CC BY
21
УДК 64.841
ОЦЕНКА РИСКА ВОЗГОРАНИЯ ОБОЛОЧКИ ВОЗДУХООПОРНОГО СООРУЖЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ
В. И. ПРИСАДКОВ, С. В. МУСЛАКОВА, С. Ю. ХАТУНЦЕВА
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных
бедствий» (ФГБУ ВНИИПО МЧС России), Российская Федерация, г. Балашиха E-mail: [email protected]
Введение. При использовании помещений в воздухоопорных сооружениях (ВОС) для ремонта и хранения мобильной техники, занятий спортом, складирования материалов необходимо знать пожарную опасность сооружений. Пожарная опасность ВОС заключается в риске загорания материала оболочек от очагов пожара, которые, в принципе, могут быть потушены первичными средствами пожаротушения до наступления момента загорания материала оболочки. Методы. В статье рассмотрен случай воспламенения оболочки при ее контакте с факелом пламени над очагом пожара, температура которого заведомо выше температуры воспламенения материала оболочки. Рассмотрены два варианта очагов пожара: горение пролива легковоспламеняющейся жидкости и горение штабеля брусков (мебели) на полу ВОС. Используя работу Gunnar Yeskestad, получены аналитические выражения для высоты факела относительно уровня размещения пожарной нагрузки на уровне пола. Высота факела зависит от ряда изменяющихся входных параметров: эквивалентного диаметра площади горения, коэффициента полноты сгорания, скорости выгорания, низшей теплоты сгорания продуктов пиролиза (испарения жидкости), стехиометрического соотношения по воздуху газообразных продуктов пиролиза, низшей теплоты сгорания. Результаты. Высота факела приведена к виду, в котором входным аргументом (фактором) является объем пролитой горючей легковоспламеняющейся жидкости или площадь складируемой на уровне пола мебели (брусков из древесины), участвующих в пожаре. В статье приведены значения высоты факела пламени над двумя видами очагов пожара: для объема пролитого бензина, изменяющегося в диапазоне от 0,5 л до 10 л, и для площади горения мебели в диапазоне от 0,5 до 10 м2. Обсуждение. В статье получены в координатах («объем-высота» и «площадь-высота») границы зон безопасности объема пролитого бензина V и площади горения мебели S при заданной высоте оболочки Н над местом возникновения очага пожара. Практическая значимость. Предложенный инженерный метод позволяет количественно оценивать пожарную опасность, возникающую в условиях эксплуатации воздухоопорных сооружений и разработать соответствующие организационно-технические мероприятия.
Ключевые слова: факельное горение, пожарная опасность, профилактика обрушения, условия воспламенения.
ASSESSMENT OF RISK OF IGNITION OF THE COMPRESSED AIR SUPPORT CONSTRUCTIONS COVER IN CASE OF FIRE
V. I. PRISADKOV, S. V. MUSLAKOVA, S. YU. KHATUNTSEVA
Federal state budgetary institution «All-Russian order» badge of Honor research Institute of fire defense of EMERCOM of Russia, Russian Federation, Balashikha E-mail: [email protected]
Introduction. It is necessary to know the fire danger of constructions for using the premises in the compressed- air constructions (VOS) for the repair and storage of mobile equipment, sports, warehousing of materials. The fire danger of VOS is in the risk of inflammation of the material of the covers from the fire sources, which, in principle, can be extinguished by primary means of fire extinguishing meansbefore the
© Присадков В. И., Муслакова С. В., Хатунцева С. Ю., 2019
89
moment of ignition of the cover material. Methods. The article reviews the case of inflammation of the cover in contact with the flame torch above the fire source, the temperature of which is obviously higher than the inflammation temperature of the cover material. Two variants of fire source are considered: the burning of a spill of flammable liquid or the burning of a stack of bars (furniture) on the VOS floor. Using the work of Gun-nar Yeskestad, analytical expressions for the height of the torch relative to the level of placement of the fire load at the floor level are obtained. The height of the torch depends on a number of changing input parameters: the equivalent diameter of the combustion area, the burnout rate, burnout rate, the lowest heat of combustion of pyrolysis products (liquid evaporation), the stoichiometric air ratio of gaseous pyrolysis products, the lowest heat of combustion. Results. The height of the torch is given to the form in which the input argument (factor) is the volume of spilled flammable flammable liquid or the area of furniture stored at the floor level (bars of wood) involved in the fire. The article presents the height values of the torchabove two types of fire sources for the volume of spilled petrol, varying in the range from 0.5 I to 10 I, and for the burning area of furniture in the range from 0.5 to 10 m2.Discussion. The article obtained in the coordinates ("volume-height" and "area height") of the border security zone of the volume V of spilled gasoline and burning area furniture S at a given shell height H above the center of the fire. Practical significance. The proposed engineering method allows to quantify the fire danger arising in the conditions of operation of compressed- air constructions and to develop appropriate organizational and technical actions.
Keywords: flare burning, fire danger, prevention of collapse, the conditions of ignition.
ВВЕДЕНИЕ
Воздухоопорные конструкции с избыточным внутренним давлением, тентовые каркасные сооружения (далее объекты) находят широкое применение в различных областях. Априори их относят к зданиям (сооружениям) \/-ой степени огнестойкости.
Объекты используются для спортивных и оздоровительных целей, включая массовые мероприятия, для укрытия техники от атмосферных воздействий. В ряде случаев они квалифицируются как временные сооружения.
Воздухоопорные сооружения в силу используемых горючих материалов в оболочках объектов обладают высокой пожарной опасностью. При этом важным практическим вопросом является изучение условий защиты оболочек от локальных очагов пожаров, расположенных на полу оболочек(мебели, оборудования, проливов жидкостей).
Следует отметить, что данная информация отсутствует в пожарно-технической литературе.
Таким образом, целью настоящей статьи является снижение пожарных рисков воз-духоопорных сооружений, связанных с их применением. Для ее достижения решалась следующая задача:
определение высоты факела при горении пролива горючих жидкостей в зависимости от объема пролитой жидкости;
определение высоты факела при горении твердых материалов в зависимости от площади горения.
Количественные оценки высоты факела, при контакте которого с оболочкой возникает разрушение оболочки, позволяет разра-
ботать профилактические мероприятия по предотвращению подобных ситуаций.
Модель оценки риска воспламенения оболочек, изготовленных из полимерных материалов, например, полиэфирной ткани с покрытием из поливинилхпорида (ПВХ), армированной полиэфирной (полиэстироловой) сеткой. ПВХ ткани оболочек имеют толщину 0,5-0,8 мм [1].
По литературным данным температура воспламенения ПВХ пленки может составлять 350-420 °С [2].
В силу отсутствия достоверных данных примем, что пленка оболочки воспламеняется, если факел пламени коснется пленки оболочки (достаточное условие воспламенения).
Рассмотрим два случая пожара в объеме ВОС при следующих предположениях.
1. Пожарная нагрузка - сосредоточена на полу ВОС в виде пролива ЛВЖ или мебели из древесины.
2. Очаг пожара расположен достаточно далеко от боковых поверхностей ВОС и пристеночными эффектами пламени, радиационным потоком от пламени на боковые поверхности оболочки пренебрегаем.
3. Циркуляционные потоки воздуха от конвективной колонки пожара, нарушающие устойчивость факела, не учитываем.
4. Температура окружающей среды для факела в ВОС принимается равной Тх = 293 К.
Согласно [3], высота факела над уровнем размещения пожарной нагрузки, в данном случае уровнем пола, равна, м,
2
L = -\,02D + AQ5, (1)
где О — эквивалентный диаметр площади горения, м; <2 — мощность тепловыделения при горении пожарной нагрузки, кВт, рассчитываемая как
жара
Эквивалентный диаметр площади по-
(4)
(2)
где т| - коэффициент полноты сгорания; \]/ -
скорость выгорания, кг/м2-с; 5 - площадь горения, м2; Нс - низшая теплота сгорания, кДж/кг и коэффициент
А = 15,6-
С Т
gpÜHjrf
(3)
где Ср - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/кг-К; Тк - температура и плотность воздуха рк окружающей среды, К; кг/м3 соответственно, д- ускорение свободного падения, м/с2; г - стехиометрическое соотношение по воздуху газообразных продуктов пиролиза (испарения жидкостей).
Рассмотрим пожар на уровне пола ВОС, вызванный горением паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей с объемом пролива V, л, например, бензина, где V измеряется в литрах, 10 3 м 3. Площадь пролива бензина 5 = \/50, где 50 - площадь розлива 1 л бензина на полу, м2.
На основе данных [4] рассчитаем стехиометрическое соотношение г при горении паров бензина в воздухе
г = $-рх ,
где 3 — объем воздуха, требующийся на сгорание 1 кг газообразного горючего. Для бензина .9 = 11,6 м3/кг при р^ =1,24 кг/м3 [4]. Поэтому (7 = 273 °К) принимается г = 14,37.
При Нс =44094 кДж/кг найдем
Н 44094
—£- =-= 3068кДж/кг; Ср = 1,00
г 14,37
кДж/кг-К, Т^ = 293 К, д =9,81 м/с2, *Р=0,049 кг/м2с, рк = 1,20 кг/м3 [3] и по формуле (3)
Г -|!/5
1 0•293
А = 15,6- --- = 0,231м-кВт
9,81-1,22 -30683
-2/5
.(5)
Подставляя формулы (2), (4) и (5) и численные значения входных параметров в формулу (1), получим: (при г|=0,85)
L = -1,02-2
J^i + 0,231 • (0,8 5 • 0,049 • VS0 • 44094)2'5 = -1,15 • (V • S0 j'2 + 4,67 -(V-S0 f'5.
(6)
Примем, что площадь пролива 1 л бензина на горизонтальном полу, не пропускающим жидкость, равна 50 = 1 м2. Поэтому высота пламени при горении пролива бензина
L = -1,5 Vm + 4,67 -(Vj
2/5
(7)
Рассмотрим пожар в ВОС в месте складирования мебели из древесины, расположенной на уровне пола. Площадь горения S, влажность древесины 20 %.
Приведенный диаметр очага пожара
D = 2.il.
Стехиометрический коэффициент продуктов пиролиза для древесины при 30 =3,74 м3/кг равен [4]:
по [4]
r = ^о ' Po = 3,74-1,29 = 4,84. Скорость выгорания древесины примем
Удр =
0,019кг/(м2 - с)
и при низшей теплоте сгорания древесины Нс=13800 кДж/кг
г 4,84
и 0 = 0,85 • 0,019 • 13 800- £ = 222,9 • £ кВт,
где [5] м2.
Поэтому по формуле (3):
,4 = 15,6-
1,0-293
9,8-l,22(285l)3
= 0,242м-кВт
Следовательно,
Ь = -1,021) + 0,242- (222,9 • =
1 2
= -1,15- +2Д0-51. (8)
Если высота помещения в месте возможного очага пожара равна Ни, то критический объем пролива бензина, 1/кр, л, при которой с высокой вероятностью возникает воспламенение оболочки, определяется из уравнения (7) при /_=/-/
4,67^ -Н = 0. (9)
Аналогично, предельную площадь размещения мебели (штабеля из брусков древесины), Бф, при известной высоте помещения Ни, можно установить из уравнения (8), положив /_=/-/ и 5=5кр.
2д4-1,54-Я = 0. (10)
Значения 1/и 5, соответствующих областям безопасности в координатах (V, Н) или (5, Н) можно легко определить из выражений (9) или (11), соответственно, путем замены знака «неравенства» на знак «меньше» в формулах (9) и (10).
Далее необходимо остановиться на вероятностном аспекте задачи.
Как известно, диффузные пламена за счет архимедовых сил всплывают и постоянно изменяются в пространстве, пульсируют вдоль вертикальной оси. Согласно определению высоты по Е.Е. 2икоБк1 [5] за высоту пламени принимается высота, при которой верхняя точка факела находится в пламени 50 % времени от времени пожара. То есть, языки пламени могут отрываться и подниматься на большую высоту с меньшим временем пребывания. Вопрос заключается в том, могут ли отдельные проскоки пламени зажечь оболочку ВОС. В настоящее время ответа на этот вопрос нет.
Анализ результатов расчетов.
Из формулы (7) для пролива V = 1 л бензина /_= -1,5+4,67=3,17 м.
В табл. 1 представлена зависимость высоты пламени от объема пролитого ЛВЖ (бензина).
Аналогично из формулы (8) находим высоту пламени при горении древесины в очаге. Например, при 5=4 м2 получим
2
Ь = -1,15 • л/4 + 2,10 • (4У = -2,3 + 3,66 = 1,3 3 м.
В табл. 2 приведена зависимость высоты пламени от площади горения мебели.
Таблица 1. Зависимость высоты факела от объема пролива бензина
Объем пролива бензина, V, 10 "3 м 3 Высота пламени, Н, м
0,5 2,4
1 3,2
2 4,0
4 5,0
6 6,0
10 6,9
Таблица 2. Зависимость высоты пламени от площади горения мебели
Площадь горения мебели (брусков), S, м2 Высота пламени, Н, м
0,5 0,80
1 0,95
2 1,10
4 1,30
6 1,45
10 1,60
Приведенные результаты позволяют, во-первых, количественно оценить потенциальный риск размещения пожарной нагрузки в объекте воздухоопорного сооружения с точностью до места размещения с учетом высоты оболочки, во-вторых, выделить наиболее опасные места размещения пожарной нагрузки, включая ЛВЖ и ГЖ.
ВЫВОДЫ
На примерах горючей жидкости -бензина и древесины - получены аналитические формулы для оценки безопасной высоты помещения под воздухоопорной оболочкой в зависимости от площади твердой пожарной нагрузки или площади пролива горючих жидкостей на полу помещения под оболочкой.
Для заданной высоты помещений и параметров пожарной нагрузки установлены границы безопасных площадей пролива жидкостей или размещения материалов из древесины безопасные в части риска воспламенения оболочек при пожаре.
Разработан инженерный метод оценки риска воспламенения оболочек с учетом их применения, предназначенный для практической работы инспекторам пожарной охраны и специалистам по профилактике пожаров.
Список литературы
1. Википедия. Материалы оболочек. Стр. архив. http:/strog-archiv.ru/vozduhooporne-zdaniya/340-materialy-obolochek.htme
2. Корольченко А. Я. Пожаровзрыво-безопасность веществ и материалов и средств их тушения. Справочник. М.: Ассоциация «По-жнаука», 2000. Ч. II.
3. Handbook of fire Protection Engineering. Third Edition CHAPTE 2-1/ Fire Plumes, Flame Height, and Air Entrainment. Gunnar Heskestad.
4. Иванников В. П., Клюс П. П. Справочник руководителя тушения пожара. М.: Стройиздат, 1987. 288 с.
5. Zukoski Е. Е., Getegen В. М. And Ku-bota, 20th Symposium on Combustion. Combustion Jnstitiote. Pittsburgh. PA (1985).
References
1. Wikipedia. The materials of shells. Build archive. http:/strog-archiv.ru/vozduhooporne-zdaniya/340-materialy-obolochek.htme
2. Korol chenko A. Ya. Pozharovzryvobe-zopasnost' veshchestv i materialov i sredstv ikh tusheniya. Spravochnik [Fire and explosion safety of substances and materials and means of their extinguishing. Handbook], Moscow, 2000, part II.
3. Handbook of fire Protection Engineering. Third Edition CHAPTE 2-1/ Fire Plumes, Flame Height, and Air Entrainment. Gunnar Heskestad
4. Ivannikov V. P., Klyus P. P. Spravochnik rukovoditelya tusheniya pozhara [Directory of the head of fire extinguishing], Moscow: Stroizdat, 1987, 288 p.
5. Zukoski E. E., Getegen B. M. And Ku-bota, 20th Symposium on Combustion. Combustion Jnstitiote. Pittsburgh. PA (1985).
Присадков Владимир Иванович ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Российская Федерация, г. Балашиха
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник E-mail: [email protected] Prisadkov Vladimir Ivanovich
Federal state budgetary institution «All-Russian order» badge of Honor research Institute of fire defense of EMERCOM of Russia, Russian Federation, Balashikha
Doctor of Technical Sciences, Professor, Main researcher E-mail: [email protected]
Муслакова Светлана Витальевна
ФГБУ ВНИИПО МЧС России,
Российская Федерация, г. Балашиха
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
E-mail: [email protected]
Muslakova Svetlana Vital yevna
Federal state budgetary institution «All-Russian order» badge of Honor research Institute of fire defense
of EMERCOM of Russia,
Russian Federation, Balashikha
Candidate of Technical Sciences, Leading researcher
E-mail: [email protected]
Хатунцева Светлана Юрьевна ФГБУ ВНИИПО МЧС России, Российская Федерация, г. Балашиха старший научный сотрудник. E-mail: [email protected] Khatuntseva Svetlana Yuryevna
Federal state budgetary institution «All-Russian order» badge of Honor research Institute of fire defense
of EMERCOM of Russia,
Russian Federation, Balashikha
Senior Researcher
E-mail: [email protected]
