CC BY
36
УДК 542.8
УСТАНОВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ГОРЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПОЖАРА ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОРЕЗИСТИВНОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ
© 2018 А. А. Захаров1, Н. Л. Сошина2, Р. В. Нагорный3
1ст. преп. каф. БЖДиСТС; зам. нач. ФГБУ «Судебно-экспертное учреждение федеральной противопожарной службы "Испытательная пожарная лаборатория по Курской области "», подполковник внутренней службы 2канд. психол. наук, доцент кафедры БЖДиСТС e-mail: kalanchuk81@mail.ru 3ст. преподаватель кафедры БЖДиСТС e-mail: nagornyroman1970@mail.ru
Курский государственный университет
В статье изложены возможности применения экспертами электрорезистивного метода исследования углей древесины и полимерных материалов, образующих при сгорании карбонизированный остаток, для установления температуры и длительности их горения в ходе расследования причин возникновения пожаров.
Ключевые слова: электрорезистивный метод исследования, расследование и экспертиза пожаров.
На территории Курской области в 2017 году зарегистрировано 592 пожара, количество погибших составило 66 человек, а количество травмированных -33 человека; общий материальный ущерб от пожаров - 21 млн 38 тыс. рублей [Отчет о научно-исследовательской 2018: 5]. Сведения о причинах возникновения пожаров на территории г. Курска и Курской области в 2016 - 2017 году приведены в таблице 1.
Таблица 1
Причина пожара 2017 2016 %
Поджог 87 91 -4,39
Неисправность производственного оборудования, нарушение технологического процесса производства 6 5 +20,00
Нарушение правил устройства и эксплуатации электрооборудования 212 242 -12,39
Нарушение правил устройства и эксплуатации печей 23 90 -74,44
Неосторожное обращение с огнем (в т.ч. детей) 106 126 -29,3
Неосторожность при курении 60 69 -13,04
Нарушение правил пожарной безопасности при проведении электро- газосварочных работ 4 3 +33,33
Нарушение правил устройства и эксплуатации транспортных средств 34 49 -30,61
Другие причины 13 21 -38,09
Исследования, проводимые федеральным государственным бюджетным учреждением «Судебно-экспертное учреждение федеральной противопожарной службы "Испытательная пожарная лаборатория по Курской области"» (ФГБУ СЭУ ФПС «ИПЛ по Курской области»), позволяют определять температуру и длительность горения, выявлять зоны термических поражений и наличие на месте пожара участков с повышенной концентрацией паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, что является важной информацией для установления причины пожара. ФГБУ СЭУ ФПС «ИПЛ по Курской области» проводит анализ и обобщение полученных в ходе расследования и экспертизы пожаров данных в целях организации профилактической работы.
Для установления очага пожара, источника зажигания и путей распространения пожара при проведении экспертиз и заключений по пожарам эксперты применяют инструментальные методы, изложенные в методических рекомендациях, разработанных ФГУ ВНИИПО МЧС России [Применение инструментальных... 2008; Смирнов и соавт. 1987] и экспертно-криминалистическим центром МВД РФ [Диагностика причин. 1992]. В ходе экспертиз они используют метод визуального и морфологического исследования электротехнических объектов, инструментальный метод металлографического исследования металлов и сплавов, метод флуоресцентной спектроскопии и газожидкостной хроматографии, инструментальное электрорезестивное и магнитное исследование металлоизделий.
Установление места первоначального возникновения пожара - очага пожара -осуществляется на основании результатов сравнительного исследования состояния конструкций, предметов и материалов после пожара по степени их термического повреждения с учетом физических закономерностей протекания тепловых процессов в зоне горения и возможных путей распространения огня в условиях конкретной материальной обстановки, а также путем анализа данных, содержащихся в показаниях свидетелей происшедшего пожара.
Температуру и длительность теплового воздействия на объекты исследования определяют с помощью электрорезестивного метода, заключающегося в измерении удельного электросопротивления углей под давлением. Согласно существующей методике, исследованию подлежат древесина, древесно-стружечные плиты и ряд полимеров, которые образуют при сгорании карбонизированный остаток [Применение инструментальных. 2008].
При пожаре древесина обугливается, а образовавшийся уголь постепенно выгорает. Глубина обугливания деревянных конструкций и изделий в тех или иных зонах пожара отражает степень термического поражения этих конструкций. Измерение глубин обугливания позволяет выявить признаки направленности распространения горения и зону наибольших термических поражений, которая может оказаться очагом пожара.
Глубина обугливания, как и степень термического поражения подавляющего большинства материалов, является функцией двух величин - температуры и длительности теплового воздействия. Одна и та же глубина обугливания может быть достигнута при интенсивном пламенном горении за несколько минут, а при медленном пиролизе (тлении) - за несколько десятков минут, а то и несколько часов. Поэтому нельзя утверждать, что место наиболее глубокого обугливания - это место наиболее длительного горения, то есть предполагаемый очаг пожара.
По результатам исследований, проведённых ВНИИПО МВД РФ, предложена физическая модель обугливания древесины деревянных конструкций при воздействии на них «стандартного» пожара, включающая два последовательно протекающих этапа (рис. 1):
- этап 1 «Термическое разложение древесины с образованием газообразных горючих летучих продуктов, которые поддерживают пламенное горение»;
- этап 2 «Выгорание образовавшегося угольного остатка, происходящее в форме гетерогенного горения (тления)» [Применение инструментальных... 2008].
а - первый этап б - второй этап
Рис. 1. Модель процесса обугливания древесины и распределения температуры по сечению деревянных элементов при «стандартном» режиме пожара [Деревянные конструкции 2018]
Первый этап процесса обугливания деревянных конструкций характеризуется интенсивным прогревом поверхностных слоев древесины, вызывающим выпаривание влаги, находящейся в древесине, в окружающую среду, и перемещением её в глубь сечения элемента. При этом образуются три характерные зоны, в первой из которых наблюдается частичная деструкция древесины, а значения температур на границах этой зоны соответственно 11 < 300°С и t2 > 175°С. Во второй зоне при t2 > 100°С происходит фазовое превращение влаги в пар. В третьей зоне температура в древесине колеблется в пределах 20°С < t < 100°С.
Через 3-5 минут после начала теплового воздействия по режиму «стандартного» пожара на поверхности древесины с относительной влажностью не более 9% температура достигает 280-300°С. При этом начинается карбонизация поверхностных слоев древесины, которая теряет свои первоначальные механические свойства. Согласно рассматриваемой модели начинается второй этап процесса, где помимо зон 1, 2, 3 рассматривается зона 0, в которой при t > 300°С образуется слой угля с неоднородной пористой структурой с усадочными трещинами. Процесс обугливания происходит последовательно, распространяясь от поверхностных слоев вглубь сечения элемента, что приводит к уменьшению его размеров.
Процесс термического разложения древесины начинается уже при температуре около 150°С с распада гемицеллюлоз. При температуре 200°С начинается плавление и конденсация ароматических ядер лигнина, при 180-300°С происходит дегидратация целлюлозы с образованием несопряжённых двойных связей и появлением при 220°С ароматических и конденсированных ароматических структур. Конденсация, сшивка с образованием углефицированных структур происходит в древесине при нагревании параллельно с деструкцией, выделением летучих веществ (газообразных продуктов смолы), а также вследствие вторичных процессов с участием тех же веществ. За пределом 300°С структура древесины исчезает, уступая место конденсированным системам с известной степенью ориентации.
При дальнейшем нагревании углефицированные структуры не остаются неизменными и уголь, образовавшийся, например, при температуре 350°С, существенно отличается от угля, который нагревался до температуры 700-800°С. Чем выше температура, тем большее число боковых групп отщепляется от ароматических
ядер макромолекул. Часть углерода, водород, кислород удаляются при этом в виде летучих соединений. Структурные элементы угля всё более конденсируются, образуя плоскую решётку, подобную графитной, и всё более приближаются к графиту.
Таким образом, происходящая под действием температуры перестройка древесного материала приводит к изменению целого комплекса структурных параметров древесных углей, их физических и химических свойств, зависящих от температуры и длительности теплового воздействия. Решение систем уравнений, описывающих зависимость от одних и тех же условий теплового воздействия обугливания древесины вглубь и изменения одного из физических свойств образующегося древесного угля, позволило получить математические выражения для расчета температуры и длительности теплового воздействия на древесину в точке отбора проб угля.
Приведем пример из практики установления экспертом температур и длительности горения исследуемых объектов (проб углей).
Для решения данной задачи в качестве объектов исследования были избраны фрагмент обугленной деревянной рейки длиной 128,0 см, сечением 5,0*5,0 см (см. рис. 2) и пожарный мусор (см. рис. 3).
Рис. 2. Общий вид фрагмента обугленной деревянной рейки [Отчет о научно -исследовательской... 2016: 47]
Рис. 3. Общий вид пожарного мусора [Там же]
Исследование проб углей древесины [Применение инструментальных... 2008] проводилось с использованием программного модуля обработки результатов инструментальных исследований остатков обугленной древесины «Экспотех Версия 3.1101 (2010 год)». В соответствии с указанной методикой, установление температуры и длительности теплового воздействия в зоне отбора проб углей производили исходя из результатов измерения электросопротивления и линейных параметров угольного слоя.
Линейные параметры пробы древесного угля, взятого с объекта исследования (рис. 2), представлены ниже:
толщина исходной конструкции (Н) - 50 мм; толщина угольного слоя (Иу) - 5 мм;
потеря сечения в точке отбора при выгорании древесины (Ип) - 2,4 мм.
Предоставленные для исследования пробы углей, отобранные на месте пожара, были растерты пестиком в фарфоровой ступке и просеяны через сито 250 мкм, далее высушены до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105°С. В качестве осушающего средства в шкаф вместе с пробой была помешена пятиокись фосфора.
Электросопротивление проб углей определяли под давлением 5 000 кг/см2 с помощью тераомметра Е6-13А, а для сжатия пробы в момент измерения использовали гидравлический пресс.
По результатам замеров электросопротивления углей рассчитывали параметры горения и пиролиза древесины (средневременная интегральная температура пиролиза древесины, продолжительность «индукционного периода», продолжительность пиролиза древесины, продолжительность выгорания слоя угля на глубину, время пиролиза древесины с учетом «индукционного периода», общая продолжительность теплового воздействия в зоне отбора проб), что позволило определить очаг пожара, ориентировочное время его возникновения и причину пожара.
Расчет температуры пиролиза древесины производили по формуле
Т =
4540
1п| Н •
Р 10 _ Р
К
(1)
+ 2,15
где Р - десятичный логарифм электрического сопротивления пробы угля (Р =
№
Длительность пиролиза древесины (без учета индукционного периода) определяли по формуле:
г = ехр •( 1,38 • 1пН + 0,38 • 1п—I-1,19, мин. (2)
д ^ 10-Р)
Продолжительность «индукционного периода» рассчитывали по формуле
то= 77 - 0,086-Т, К. (3)
Уравнение действительно при температуре менее 895 К.
Общее время пиролиза древесины рассчитывали по формуле
^общ =Гд мин. (4)
В случае если в точке отбора пробы фрагмент деревянной конструкции углефицирован полностью или имеется сквозной прогар конструкции, то в расчете необходимо учесть время, Ту, необходимое для выгорания в режиме тления образовавшегося угля.
Длительность гетерогенного горения угля, Ту, вычисляли по формуле
гу = АНу • ехр(б90 • Т 1), мин., (5)
где ДНу - толщина выгоревшего слоя угля, мм.
При Ту > 0 общее время теплового воздействия в точке отбора пробы рассчитывали по формуле
Гобщ = +То +ТУ , мин, (6)
где Тд - продолжительность пиролиза (горения) древесины (без учета индукционного периода), мин.;
То - продолжительность «индукционного периода», мин.;
Ту - время, необходимое для выгорания угля, мин.
Результаты анализа проб древесных углей и значения температуры и длительности термической деструкции древесины приведены в таблице 2.
Таблица 2
Электрическое сопротивление пробы угля, R, Ом/см Температура пиролиза, T, С Длительность пиролиза древесины, тд, мин. Длительность выгорания угля, Tg, мин. Длительность индукционного периода, то, мин. Общая продолжительность теплового воздействия в зоне отбора проб, Тобщ, мин.
1,1109 277 161 8,4 29,7 199,7
При использовании полученных расчетных величин в качестве абсолютных, необходимо позиционировать их как минимальные и с точностью в пределах 5 мин. Анализируя расчетные данные, приведённые в таблице 2, эксперт констатировал, что общая длительность термического воздействия на фрагмент деревянной рейки составляет около 200-205 минут, а общая температура термического воздействия на представленный объект составляла около 280°С; соответственно, можно утверждать, что в данной зоне имело место тление (на нижнем пределе температур) [Применение инструментальных. 2008].
Положенная в основу методики теоретическая модель и полученные эмпирические расчетные формулы описывают сложный и многофакторный процесс горения древесины и древесных углей на пожаре достаточно приближенно.
По сравнению с реальным пожаром, расчетная длительность горения Гобщ может получаться заниженной, так как в ней невозможно учесть период, предшествующий началу пиролиза древесины (например, период тления материалов, находящихся в соприкосновении с древесиной).
Завышенные величины Т и существенно заниженные Гобщ будут в том случае, если участок очага пожара, на котором развивалось длительное тление, дополнительно подвергся достаточно интенсивному тепловому воздействию от горящих вокруг предметов.
Учитывая эти и некоторые другие обстоятельства, полученные значения Т и Гобщ для различных точек отбора проб углей лучше использовать в качестве относительных
величин, выявляя, исходя из них, температурные и временные (изохронные) зоны на месте пожара. Полученное распределение изотермических и изохронных зон гораздо более информативно с точки зрения решения задач экспертизы, нежели обычное распределение интегрального показателя - зон термических поражений.
Распределение температурных зон позволяет оценить интенсивность горения на пожаре в целом, а также на различных участках пожара, что может оказаться полезным для понимания механизма его развития. Кроме того, полученная расчетная температура в очаговой зоне характеризует происходивший там процесс (тление или интенсивное пламенное горение) что может помочь в решении вопроса о причине пожара. Распределение временных (изохронных) зон позволяет выявить участок наиболее длительного горения, который обычно рассматривается как очаг пожара.
Библиографический список
Деревянные конструкции. Пределы огнестойкости. Методики расчета [Сайт]. URL: http://ogneborec.su/raschet/predel-wood/ (дата обращения: 10.03.2018).
Диагностика причин разрушения металлических проводников, изъятых с места пожара: методические рекомендации / А.И. Колмаков, Б.В. Степанов, С.И. Зернов и др. М.: ЭКЦ МВД РФ, 1992. 32 с.
Отчет о научно-исследовательской работе по теме № 1 - 2017 «Провести исследования пожаров, произошедших в 2017 году, представляющих научный и практический интерес» / сост. В.И. Горбулин. Курск, 2018. 47 с.
Отчет о научно-исследовательской работе по теме № 1 - 2016 «Провести исследования пожаров, произошедших в 2016 году, представляющих научный и практический интерес» / сост. В.И. Горбулин. Курск, 2017. 47 с.
Применение инструментальных методов и технических средств в экспертизе пожаров: Сборник методических рекомендаций / под ред. И.Д. Чешко, А.Н. Соколовой. СПб.: СПб филиал ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. 279 с.
Смирнов К.П., Чешко И.Д., Голяев Б.С. и др. Комплексная методика определения очага пожара. Л.: ЛФ ВНИИПО, 1987. 114 с.
