow, Stroiizdat Publ., 1990. 424 p.].
3. Eurocode 1. Impact on the structure. Part 1-2. General effects. Impacts for determining fire resistance (TCH EN 1991-12-2009), Federal Unitary Enterprise "Standartinform", available at: http://www.vniiki.ru/collection.aspx?control=40&id=5312916&cat alogid=eurocode_aus (accessed December 5, 2017). (in Russ.).
4. Goman P.N., Sobolevskaya E.S. Program for calculation of intensity of thermal radiation in case of fire. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, vol. 1 (65), pp. 250-257, available at: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2016-V2016-1.html (accessed December 5, 2017). (in Russ.).
5. Kozlachkov V.I., Lobaev I.A., Yagodka E.A., Bogatov A.A., Protsenko A.Y. Rapid assessment safe distance from the fire load based on the expected temporary evacuation of people. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2015, vol. 4 (62), pp. 74-83, available at: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2015-4/ 2015-4.html (accessed December 5, 2017). (in Russ.).
6. Khabibulin R.Sh. Finite-element modelling of thermal state of a tank exposured to radiant heat fluxes of a fire. Bezopasnost' zhiznedeiatel'nosti, 2009, no. 1, pp. 40-42. (in Russ.).
7. Sobol' V.R., Goman P.N., Ianut' V.I. On the influence of the shape of an extended thermal source on the density of the radiant energy flux. Vestsi Belorusskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta imeni Maksima Tanka. Ser. 3 "Fizika. Matematyka. Infarmatyka. Biialogiia. Geagrafiia", 2010, no. 4, pp. 3-8. (in Russ.).
8. Bolibrukh B. V., Khmel' M. Development and Verification of a Mathematical Model Dealing with Thermal Protective Garments for Different Types of Tests. Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza,
2015, vol. 38, no. 2, pp. 53-61. DOI: 10.12845/bitp.38.2.2015.4 (in Russ.).
9. Methodical recommendations on the actions of the units of the federal firefighting service in extinguishing fires and carrying out rescue and rescue operations of May, 26, 2010, no. 43-2007-18, Legal Russia, available at: http://lawru.info/dok/ 2010/05/26/n220225.htm (accessed December 5, 2017). (in Russ.).
10. Kozlachkov V.I., Lobaev I.A., Voloshenko A.A. The problem of fire risk assessment in applying the fire safety requirements to limit the spread of fire. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, vol. 2 (66), pp. 79-81, available at: http:// academygps.ucoz.ru/ttb/2016-2/2016-2.html (accessed December 5, 2017). (in Russ.).
11. Kozlachkov V.I., Yagodka E.A., Voloshenko A.A. Assessment of fire breaks taking into account the impact of heat flow on the property. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal,
2016, vol. 3 (67), available at: http://academygps.ucoz.ru/ttb/ 2016-3/2016-3.html (accessed December 5, 2017). (in Russ.).
VASiLi Kozlachkov
ALEKSEi Voloshenko
Grand Doctor of Philosophy in Philosophical Sciences, Professor
Doctor of Philosophy in Pedagogic Sciences,
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
