Разработка метода оценки пожарных рисков твердых горючих веществ и материалов на производственных и складских объектах Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

И. К. Бакиров

старший преподаватель ГОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет", г. Уфа, Республика Башкортостан

УДК 614.842/49;84/076

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ПОЖАРНЫХ РИСКОВ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ НА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ И СКЛАДСКИХ ОБЪЕКТАХ

Рассмотрены проблемы определения расчетных величин пожарных рисков по методике, утвержденной в МЧС России; предложен другой подходкопределениюпожарных рисков твердых горючих веществ; использованы материалы по количеству пожаров в России.

Ключевые слова: пожарный риск; допустимый пожарный риск; опасные факторы пожара; удельная массовая скорость выгорания; вероятность.

С введением с 1 мая 2009 г. Технического регламента о требованиях пожарной безопасности большую актуальность приобретает оценка пожарных рисков, экспертиза проектной документации, пожарный аудит, разработка декларации пожарной безопасности. В связи с этим ВНИИПО разработаны и утверждены две методики определения расчетных величин пожарных рисков на производственных объектах и объектах разной функциональной пожарной опасности. Разработан также проект методики оценки пожарного риска для зданий (помещений), в которых обращаются легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. Однако до сих пор отсутствует методика оценки пожарных рисков для твердых горючих материалов.

Важной характеристикой при определении пожарных рисков является вероятность возникновения пожара. Основные формулы для определения пожарных рисков состоят из произведения вероятностей. Согласно статистическим данным [1] количество пожаров по видам твердых горючих материалов в России за два последних года распределялось следующим образом (табл. 1).

Известно также общее количество пожаров и погибших на них в РФ: в 2010 г. — 179 098 пожаров (что на 4,5 % меньше, чем в прошлом году), погибло свыше 12 983 чел. (на 6,9 % меньше по сравнению с прошлым годом); в 2009 г. — 187 490 пожаров, погибло 13 933 чел.; в 2008 г.—202 002 пожаров (-7,2 %), погибло 15 301 чел. (-8,9 %).

Таблица 1. Распределение количества пожаров по видам твердых горючих материалов в РФ

Твердый горючий материал 2009 г. 2010 г.

Деревянные, бумажные изделия и материалы 70986 65329

Строительные материалы 11200 11968

Отделочные материалы 11780 12382

Одежда, текстиль, спальные принадлежности 18281 15984

Теплоизоляционные и гидроизоляционные материалы 2610 2199

Мебель 7747 6452

Отходы производства, прочие материалы (мусор) 17021 13157

Изоляционные материалы токоведущих частей 24783 26306

Прочие материалы - 5853

Материал не установлен 9932 8122

Есть также данные по некоторым твердым горючим материалам, начиная с 2000 г. Исходя из этой информации, определим вероятность пожаров для дерева и бумажных изделий Рд:

2009 г.: Рд2009 = m/n = 70986/187490 = 0,3786;

2010 г.: Рд2010 = m/n = 65329/179098 = 0,3648,

Г) 2009 Г) 2010

где Рд и Рд —вероятность пожаров для дерева и бумажных изделий за 2009 и 2010 гг. соответственно;

© Бакиров И. К., 2011

т — количество пожаров при горении дерева и бумажных изделий в 2009 и 2010 гг. соответственно;

п — общее количество пожаров в 2009 и 2010 гг. соответственно.

Теперь установим среднюю вероятность пожара для дерева и бумажных изделий по данным за последние годы и примем эту величину как общую вероятность пожара для дерева и бумажных изделий в Российской Федерации:

у общ

= Р

2009

,2010

)/2 ^

= (0,3786 + 0,3648)/2 = 0,3717 = 3,7 • 10-1,

где Р

общ

д средняя вероятность пожара для дерева и бумажных изделий за последние два года. По этому методу определим вероятности пожара для всех твердых горючих материалов, на которые есть данные по пожарам. В результате получим таблицу вероятностей, которую можно использовать при расчетах по методике оценки пожарных рисков для твердых горючих материалов (табл. 2).

Пожары классифицируются по видам материалов следующим образом: пожары твердых горючих веществ и материалов (А); пожары горючих жидкостей или плавящихся твердых веществ и твердых горючих материалов (В); пожары газов (С); пожары металлов (Б); пожары горючих веществ и твердых горючих материалов электроустановок, находящихся под напряжением (Е); пожары ядерных твердых горючих материалов, радиоактивных отходов и радиоактивных веществ (Б) [2].

Рассмотрим методику определения расчетных величин пожарных рисков на объектах производственного и складского назначения как более подхо-

Таблица 2. Вероятность возникновения пожара для твердых горючих веществ

Твердый горючий материал Вероятность

Деревянные, бумажные изделия 3,7 10-1

и материалы

Строительные материалы 6,3 10-2

Отделочные материалы 6,6 10-2

Одежда, текстиль, спальные принадлежности 9,3 10-2

Теплоизоляционные и гидроизо- 1,3 10-2

ляционные материалы

Мебель 3,9 10-2

Отходы производства, прочие материалы (мусор) 8,2 10-2

Изоляционные материалы токо-ведущих частей 1,4 10-1

Прочие материалы 1,6 10-2

Материал не установлен 4,9 10-2

дящую, так как в расчетах она учитывает виды твердых горючих материалов и технологические процессы. За основной вид материала примем твердые горючие материалы (пожар класса А). Если на объекте несколько видов твердых горючих материалов, сделаем выбор, исходя из вероятности возникновения пожара или статистической информации по тому или иному материалу; определим, какой из них наиболее часто фигурирует на пожарах, и расчет будем проводить по этому материалу. Если статистическая информация по материалам отсутствует, будем вести расчет по наиболее опасному в пожарном отношении материалу с наиболее пожароопасной характеристикой, влияющей на величины пожарного риска в формулах, — массовой скоростью выгорания. Чем больше массовая скорость выгорания, тем опаснее твердый горючий материал и тем больше расстояние до безопасной зоны.

В табл. 3 показана зависимость расстояния до безопасной зоны от эффективного диаметра пожарной нагрузки (площади пожара при круговой форме пожара) и вида пожарной нагрузки (массовой скорости выгорания твердого горючего материала).

Если массовая скорость выгорания у применяемых твердых материалов одинаковая, то будем учитывать количество хранящихся или обращающихся в технологическом процессе твердых горючих материалов и расчет вести по материалу, количество которого в 1,5 и более раз больше других. Будем также учитывать другие пожароопасные свойства твердых горючих веществ — показатель горючести (Г1, Г2, Г3, Г4), температуры тления, воспламенения и самовоспламенения, линейную скорость распространения пламени, теплоту сгорания. Однако теплота сгорания и другие свойства учитываются в методике при расчетах пожарных рисков в зданиях, а массовая скорость выгорания — при пожарах вне зданий. В связи с этим прежде всего следует решить, какой пожарный риск необходимо определить — в здании или вне зданий.

Выбор одного твердого горючего материала упростит порядок расчетов и позволит сократить их объемы.

В интервью заместитель директора Департамента надзорной деятельности МЧС России А. Н. Гиле-тич отметил, что наиболее сложным является построение полей ОФП [3]. Кстати, в утвержденных методиках определения расчетных величин пожарных рисков порядок определения полей ОФП не раскрывается.

Размеры зоны поражения зависят от площади пожарной нагрузки и от вида твердого горючего материала (рис. 1).

Зададимся целью построить зависимость радиуса зоны поражения от вида твердого горючего мате-

Опасная зона

Безопасная зона

Рис. 1. Зона пожарной нагрузки и зона поражения: Л — расстояние от центра пожарной нагрузки до безопасной зоны

риала и эффективного диаметра пожарной нагрузки. Такая зависимость определит порядок построения зон поражения в разрабатываемой методике без сложных сомнительных расчетов.

Найдем эффективный диаметр пожарной нагрузки. Условно примем площадь пожарной нагрузки за всю площадь горения. Этот диаметр в утвержденной методике принимается при круговой площади горения (площади пролива) и не всегда реально отражает действительную форму площади горения, особенно твердой пожарной нагрузки. Примем в качестве формы горения основные геометрические фигуры — круг, прямоугольник, треугольник. Если нельзя однозначно определить форму пожара, будем ее приближать по визуальному сходству к той или иной форме.

Выведем формулы для определения эффективного диаметра с учетом формы пожара.

Эффективный диаметр й (м) для круговой формы пожарной нагрузки (рис. 2) рассчитывается по формуле [4]:

й = у14Г/ л, (1)

г^ "2

где г — площадь пожарной нагрузки, м .

Рис. 3. Прямоугольная форма пожара

При треугольной форме пожара (рис. 4) формулу для нахождения эффективного диаметра выведем в зависимости от площади треугольника по одной из формул для определения последней. Возможно нахождение его и по другим параметрам треугольника, например по одному или двум углам, либо по формуле для определения площади равностороннего треугольника. Примем, что при треугольной форме пожара исходя из исходной информации легче получить площадь треугольника и длины его сторон, чем углы треугольника. Эффективный диаметр будет равен описанной вокруг треугольника окружности. Основная формула эффективного диаметра при треугольной форме пожара будет выглядеть следующим образом:

abc

d = , 2F

где a, b, c — стороны треугольника; F — площадь треугольника.

(3)

Рис. 4. Треугольная форма пожара

Рис. 2. Круговая форма пожара

При прямоугольной форме пожара (рис. 3) формулу для нахождения его эффективного диаметра выведем в зависимости от длин сторон прямоугольника и свойств соотношения между сторонами прямоугольного треугольника (теорема Пифагора). Эффективный диаметр примем равным диаметру описанной вокруг прямоугольника окружности, так как это наибольшее расстояние от очага пожара при прямоугольной форме и, соответственно, наиболее опасное:

= ia

(2)

Для прямоугольной и треугольной форм пожара получается много числовых значений его площади, ведь необходимо задавать не только площади, но и длины сторон для каждого варианта площади пожара. Поэтому в случае прямоугольной или треугольной формы пожара не будем устанавливать зависимость эффективного диаметра от площади пожара и длин сторон. В этом случае необходим индивидуальный подход, т. е. вычисления эффективного диаметра следует проводить для каждой конкретной длины стороны.

Построим график зависимости площади пожара от эффективного диаметра для круговой формы пожарной нагрузки (рис. 5).

Как видно из рис. 5, график "убывающий", т. е. чем больше площадь пожара, тем меньше расстояние от очага пожара относительно предыдущих значений, а площадь пожара увеличивается быст-

О 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 990 Площадь пожара F, м2

Рис. 5. Зависимость площади пожара от его эффективного диаметра

рее, чем эффективный диаметр или диаметр круга (площади пожара).

Характеристикой вида твердого горючего материала является удельная массовая скорость выгорания т' (кг/(м2-с)), а площади пожарной нагрузки — ее эффективный диаметр й (м).

Эффективный диаметр пожарной нагрузки определен. Теперь найдем удельную массовую скорость выгорания т' и плотность воздуха рв при определенной нами максимальной температуре наружного воздуха в зависимости от региона или субъекта РФ по справочной литературе [4]. Температуру воздуха установим по СНиП 23-01-99* "Строительная климатология" и исходя из нее определим плотность воздуха. Соответственно, выберем наиболее высокую возможную температуру в регионе, как наиболее опасную.

Данные по массовой скорости выгорания для твердых горючих материалов можно определить по книгам по физико-химическим основам горения, пособию по расчету пожарных рисков на производственных объектах, разработанному ВНИИПО МЧС России, и в интернет-ресурсах. И тем не менее для многих твердых горючих материалов массовую скорость выгорания найти не удается.

Есть мнение, что массовую скорость выгорания необязательно вычислять, так как она не является показателем, влияющим на пожарную опасность твердых горючих материалов [5]. Однако после анализа формул для определения показателей с целью оценки пожарных рисков производственных объектов можно сделать вывод: основным показателем, характеризующим твердое горючее вещество, от которого зависит безопасное расстояние до пожара, является массовая скорость выгорания.

Докажем, что именно от массовой скорости выгорания твердого горючего материала зависит расстояние до безопасной зоны.

Для этого примем исходные условия, при которых будет определяться зависимость безопасных расстояний от массовой скорости выгорания: во-первых, человек (облучаемый объект) стоит на границе между опасной и безопасной зонами; во-вторых, граница между безопасной и опасной зонами — это граница между интенсивностью теплового излучения более и менее 4 кВт/м2; в-третьих, установим, что площадь пожарной нагрузки первоначально одинаковая для всех вариантов при определении границы, потом уже можно проводить вычисления и по другим площадям пожарной нагрузки.

Удельная массовая скорость выгорания топлива необходима для вычисления длины пламени Ь, которая в свою очередь применяется для расчета параметра а, необходимого для вычисления коэффициентов А, В, Е. Параметры А, В, Е используются в расчете факторов облученности для вертикальной (Гу) и горизонтальной (Ен) площадок. Факторы облученности используются в расчете углового коэффициента облученности Гд, который содержится в формуле для расчета интенсивности теплового излучения д. От интенсивности теплового излучения зависит расстояние до безопасной зоны [4]. Необходимо найти такую интенсивность, которая была бы равна 4 кВт/м2. Тогда мы определим границу между безопасной и опасной зонами и, соответственно, расстояние до безопасной зоны.

Таким образом, можно сделать вывод, что от массовой скорости выгорания твердых горючих веществ зависит расстояние от очага пожара до безопасной зоны.

В зависимости от массовой скорости выгорания твердого горючего материала при одинаковой площади пожара (10 м2) безопасное расстояние может колебаться от 2,356 до 10,425 м. Исходя из этого определим, что массовая скорость выгорания является самой важной пожароопасной характеристикой при вычислении пожарных рисков твердых горючих материалов.

В настоящее время в нормативных документах метод определения массовой скорости выгорания твердых горючих материалов не разработан, поэтому это можно считать темой для дальнейших научных исследований.

Далее, определив массовую скорость выгорания, найдем высоту пламени по формуле [4]:

H = 42d [«'/(paJgd)] 0,61,

(4)

где ра — плотность окружающего воздуха, кг/м3; g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2). Примем интенсивность теплового излучения на границе между безопасной и опасной зонами 4 кВт/м2, так как при интенсивности теплового излучения более 4 кВт/м2 без брезентовой одежды че-

Более 4 кВт/м2 \ Менее 4 кВт/м2

Рис. 6. Схема границ безопасной и опасной зон при круговой форме пожара: г — расстояние от центра пожарной нагрузки до облучаемого объекта; х — расстояние от облучаемого объекта до безопасной зоны

ловек может получить ожоги [4]. В безопасной зоне интенсивность теплового излучения будет менее 4 кВт/м2, а в опасной зоне — более 4 кВт/м2 (рис. 6).

Для определения расстояния до безопасной зоны условно зададим условие: облучаемый объект расположен на границе между безопасной и опасной зонами. Соответственно, Л = г, х = 0 (см. рис. 1).

В условиях будем также задавать расстояние до облучаемого объекта г, которое одновременно является расстоянием до безопасной зоны Л в интервале от 2 м до 40 м. Подставление расстояний в формулу (6) проведем через интервалы значений эффективного диаметра при круговой форме пожара, соответствующих определенным площадям пожарной нагрузки для каждого вида твердого горючего материала. Площади пожарной нагрузки будем определять через каждые 15-25 м2 в интервале от 10 до 1000 м2. Каждому значению площади пожарной нагрузки будет соответствовать и определенный эффективный диаметр (см. рис. 5). Проведем вычисления, подставляя данные до тех пор, пока не будет получено значение теплового излучения 4 кВт/м2 для каждого вида твердого горючего материала и для каждой площади пожарной нагрузки. При этом основной характеристикой вида твердого горючего материала в соответствии с формулами определена массовая скорость выгорания твердого горючего материала. Другими словами, если будет известна массовая скорость выгорания твердого горючего материала, можно будет определить безопасные расстояния при разных площадях пожарной нагрузки твердого горючего материала при возникновении пожара.

Необходимые для вычислений показатели определим для каждого вида твердого горючего материала по формулам [4]:

к = 2Н/й; (5)

5 = 2г/й; (6)

А = (к2 + 52 + 1)/(25);

В = (1 + 52 )/(25).

(7)

(8)

Определим также для каждого вида твердого горючего материала факторы облученности для вертикальной ) и горизонтальной (Гн) площадок по формулам [4]:

Г' =Л

л

1

5 агс*ё

к

л/57^ 1; (

аг^

к > ♦ - — <| аг^

5 I

Гн =Л

л

А

л/А2 -1

(В - 15)

I

(А - 15) л/А2 - 1

(А + 1) (5 - 1) (А - 1)(5 + 1)

(9)

аг^

В2 - 1

(В + 1)(5 - 1) (В - 1)(5 + 1)

aгctg

(А + 1) (5 - 1) (А - 1) (5 + 1)

(10)

Найдем угловой коэффициент облученности [4]:

Г = V Г' + ГН

(11)

Вычислим коэффициент пропускания атмосферы [4]:

т = ехр [-7 • 10-4(г - 0,5й)] = ег - 0,5й). (12)

Установим среднеповерхностную интенсивность (плотность) теплового излучения пламени Е^ для твердых горючих материалов равной 40 кВт/м2 [6].

Определим интенсивность теплового излучения д (кВт/м2):

д = Е^ т. (13)

Затем, как было отмечено выше, будем подставлять числовые значения до тех пор, пока интенсивность не станет равной 4 кВт/м2. При достижении такого равенства, а именно 4 = Ет, мы найдем расстояние до облучаемого объекта г, которое одновременно является и расстоянием до безопасной зоны Л.

Произведем такие вычисления для каждого вида твердого горючего материала при каждом значении площади пожарной нагрузки или эффективного диаметра пожарной нагрузки. Полученные данные сведем в табл. 3 (данные представлены не полностью).

По такой таблице можно быстро и без сложных, в том числе компьютерных, вычислений и графических построений определить безопасное расстояние от очага пожара до безопасной зоны, а также расстояние до облучаемого объекта в зависимости от вида твердого горючего материала и площади пожара. Кроме того, по ней можно определить указанные расстояния в зависимости от вида твердого горючего материала и эффективного диаметра при других формах пожара. Данные расстояния — это

Таблица 3. Зависимость расстояния до безопасной зоны от эффективного диаметра, площади и вида пожарной нагрузки (массовой скорости выгорания твердого горючего материала)

Расстояние Я, м, до безопасной зоны при разных видах пожарной нагрузки

Р, м2/й, м Линолеум, кожа искусственная Пенополиуретан (фасадные термопонели, плиты, сэндвич-панели для изоляции зданий и сооружений, полуцилиндры, плинтусы, розетки, элементы мебели "под дерево", спасательные жилеты, буйки) Сено, солома (влажность до 8 %) Бумага (книги, журналы, газеты) Книги на деревянных стеллажах, а также торфоплиты Фенопласт (пластмассовые корпуса, изделия из пластмассы технического назначения)

при т', кг/(м2-с)

0,0001 0,0028 0,0037 0,0042 0,0055 0,058

10/3,57 2,356 4,468 4,765 4,893 5,195 5,258

25/5,64 3,789 6,724 7,139 7,341 7,790 7,879

50/7,98 5,203 9,146 9,712 9,975 10,586 10,714

75/9,77 6,289 10,951 11,626 11,946 12,674 12,823

100/11,29 7,187 12,450 13,215 13,577 14,398 14,564

150/13,82 8,696 14,921 15,827 16,262 17,238 17,435

200/15,96 9,920 16,964 17,984 18,477 19,583 19,812

250/17,85 11,049 18,748 19,869 20,408 21,624 21,873

300/19,55 12,046 20,339 21,548 22,134 23,445 23,718

350/21,12 12,950 21,790 23,081 23,707 25,108 25,396

400/22,57 13,826 23,130 24,495 25,159 26,642 26,946

450/23,94 14,613 24,382 25,820 26,510 28,072 28,393

500/25,24 15,110 25,557 27,060 27,788 29,417 29,754

550/26,47 16,072 26,674 28,238 28,989 30,690 31,037

600/27,65 16,763 27,734 29,355 30,138 31,899 32,262

650/28,78 17,407 28,746 30,421 31,232 33,052 33,428

700/29,86 18,022 29,716 31,444 32,281 34,160 34,546

одни из самых важных показателей, необходимых для определения расчетной величины пожарного риска.

Построим график зависимости эффективного диаметра пожарной нагрузки (площади пожара при круговой форме пожара) от расстояния до безопасной зоны для древесины с массовой скоростью выгорания 0,0393 кг/(м2-с).

Как мы видим, график имеет возрастающий характер (рис. 7). В данном случае это означает, что площадь пожарной нагрузки увеличивается быстрее, чем безопасное расстояние.

При использовании таких графиков и таблицы многие пункты в утвержденной методике можно пропустить, например вычисление дерева событий, определение наиболее опасных точек и т. п.

Для определения вероятности поражения человека найдем расстояние от местоположения человека до безопасной зоны х (зоны, где интенсивность теплового излучения меньше 4 кВт/м2, см. рис. 5). Из всех установленных по режиму работы объекта Для определения этого расстояния воспользуемся расстояний выберем самое близкое к очагу пожара. режимом работы объекта, который может быть опи- Откажемся от принятого ранее условия равенства сан в технологическом регламенте или инструкции. расстояний до облучаемого объекта и до безопас-

8 16 24 32 40 48 56 Расстояние до безопасной зоны Я, м

Рис. 7. Зависимость эффективного диаметра пожарной нагрузки (площади пожара при круговой форме пожара) от расстояния до безопасной зоны для древесины с массовой скоростью выгорания 0,0393 кг/(м2-с)

ной зоны. Затем из уже установленных по табл. 3 значений расстояний до безопасной зоны Л вычтем определенное расстояние до облучаемого объекта г. Разница между этими расстояниями будет равна расстоянию от облучаемого объекта до безопасной зоны х (м).

Далее по методике определим остальные параметры и вычислим пожарные риски.

Новизна исследования состоит в том, что определены вероятности возникновения пожаров твердых горючих веществ на территории РФ на основании

данных о количестве пожаров твердых горючих веществ, представленных ВНИИПО МЧС России; разработаны таблицы и графики зависимостей зоны поражения при пожаре от площади пожарной нагрузки и вида твердых горючих веществ при тепловом излучении.

Полученные данные можно использовать при разработке нового метода определения расчетных величин пожарного риска для твердых горючих веществ и материалов на производственных и складских объектах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Информация о пожарах : письмо ВНИИПО № ГИ-2874 от 04.04.2011.

2. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федер. закон № 123-ФЭ от 22.07.2008 г. : принят Гос. Думой 04.07.2008 г. : одобр. Советом Федерации 11.07.2008 г. // Собр. законодательства РФ. — 2008. — № 30; Российская газета. — 2008. — № 163.

3. О практике применения Федерального закона "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности": материалы выездного заседания Комитета Совета Федерации по обороне и безопасности 22 июня 2010 г., Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России (ВНИИПО), г. Балашиха МО.

4. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах : приложение к приказу МЧС России от 10.07.2009 г. № 404; зарег. в Минюсте РФ 17.08.2009 г., рег. № 14541. URL : http://www.mchs.gov.ru.

5. КорольченкоА. Я., КорольченкоД. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник. — В2ч. — М.: Пожнаука, 2004.

6. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности : введ. 01.05.2009 : утв. 25.03.2009 приказом МЧС России № 182. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.

Материал поступил в редакцию 15 июля 2011 г.

Электронный адрес автора: [email protected].