Расчёт теплоты сгорания
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА Документ СМК 4 уровня УМК УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция №3, Учебно-методический комплекс (взамен дисциплины «Теория горения и взрыва» редакции №2 учебно-методические материалы от 30.09.2009) УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «Теория горения и взрыва» для специальности 5В073100 «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 2 из 176 РАЗРАБОТАНО: Доцент кафедры «Экологии и защиты окружающей среды, к.т.н. Скрипникова Л. В. Содержание 1 2 3 4 5 Глоссарий Лекции Практические работы Самостоятельная работа студентов Экзаменационные вопросы 3 7 80 173 175 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 3 из 176 1 ГЛОССАРИЙ Аварийный выход - дверь, люк или иной выход, которые ведут на путь эвакуации, непосредственно наружу или в безопасную зону, используются как дополнительный выход для спасания людей, но не учитываются при оценке соответствия необходимого количества и размеров эвакуационных путей и эвакуационных выходов и которые удовлетворяют требованиям безопасной эвакуации людей при пожаре. Безопасная зона - зона, в которой люди защищены от воздействия опасных факторов пожара или в которой опасные факторы пожара отсутствуют. Взрыв - быстрое химическое превращение среды, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов. Взрывоопасная смесь - смесь воздуха или окислителя с горючими газами, парами легковоспламеняющихся жидкостей, горючими пылями или волокнами, которая при определенной концентрации и возникновении источника инициирования взрыва способна взорваться. Взрывопожароопасность объекта защиты - состояние объекта защиты, характеризуемое возможностью возникновения взрыва и развития пожара. Горючая среда - среда, способная воспламеняться при воздействии источника зажигания. Декларация пожарной безопасности - форма оценки соответствия, содержащая информацию о мерах пожарной безопасности, направленных на обеспечение на объекте защиты нормативного значения пожарного риска. Допустимый пожарный риск - пожарный риск, уровень которого допустим и обоснован исходя из социально-экономических условий. Индивидуальный пожарный риск - пожарный риск, который может привести к гибели человека в результате воздействия опасных факторов пожара. Источник зажигания - средство энергетического воздействия, инициирующее возникновение горения. Класс конструктивной пожарной опасности зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков - классификационная характеристика зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков, определяемая степенью участия строительных конструкций в развитии пожара и образовании опасных факторов пожара. Класс функциональной пожарной опасности зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков - классификационная характеристика зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков, определяемая назначением и особенностями эксплуатации указанных зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков, в том числе особенностями осуществления в указанных зданиях, сооружениях, строениях и пожарных отсеках технологических процессов производства. Наружная установка - комплекс аппаратов и технологического оборудования, расположенных вне зданий, сооружений и строений. Необходимое время эвакуации - время с момента возникновения пожара, в течение которого люди должны эвакуироваться в безопасную зону без причинения вреда жизни и здоровью людей в результате воздействия опасных факторов пожара. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 4 из 176 Объект защиты - продукция, в том числе имущество граждан или юридических лиц, государственное или муниципальное имущество (включая объекты, расположенные на территориях поселений, а также здания, сооружения, строения, транспортные средства, технологические установки, оборудование, агрегаты, изделия и иное имущество), к которой установлены или должны быть установлены требования пожарной безопасности для предотвращения пожара и защиты людей при пожаре. Окислители - вещества и материалы, обладающие способностью вступать в реакцию с горючими веществами, вызывая их горение, а также увеличивать его интенсивность. Опасные факторы пожара - факторы пожара, воздействие которых может привести к травме, отравлению или гибели человека и (или) к материальному ущербу. Очаг пожара - место первоначального возникновения пожара. Первичные средства пожаротушения - переносные или передвижные средства пожаротушения, используемые для борьбы с пожаром в начальной стадии его развития. Пожарная безопасность объекта защиты - состояние объекта защиты, характеризуемое возможностью предотвращения возникновения и развития пожара, а также воздействия на людей и имущество опасных факторов пожара. Пожарная опасность веществ и материалов - состояние веществ и материалов, характеризуемое возможностью возникновения горения или взрыва веществ и материалов. Пожарная опасность объекта защиты - состояние объекта защиты, характеризуемое возможностью возникновения и развития пожара, а также воздействия на людей и имущество опасных факторов пожара. Пожарная сигнализация - совокупность технических средств, предназначенных для обнаружения пожара, обработки, передачи в заданном виде извещения о пожаре, специальной информации и (или) выдачи команд на включение автоматических установок пожаротушения и включение исполнительных установок систем противодымной защиты, технологического и инженерного оборудования, а также других устройств противопожарной защиты. Пожарное депо - объект пожарной охраны, в котором расположены помещения для хранения пожарной техники и ее технического обслуживания, служебные помещения для размещения личного состава, помещение для приема извещений о пожаре, технические и вспомогательные помещения, необходимые для выполнения задач, возложенных на пожарную охрану. Пожарный извещатель - техническое средство, предназначенное для формирования сигнала о пожаре. Пожарный оповещатель - техническое средство, предназначенное для оповещения людей о пожаре. Пожарный отсек - часть здания, сооружения и строения, выделенная противопожарными стенами и противопожарными перекрытиями или покрытиями, с пределами огнестойкости конструкции, обеспечивающими нераспространение пожара за границы пожарного отсека в течение всей продолжительности пожара. Пожарный риск - мера возможности реализации пожарной опасности объекта защиты и ее последствий для людей и материальных ценностей. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 5 из 176 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов - способность веществ и материалов к образованию горючей (пожароопасной или взрывоопасной) среды, характеризуемая их физико-химическими свойствами и (или) поведением в условиях пожара. Пожароопасная (взрывоопасная) зона - часть замкнутого или открытого пространства, в пределах которого постоянно или периодически обращаются горючие вещества и в котором они могут находиться при нормальном режиме технологического процесса или его нарушении (аварии). Предел огнестойкости конструкции (заполнения проемов противопожарных преград) - промежуток времени от начала огневого воздействия в условиях стандартных испытаний до наступления одного из нормированных для данной конструкции (заполнения проемов противопожарных преград) предельных состояний. Прибор приемно-контрольный пожарный - техническое средство, предназначенное для приема сигналов от пожарных извещателей, осуществления контроля целостности шлейфа пожарной сигнализации, световой индикации и звуковой сигнализации событий, формирования стартового импульса запуска прибора управления пожарного. Прибор управления пожарный - техническое средство, предназначенное для передачи сигналов управления автоматическим установкам пожаротушения, и (или) включения исполнительных установок систем противодымной защиты, и (или) оповещения людей о пожаре, а также для передачи сигналов управления другим устройствам противопожарной защиты. Производственные объекты - объекты промышленного и сельскохозяйственного назначения, в том числе склады, объекты инженерной и транспортной инфраструктуры (железнодорожного, автомобильного, речного, морского, воздушного и трубопроводного транспорта), объекты связи. Противопожарная преграда - строительная конструкция с нормированными пределом огнестойкости и классом конструктивной пожарной опасности конструкции, объемный элемент здания или иное инженерное решение, предназначенные для предотвращения распространения пожара из одной части здания, сооружения, строения в другую или между зданиями, сооружениями, строениями, зелеными насаждениями. Противопожарный разрыв (противопожарное расстояние) - нормированное расстояние между зданиями, строениями и (или) сооружениями, устанавливаемое для предотвращения распространения пожара. Система передачи извещений о пожаре - совокупность совместно действующих технических средств, предназначенных для передачи по каналам связи и приема в пункте централизованного наблюдения извещений о пожаре на охраняемом объекте, служебных и контрольно-диагностических извещений, а также (при наличии обратного канала) для передачи и приема команд телеуправления. Система пожарной сигнализации - совокупность установок пожарной сигнализации, смонтированных на одном объекте и контролируемых с общего пожарного поста. Система предотвращения пожара - комплекс организационных мероприятий и технических средств, исключающих возможность возникновения пожара на объекте защиты. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 6 из 176 Система противодымной защиты - комплекс организационных мероприятий, объемно-планировочных решений, инженерных систем и технических средств, направленных на предотвращение или ограничение опасности задымления зданий, сооружений и строений при пожаре, а также воздействия опасных факторов пожара на людей и материальные ценности. Система противопожарной защиты - комплекс организационных мероприятий и технических средств, направленных на защиту людей и имущества от воздействия опасных факторов пожара и (или) ограничение последствий воздействия опасных факторов пожара на объект защиты (продукцию). Сооружение - строительная система любого функционального назначения, в состав которой входят помещения, предназначенные в зависимости от функционального назначения для пребывания или проживания людей и осуществления технологических процессов. Социальный пожарный риск - степень опасности, ведущей к гибели группы людей в результате воздействия опасных факторов пожара. Степень огнестойкости зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков - классификационная характеристика зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков, определяемая пределами огнестойкости конструкций, применяемых для строительства указанных зданий, сооружений, строений и отсеков. Технические средства оповещения и управления эвакуацией - совокупность технических средств (приборов управления оповещателями, пожарных оповещателей), предназначенных для оповещения людей о пожаре. Технологическая среда - вещества и материалы, обращающиеся в технологической аппаратуре (технологической системе). Устойчивость объекта защиты при пожаре - свойство объекта защиты сохранять конструктивную целостность и (или) функциональное назначение при воздействии опасных факторов пожара и вторичных проявлений опасных факторов пожара. Эвакуационный выход - выход, ведущий на путь эвакуации, непосредственно наружу или в безопасную зону. Эвакуационный путь (путь эвакуации) - путь движения и (или) перемещения людей, ведущий непосредственно наружу или в безопасную зону, удовлетворяющий требованиям безопасной эвакуации людей при пожаре. Эвакуация - процесс организованного самостоятельного движения людей непосредственно наружу или в безопасную зону из помещений, в которых имеется возможность воздействия на людей опасных факторов пожара. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 7 из 176 2 ЛЕКЦИИ Лекция №1 Тема: ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА «ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА» Обычно принято считать горением всякую быстро протекающую химическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла и света. С этой точки зрения вещества могут «гореть» не только в кислороде. Например, многие металлы «горят» в хлоре, окиси натрия и бария, «горят» в углекислом газе, порох горит без участия газовой среды и т.д. Горение представляет собой реакцию соединения вещества с кислородом. Почти все вещества подвержены горению. Медленное окисление также иногда называют медленным горением. Процесс горения принадлежит к числу тех немногих явлений природы, открытие которых относится к самому раннему периоду истории человечества. Использование огня положило начало овладению силами природы и во всем дальнейшем развитии цивилизации играло особую роль в ходе технического прогресса. Горение, огонь дали толчок первоначальному рациональному мышлению человека. Значение огня стало особенно велико, когда наряду с его использованием главным образом в бытовых и чисто технологических производственных целях горение (огонь) стало средством производства механической работы. С этого момента, как писал Энгельс, «люди заставили служить себе некоторую неорганическую силу природы», и эта сила вооружала людей сначала единицами и сотнями, а затем сотнями тысяч и миллионами механических сил. Все это привело к той высокой степени энерговооруженности, которая характеризует современное состояние техники. В средние века вопрос о процессах горения особенно привлекал к себе внимание химиков. В начале XVIII века была сделана первая попытка объединить все химические факты на основе одной гипотезы, привести их в систему при помощи теории флогистона. Согласно этой теории, все вещества, способные гореть или изменяться от действия огня, содержат особое «вещество огня» - флогистон. Эта теория, которую поддерживали все химики того времени, господствовала в течение целого столетия. М.В. Ломоносов впервые правильно истолковал горение как соединение горящего вещества с «тяжелыми частицами воздуха» (состав воздуха тогда еще не был известен). Опытами по нагреванию металлов в запаянных ретортах М.В. Ломоносов в 1753-1760 гг. установил роль воздуха при горении и ложность теории флогистона. После этих опытов, связанных с процессом горения, в 1760 г. он окончательно сформулировал важнейший закон сохранения вещества, который стал основой современной химии. В 1773 г. А. Лавуазье повторил опыты по прокаливанию металлов и пришел к объяснению горения как соединения вещества с кислородом, т.е. к основе современных взглядов на явление горения. С этого момента знания о горении продвинулись очень далеко, а в области практики послужили основой к созданию различных способов осуществления технических процессов сжигания в разнообразных целях и главным образом для производства энергии. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 8 из 176 Хорошо известно, что в топках электростанций сжигается твердое, жидкое и газообразное топливо, причем современные топочные устройства достигли больших мощностей и достаточно высокой степени совершенства в отношении обеспечения максимальной полноты сгорания. Двигатели внутреннего сгорания используют процесс горения газов или парообразных и жидких горючих и составляют энергетическую основу авиационного и автомобильного транспорта. Эффективность возникших и быстро завоевывающих себе место реактивных аппаратов, пожалуй, в еще большей степени зависит от применяемых в этих двигателях методов сжигания топлива. По существу и вся «военная энергетика» - артиллерия и другие средства разрушения, - имеющая дело с обычными взрывчатыми веществами, основывается на использовании явления сгорания. Широко используется процесс горения и в различных производственных целях – для организации тех или иных химических, металлургических и других процессов, нуждающихся в соответствующих температурных условиях. Знание свойств и законов горения различных веществ является очень важным, так как в любой области техники в настоящее время ставятся задачи всемерной интенсификации процессов. Всю обширную область явлений горения можно разделить в основном на три группы: 1. горение газообразных горючих – гомогенное горение (характеризуется системой газ + газ); 2. горение твердых и жидких горючих – гетерогенное горение (системы: твердое тело + газ или жидкость + газ); 3. горение взрывчатых веществ – конденсированные системы. Большое значение приобретает также горение систем жидкость-горючее + жидкость-окислитель. В зависимости от свойств каждого из таких компонентов их можно относить или к первой или ко второй группе. Всякой процесс горения или разложения веществ является прежде всего химическим процессом, поскольку он сопровождается превращением вещества, изменением его качества. Исследование законов соединений и превращений и отыскание необходимых для этого условий составляет содержание химической науки. Химический процесс при своем развитии сплошь и рядом оказывается подчиненным таким физическим процессам, как перенос тепла, диффузия и другие, и ими регулируется. То или иное химическое превращение, обладая очень большими потенциальными возможностями в смысле быстроты его протекания, в действительности характеризуется довольно ограниченной скоростью и, кроме того, подчиняется закономерностям того или иного из лимитирующих физических явлений, а не следует чисто химическим кинетическим законам (горение угольной частицы при достаточно высокой температуре). В этом случае скорость горения будет определяться не тем, с какой скоростью мог бы реагировать углерод, а тем, с какой скоростью к угольной частице будет поступать кислород из окружающего пространства. Подача кислорода в покоящемся воздухе может осуществляться только посредством диффузии. Этот чисто физический процесс обладает сравнительно небольшими скоростями и именно эти скорости и будут в основном определять скорость сгорания угольной частицы при высокой температуре. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 9 из 176 Сказанное можно кратко сформулировать следующим образом. Основой процесса горения является химическое превращение (реакция), связанное с тепловыделением. Химическое превращение в процессе своего развития влечет зачастую появление различных физических процессов: переноса тепла, переноса реагирующих веществ и т.д. При прогрессивном развитии и ускорении реакции эти процессы на известной стадии из зависимых и второстепенных становятся ведущими и определяют условия протекания и интенсивность химического превращения, послужившего причиной их возникновения. В результате горение по своим закономерностям из качественно чисто химического процесса переходит в процесс в основном качественно чисто физический, при этом большей частью этот период от одного качественного состояния к другому происходит довольно резко, скачкообразно. Процесс горения в общем случае необходимо рассматривать как сложный физико-химический процесс, скорость которого определяется интенсивностью физических и химических явлений и особенностями их взаимодействия. Отсюда вытекает цель, характер и задачи настоящей дисциплины как учения о физических процессах и их роли при горении. Целью изучения учебной дисциплины «Теория горения и взрыва» является формирование у студентов знаний о закономерностях процессов горения и взрыва, сопровождающих техногенную деятельность человека. Задача изучения дисциплины состоит в получении навыков, необходимых для количественной оценки параметров, описывающих процессы горения и взрыва техногенных веществ. Учебная дисциплина «Теория горения и взрыва» базируется на знаниях, приобретенных при изучении дисциплин: “Высшая математика”, “Физика”, “Химия”, “Гидрогазодинамика и тепломассообмен», «Техническая термодинамика». В результате изучения дисциплины студенты должны: -иметь представление о физико-химических основах горения различных веществ и материалов; -знать физические основы процессов горения, взрыва и детонации, специфику возникновения и протекания этих процессов, особенности горения и взрыва газо- и пылевоздушных смесей, физические основы самовозгорания некоторых веществ; -уметь прогнозировать опасность возникновения пожара или взрыва в различных сочетаниях в пространстве горючего окислителя и источника воспламенения, определять пожаровзрывоопасность газов, смесей газов, аэровзвесей, жидких и твердых веществ в реальных условиях, прогнозировать состав продуктов сгорания при пожаре и параметры взрыва в чрезвычайных ситуациях; -быть ознакомлены с общей характеристикой взрывных явлений и процесса горения, с особенностью взрывов конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) и условиями их возникновения, с основными параметрами взрыва, с результатами исследований в области взрывов, пожаров и причин их возникновения. Основоположниками современной теории нормального горения газов являются французские ученые Маляр и Ле-Шателье и русский физик профессор В.А. Михельсон. Михельсон еще в 1890 году дал глубокий анализ этого процесса в трубах и теорию пламени на горелке Бунзена и теоретически обосновал широко известный сейчас метод измерения нормальных скоростей пламени с помощью горелки. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 10 из 176 Не менее важные взгляды были высказаны Михельсоном по поводу механизма распространения детонации. Изложение гидродинамической теории детонации было сделано Чепменом. После Великой Октябрьской социалистической революции в Советском Союзе исследование процессов горения получило очень широкое развитие. В 1931 г. в Ленинграде академиком Н.Н.Семеновым был создан научноисследовательский институт химической физики, который вскоре перешел в систему Академии наук СССР и сделался ведущим институтом Советского Союза и средоточием крупного коллектива ученых. Этим коллективом в течение сравнительно небольшого (10-15-летнего) периода были проведены весьма важные работы в области изучения процессов воспламенения и горения газов и заложены основы теории основных явлений горения: основы кинетики цепных реакций, теории теплового самовоспламенения, теории распространения нормального горения и пр. Широко известны работы академика В.Н.Кондратьева в области спектроскопического исследования газовых химических реакций и работы члена-корреспондента АН СССР Я.Б.Зельдовича по теории распространения пламени. Созданная академиков Н.Н.Семеновым теория цепных реакций получила мировое признание и высокую оценку в виде присуждения ее автору Нобелевской премии. Значительное развитие получила в Советском Союзе разработка физикохимических основ горения твердых горючих, в основном угля, как основы общей теории гетерогенного горения. Работы по изучению процесса горения угля (углерода) были начаты в СССР в тридцатых годах XX столетия под руководством А.С.Предводителева. В настоящее время можно считать построенным не только общий, но и детальный физико-химический механизм горения углерода, включая такие сложные процессы, как процесс горения угля в слое и в виде аэровзвеси (облако), процессы вторичного реагирования – горение окиси углерода и восстановление углекислоты, процессы воспламенения твердого топлива и др. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 11 из 176 Лекция № 2 Тема: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА План лекции: 1. Горение и взрыв. Условия, необходимые для горения и взрыва; 2. Виды горения. 1 Горение и взрыв. Условия, необходимые для горения и взрыва. Горение - это сложная экзотермическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и света. В зависимости от скорости протекания процесса, горение может происходить в форме собственно горения и взрыва. Взрыв - это частный случай горения, протекающего мгновенно с кратковременным выделением значительного количества тепла и света. В большинстве случаев горение происходит в результате экзотермического окисления вещества, способного к горению (горючего),- окислителем (кислородом воздуха, хлором, закисью азота и др.). К горению относят и другие процессы, связанные с быстрым превращением и тепловым или цепным их ускорением: разложение взрывчатых веществ, озона; взаимодействие оксидов натрия и бария с диоксидом углерода; распад ацетилена и т.д. Горение представляет собой комплекс взаимосвязанных химических и физических процессов. Важнейшие процессы при горении – тепло- и массоперенос. Наиболее общим свойством горения является способность возникшего очага пламени перемещаться по всей горючей смеси путем: передачи тепла; диффузии активных частиц из зоны горения в свежую смесь. В первом случае реализуется тепловой, а во втором – диффузионный механизм распространения пламени. Как правило, горение протекает по комбинированному тепловому диффузионному механизму. Для процессов горения характерно наличие критических условий (по составу смеси, давлению, температуре, геометрическим размерам системы) возникновения и распространения пламени. Во всех случаях для горения характерны три типичные стадии: 1. возникновение; 2. распространение; 3. погасание пламени. Для процесса горения необходимо: наличие горючей среды, состоящей из горючего вещества и окислителя; источника воспламенения. Чтобы возник процесс горения, горючая среда должна быть нагрета до определенной температуры при помощи источника воспламенения (пламя, искра электрического или механического происхождения, накаленные тела, тепловое проявление химической, электрической или механической энергий). После возникновения горения постоянным источником воспламенения является зона горения. Возникновение и продолжение горения возможно при определенном количественном соотношении горючего вещества и кислорода, а также при определенных температурах и запасе тепловой энергии источника воспламенения. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 12 из 176 Наибольшая скорость стационарного горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14 - 15% кислорода. При меньшем содержании кислорода в воздухе горение большей части веществ прекращается. 2 Виды горения Различают следующие виды горения: полное - горение при достаточном количестве или избытке кислорода; неполное - горение при недостатке кислорода. При полном горении продуктами сгорания являются двуокись углерода (CO2), вода (H2O), азот (N), сернистый ангидрид (SO2), фосфорный ангидрид. При неполном горении обычно образуются едкие, ядовитые горючие и взрывоопасные продукты: окись углерода, спирты, кислоты, альдегиды. Горение веществ может протекать не только в среде кислорода, но также в среде некоторых веществ, не содержащих кислорода, хлора, паров брома, серы и т.д. Горючие вещества могут быть в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Отдельные твердые вещества при нагревании плавятся и испаряются, другие - разлагаются и выделяют газообразные продукты и твердый остаток в виде угля и шлака, третьи не разлагаются и не плавятся. Большинство горючих веществ независимо от агрегатного состояния при нагревании образуют газообразные продукты, которые при смешивании с кислородом воздуха образуют горючую среду. По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают: гомогенное горение - горение газов и горючих парообразующих веществ в среде газообразного окислителя; горение взрывчатых веществ и порохов; гетерогенное горение - горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя; горение в системе «жидкая горючая смесь - жидкий окислитель». Важнейшим вопросом теории горения является распространение пламени (зоны резкого возрастания температуры и интенсивной реакции). По скорости распространения пламени различают следующие режимы горения: нормальный режим горения; дефлаграционное горение; детонация. Дефлаграционное протекает с дозвуковыми скоростями, а детонация распространяется со сверхзвуковыми скоростями. Дозвуковое горение подразделяется на ламинарное и турбулентное. Скорость ламинарного горения зависит от состава смеси, начальных давления и температуры, а также от кинетики химических превращений в пламени. Скорость распространения турбулентного пламени помимо перечисленных факторов зависит от скорости потока, степени и масштаба турбулентности. 1. Нормальный режим горения наблюдается при спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении. Скорость горения будет определяться скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения. Распространение пламени происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к его поверхности. Такое горение и скорость распространения пламени по УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 13 из 176 неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называют нормальным (ламинарным). Нормальные скорости горения невелики. В этом случае повышения давления и образования ударной волны не происходит. 2. В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 – 320 м/сек) происходит взрывное (дефлаграционное) горение. При взрывном горении продукты горения нагреваются до 1500-3000 °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0.6-0.9 МПа. Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет для газов ~0.1 сек, паров ~0.2 – 0.3 сек, пыли ~0.5 сек. Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлаграцией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100 - 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20 - 100 кПа. 3. В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1 - 5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличение его поверхности. При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышается плотность, давление температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси. Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа. Процесс химического превращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией. При детонационном режиме горения облака ГВ большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну, при дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени ~200 м/сек переход энергии в волну составляет от 30 до 40%. Взрыв – процесс быстрого выделения большого количества энергии. В результате взрыва взрывоопасная (или взрывчатая) смесь, заполняющая объем, в котором произошло выделение энергии, превращается в сильно нагретый газ с высоким давлением. Этот газ с большой силой возействует на окружающую среду, вызывая образование взрывной волны. Разрушения, вызванные взрывом, обусловлены действием взрывной волны. По мере удаления от места взрыва механическое воздействие взрывной волны ослабевает. Диффузионное и кинетическое горение Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны: смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом. К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 14 из 176 перемешаны и имеют поверхности раздела: твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух, и т.д. Примером горения паров газов (гомогенное горение) является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости (рис. 1), или горение газа, выходящего из трубы. Так как парциальное давление кислорода воздуха равно 21,2 кПа, а в зоне горения давление равно нулю, кислород из воздуха диффундирует через слой продуктов сгорания к зоне горения. Следовательно, скорость реакции горения зависит от скорости диффузии кислорода. Примером горения на поверхности твердого вещества (гетерогенное горение) является горение антрацита, кокса, древесного угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, что видно из схемы, показанной на рис.2. концентрация кислорода в объеме воздуха (С 1) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (С0). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция горения тормозится. Полное время сгорания химически неоднородной горючей системы складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха τф, и времени, затрачиваемого на протекание самой химической реакции τх: r ф х В зависимости от соотношения τф и τх горение называют диффузионным или кинетическим. При горении химически неоднородных горючих систем время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. τф >> τх, и практически τг ≈ τф. В этом случае говорят, что процесс протекает в диффузионной области. Такое горение и называется диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение. Если время физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. τ ф >> τх, то можно принять τг ≈ τх. Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется кинетическим. Если продолжительность химической реакции и физическая стадия процесса горения соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, в которой на скорость горения влияют как химические, так и физические факторы. Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Страница 15 из 176 Лекция № 3 Тема: СОСТАВ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ (часть I) План: 1. Расход воздуха при горении. Состав продукта горения; 2. Адиабатическая температура горения; 3. Цепные реакции. 1 Расход воздуха при горении. Состав продукта горения. Для оценки расхода воздуха при горении и вычисления состава продуктов горения используются понятия стехиометрическая смесь, стехиометричесий коэффициент, коэффициент избытка окислителя. Стехиометрической называется горючая смесь, которая не содержит в избытке ни горючий компонент, ни окислитель. При избытке горючего смесь называют богатой, а при избытке окислителя – бедной. Таблица 1 Области диссоциации продуктов горения при разных температурах и давлениях Диапазон Диапазон температур, оС давлений, кПа Отсутствие Слабая Сильная диссоциации диссоциация диссоциация 1 2 10 - 5∙10 <1300 1300-2100 >2100 2 2 5∙10 - 25∙10 <1500 1500-2300 >2300 2 3 25∙10 - 1∙10 <1700 1700-2500 >2500 3 3 1∙10 - 5∙10 <1900 1900-2700 >2700 Наименьшее количество окислителя, необходимое для полного окисления 1 моля (или 1 кг, или 1 м3) горючего, называется стехиометрическим коэффициентом β. Стехиометрический коэффициент β может быть вычислен по бруттоформуле горючего: mC mS m mH m X 2,5mP O , 4 2 (1) где mC, mS, mH, mP, mO – соответственно число атомов углерода, серы, водорода, фосфора и кислорода в молекуле соединения; mX – число атомов галогенов в молекуле соединения, окисляющих водород до галогеноводорода, а углерод – до галогеноуглерода вида CX4. Избыток окислителя по отношению к стехиометрическому его количеству называется коэффициентом избытка окислителя. Если горючая смесь состоит из следующих веществ (в %): Σ CmHn, H2,CO, H2S, O2, CO2 и N2, то количество воздуха Vв с содержанием кислорода 21%, необходимого для ее полного сгорания, определяется по формуле VВ (m 0,25n)C m H n 0,5H 2 0,5CO 1,5H 2 S O2 21 м3 / м3 (2) Состав продуктов горения определяется массовыми долями химических элементов, входящих в соединения горючей смеси, а также температурой и давлением, при которых происходит горение. На состав и температуру продуктов горения оказывает влияние их диссоциация, проявляющаяся при температурах, превышающих 1800оС. По температуре и давлению условно выделены области отсутствия диссоциации, со слабой диссоциацией и с сильной диссоциацией (таблица 1). Если пренебречь компонентами смеси, парциальные давления которых в сумме не превышают 1,5%, то для смесей углеродных горючих с воздухом в начальном Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Страница 16 из 176 о состоянии при 20 С и давлении 101 кПа могут быть выделены области, в которых для определенных соотношений горючее – окислитель в составе продуктов горения присутствуют следующие вещества (таблица 2): Таблица 2 Коэффициент избытка окислителя α < 0,87 0,85 < α < 1,25 α > 1,25 Состав продуктов горения N2; H2O; CO2; CO; H2 N2; H2O; CO2; CO; OH; O2 N2; H2O; CO2; O2 При необходимости получения точных данных о составе продуктов горения составляют систему уравнений, в которую входят: 1.уравнения констант равновесия реакций диссоциации; 2.уравнения баланса элементов, входящих в горючую смесь; 3.уравнения полного давления продуктов горения. При горении веществ, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода, кислорода и азота, в воздухе или кислороде образуются продукты сгорания, содержащие только четыре элемента: C, H, O и N. Уравнения реакций диссоциации продуктов горения и константы скорости этих реакций записываются в следующем виде: CO2 CO 0,5O2 K1 H 2 O H 2 0,5O2 K2 CO2 H 2 CO H 2O K3 PCO PO02,5 PCO2 PH 2 PO02,5 PH 2O PCO PH 2O ( PCO2 PH 2 ) POH PH0,25 (3) (4) (5) H 2O OH 0,5H 2 K4 N 2 O2 2 NO 2 PNO K5 ( PN 2 PO2 ) (7) H 2 2H K6 PH2 PH 2 (8) O2 2O PO2 K7 PO2 (9) N 2 2N K8 PH 2O PN2 PN 2 (6) (10) Уравнения баланса элементов составляется путем приравнивания количества элемента, входящего в исходную смесь, к количеству элемента, содержащегося в продуктах сгорания: 12 YC P PCO PCO 2 1 YH P 2 PH O 2 PH POH PH 2 2 (11) (12) Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 14 YN P 16 YO P 2 PN PN PNO 2 Страница 17 из 176 (13) 2 PO 2 PCO PH O PCO POH PNO PO , 2 2 2 (14) где YC, YH, YN,YO – массовая доля соответственно углерода, водорода, азота и кислорода в горючей смеси; μΣ - число молей продуктов горения, приходящихся на 1 кг горючей смеси; PΣ - общее давление газов. В балансовых уравнениях элементов парциальные давления берутся с коэффициентом, равным числу атомов данного элемента в молекуле вещества. Для определения μΣ и PΣ используются уравнения P 1 M i Pi M (15) i P PCO2 PH 2O PCO PN2 PO2 PH 2 POH PNO PH PO PN Pi (16) Состав продуктов горения с учетом процессов диссоциации определяется решением системы уравнений методом последовательных приближений. 2 Адиабатическая температура горения Адиабатической называется температура полного сгорания вещества при отсутствии потерь тепла в окружающую среду. Адиабатическая температура горения Тад может быть найдена из уравнения Т ад Т ад 273 273 c рисх dT H ст c рпродdT , (17) где Cр,исх – теплоемкость исходных веществ; Cр,прод – теплоемкость продуктов горения; ∆Hoст – стандартная теплота сгорания. При вычислении адиабатической температуры горения процессов, протекающих в замкнутых объемах, вместо теплоемкостей при постоянном давлении С р необходимо использовать значения теплоемкостей при постоянном объеме Cv. Для упрощения вычислений по уравнению (17) вместо истинных теплоемкостей можно пользоваться значениями средних теплоемкостей ошибки вычисления Тад при этом не выходят за пределы погрешности высокотемпературных значений теплоемкости. 3 Цепные реакции Согласно законам классической кинетики, скорость химической реакции определяется концентрацией реагирующих веществ, температурой и давлением. Механизм протекания реакции длительное время рассматривали как чисто молекулярный, описываемый обычными стехиометрическими уравнениями. Однако наблюдения показали, что реакции часто носят более сложный характер. Объяснение особенностей этих процессов развито академиком Н. Н. Семеновым и его сотрудниками в теории цепных реакций. Согласно этой теории, в процессе столкновения молекул образуются атомы и радикалы, являющиеся активными центрами. Возникновение активных центров может произойти вследствие столкновения между неактивными молекулами и молекулами, обладающими энергией, при столкновении молекулы со стенкой сосуда или в результате термической УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 18 из 176 диссоциации. Активными центрами могут служить как конечные продукты реакции, так и промежуточные. Энергия активации при взаимодействии этих частиц со стабильными молекулами значительно меньше, поэтому их столкновения чаще сопровождаются реакцией. Это приводит к активизации процесса. Скорость цепных реакций по сравнению с ожидаемой скоростью молекулярных реакций в десятки и сотни тысяч раз больше. Цепные реакции делятся на два типа — неразветвленные и разветвленные. Неразветвленной реакцией называется такая, при которой каждый активный центр при взаимодействии порождает один новый активный центр, который в свою очередь дает начало новой цепи. Разветвленными реакциями называются такие, при которых один активный центр вызывает образование двух и более новых активных центров. Скорость реакции неразветвленного типа показана на рис.1. Рост скорости реакции до максимума в начале процесса связан с первичным ростом числа свободных атомов. Рис.1 Скорость неразветвленной цепной реакции Рис.2 Скорость разветвленной цепной реакции Дальнейшее снижение скорости реакции при Т= const объясняется уменьшением концентрации реагентов.Примером разветвленной цепной реакции может служить реакция горения водорода, окисла углерода и др. Реакция соединения водорода с кислородом 2H 2O O2 2H 2O даст основание, найти скорость процесса по уравнению: W KCH2 2 CO2 , где К – коэффициент, пропорциональный числу столкновений, которые заканчиваются реакцией. Однако действительный ход процесса не подчиняется этому условию и находится в прямом противоречии с ним, а именно: из указанного следует, что по мере расходования молекул Н 2 ,скорость реакции должна падать, в то время как наблюдается ее рост. Исследования показали, что горение Н2, как и горение других видов газообразного топлива, представляет собой разветвленную цепную реакцию, протекающую через промежуточное образование активных центров в виде атомов Н, О и радикала ОН: УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 19 из 176 H O2 OH O , (б); OH H 2 H 2O H , (в); H 2 M H H M , (а); O H 2 OH H , (г); OH H 2 H 2O H ,(д); где M – любая молекула, обладающая энергией. H O2 3H 2 2H 2O 3H , В итоге можно написать т.е. один активный центр вызывает возникновение трех новых центров. Таким образом, весь процесс представляется следующей схемой Если бы в процессе реакции не было гибели активных центров, то их нарастание привело бы систему к самовоспламенению и возникновению цепного взрыва. Опытом найдено, что реакция (б) протекает медленнее других, так как энергия активации ее наибольшая E ≈ 75000 кДж/кмоль. Для реакции (в) E ≈ 41870 кДж/кмоль и для реакции (г) E ≈ 25122 кДж/кмоль. Таким образом, реакция (б) является лимитирующей и ее скорость определяет скорость процесса в целом: W KC Н C O2 График изменения реакции W во времени t показан на рис.2. в начале процесса реакция протекает незаметно с очень малой скоростью. Этот период получил название индукционного периода реакции tинд. В течение этого периода происходит накапливание активных центров. Выделяющаяся в процессе реакции энергия расходуется на химическую работу создания активных атомов и радикалов. Период индукции в значительной мере зависит от начальных условий реакции. Когда количество атомарного водорода достигает предельно возможной концентрации, скорость реакции становится максимальной и вслед за этим начинает уменьшаться, так как вследствие реакции сокращается количество реагирующих веществ. Уменьшение скорости реакции протекает медленнее, чем шло ее нарастание от конца индукционного периода до максимального значения. Ход процесса в этот период можно назвать установившимся, так как содержание активных центров находится в непрерывном соответствии с содержанием горючих элементов в реагирующей системе. В случае если в ходе реакции повышается температура, то картина процесса значительно осложняется. Если в период индукции основную роль играет процесс термической активации, обуславливающей ускорение реакции и вызванный этим разогрев системы, то нарастающая скорость реакции называется тепловым воспламенением. В том случае, если ускорение реакции обеспечено накапливанием активных центров в индукционный период, то в системе имеет место цепное воспламенение или цепной взрыв. Франк-Каменецкий Д.А. определяет характер воспламенения по безразмерной величине: Q E d 2W , 2 4 RT0 где Q – тепловой эффект реакции, Дж/моль; λ – теплопроводность смеси, Дж/(см·с·К); УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 20 из 176 T0 – температура стенок реакционного сосуда, К; W – скорость реакции в молях вещества, для которого рассчитан тепловой эффект, моль/(см3·с). Если значение для сосуда диаметром d и длиной L достигает критического значения: d L 2 кр 2 0,843 , то воспламенение носит тепловой характер, если же δ< δкр, то воспламенение носит цепной характер. Лекция № 4 Тема: СОСТАВ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ (часть II) План: 4. Продукты сгорания. Дым; 5. Теплота сгорания; 6. Температура горения топлива. 1 Продукты сгорания. Дым Продуктами сгорания называют газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего вещества с кислородом в процессе горения. Состав их зависит от состава горящего вещества и условий его горения. В условиях пожара чаще всего горят органические вещества (древесина, ткани, бензин, керосин, резина и др.), в состав которых входят главным образом углерод, водород, кислород и азот. При горении их в достаточном количестве воздуха и при высокой температуре образуются продукты полного сгорания: CO2. H2O, N2. При горении в недостаточном количестве воздуха или при низкой температуре кроме продуктов полного сгорания образуются продукты неполного сгорания: CO, C (сажа). Продукты сгорания называют влажными, если при расчете их состава учитывают содержание паров воды, и сухими, если содержание паров воды не входит в расчетные формулы. Реже во время пожара горят неорганические вещества, такие как сера, фосфор, натрий, калий, кальций, алюминий, титан, магний и др. Продуктами сгорания их в большинстве случаев являются твердые вещества, например P2O5, Na2O2, CaO, MgO. Образуются они в дисперсном состоянии, поэтому поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Продукты сгорания алюминия, титана и других металлов в процессе горения находятся в расплавленном состоянии. Дым представляет собой дисперсную систему, состоящую из мельчайших твердых частиц, взвешенных в смеси продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 1 до 0,01 мкм. Объем дыма, образующегося при горении единицы массы (кг) или объема (м 3) горючего вещества в теоретически необходимом объеме воздуха (α=1), приведен в таблице 3. В составе дыма, образующегося на пожарах при горении органических веществ, кроме продуктов полного и неполного сгорания, содержатся продукты термоокислительного разложения горючих веществ. Образуются они при нагреве еще негорящих горючих веществ, находящихся в среде воздуха или дыма, УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 21 из 176 содержащего кислород. Обычно это происходит перед факелом пламени или в верхних частях помещений, где находятся нагретые продукты сгорания. Таблица 3 Горючее вещество, м3/кг Ацетон Бензин Бумага Древесина (сосна) Керосин Резина 8,14 12,59 4,21 в конструкциях зданий (W=7%) воздушно-сухая (W=20%) 4,40 4,90 12,80 10,82 Горючее вещество, м3/м3 Ацетилен 12,40 Бутан 33,44 Водород 2,88 Метан 10,52 Оксид углерода Пропан Природный газ Этан 25,80 10,40 18,16 Состав продуктов термоокислительного разложения зависит от: - природы горючих веществ; - температуры; - условий контакта с окислителем. Так, исследования показывают, что при термоокислительном разложении горючих веществ, в молекулах которых содержатся гидроксильные группы, всегда образуется вода. Если в составе горючих веществ находятся углерод, водород и кислород, продуктами термоокислительного разложения чаще всего являются углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны и органические кислоты. Если в составе горючих веществ, кроме перечисленных элементов, есть хлор или азот, то в дыме находятся также хлористый и цианистый водород, оксиды азота и другие соединения. Так, в дыме, при горении капрона, содержится цианистый водород, при горении линолеума «Релин» - сероводород, диоксид серы, при горении органического стекла – оксиды азота. Продукты неполного сгорания и термоокислительного разложения, в большинстве случаев являются токсичными веществами, поэтому тушение пожаров в помещениях производят только в кислородных изолирующих противогазах. 2 Теплота сгорания Химические реакции сопровождаются поглощением или выделением энергии, в частности тепла. Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются эндотермическими. При эндотермических реакциях нагрев реагирующих веществ необходим не только для возникновения реакции, но и в течение всего времени их протекания. Без нагревания извне эндотермическая реакция прекращается. Реакции, сопровождающиеся выделением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются экзотермическими. Все реакции горения относятся к экзотермическим. Вследствие выделения тепла они, возникнув в одной точке, способны распространяться на всю массу реагирующих веществ. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 22 из 176 Количество тепла, выделяемое при полном сгорании вещества и отнесенное к одному молю, единице массы (кг, г) или объема (м3) горючего вещества, называется теплотой сгорания. Теплота́ сгора́ния — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях (Дж) или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (Дж или кал на 1 кг, м³ или моль).Для её измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами С, Н, О, N, S, а зола и вода — символами А и W соответственно. Виды теплоты сгорания Теплота сгорания может быть отнесена: - к рабочей массе горючего вещества QP, то есть к горючему веществу в том виде, в каком оно поступает к потребителю; - к сухой массе вещества QC; - к горючей массе вещества QΓ, то есть к горючему веществу, не содержащему влаги и золы. Различают высшую (QB) и низшую (QH) теплоту сгорания. Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания. Или высшая теплота сгорания — это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100 %. Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания. Скрытая теплота сгорания газа — это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11 %. Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением: QB = QH + k(W + 9H), где k — коэффициент, равный 25 кДж/кг (6 ккал/кг); W — количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н — количество водорода в горючем веществе, % (по массе). Теплоту сгорания можно вычислить по табличным данным, пользуясь законом Гесса. Русский химик Г. Г. Гесс в 1840 г. открыл закон, который является частным случаем закона сохранения энергии. Закон Гесса состоит в следующем: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому реакция протекает, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы при условии, что температура и давление (или объем) в начале и конце реакции одинаковы. Существует нижний предел теплоты сгорания, ниже которого вещества становятся не способными к горению в атмосфере воздуха. Вещества являются негорючими, если они не относятся к взрывоопасным и если их низшая теплота УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 23 из 176 сгорания в воздухе не превышает 2100 кДж/кг. Горючесть твердых веществ и материалов в значительной степени зависит и от их состояния, а также от скорости отвода тепла из зоны горения. Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов, рассчитанная по их элементарному составу, имеет следующие значения, кДж (таблица 4): В процессе горения, особенно на пожарах, теплота сгорания веществ полностью не выделяется, так как горение сопровождается недожогом. Нефтепродукты, бензол, толуол, ацетилен, т.е. вещества, богатые углеродом, горят на пожарах с образованием значительного количества сажи. Сажа (углерод) способна гореть и выделять тепло. Если при горении она образуется, то, следовательно, горючее вещество выделяет тепла меньше теоретически установленного количества. Для веществ, богатых углеродом, коэффициент недожога η составляет 0,8-0,9. При горении 1 кг резины может выделиться не 33520 кДж, а только 33520∙0,8=28816 кДж. Таблица 4 Вещества и материалы Бензин Керосин Бумага: книги, журналы Древесина: - (бруски W = 14 %); - в конструкциях зданий Каучук: - натуральный; - синтетический Органическое стекло Линолеум поливинилхлоридный Резина Волокно штапельное Полиэтилен Пенополистирол Хлопок разрыхленный Торф (W = 20 %) Размер пожара обычно характесгорания , МДж/кг ризуется площадью пожара. Количество тепла, выделяющееся 43,157 – 43,785 с единицы площади пожара в 42,109 – 42,947 единицу времени, называется 13,408 теплотой пожара Qп: Низшая теплота 12,57 – 14,66 16,76 – 17,07 Qп Qн v м , где vм – массовая скорость выгорания, кг/(м2∙с); 44,73 Qн – тепловая нагрузка, кДж. 37,710 Удельная теплота пожара при 25,140 внутренних пожарах характери14,31 зует тепловую нагрузку на конструкции зданий и сооружений 33,52 и используется для расчета тем13,8 пературы пожара. 47,14 Расчёт теплоты сгорания 41,6 На практике, не удается 15,7 охладить продукты сгорания до 15,125 полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания ( ), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг). Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг): или где QHP QBP 2514 (( 9 H P W P ) / 100 ) (для твердого вещества) QHP QBP 600 (( 9 H P W P ) / 100 ) (для жидкого вещества), 2514 — теплота парообразования при температуре 0°C и атмосферном давлении, кДж/кг; УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 24 из 176 H и W — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %; 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды. Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж. Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также её можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчётным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг: P P или , где: CP, HP, OP, , WP — содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе). Для сравнительных расчётов используется так называемое топливо условное, имеющее удельную теплоту сгорания, равную 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг). Условное топливо Расход топлива на парогенератор данной производительности зависит от его теплоты сгорания, которая для различных топлив изменяется в больших пределах. Для сравнения по энергетической ценности и эффективности использования различных сортов топлив введено понятие об условном топливе, которому присваивается теплота сгорания, равная Qycл =29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг). Ориентировочно количество воздуха (м3), необходимое для сгорания 1 кг вещества (или 1 м3 газа) определяется по формуле: V 1,12Q , 1000 где Q - теплота сгорания, кДж/кг, или кДж/м3. По теплоте сгорания горючего вещества можно определить, количество тепла выделяемого при его сгорании, температуру горения, давление при взрыве в замкнутом объеме и другие данные. Температура горения вещества определяется как теоретическая, так и действительная. Теоретической называется температура горения, до которой нагреваются продукты сгорания, в предположении, что все тепло, выделяющееся при горении, идет на их нагревание. Теоретическая температура горения t Q mc mc где m - количество продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг вещества; с - теплоемкость продуктов горения, кДж/ (кг·К); θ - температура воздуха, К; Q - теплота сгорания, кДж/кг. Действительная температура горения на 30-50% ниже теоретической, так как значительная часть тепла, выделяющегося при горении, рассеивается в окружающую среду. Высокая температура горения способствует распространению пожара, УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 25 из 176 при ней большое количество тепла излучается в окружающую среду, и идет интенсивная подготовка горючих веществ к горению. Тушение пожара при высокой температуре горения затрудняется. В России, Казахстане тепловые расчёты (например, расчёт тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в США, Великобритании, Франции — по высшей. В Великобритании и США до внедрения метрической системы мер удельная теплота сгорания измерялась в британских тепловых единицах (BTU) на фунт (lb) (1Btu/lb = 2,326 кДж/кг). 3 Температура горения топлива Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, воспринимается продуктами сгорания, которые нагреваются до определенной температуры, называемой температурой горения. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры сгорания топлива. В уравнение теплового баланса реального горения входят составляющие, величина которых зависит не только от теплофизических свойств топлива, но и от условий, при которых протекает горение. Например, от степени подогрева топлива и воздуха, потерь теплоты при горении, тепловосприятия в топке, коэффициента избытка воздуха. Чтобы выявить потенциальные возможности топлива, вводят понятие горения без подогрева топлива и воздуха при идеальном адиабатическом процессе, т. е. горения с теоретическим количеством воздуха, без потерь теплоты и без теплообмена в топочной камере и с окружающей средой. Полученная в этих условиях температура продуктов сгорания называется теоретической. Калориметрическая температура отражает влияние подогрева топлива и воздуха и коэффициента избытка расхода воздуха α на температуру адиабатического горения. Повышение температуры подогрева топлива и воздуха увеличивает приход теплоты в зону горения и повышает температуру горения, а увеличение коэффициента избытка воздуха a вызывает увеличение объема продуктов сгорания Vг, что понижает температуру горения. Поэтому в зависимости от влияния этих факторов калориметрическая температура может быть выше или ниже теоретической. В реальных условиях не все тепло, выделяющееся при горении, идет на нагрев продуктов реакции, так как часть тепла передается экранной системе топочной камеры и некоторое количество тепла теряется в окружающую среду; кроме того, при высоких температурах происходит диссоциация части продуктов сгорания (СО 2 и Н2О), сопровождающаяся поглощением тепла. Для каждого типа топки, вида и способа сжигания топлива разработана специальная методика расчета теплообмена в топке и определения действительной температуры газов на выходе из топки. Отношение действительной температуры горения топлива к теоретической называется пирометрическим коэффициентом. Значения теплоты сгорания природных газов (Данные от Международного энергетического агентства) Алжир: 42 000 кДж/м³ Канада: 38 200 кДж/м³ Нидерланды: 33 320 кДж/м³ Россия: 38 231 кДж/м³ Великобритания: 39 710 кДж/м³ Узбекистан: 37 889 кДж/м³ Бангладеш: 36 000 кДж/м³ Индонезия: 40 600 кДж/м³ Норвегия: 39 877 кДж/м³ Саудовская Аравия: 38 000 кДж/м³ Соединенные Штаты: 38 416 кДж/м³ УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 26 из 176 Количество топлива для работы лампочки мощностью 100 Вт в течение года (876 кВт·ч) 260 кг древесины (при 20 % влажности) 120 кг угля (антрацит малозольный) 73,34 кг керосина 58 кг метана 22 кг водорода 17,5 мкг антивещества 38 мг урана 78,8 м³ природного газа (используя усредненную величину 40000 кДж/м³) (Количество топлива, указанное ниже, рассчитано при 100 % эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Так как большинство электрогенераторов и распределительных систем достигают эффективности (КПД) порядка 30 % - 35 %, фактическое количество топлива, используемого для питания лампочки мощностью 100 Вт, будет приблизительно в три раза больше указанного количества ). Лекция № 5 Тема: ПЛАМЯ План лекции: 3. Характеристика и понятие пламени. Виды пламени; 4. Структура и длина пламени; 5. Стабилизация пламени. 1. Характеристика и понятие пламени. Виды пламени Пламенем называют объем движущихся газов, в котором протекают процессы горения. Массообмен и теплообмен имеет место как внутри пламени так и между пламенем и окружающей его средой. Движущей силой этих процессов является наличие неравномерного поля, концентраций и температур. При стационарном процессе горения различают три характерных режима распространения пламени: - ламинарный (нормальный); - турбулентно-мелкомасштабный; - турбулентно-крупномасштабный. Под нормальным распространением пламени понимается режим, при котором горючая смесь нагревается за счет тепла, поступающего из зоны горения исключительно посредством теплопроводности. Нормальная скорость распространения пламени относится к зоне пламени, имеющей толщину 0,5—0,6 мм. В зоне пламени протекают реакции горения. Непосредственно к зоне пламени прилегает зона подогрева горючей смеси до Тв. Ее толщина колеблется от 0,1 до 0,5 мм. Зону пламени и зону подогрева называют фронтом горения. Михельсон В.А. дает следующее определение скорости распространения пламени: нормальной скоростью перемещения фронта горения называется скорость, отнесенная к холодному и еще не воспламененному газу, с которой пламя перемещается по нормали к его поверхности и которая своим происхождением обязана процессу передачи тепла посредством молярной теплопроводности. Линейная скорость распространения пламени, при этом определяется выражением: Uн = Vm /ρо, см/с где Vm - количество сгорающего газа в граммах на единицу поверхности фронта горения в секунду, г/(см2с); ρ0 - плотность холодной горючей смеси, г/см3 Диффузионное пламя Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воздухом или такая УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 27 из 176 смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем. Структура диффузионного пламени существенно зависит от: - сечения потока горючих паров и газов; - скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное пламя возникает при малых сечениях потока паров пли газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички, газа в горелке небольшого диаметра и т. д.). При пожарах образуется турбулентное пламя. Оно меньше изучено, и для объяснения этого явления используют положения теории ламинарного пламени. На рис. 1 показано строение ламинарного диффузионного пламени жидкости, горящей в сосуде небольшого диаметра. Пламя состоит из зоны горения и зоны паров, последняя занимает почти весь объём пламени. Подобное по строению пламя образуется также при горении газов и твердых веществ, если скорость движения газов и паров соответствует ламинарному режиму. Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. ПреРис. 1 Строение ламинарного вращение веществ и выделение тепла в этом слое диффузионного пламени вызывают возникновение молекулярной диффузии в прилегающих к нему слоях воздуха и горючего. Причиной молекулярной диффузии является разность парциальных давлений и температур газов, участвующих в горении. 2 Структура и длина пламени Под длиной факела, понимают расстояние от кромки сопла до фронта горения, за пределами которого находятся только продукты сгорания. Структурой факела называется характеристика его с точки зрения образования кинетического и диффузионного фронта горения. Структура и длина открытого факела при прочих равных условиях определяется двумя параметрами: 1. характером движения потока; 2. количеством первичного воздуха в горючей смеси. В пределах области диффузионного горения относительная длина факела (отношение длины факела ℓф к его ширине b) определяется отношением скорости потока Wпот к скорости диффузии Wдиф. Массообмен с окружающим воздухом происходит только в периферийном слое путем молекулярной диффузии. Увеличение скорости вытекания газа приводит к удлинению факела. В переходной области процесс диффузии ускоряется, что приводит к более интенсивному проникновению окислителя к центру факела. В верхней части факела наступает турбулентное состояние, охватывающее все сечение факела. По мере увеличения скорости вытекания газа расстояние от кромки сопла до начала образования вихрей уменьшается. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Рис. 2 Зависимость длины пламени от скорости движения горючей смеси Страница 28 из 176 Относительная длина диффузионного факела сокращается. При турбулентном движении газового потока достигается прямая пропорциональность между турбулентной диффузией и скоростью потока. На рис. 2 показан характер изменения длины пламени и его структуры в зависимости от скорости выхода газа из сопла, полученный Хоттелем и Гаусорном. Пламя газа, горящего в попутной параллельной струе воздуха, будет более коротким за счет образования турбулентной пульсации воздушной струи и возрастания в связи с этим скорости диффузии окислителя. Зависимость структуры факела от количества первичного воздуха, подаваемого в смеси с горючим, показана на рис.3. Пунктирные линии показывают границу факела. Область факела I представляет собой горючую смесь с различными содержаниями первичного воздуха. Область II образована смесью горючего газа и продуктов сгорания (рис. 3,б) или чистым газом (рис. 3,а). Область III состоит из продуктов сгорания и воздуха. Граница раздела указанных областей представляют собой фронты пламени: F I-II и FI-III – кинетический фронт распространения пламени; F II-III – диффузионный фронт распространения пламени. На рис. 3,а показан характер факела при коэффициенте расхода воздуха в горючей смеси равном единице (n=1). В этом случае кинетический фронт горения имеет минимальную поверхность, так как распространение пламени определяется только скоростью химической реакции. При уменьшении количества первичного воздуха в смеси (рис. 3,б) при n<1 поверхность кинетического фронта возрастает. Это объясняется тем, что недостающее количество воздуха поступает из окружающей среды путем диффузии, скорость которой лимитирует скорость распространения пламени. С уменьшением коэффициента расхода Рис. 3 Структура факела в зависимости от воздуха снижается теплота сгорания смеси, количества первичного воздуха в горючей смеси что сопровождается спадом температурного уровня горения и следовательно ведет к снижению скорости распространения пламени. Область II и ограничивающий ее диффузионный фронт горения FII-III также зависят от количества первичного воздуха в горючей смеси. Чем меньше коэффициент расхода воздуха, тем больше развивается область I и сокращается область II. Фронты FI-II и FII-III сближаются, окончательно сливаясь при n=0 (рис. 3,в). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 29 из 176 При большом значении n кинетический фронт горения сокращается, а область II увеличивается, так как сжигание несгоревшего газа замедляется в связи с забалластированием горючей смеси продуктами сгорания, поступающими из кинетического фронта горения. При n>1 кинетический фронт горения увеличивается, так как, избыточный воздух в горючей смеси играет роль балласта. Область II в этом случае будет отсутствовать. Исследования показали, что максимальная скорость распространения пламени соответствует горючей смеси с коэффициентом расхода воздуха несколько меньшим единицы, т. е. при горючей смеси обогащенной горючим. Обогащение первичного воздуха кислородом уменьшит содержание балласта в горючей смеси, что приводит к сокращению кинетического фронта горения. К этому же приведет и предварительный подогрев горючей смеси. 3 Стабилизация пламени Стабильный факел возможен только при правильной организации горения, исключающей явление отрыва факела от кромки сопла или проскока его внутрь горелки. На стабильность факела влияет: - гидродинамика горючей смеси в выходном сечении сопла; - тепловой режим у кромки сопла; - количество первичного воздуха в смеси; - состав горючего; - температура и т. д. Свободный факел будет устойчивым при обеспечении динамического равновесия у кромки выходного сечения сопла между скоростью распространения фронта пламени UН и скоростью движения горючей смеси Wпот. Поток при выходе из сопла расширяется за счет наличия в нем некоторого избыточного давления и образует в нижней части факела горизонтальный участок, в котором скорость потока горючей смеси минимальна. Здесь в первую очередь достигается равенство между скоростью горючей смеси Wпот = WНОРМ и нормальной скоростью распространения пламени UН. Это участок пламенного конуса играет роль зажигательного пояса. На остальном участке скорость распространения пламени компенсирует лишь нормальную составляющую скорости потока газовой смеси UН=Wпотcosφ, в то время как вторая составляющая Wпотsinφ остается неуравновешенной и сносит точку воспламенения по поверхности фронта пламени к его вершине. При достаточно большом значении составляющей Wпотsinφ возможен отрыв пламени от среза сопла. На вершине конуса пламени Wпот=UН. Скорость потока при ламинарном факеле увеличивается в направлении к ее оси, следовательно, и конус горения будет иметь в этом случае правильную форму с закругленной вершиной. При турбулентном движении «зажигательный пояс» сокращается в размерах или вообще исчезает. Устойчивость факела в этом случае достигается в более узких пределах изменения режима и обеспечивается возникающими внутри факела обратными вихрями, благодаря которым повышается температура у среза сопла горелки. В большей мере устойчивость факела зависит от количества первичного воздуха, содержащегося в горючей смеси. Чем ближе смесь к стехиометрической, тем меньше устойчивость факела и наоборот при истечении из сопла горелки газа без примеси первичного воздуха стабильность факела при прочих равных условиях УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 30 из 176 максимальна. Это явление объясняется тем, что при кинетическом сжигании подсос воздуха из окружающей среды балластирует горячую смесь в результате чего у кромки сопла создаются условия неблагоприятные для образования зажигательного кольца. Напротив, подсос воздуха к струе чистого газа или к горючей смеси с небольшим содержанием первичного воздуха способствует повышению температуры и образованию устойчивого зажигательного кольца. Нарушение стабильности факела может быть связано и с явлением проскока пламени в сопло (явление обратного удара). Явление проскока возможно при нарушении равновесия Wпот=UН в сторону увеличения UН. Этому способствует повышение температуры стенки сопла. Чем ближе горючая смесь к стехиометрической, тем благоприятнее условия для проникновения фронта пламени внутрь горелки. Уменьшение диаметра сопла оказывает сопротивление проскоку вследствие увеличения тепловых потерь и уменьшения в связи с этим UН. При критическом диаметре dкр величина UН приближается к нулю, этим объясняется «тушащий» эффект стенки сопла. Естественно, что материал стенки или искусственное охлаждение ее играет очень важную роль. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 31 из 176 Лекция № 6 Тема: ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНОСТИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ План лекции: 1. Определение пожаровзрывоопасности. Группы горючести; 2. Показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов. 1 Определение пожаровзрывоопасности. Группы горючести Показатели пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов определяются с целью получения исходных данных для определения категории производства и разработки систем обеспечения пожарной безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004-85 и ГОСТ 12.1.010-76. Пожаро- и взрывоопасность веществ и материалов определяется показателями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества и условий его применения. При определении пожаровзрывоопасности веществ и материалов различают: - газы - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа превышает 101,3 кПа; - жидкости - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа. К жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50°С; - твердые вещества и материалы - индивидуальные вещества и иx смесевые композиции с температурой плавления или каплепадения больше 50°С, а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани и т. п.); - пыли - диспергированные твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм. Количество показателей, необходимых и достаточных для характеристики пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов в условиях их производства, переработки, транспортировки и хранения, как правило, определяется разработчиком системы обеспечения пожарной безопасности объекта. Номенклатура и применяемость показателей пожароопасности веществ и материалов приведены в таблице 1. Группа горючести Группа горючести - классификационная характеристика способности веществ и материалов к горению. Одним из основных показателей пожароопасности, применяемых при классификации веществ и материалов по способности их к горению, является группа горючести. По горючести и вещества и материалы подразделяются на три группы: - негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению в воздухе. Негорючие вещества могут быть пожароопасными (например: окислители, а также вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом); - трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления; УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 32 из 176 - горючие (сгораемые) - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления. Из группы горючих веществ и материалов выделяют легковоспламеняющиеся вещества и материалы. Легковоспламеняющиеся называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника зажигания с низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.). Легковоспламеняющимися называются жидкости с температурой вспышки не более 61°С в закрытом тигле или 66°С в открытом тигле. Группа горючести применяется при подразделении материалов по горючести, при определении категории помещений, зданий по взрыво- и пожароопасности, а также классов взрывоопасных зон; при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности. Таблица 1 Показатель Агрегатное состояние веществ и материалов газы + жидкости + твердые + пыли + Температура вспышки - + - - Температура воспламенения - + + + Температура самовоспламенения + + + + Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) + + - + Температурные пределы распространения пламени (воспламенения) - + - - Температура тления - - + + Условия теплового самовозгорания - - + + Минимальная энергия зажигания + + - + Кислородный индекс - - + - Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами + + + + Нормальная скорость распространения пламени + + - - Скорость выгорания - + - - Коэффициент дымообразования - - + - Индекс распространения пламени - - + - Показатель токсичности продуктов горения полимерных материалов - - + - Минимальное взрывоопасное содержание кислорода + + - + Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора + + - + Максимальное давление взрыва + + - + Скорость нарастания давления взрыва + + - + Концентрационный предел диффузионного горения газовых смесей в воздухе + + - - Группа горючести Примечание: Знак “+” обозначает применяемость, знак “-” - неприменяемость показателя. 2 Показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов Пожаровзрывоопасность веществ и материалов - совокупность свойств, характеризующих их способность к возникновению и распространению горения. Следствием горения, в зависимости от его скорости и условий протекания, могут УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 33 из 176 быть пожар (диффузионное горение) или взрыв (дефлаграционное горение предварительно перемешанной смеси горючего с окислителем). Ниже приведены понятия основных показателей пожаровзрывоопасности веществ, материалов и область их практического применения. 1. Температура вспышки 1.1 Температура вспышки - наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, устойчивое горение при этом не возникает. Вспышка - быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением. 1.2 Значение температуры вспышки следует применять для характеристики пожарной опасности жидкости, включая эти данные в стандарты и технические условия на вещества; при определении категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии с требованиями норм технологического проектирования, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности и взрывобезопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010. Допускается использовать экспериментальные и расчетные значения температуры вспышки. 1.3. Сущность экспериментального метода определения температуры вспышки заключается в нагревании определенной массы вещества с заданной скоростью, периодическом зажигании выделяющихся паров и установлении факта наличия или отсутствия вспышки при фиксируемой температуре. 2. Температура воспламенения 2.1 Температура воспламенения - наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания наблюдается воспламенение. Воспламенение - пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления. 2.2 Значение температуры воспламенения следует применять при определении группы горючести вещества, оценке пожарной опасности оборудования и технологических процессов, связанных с переработкой горючих веществ, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010, а также необходимо включать в стандарты и технические условия на жидкости. Допускается использовать экспериментальные и расчетные значения температуры воспламенения. 2.3 Сущность экспериментального метода определения температуры воспламенения заключается в нагревании определенной массы вещества с заданной скоростью, периодическом зажигании выделяющихся паров и установлении факта наличия или отсутствия воспламенения при фиксируемой температуре. 3. Температура самовоспламенения 3.1 Температура самовоспламенения - наименьшая температура окружающей среды, при которой в условиях специальных испытаний наблюдается самовоспламенение вещества. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 34 из 176 Самовоспламенение - резкое увеличение скорости экзотермических объемных реакций, сопровождающееся пламенным горением и/или взрывом. 3.2 Значение температуры самовоспламенения следует применять при определении группы взрывоопасной смеси по ГОСТ 12.1.011 для выбора типа взрывозащищенного электрооборудования, при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ. 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010, а также необходимо включать в стандарты или технические условия на вещества и материалы. 3.3 Сущность метода определения температуры самовоспламенения заключается во введении определенной массы вещества в нагретый объем и оценке результатов испытания. Изменяя температуру испытания, находят ее минимальное значение, при котором происходит самовоспламенение вещества. 4. Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) 4.1 Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. 4.2 Значения концентрационных пределов распространения пламени необходимо включать в стандарты или технические условия на газы, легковоспламеняющиеся индивидуальные жидкости и азеотропные смеси жидкостей, на твердые вещества, способные образовывать взрывоопасные пылевоздушные смеси (для пылей определяют только нижний концентрационный предел). Значения концентрационных пределов следует применять при определении категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии с требованиями норм технологического проектирования; при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технологического оборудования и трубопроводов, при проектировании вентиляционных систем, а также при расчете предельно допустимых взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальными источниками зажигания в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.010, при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объекта в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004. Допускается использовать экспериментальные и расчетные значения концентрационных пределов распространения пламени. 4.3 Сущность метода определения концентрационных пределов распространения пламени заключается в зажигании газо-, паро- или пылевоздушной смеси заданной концентрации исследуемого вещества в объеме реакционного сосуда и установлении факта наличия или отсутствия распространения пламени. Изменяя концентрацию горючего в смеси, устанавливают ее минимальное и максимальное значения, при которых происходит распространение пламени. 5. Температурные пределы распространения пламени (воспламенения) 5.1 Температурные пределы распространения пламени - такие температуры вещества, при которых его насыщенный пар образует в окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел) и верхнему (верхний температурный предел) концентрационным пределам распространения пламени. 5.2 Значения температурных пределов распространения пламени следует применять при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности объекта в УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 35 из 176 соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010; при расчете пожаровзрывобезопасных температурных режимов работы технологического оборудования; при оценке аварийных ситуаций, связанных с разливом горючих жидкостей, для расчета концентрационных пределов распространения пламени, а также необходимо включать в стандарты или технические условия на горючие жидкости. 5.3 Сущность метода определения температурных пределов распространения пламени заключается в термостатировании исследуемой жидкости при заданной температуре в закрытом реакционном сосуде, содержащем воздух, испытании на зажигание паровоздушной смеси и установлении факта наличия или отсутствия распространения пламени. Изменяя температуру испытания, находят такие ее значения (минимальное и максимальное), при которых насыщенный пар образует с воздухом, смесь, способную воспламеняться от источника зажигания и распространять пламя в объеме реакционного сосуда. 6. Температура тления 6.1 Температура тления - температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления. Тление - беспламенное горение твердого вещества (материала) при сравнительно низких температурах (400-600°С), часто сопровождающееся выделением дыма. 6.2 Значение температуры тления следует применять при экспертизах причин пожаров, выборе взрывозащищенного электрооборудования и разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности технологических процессов, оценке пожарной опасности полимерных материалов и разработке рецептур материалов, не склонных к тлению. 6.3 Сущность метода определения температуры тления заключается в термостатировании исследуемого вещества (материала) в реакционном сосуде при обдуве воздухом и визуальной оценке результатов испытания. Изменяя температуру испытания, находят ее минимальное значение, при котором наблюдается тление вещества (материала). 7. Условия теплового самовозгорания 7.1 Условия теплового самовозгорания - экспериментально выявленная зависимость между температурой окружающей среды, количеством вещества (материала) и временем до момента его самовозгорания. Самовозгорание - резкое увеличение скорости экзотермических процессов в веществе, приводящее к возникновению очага горения. 7.2 Результаты оценки условий теплового самовозгорания следует применять при выборе безопасных условий хранения и переработки самовозгорающихся веществ в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004. 7.3 Сущность метода определения условий теплового самовозгорания заключается в термостатировании исследуемого вещества (материала) при заданной температуре в закрытом реакционном сосуде и установлении зависимости между температурой, при которой происходит тепловое самовозгорание образца, его размерами и временем до возникновения горения (тления). 8. Минимальная энергия зажигания 8.1. Минимальная энергия зажигания - наименьшая энергия электрического разряда, способная воспламенить наиболее легко воспламеняющуюся смесь горючего вещества с воздухом. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 36 из 176 8.2 Значение минимальной энергии зажигания следует применять при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасных условий переработки горючих веществ и обеспечения электростатической искробезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004, ГОСТ 12.1.010 и ГОСТ 12.1.018. 8.3 Сущность метода определения минимальной энергии зажигания заключается в зажигании с заданной вероятностью газо-, паро- и пылевоздушной смеси различной концентрации электрическим разрядом различной энергии и выявлении минимального значения энергии зажигания после обработки экспериментальных данных. 9. Кислородный индекс 9.1 Кислородный индекс - минимальное содержание кислорода в кислородноазотной смеси, при котором возможно свечеобразное горение материала в условиях специальных испытаний. 9.2 Значение кислородного индекса следует применять при разработке, полимерных композиций пониженной горючести и контроле горючести полимерных материалов, тканей, целлюлозно-бумажных изделий и других материалов. Кислородный индекс необходимо включать в стандарты или технические условия на твердые вещества (материалы). 9.3 Сущность метода определения кислородного индекса заключается в нахождении минимальной концентрации кислорода в потоке кислородно-азотной смеси, при которой наблюдается самостоятельное горение вертикально расположенного образца, зажигаемого сверху. 10. Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами (взаимный контакт веществ) 10.1 Способность взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами - это качественный показатель, характеризующий особую пожарную опасность некоторых веществ. 10.2 Данные о способности веществ взрываться и гореть при взаимном контакте необходимо включать в стандарты или технические условия на вещества, а также следует применять при определении категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии с требованиями норм технологического проектирования; при выборе безопасных условий проведения технологических процессов и условий совместного хранения и транспортирования веществ и материалов; при выборе или назначении средств пожаротушения. 10.3 Сущность метода определения способности взрываться и гореть при взаимном контакте веществ заключается в механическом смешивании исследуемых веществ в заданной пропорции и оценке результатов испытания. 11. Нормальная скорость распространения пламени 11.1 Нормальная скорость распространения пламени - скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном к его поверхности. 11.2 Значение нормальной скорости распространения пламени следует применять в расчетах скорости нарастания давления взрыва газо- и паровоздушных смесей в закрытом, негерметичном оборудовании и помещениях, критического (гасящего) диаметра при разработке и создании огнепреградителей, площади легкосбрасываемых конструкций, предохранительных мембран и других разгерметизирующих устройств; при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасно- УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 37 из 176 сти технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010. 11.3 Сущность метода определения нормальной скорости .распространения пламени заключается в приготовлении горючей смеси известного состава внутри реакционного сосуда, зажигании смеси в центре точечным источником, регистрации изменения во времени давления в сосуде и обработке экспериментальной зависимости “давление-время” с использованием математической модели процесса горения газа в замкнутом сосуде и процедуры оптимизации. Математическая модель позволяет получить расчетную зависимость “давление-время”, оптимизация которой по аналогичной экспериментальной зависимости дает в результате изменениe нормальной скорости в процессе развития взрыва для конкретного испытания. 12. Скорость выгорания 12.1 Скорость выгорания - количество жидкости, сгорающей в единицу времени с единицы площади. Скорость выгорания характеризует интенсивность горения жидкости. 12.2 Значение скорости выгорания следует применять при расчетных определениях продолжительности горения жидкости в резервуарах, интенсивности тепловыделения и температурного режима пожара, интенсивности подачи огнетушащих веществ. 12.3 Сущность метода определения скорости выгорания заключается в зажигании образца жидкости в реакционном сосуде, фиксировании потери массы образца за определенный промежуток времени и математической обработке экспериментальных данных. 13. Коэффициент дымообразования 13.1 Коэффициент дымообразования - показатель, характеризующий оптическую плотность дыма, образующегося при пламенном горении или термоокислительной деструкции (тлении) определенного количества твердого вещества (материала) в условиях специальных испытаний. 13.2 Значение коэффициента дымообразования следует применять для классификации материалов по дымообразующей способности. Различают три группы материалов: - с малой дымообразующей способностью - коэффициент дымообразования до 50 м2·кг-1 включ.; - с умеренной дымообразующей способностью - коэффициент дымообразования св. 50 до 500 м2·кг-1 включ.; - с высокой дымообразующей способностью - коэффициент дымообразования св. 500 м2·кг-1. Значение коэффициента дымообразования необходимо включать в стандарты или технические условия на твердые вещества и материалы. 13.3 Сущность метода определения коэффициента дымообразования заключается в определении оптической плотности дыма, образующегося при горении или тлении известного количества испытуемого вещества или материала, распределенного в заданном объеме. 14. Индекс распространения пламени 14.1 Индекс распространения пламени - условный безразмерный показатель, характеризующий способность веществ воспламеняться, распространять пламя по поверхности и выделять тепло. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 38 из 176 14.2 Значение индекса распространения пламени следует применять для классификации материалов: - не распространяющие пламя по поверхности - индекс распространения пламени равен 0; - медленно распространяющие пламя по поверхности - индекс распространения пламени от 0 до 20 ; - быстро распространяющие пламя по поверхности - индекс распространения пламени свыше 20. 14.3 Сущность метода определения индекса распространения пламени заключается в оценке способности материала воспламеняться, выделять тепло и распространять пламя по поверхности при воздействии внешнего теплового потока. 15. Показатель токсичности продуктов горения полимерных материалов 15.1 Показатель токсичности продуктов горения - отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50 % подопытных животных. 15.2 Значение показателя токсичности продуктов горения следует применять для сравнительной оценки полимерных материалов, а также включать в технические условия и стандарты на отделочные и теплоизоляционные материалы. Классификация материалов по значению показателя токсичности продуктов горения приведена в таблице 2. Таблица 2 Класс опасности Чрезвычайно опасные Высокоопасные Умеренноопасные Малоопасные 5 До 25 25-70 70-210 Св. 210 , г м-3, при времени экспозиции, мин 15 30 60 До 47 До 13 До 10 47-50 13-40 10-30 50-150 40-120 30-90 Св. 150 Св. 120 Св. 90 15.3 Сущность метода определения показателя токсичности заключается в сжигании исследуемого материала в камере сгорания при заданной плотности теплового потока и выявлении зависимости летального эффекта газообразных продуктов горения от массы материала, отнесенной к единице объема экспозиционной камеры. 16. Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора 16.1 Минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора наименьшая концентрация флегматизатора в смеси с горючим и окислителем, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя. 16.2 Значение минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора следует применять при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов методом флегматизации в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 39 из 176 16.3 Сущность метода определения минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора заключается в определении концентрационных пределов распространения пламени горючего вещества при разбавлении газо-, паро- и пылевоздушной смеси данным флегматизатором и получении “кривой флегматизации”. Пик “кривой флегматизации” соответствует значению минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора. 17. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода 17.1 Минимальное взрывоопасное содержание кислорода - такая концентрация кислорода в горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха и флегматизатора, меньше которой распространение пламени в смеси становится невозможным при любой концентрации горючего в смеси, разбавленной данным флегматизатором. 17.2 Значение минимального взрывоопасного содержания кислорода следует применять при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010. 17.3 Сущность метода определения минимального взрывоопасного содержания кислорода заключается в испытании на воспламенение газо-, паро- или пылевоздушных смесей различного состава, разбавленных данным флегматизатором, до выявления минимальной концентрации кислорода и максимальной концентрации флегматизатора, при которых еще возможно распространение пламени по смеси. 18. Максимальное давление взрыва 18.1 Максимальное давление взрыва - наибольшее избыточное давление, возникающее при дефлаграционном сгорании газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа. 18.2 Значение максимального давления взрыва следует применять при определении категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности в соответствии с требованиями норм технологического проектирования, при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010. 18.3 Сущность метода определения максимального давления взрыва заключается в зажигании газо-, паро- и пылевоздушной смеси заданного состава в объеме реакционного сосуда и регистрации избыточного развивающегося при воспламенении горючей смеси давления. Изменяя концентрацию горючего в смеси, выявляют максимальное значение давления взрыва. 19. Скорость нарастания давления взрыва 19.1 Скорость нарастания давления взрыва - производная давления взрыва по времени на восходящем участке зависимости давления взрыва горючей смеси в замкнутом сосуде от времени. 19.2 Значение скорости нарастания давления взрыва следует применять при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010. 19.3 Сущность метода определения скорости нарастания давления заключается в экспериментальном определении максимального давления взрыва горючей смеси в замкнутом сосуде, построении графика изменения давления взрыва во времени и расчете средней и максимальной скорости по известным формулам. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 40 из 176 20. Концентрационный предел диффузионного горения газовых смесей в воздухе. 20.1 Концентрационный предел диффузионного горения газовых смесей в воздухе (ПДГ) – предельная концентрация горючего газа в смеси с разбавителем, при которой данная газовая смесь при истечении в атмосферу не способна к диффузионному горению. 20.2 Концентрационный предел диффузионного горения газовых смесей в воздухе следует учитывать при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности технологических процессов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004-91 и ГОСТ 12.1.010-76. 20.3 Сущность метода определения концентрационного предела диффузионного горения газовых смесей в воздухе заключается в определении предельной концентрации горючего газа в смеси с разбавителем, при которой данная газовая смесь не способна к диффузионному горению. При этом фиксируется предельная скорость подачи газовой смеси. 20.4 Метод определения концентрационного предела диффузионного горения газовых смесей в воздухе применим для смесей с температурой 20-300° С. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 41 из 176 Лекция № 7 Тема: ПОЖАРЫ (часть I) План лекции: 1.Классификация помещений по пожаровзрывоопасности; 2.Классификация строительных конструкций по возгораемости; Степень огнестойкости. 1 Классификация помещений по пожаровзрывоопасности Пожар - это неконтролируемый процесс горения, сопровождающийся уничтожением материальных ценностей и создающий опасность для жизни людей. Пожароопасный объект (ПОО) - это объект, на котором производятся (хранятся, транспортируются) продукты, приобретающие при некоторых условиях (авариях, инициировании) способность к возгоранию. Основными причинами возникновения пожаров при производственных авариях и стихийных бедствиях являются: - разрушения котельных, емкостей и трубопроводов с легковоспламеняющимися или взрывоопасными жидкостями и газами; - короткие замыкания электропроводки в поврежденных или частично разрушенных зданиях и сооружениях; - взрывы и возгорания некоторых веществ и материалов. Возникновение пожаров, прежде всего, зависит от характера производства и степени возгораемости или огнестойкости зданий и материалов, из которых они изготовлены. Классификация помещений по степени пожаро- и взрывоопасности Предусматриваемые при проектировании зданий и установок противопожарные мероприятия зависят, прежде всего, от пожарной или взрывной опасности размещенных в них производств и отдельных помещений. Помещения и здания в целом делятся по степени пожаро- или взрывоопасности на шесть категорий А, Б, В, Г, Д, Е (ОНТП-24, СНи П. 2.01.02-85) . Категория А - это помещения, в которых применяются легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки паров 28oС и ниже или горючие газы (нижний предел взрываемости которых не более 10% к объему воздуха) в таком количестве, что они могут образовать взрывоопасную смесь с воздухом, при взрыве которой создастся давление более 5 кПа (например, склады бензина, склады баллонов горючих газов, некоторые цехи завода медицинских препаратов, литографические цехи, производства с применением металлического натрия, калия и др.). Категория Б - это помещения, в которых выделяются переходящие во взвешенное состояние горючие волокна или пыль, а также легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки паров более 28-61oС в таком количестве, что образуемая ими с воздухом смесь при взрыве может создать давление более 5 кПа, горючих газов нижний предел взрываемости которых более 10% к объему воздуха (цеха приготовления и транспортировки угольной пыли и другого пылевидного топлива, мазутное хозяйство электростанций и котельных, цехи лакокрасочных покрытий, склады лаков и красок, цехи сушки молока, крови, меланжа и др.). Категория В - это помещения, в которых обрабатывают или хранят твердые горючие вещества, в том числе выделяющие пыль или волокна, неспособные создавать взрывоопасные смеси с воздухом, а также горючие жидкости с температурой УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 42 из 176 вспышки паров свыше 61 С (лесопильные, столярные, бондарные цехи; комбикормовые цехи; цехи первичной сухой обработки льна, хлопка; кормокухни, зерноочистительные отделения мельниц; закрытые склады угля, склады топливно-смазочных материалов без бензина; электрические РУ или подстанции с трансформаторами, химические лаборатории и др.). Категория Г - это помещения, в которых обрабатывают несгораемые вещества в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, сопровождающиеся выделением тепла, лучистой энергии, искр, а также производства связанные со сжиганием твердого, жидкого и газообразного топлива (котельные, литейные цехи, кузницы, машинные залы дизельных электростанций, опалочные отделения, термические цехи колбасного завода, отделения выпечки вафель и др). Категория Д - это помещения, в которых обрабатывают негорючие вещества в практически холодном состоянии (насосные оросительные станции; теплицы, кроме отапливаемых газом, цехи по переработке овощей, молока, рыбы, мяса). Категория Е – это помещения в которых применяют горючие газы без жидкой фазы, где возможен только взрыв без горения (зарядные отделения электропогрузчиков, хранилища аммиака, склады баллонов сжатых газов и др). Категории производств по пожарной опасности в большой степени определяют требования к конструктивным и планировочным решениям зданий и сооружений, а также другим вопросам обеспечения пожаро- и взрывобезопасности. Они отвечают нормам технологического проектирования или специальным перечням, утверждаемым министерствами (ведомствами). Руководством при этом могут служить "Указания по определению категории производств по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности" (СН 463-74) и "Методика категорирования производств химической промышленности по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности". Предприятия категорий: - А, Б – пожаровзрывоопасные; - В, Г, Д - пожароопасные; - Е - взрывоопасные. Под пожарной опасностью понимают возможность возникновения или развития пожара, заключенная в каком-либо веществе, состоянии или процессе. o 2 Классификация строительных конструкций по возгораемости. Степень огнестойкости Условия возникновения пожара в зданиях и сооружениях во многом определяются возгораемостью и степенью их огнестойкости. По возгораемости строительные конструкции подразделяются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые это материалы, которые под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К ним относят все естественные и искусственные неорганические материалы, гипсовые или гипсоволокнистые плиты, при содержании органической массы до 8 % по весу, металлоконструкции (при отсутствии защиты быстро прогреваются и уже через 20 минут теряют прочность и устойчивость), каменные конструкции (красный глиняный кирпич, разрушение происходит при температуре 900 - 950°С, известняк – разрушается при температуре 850 - 900°С, обычный бетон – при температуре 650°С, гранит - при 600°С), УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 43 из 176 железобетонные конструкции (огнестойкость их зависит от размеров сечения, теплофизических свойств бетона, вида арматуры; так колонна сечением 20х20 см имеет предел огнестойкости 2 часа, 50х50 см – 7 часов). Трудносгораемые это материалы, которые под действием огня или высокой температуры воспламеняются, тлеют или обугливаются и продолжают гореть, тлеть и обугливаться при наличии источника зажигания, а после его удаления горение или тление прекращается. К ним относят асфальтобетон, глиносоломенные материалы, древесина, пропитанная антипиреном, цементный фибролит. Сгораемые - это материалы, которые под действием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника зажигания. К ним относят все органические материалы, бумагу, торф, пенопласт, дерево (деревянные стойки сечением 15х15 см разрушаются через 25 минут). Огнестойкость зданий - это способность зданий оказывать сопротивление воздействию высоких температур во времени при сохранении своих эксплуатационных свойств. Огнестойкость строительных конструкций характеризуется пределом. Предел огнестойкости конструкций определяется временем, в течение которого не появляются сквозные трещины, конструкция не теряет несущей способности, не обрушивается и не нагревается до 200С на противоположной стороне. Потеря несущей способности означает обрушение конструкции. Потеря ограждающей способности - прогрев конструкции при пожаре до температур, превышение которых может вызвать самовоспламенение веществ, находящихся в смежных помещениях, или образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые могут проникать продукты горения в соседние помещения. Здания и сооружения по степени огнестойкости подразделяются на пять степеней I, II, III, IV и V (СНиП 2.01.02-85). Степень огнестойкости здания (сооружения) зависит от возгораемости и огнестойкости основных строительных конструкций и от распространения огня по этим конструкциям. Пределы огнестойкости конструкций устанавливают опытным путем. Для этого образец конструкции, выполненный в натуральную величину, помещают в специальную печь и одновременно воздействуют на нее с необходимой нагрузкой. Время от начала испытания до появления одного из признаков потери несущей или ограждающей способности и считается пределом огнестойкости. Предельным прогревом конструкции является повышение температуры на необогреваемой поверхности в среднем больше чем на 140°С или в какой-либо точке поверхности выше, чем на 180°С по сравнению с температурой конструкции до испытания, или больше чем на 220°С независимо от температуры конструкции до испытания. Наименьшим пределом огнестойкости обладают незащищенные металлические конструкции, а наибольшим - железобетонные. Требуемая степень огнестойкости производственных зданий промышленных предприятий зависит от пожарной опасности размещаемых в них производств, площади этажа между противопожарными стенами и этажности здания. Требуемая степень огнестойкости должна соответствовать фактической степени огнестойкости, которая определяется по таблицам СНиП П-2-80, содержащим сведения о пределах УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 44 из 176 огнестойкости строительных конструкций и пределах распространения по ним огня. Например, основные части зданий I и II степени огнестойкости являются несгораемыми и различаются только пределами огнестойкости строительных конструкций. В зданиях I степени распространение огня по основным строительным конструкциям не допускается совсем, а в зданиях II степени максимальный предел распространения огня, составляющий 40 см, допускается только для внутренних несущих стен (перегородок). Основные части зданий V степени являются сгораемыми. Пределы огнестойкости и распространения огня для них не нормируются. Здания, выполненные даже из несгораемых материалов, могут выдержать воздействие огня или высоких температур только определенное время. Огнестойкость строительных конструкций определяется временем возгорания и выражается в часах (таблица 1). Таблица 1 Несущие и лестнич. клеток I 2,5 несгораемые I I 2,0 несгораемые I I I 2,0 несгораемые I V 0,5 трудносгораемые V Минимальные пределы огнестойкости строительных конструкций, час Степени Колонны Лестнич. Несущие Элементы площадки конпокрытий косоур. струкции СамонеНаружВнутренПлиты, Балки, ступени перекры- настилы фермы, сущие ные нение несубалки и тий сущие щие (переи прого- арки, марши городки) ны рамы лестнич. клеток 1,25 0,5 несго- 0,5 несго- 2,5 несго1 1 0,5 0,5 несгораераемые раемые раемые несгоранесгора- несго- несгомые емые емые раемые раемые 1 0,25 0,25 2 1 0,25 0,25 0,25 несгора- несгорае- несгораенесгоранесгора- несгорае- несго- несгоемые мые мые емые емые мые раемые раемые 1 0,25 0,25 2 1 труд0,75 - сго- сгонесгоратрудтруднесгорае- носгоратрудраемые раемые емые носгораносгорамые емые носгораемые емые емые 0,25 0,25 0,25 0,5 труд0,25 0,25 - сго- сготрудтрудтрудносгоратрудтрудраемые раемые носгораносгораносгораемые носгораносгораемые емые емые емые емые СГОРАЕМЫЕ УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 45 из 176 Лекция № 8 Тема: ПОЖАРЫ (часть II) План лекции: 1.Виды и параметры пожаров; 2.Причины пожаров и взрывов на производстве. 1 Виды и параметры пожаров Пожары по своим масштабам и интенсивности подразделяются на следующие виды: отдельные пожары; сплошной пожар; огневой шторм; массовый пожар. Отдельный пожар - пожар, возникший в отдельном здании или сооружении. Продвижение людей и техники по застроенной территории между отдельными пожарами возможно без средств защиты от теплового излучения. Сплошной пожар - одновременное интенсивное горение преобладающего количества зданий и сооружений на данном участке застройки (90% зданий и сооружений). Продвижение людей и техники через участок сплошного пожара невозможно без средств защиты от теплового излучения. Огневой шторм - особая форма распространяющегося сплошного пожара, характерными признаками которого являются: приток свежего воздуха, со всех сторон со скоростью не менее 50 км/час по направлению к границам огневого шторма. (Охватывает -90% зданий). Массовый пожар - совокупность отдельных и сплошных пожаров, охвативших более 25% зданий. К крупным пожарам на объектах народного хозяйства, соцкультбыта и жилого фонда относятся: пожары и выбросы газов и нефтяных фонтанов; пожары и выбросы горючей жидкости в резервуарах, нефти, нефтепродуктов; пожары на складах каучука, резинотехнических изделий, предприятий резинотехнической промышленности; пожары на складах лесоматериалов; пожары на складах и хранилищ химикатов; пожары на технологических установках предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности; пожары в жилых домах и учреждениях, возведенных из дерева. Пожары характеризуются следующими параметрами: - Продолжительность пожара - время с момента его возникновения до полного прекращения горения; - Температура внутреннего пожара - среднеобъемная температура газовой среды в помещении; - Температура открытого пожара - температура пламени; - Площадь пожара - площадь проекции зоны горения на горизонтальную или вертикальную плоскость; - Зона горения - часть пространства, в котором происходит подготовка горючих веществ к горению и их горение; УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 46 из 176 - Зона теплового воздействия - часть пространства, примыкающего к зоне горения, в котором тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния материалов и конструкций и делает невозможным пребывание в нем людей без специальной тепловой защиты; - Зона задымления - часть пространства, примыкающего к зоне горения и заполнения дымовыми газами в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровью людей или затрудняющих действия пожарных подразделений; - Фронт сплошного пожара - граница сплошного пожара, по которой огонь распространяется с наибольшей скоростью; - Скорость распространения сплошного пожара - скорость его перемещения;. - Распространение пожара - процесс распространения зоны горения по поверхности материалов за счет теплопроводности, тепловой радиации и конвенции. Основную роль в распространении пожара играет тепловая радиация племени. Тепло в окружающую среду передается за счет теплопроводности, конвенции и излучения. Последствия пожаров Последствия пожаров обусловлены воздействием их поражающих факторов. Основными поражающими факторами пожара являются непосредственное действие огня на горящий предмет (горение) и дистанционное воздействие на предметы и объекты высоких температур за счет излучения. В результате происходит сгорание предметов и объектов, их обугливание, разрушение, выход из строя. Уничтожаются все элементы зданий и конструкций, выполненных из сгораемых материалов. Действие высоких температур вызывает пережог, деформацию и обрушение металлических ферм, балок перекрытий, других конструктивных деталей сооружений. Кирпичные стены и столбы деформируются. В кладке из силикатного кирпича при длительном нагреве до 500-600°С наблюдается расслоение кирпича трещинами и разрушение материала. При пожарах полностью или частично уничтожается технологическое оборудование и транспортные средства. Гибнут или получают ожоги различной тяжести люди, животные. Вторичными последствиями пожаров могут быть: взрывы; утечка ядовитых или загрязняющих веществ в окружающую среду; большой ущерб не затронутым пожаром помещениям может принести вода, примененная для тушения пожара. Тяжелыми социальными и экономическими последствиями пожара является прекращение объектом народного хозяйства выполнения своих хозяйственных и иных функций. Последствия производственных аварий, вызванных пожарами, по своему характеру аналогичны последствиям светового излучения в очагах ядерного поражения и по выделяемой массовыми пожарами энергии могут превосходить эффект мегатонных ядерных взрывов. 2 Причины пожаров и взрывов на производстве Если в технологическом процессе применяют горючие вещества и существует возможность их контакта с воздухом, то опасность пожара и взрыва может возникнуть как внутри аппарата, так и вне его, в помещении и на открытых площадках. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 47 из 176 Большую опасность представляют аппараты, емкости и резервуары с горючими жидкостями, так как они не бывают заполнены до предела и в пространстве над уровнем жидкости образуется паровоздушная взрывоопасная смесь. Опасны в пожарном отношении малярные участки и цехи предприятий, где в качестве растворителей используют легковоспламеняющиеся жидкости. Причиной взрыва или пожара может послужить наличие в помещении горючей пыли и волокон. Различают тепловые, химические и микробиологические источники зажигания - импульсы. Наиболее распространен тепловой импульс, которым обладают: открытое пламя, искра, электрические дуги, нагретые поверхности и др. Для воспламенения горючей смеси газов и паров с воздухом достаточно нагреть до температуры воспламенения всего 0,5 – 1,0 мм3 этой смеси. От открытого пламени почти всегда зажигается горючая смесь. Искрой обычно называют точечный источник воспламенения. Искры могут образовываться при трении, ударе или вызываться электрическим разрядом. К источникам их образования относятся операции механической обработки (шлифование), а также заточка инструмента и т. п. Источники открытого огня - технологические нагреватели печи, аппараты и процессы газовой сварки и резки, установки для сжигания отходов и т. п. Пожары могут возникнуть от электроустановок, в которых присутствуют нагревающиеся проводники электрического тока и горючее вещество (изоляция этих проводников). При коротких замыканиях электрические проводники быстро разогреваются до высоких температур. Во избежание возникновения пожаров курить разрешается только в специально отведенных местах. Химический импульс обусловлен тем, что температура повышается за счет экзотермических химических реакций взаимодействия тех или иных веществ, а микробиологический - связан с жизнедеятельностью микроорганизмов, влияющих на увеличение температуры. Их отличительная особенность заключается в том, что процессы, обусловливающие эти импульсы, начинаются при обычных температурах и приводят к самовозгоранию. Особую опасность представляют промасленные специальная одежда и обтирочные материалы, сложенные в кучи. При условии плохого теплоотвода нагревание, начавшееся при нормальной температуре, через 3 - 4 ч может закончиться самовозгоранием. Таким образом, на промышленных предприятиях возникновение пожаров чаще всего связано со следующими причинами: 1. неисправность технологического оборудования; 2. нарушение герметичности аппаратов и коммуникаций; 3. неправильное устройство и неисправность вентиляционных систем, промышленных печей, котельных топок, отопительных приборов; 4. перегрузка электрических сетей (особенно токи короткого замыкания способны образовать электрическую дугу с температурой до 4000°С, что приводит к плавлению проводов, воспламенению материалов и веществ); 5. неправильное хранение веществ и материалов; 6. отсутствие или неисправность молниеотводов; 7. курение в неотведенных местах. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 48 из 176 Лекция № 9 Тема: ВЗРЫВЫ План лекции: 1. Общая характеристика взрывных явлений; 2. Виды взрывов. 1 Общая характеристика взрывных явлений Особую опасность с точки зрения возможных потерь и ущерба представляют взрывы. Взрыв - это освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. Взрыв в твердой среде сопровождается ее разрушением и дроблением, в воздушной или водной - вызывает образование воздушной или гидравлической ударных волн, которые и оказывают разрушающее воздействие на помещенные в них объекты. В деятельности, не связанной с преднамеренными взрывами в условиях промышленного производства, под взрывом следует понимать быстрое, неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некотором удалении от источника. Взрыв приводит к образованию сильно нагретого газа (плазмы) с очень высоким давлением, который при моментальном расширении оказывает ударное механическое воздействие (давление, разрушение) на окружающие тела. Этот газ, моментально расширяясь, оказывает ударной волной механическое воздействия на окружающую среду, вызвав ее движение. Взрывная волна - есть движение среды, порожденное взрывом, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры среды. Фронт (передняя граница) взрывной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чего область, охваченная движением, быстро расширяется. Посредством взрывной волны (или разлетающихся продуктов взрыва - в вакууме) взрыв производит механическое воздействие на объекты, находящиеся на различных удалениях от места взрыва. По мере увеличения расстояния от места взрыва механическое воздействие взрывной волны ослабевает. Таким образом, взрыв несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью. Взрыв может быть вызван: - детонацией конденсированных взрывчатых веществ (ВВ); - быстрым сгоранием воспламеняющего облака газа или пыли; - внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью; - смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т.д. В зависимости от вида энергоносителей и условий энерговыделения, источниками энергии при взрыве могут быть: - химические; - физические процессы. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 49 из 176 Источником энергии химических взрывов являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или реакции термического разложения нестабильных соединений. Источниками энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объемах аппаратуры (оборудования) могут быть как внешние (энергия, используемая для сжатия тазов, нагнетания жидкостей; теплоносители, обеспечивающие нагрев жидкости и газов в замкнутом пространстве), так и внутренние (экзотермические физико-химические процессы и процессы тепломассообмена в замкнутом объеме), приводящие к интенсивному испарению жидкостей или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывных явлений. Источником энергии ядерных взрывов являются быстропротекающие цепные ядерные реакции синтеза легких ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) или деления тяжелых ядер изотопов урана и плутония. Физические взрывы возникают при смещении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превосходит температуру кипения другой. Испарение в этом случае протекает взрывным образом. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением, достигающим в ряде случаев сотен МПа. Энергоносителями химических взрывов могут быть твердые, жидкие, газообразные горючие вещества, а также аэровзвеси горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде, в том числе и в воздухе. 2 Виды взрывов Все взрывы можно классифицировать на три группы: - резкое неконтролируемое высвобождение энергии за короткий промежуток времени и в ограничением пространстве (взрывные процессы); - образование облаков топливно-воздушной смеси (ТВС) или других химических газообразных, пылеобразных веществ, их быстрые взрывные превращения (объемный взрыв); - взрывы трубопроводов, сосудов, находящихся под высоким давлением или с перегретой жидкостью, прежде всего резервуаров со сниженным углеродным газом. Взрывы проходят за счет: - высвобождения химической энергии (взрывчатке вещества); - внутриядерной энергии (ядерный взрыв); - электромагнитной анергии (искровой разряд, лазерная искра); - энергии сжатых газов (при превышении давления газа в сосуде предела прочности этого сосуда - различных баллонов, трубопроводов и т.д.) Часто взрывы происходят на взрывоопасных объектах (ВОО). Взрывоопасный объект - это объект, на котором хранятся, используются, производятся, транспортируются вещества (продукты) приобретающие при определенных условиях способность к взрыву. К взрывоопасным объектам относятся: - предприятия оборонной, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой промышленности; - предприятия хлебопродуктовой, текстильной и фармацевтической промышленности; - склады легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и сжиженных газов. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 50 из 176 Лекция № 10 Тема: ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА (часть I) План лекции: 1. Краткие сведения о взрывчатых веществах; 2. Классификация взрывчатых веществ; 3. Характеристики взрывчатых веществ. 1 Краткие сведения о взрывчатых веществах (ВВ) Первым взрывчатым веществом был дымный (черный) порох, появившийся в Европе в XIII веке. В течение 600 лет дымный порох был единственным ВВ. В XIX веке с развитием химии были получены другие ВВ, называемые в настоящее время бризантными. Они были безопасными при обращении с ними, обладали большой мощностью и стойкостью при хранении. В 1832 г. пироксилин был получен из древесины, а в 1846 г. - из ваты. В 1847 г. изобрели жидкий нитроглицерин, на основе которого русский академик Н.Н. Зинин совместно с В.Ф. Петрушевским разработали динамиты, применяющиеся в различных рецептурах и в наше время. Во второй половине XIX века были получены пикриновая кислота, тротил, аммиачноселитренные вещества, а в XX веке более мощные ВВ, такие, как гексоген, тэн, азид свинца. Развитие ВВ шло в направлении получения веществ, обладающих меньшей чувствительностью и большей стойкостью (таблица 1). Однако бризантные взрывчатые вещества не взрывались от искры и пучка (луча) пламени, достаточного для дымного пороха, а потому применять их стали лишь тогда, когда шведский промышленник А.Нобель предложил в 1867 г. использовать для этого гремучую ртуть, т.е. по сути дела создал современный капсюль- детонатор. Современные ВВ представляют собой или химические соединения (гексоген, тротил и др.), или механические смеси (аммиачно-селитренные и нитроглицериновые). Статистика 150 аварий в странах СНГ показывает, что в 42,5% случаев взрывов облаков газопаровоздушных смесей участвовали углеводородные газы (аммиак, хлор, фреоны), в 15,5% - пары легковоспламеняющихся жидкостей, в 18% - водород, в 5,3% случаев - пыль органических продуктов. Из 150 крупных взрывов 84 произошло в технологической аппаратуре, 66 - в атмосфере. В 73 случаях при взрывах были серьезные разрушения зданий, сооружений и различного оборудования промышленных предприятий. Взрывы пыли (пылевоздушных смесей - аэрозолей) представляют одну из основных опасностей химических производств и происходят в ограниченных пространствах (в помещениях зданий, внутри различного оборудования, штольнях шахт). Возможны взрывы пыли в мукомольном производстве, на зерновых элеваторах (мучная пыль) при ее взаимодействии с красителями, серой, сахаром с другими порошкообразными пищевыми продуктами, а также при производстве пластмасс, лекарственных препаратов, на установках дробления топлива (угольной пыли), в текстильном производстве. По данным зарубежных источников, из 1120 взрывов пылевоздушных смесей на производствах, 540 произошли при работах с зерном, мукой, сахаром и другими пищевыми продуктами, 80 - с металлами, 63 -с угольной пылью на установках дробления топлива, 33 - с серой, 61-в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Взрывчатыми веществами называются неустойчивые химические соединения или смеси веществ, способные к быстрой химической реакции с выделением большого количества тепла и образованием газа. В состав ВВ входят восстановители и окислители или другие химические нестабильные соединения. При инициировании взрыва в этих веществах с огромной скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции термического разложения с выделением тепловой энергии и большого количества газа. Эта реакция, возникнув в какой-либо точке заряда в результате нагревания, удара, трения, взрыва другого ВВ или иного внешнего воздействия, УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 51 из 176 распространяется по заряду путем тепло- или массообмена (горение), либо ударной волны (детонация). Таблица 1 Взрывчатое вещество Порох Бертолетова соль Ксилоидин Когда, где и кем изобретено Средние века, Китай 1786, Франция, Клод Луи Бертолле 1832, Франция, Анри Браконно Компоненты вещества Уголь, селитра Хлор, гидроксид калия Крахмал, воловна древисины, концентрированная азотная кислота, вода Ксилоидин, эфир, спирт Коллодий (коллоксилин) 1848, США, Мэйнард Пироксилин 1846, Швейцария, Христиан Фридрих Шенбейн 1846, Италия, Асканио Собреро 1868, Россия, А.Нобель, Зинин 1867, Швеция, А.Нобель 1875, Швеция, А.Нобель Азотная кислота, кислород, ксилоидин 1884, Франция, Вьель 1893, Россия, Д.Менделеев нач.XIX в, Юстус Либих 1867, Иоганн Глаубер XIX в, Франция 1873, Германия, Шпренгель 1899, Германия, Ленце 1905, Германия, Каст 1877, Мертонс 1894, Вуколов Пироксилин спирто-эфирный растворитель Пироксилин, коллодий Нитроглицерин «Русский динамит» Динамит Гремучий студень Бездымный порох Пирколлодиевый порох Гремучая ртуть Аммиачная Глауберова соль «Гризу» - рудничный газ Пикриновая кислота Гексоген Тротил Тетрил ТЭН (тетранитропентаэритрит) Применение Военное дело (пушки, ружья и винтовки) Военное дело – воспламенительные составы капсюлей для огнестрельного оружия Медицина (для закливания ран), изготовление фотографических пластинок, искусственная слоновая кость, искусственная волокно Добывающая промышленность Глицерин, азотная и сенная кислота Медицина, фармакология, входит в состав динамита Нитроглицерин, магнезя Горное, строительное, дорожное дело Горное, строительное, дорожное дело При взрывах под водой и в обводненных скважинах и пластах Оружейное дело Нитроглицерин, кизельгур Коллодий нитроглицерином Оружейное дело Детонирование Сернокислый натрий Для получения удобрений Тринитрофенол Взрывы в шахтах и рудниках Оружейное дело Циклотриметилентринитрамин Тринитротолуол Толуол, атомы азота Пентаэритриттетранитрат Создание боевых и промышленных ВВ Военное дело, эквивалент для ядерной взрывчатки В детонаторах Детонирующие шнуры, капсюля детонаторов, в составе пентолита ВВ обладают способностью к быстрому разложению, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты, причем при повышении температуры скорость разложения ВВ увеличивается. При сравнительно низкой температуре скорость разложения ВВ невелика и ВВ в течение длительного времени могут не претерпевать заметного изменения в своем состоянии. В этом случае между ВВ и окружающей средой устанавливается тепловое равновесие. Если создаются условия, при которых теплота, выделяемая ВВ, не успевает отводиться в окружающую среду, то благодаря повышению температуры УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 52 из 176 развивается процесс самоускоряющегося химического разложения ВВ, который называется тепловым взрывом. Возможен иной процесс осуществления взрыва, при котором химическая реакция распространяется по заряду ВВ последовательно от слоя к слою в виде волны. Движущийся по заряду с большой скоростью (>9 км/с) передний фронт этой волны представляет собой ударную волну - резкий переход вещества из исходного состояния в состояние с очень высоким давлением и температурой. ВВ, сжатое ударной волной, оказывается в состоянии, при котором химическое разложение протекает очень быстро. Процесс химического превращения ВВ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии называется детонацией. Скорость химической реакции при детонации обычно достигает нескольких км/сек. Тонна твердого ВВ может превратиться в плотный газ с очень высоким давлением за время 1·10-4 сек. Давление достигает в этом случае нескольких сотен тысяч атмосфер. 2 Классификация взрывчатых веществ Различные ВВ по разному реагируют на внешние воздействия. Одни из них взрываются при любом воздействии, другие имеют избирательную чувствительность. Например черный дымный порох хорошо реагирует на тепловое воздействие, очень плохо на механическое и практически не реагирует на химическое. Тротил же в основном реагирует только на детонационное воздействие. Капсюльные составы (гремучая ртуть) реагируют практически на любое внешнее воздействие. Есть ВВ, которые взрываются вообще без видимого внешнего воздействия, но практическое применение таких ВВ вообще невозможно. По взрывчатым свойствам (условиям перехода горения в детонацию), в зависимости от типа взрыва и чувствительности к внешним воздействиям ВВ делят на: - инициирующие (первичные); - бризантные (вторичные); - метательные (пороха). Инициирующие ВВ характеризуются очень высокой скоростью взрывного превращения, высокой чувствительностью, неустойчивым горением, быстрым его переходом в детонацию уже при атмосферном давлении. Взрыв может быть возбужден поджиганием, ударом или трением. Основными представителями инициирующих ВВ являются азид свинца, гремучая ртуть, тетразен, тринитрорезорцинат свинца. Инициирующие ВВ используются для возбуждения взрывов других ВВ. Для обеспечения безопасности применения инициирующих ВВ, их упаковывают в защитные приспособления (капсюль, капсюльная втулка, капсюль - детонатор, электродетонатор, взрыватель) . Бризантные ВВ более инертны, обладают меньшей чувствительностью к внешним воздействиям. Горение этих ВВ может перейти в детонацию только при наличии прочной оболочки, либо большого количества ВВ. Относительно безопасны в обращении. Бризантные ВВ по их взрывным характеристикам делят на три группы: повышенной мощности (гексоген, тэн, тетрил); нормальной мощности (тротил, мелинит, пластит); пониженной мощности (аммиачная селитра и ее смеси). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 53 из 176 ВВ повышенной мощности несколько более чувствительны к внешним воздействиям и поэтому их чаще применяют в смеси с флегматизаторами (веществами, понижающими чувствительность ВВ) или в смеси с ВВ нормальной мощности для повышения мощности последних. Иногда ВВ повышенной мощности применяют в качестве промежуточных детонаторов. Основными представителями бризантных ВВ являются нитросоединения и взрывчатые смеси на основе нитратов, хлоратов, перхлоратов и жидкого кислорода: тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген др. Применяются при производстве взрывных работ и для снаряжения боеприпасов (снаряды, мины, бомбы, ракеты, фугасы) различных видов и назначения. Метательные ВВ (различные пороха - черный дымный, бездымные пироксилиновые и нитроглицериновые, а также пиротехнические смеси для фейерверков, сигнальных и осветительных ракет, осветительных снарядов, мин, авиабомб), обладают устойчивым горением, не детонируют в самих жестких условиях. Для того, чтобы начался процесс взрыва (далее он развивается самопроизвольно) необходимо внешнее воздействие, требуется подать на ВВ определенное количество энергии. Внешние воздействия подразделяются на следующие типы: 1. механическое (удар, накол, трение); 2. тепловое (искра, пламя, нагревание); 3. химическое (химическая реакция взаимодействия какого-либо вещества со ВВ); 4. детонационное (взрыв рядом со ВВ другого ВВ). 3 Характеристики взрывчатых веществ Мощность - абстрактное и общее понятие, так как составляют ее несколько факторов. О мощности бризантных ВВ можно судить, по: - выделяемой тепловой энергии (общая энергия взрыва); - скорости детонации (скорости распространения взрывной волны внутри ВВ при его подрыве и после его подрыва), которая составляет обычно несколько километров в секунду. По ней можно судить о том "рывке", который совершит ВВ при взрыве, ясно, что чем этот показатель выше, тем взрыв "жестче", а значит мощнее. Тепловая энергия взрыва характеризует общую потенциальную работу, которую может совершить взрыв. Теплота разложения - количество энергии выделившейся при взрыве определенной массы ВВ. Бризантность - это дробление среды, окружающей заряд. Бризантность ВВ определяется давлением, развивающемся при детонации, которое в свою очередь зависит от плотности заряда и скорости детонации. Бризантное действие проявляется на расстоянии примерно двух радиусов заряда. Во время взрыва импульс будет максимальным, естественно, в эпицентре, и как раз этот импульс (резкий перепад давления большой амплитуды) дробит (крошит) находящиеся по близости элементы среды. По этой самой причине бризантные ВВ не используют вместо пороха - заряд просто разорвет казенную часть ствола. Численной мерой бризантности является длина смятия свинцового цилиндра с радиусом 1 см, взрывом 10 грамм взрывчатого вещества, расположенного у конца цилиндра (бризантность по Касту) и отклонение баллистического маятника взрывом заряда ВВ массой 1 грамм (бризантность по Гессу). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 54 из 176 Фугасность (работоспособность) - это работа взрыва по перемещению элементов среды. Фугасность ВВ определяется теплотой, а также объемом газообразных продуктов, образующихся при взрыве. Если взрыв произошел на открытой поверхности, то фугасное действие будет минимальным, взрыв практически не произведет работы, то есть работа будет бесполезной (такой же, что от двигателя, работающего вхолостую), будет взрывная волна, которая быстро погаснет. Если взрыв происходит в чем-то, например, в стенах здания, то фугасное действие может быть значительным, работа взрыва через взрывную волну может привести к разрушению (не дроблению!) стен, и обрушению здания или его части. Максимальную опасность взрыв несет именно происходя в чем-то. Поэтому заряды гранат облачают в корпус, причем, чем он будет массивней (до некоторого предела), тем фугасное действие будет сильнее (такие припасы называют осколочно - фугасными). Для определения работоспособности немецкий исследователь Трауцль изобрел простой способ. Он взял свинцовый цилиндр (высотой и диаметром двадцать сантиметров) и высверлил в нем углубление, в которое поместил десять граммов взрывчатки. Плотно забив заряд песком, он произвел взрыв. Внутри свинцового цилиндра образовалась довольно большая полость. Налив туда из мензурки воды, Трауцль определил ее объем. Чем мощнее вещество, тем больше, естественно, получался объем полости, который Трауцль и предложил считать мерой работоспособности взрывчатого вещества. Этот нехитрый метод был рекомендован в качестве стандартного на Пятом Международном Съезде по прикладной химии в Берлине в 1903 году и с успехом применяется и в наше время. Бризантное и фугасное действие можно показать на примере - взять кирпич, ударить по нему кувалдой, кирпич сначала расколется (бризантное действие), обломки отлетят на некоторое расстояние (фугасное действие). Или - если положить заряд под бетонную плиту, то после взрыва плита переместится на некоторое расстояние от места взрыва, с отверстием (выбоиной) в этой плите (это и есть соответственно фугасное и бризантое действия). Кумулятивный эффект - заключается в придании направленности взрыву за счет того, что передняя часть заряда ВВ выполняется в форме воронки. Воронка способствует тому, что взрывная волна и поток частиц идут не параллельно, а фокусируются в одной точке. В точке - фокусе, мощность взрыва максимальна и очень высока (относительно массы и количества заряда). Поэтому кумулятивные припасы имеют "вытянутый" вид, хотя сам заряд составляет примерно треть от длины боевой части припаса, сделано это для того и с таким расчетом, чтобы снаряд остановился и разорвался на определенном расстоянии от брони или любого другого препятствия. В настоящее время нет брони, способной выдержать кумулятивный взрыв. Чувcтвительность к механическим(внешним) воздействиям – это минимальное количество энергии, необходимое для возбуждения взрыва, позволяет по иному использовать одни, и не использовать вовсе другие ВВ. Например, нитроглицерин, слишком чувствителен к механическим воздействиям и груза массой 2 кг, отпущенного с высоты 4 см, вполне хватит, чтобы он сдетонировал). Там, где необходимо инициировать основной заряд механическим ударом, или пламенем используют как раз такие ВВ как, тэн, азид свинца, гексоген, тенерес. Как правило, чувствительные к механическим воздействиям ВВ, так же не переносят огня, горение идет не стабильно, в конечном итоге, переходя во взрыв. Для того чтобы получить заряд с при- УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 55 из 176 емлемыми характеристиками, подобные ВВ используются в сплавах (сплав, например, гексогена с тротилом обладает меньшей чувствительностью к удару, чем гексоген, и большей мощностью чем тротил), а также в заряды из таких ВВ вводятся "легирующие добавки" - флегматизаторы (для уменьшения чувствительности, чтобы, например, простреленный пулей припас, не сдетонировал, или ВВ, находящееся в снаряде не сдетонировало при выстреле из орудия). Термостойкость - является очень важным фактором при выборе ВВ, (не все ВВ "хорошо" ее переносят). Например, тротил, приготовленный по упрощенной технологии при некоторой температуре может "потечь" так называемым "тротиловым маслом", которое может служить причиной преждевременного взрыва. У некоторых веществ с увеличением температуры увеличивается чувствительность к механическому воздействию (гексоген по этой причине не заливают, а впрессовывают). Химическая и физическая стойкость - способность сохранять свои свойства, при хранении и обращении с ними, предполагает устойчивость соединения во времени, т.е. ВВ не должно со временем сгнить, разложиться, и, естественно само по себе взорваться. Так что найти вещество, отвечающее всем этим и некоторым другим требованиям весьма не просто. Боеприпасы, оставшиеся со времен войны и взрывающиеся в наши дни - пример ВВ отличного качества, отвечающего всем этим требованиям. Гигроскопичность - способность вбирать в себя воду (свойственна, например аммонитам и аммиачно-селитренным ВВ (АСВВ)) вследствие чего качество такого ВВ ухудшается подчас на столько, что оно не детонирует вообще, так как влажность приводит к слеживанию АСВВ, которое, в конечном итоге, превращается в монолит. Вследствие этого чувствительность к детонации сильно уменьшается (хотя химических преобразований при этом не происходит). Для предотвращения слеживания, в АСВВ необходимо добавлять различные разрыхлители (например, жмыховую муку). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 56 из 176 Лекция № 11 Тема: ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА (часть II) План лекции: 1. Два типа порохов. Характеристика и применение порохов; 2. Вторичное взрывчатое вещество – динамит. Характеристика, история возникновения и области применения; 3. Гексоген, история возникновения, характеристика и области применения; 4. Тротил, история возникновения, характеристика и области применения; 5. Характеристика тетранитропентаэритрита (ТЭН), как мощного взрывчатого вещества. К взрывоопасным веществам относятся: - кислородсодержащие соединения (перекиси, озониды, органические соли хлорной и хлорноватой кислот, нитриты, нитрозосоединения и т.п.); - вещества, не содержащие кислорода (азида, ацетилен, ацетиленида, диазосоединения, гидрозин, йодистый и хлористый азот, смеси горючих веществ с галогенами, соединения инертных газов и т.п.). Из многих, способных к взрыву соединений, в качестве ВВ используются: - нитросоединения (тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нитроглицерин, тэн, нитроклетчатка, нитрометан); - соли азотной кислоты (нитрат аммония). Как правило, эти вещества применяются не в чистом виде, а в виде смесей. 1. Два типа порохов. Характеристика и применение порохов По́рох — многокомпонентное твёрдое вещество, способное к закономерному горению параллельными слоями, без доступа кислорода извне с выделением большого количества тепловой энергии и газообразных продуктов, используемых для метания снарядов, движения ракет и в других целях. Порох относят к классу метательных взрывчатых веществ. История пороха Первым представителем взрывчатых веществ был дымный порох — механическая смесь калиевой селитры, угля и серы, обычно в соотношении 15:3:2. Существует устойчивое мнение, что подобные составы появились ещё в древности и применялись главным образом в качестве зажигательных и разрушительных средств. Однако материальных или надёжных документальных подтверждений этого не найдено. В природе месторождения селитры встречаются редко, а калиевая селитра, необходимая для изготовления достаточно стабильных составов, не встречается вообще. В Китае рецепт пороха появился в 1044 году, но возможно порох существовал и ранее; некоторые считают что изобретателем пороха или предвестником изобретения был Вэй Боян во II веке. Изготовление калиевой селитры требует разработанных технологических приёмов, которые появились лишь с развитием химии в XV—XVI веках. Изготовление углеродных материалов с высокоразвитой удельной поверхностью типа древесных углей также требует развитой технологии, появившейся лишь с развитием металлургии железа. Наиболее вероятным является использование различных природных селитросодержащих смесей с органикой, обладающих свойствами, присущими пиротехническим составам. Одним из изобретателей пороха принято считать монаха Бертольда Шварца. Метательное свойство дымного пороха было открыто значительно позже и послужило толчком к развитию огнестрельного оружия. В Европе (в том числе и на Руси) известен с XIII века; до середины XIX века оставался единственным взрывчатым веществом бризантного действия и до конца XIX века — метательным средством. Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 57 из 176 С изобретением нитроцеллюлозных порохов, а затем и индивидуальных мощных взрывчатых веществ, дымный порох в значительной мере утратил своё значение. Впервые пироксилиновый порох был получен во Франции П.Вьелем в 1884, баллиститный порох — в Швеции Альфредом Нобелем в1888, кордитный порох — в Великобритании в конце XIX века. Примерно в то же время (1887-91) в России Дмитрий Менделеев разработал пироколлодийный порох, а группа инженеров Охтинского порохового завода — пироксилиновый порох. В 30-х годах XX века в СССР впервые были созданы заряды из баллиститного пороха для реактивных снарядов, успешно применявшихся войсками в период Великой Отечественной войны (реактивные системы залпового огня). Смесевые пороха для ракетных двигателей были разработаны в конце 1940-х годов. Дальнейшее совершенствование порохов ведётся в направлении создания новых рецептур, порохов специального назначения и улучшения их основных характеристик. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Виды порохов Различают два вида пороха: смесевые (в том числе дымный) нитроцеллюлозные (бездымные). Смесевые пороха (дымный порох) Современные дымные пороха изготовляются в виде зёрен неправильной формы. Основой для получения пороха являются смеси серы, калийной селитры и угля. Во многих странах существуют свои пропорции смешения этих компонентов, однако они не сильно различаются, в России принят следующий состав: 75 % KNO3 (калиевая селитра) 15 % C (древесный уголь) и 10 % S (сера). Роль окислителя в них выполняет калийная селитра (нитрат калия), основного горючего — уголь. Сера является цементирующим веществом, понижающим гигроскопичность пороха и облегчающим его воспламенение. Эффективность горения дымного пороха во многом связана с тонкостью измельчения компонентов, полнотой смешения и формой зёрен в готовом виде. Сорта дымных порохов (% состав KNO3, S, C.): шнуровой (для огнепроводных шнуров - 77 %, 12 %, 11 %); ружейный (для воспламенителей к зарядам из нитроцеллюлозных порохов и смесевых твёрдых топлив, а также для вышибных зарядов в зажигательных и осветительных снарядах); крупнозернистый (для воспламенителей); медленногорящий (для усилителей и замедлителей в трубках и взрывателях); минный (для взрывных работ - 75 %, 10 %, 15 %); охотничий (76 %, 9 %, 15 %); спортивный. Дымный порох легко воспламеняется под действием пламени и искры (температура вспышки 300 °C), поэтому в обращении опасен. Хранится в герметической укупорке отдельно от других видов пороха. Гигроскопичен, при содержании влаги более 2 % плохо воспламеняется. Процесс производства дымных порохов предусматривает смешение тонкоизмельчённых компонентов и обработку полученной пороховой мякоти до получения зёрен заданных размеров. Коррозия стволов при использовании дымного пороха намного сильнее, чем от нитроцеллюлозных порохов, поскольку побочным продуктом сгорания является серная и сернистая кислоты. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 58 из 176 В настоящее время дымный порох используется в фейерверках. Примерно до конца XIX века применялся в огнестрельном оружии и взрывных боеприпасах. Нитроцеллюлозные пороха (бездымный порох) По составу и типу пластификатора (растворителя) нитроцеллюлозные пороха делятся на: пироксилиновые, баллиститные и кордитные. Пироксилиновые. Состав пироксилиновых порохов: - 91-96 % пироксилина; - 1,2-5 % летучих веществ (спирт, эфир и вода); - 1,0-1.5 % стабилизатора (дифениламин, центролит) для увеличения стойкости при хранении; - 2-6 % флегматизатора для замедления горения наружных слоев пороховых зёрен; - 0,2-0,3 % графита в качестве добавок. Такие пороха изготовляются в виде пластинок, лент, колец, трубок и зёрен с одним или несколькими каналами, применяются в стрелковом оружии и в артиллерии. Недостатки пироксилиновых порохов: - невысокая энергия газообразных продуктов сгорания (относительно, например, баллиститных порохов); - технологическая сложность получения зарядов большого диаметра для ракетных двигателей. Основное время технологического цикла затрачивается на удаление из порохового полуфабриката летучих растворителей. В зависимости назначения помимо обычных пироксилиновых имеются специальные пороха: пламегасящие; малогигроскопичные; малоградиентные (с малой зависимостью скорости горения от температуры заряда); малоэрозионные (с пониженным разгарно-эрозионным воздействием на канал ствола); флегматизированные (с пониженной скоростью горения поверхностных слоев); пористые и другие. Процесс производства пироксилиновых порохов предусматривает: растворение (пластификацию) пироксилина; прессование полученной пороховой массы; резку для придания пороховым элементам определённой формы и размеров; удаление растворителя и состоит из ряда последовательных операций. Баллиститные. Основу баллиститных порохов составляют нитроцеллюлоза и неудаляемый пластификатор, поэтому их иногда называют двухосновными. В зависимости от применяемого пластификатора они называются нитроглицериновыми, дигликолевыми и т. д. Состав баллиститных порохов: 40-60 % коллоксилина (нитроцеллюлоза с содержанием азота менее 12,2 %); 30-55 % нитроглицерина (нитроглицериновые пороха) или диэтиленгликольдинитрата (дигликолевые пороха) либо их смеси. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 59 из 176 Кроме того, в состав этих порохов входят: ароматические нитросоединения (например динитротолуол) для регулирования температуры горения; стабилизаторы (дифениламин, централит); вазелиновое масло, камфора; мелкодисперсный металл (сплав алюминия с магнием) для повышения температуры и энергии продуктов сгорания (металлизированные пороха). Порох изготовляются в виде трубок, шашек, пластин, колец и лент. По применению баллиститные пороха делят на: ракетные (для зарядов к ракетным двигателям и газогенераторам), артиллерийские (для метательных зарядов к артиллерийским орудиям) миномётные (для метательных зарядов к миномётам). По сравнению с пироксилиновыми баллиститные пороха отличаются меньшей гигроскопичностью, большей быстротой изготовления, возможностью получения крупных зарядов (до 0,8 метра в диаметре), высокой механической прочностью и гибкостью за счёт использования пластификатора. Недостатком баллиститных порохов (по сравнению с пироксилиновыми) является: большая опасность в производстве, обусловленная наличием в их составе мощного взрывчатого вещества — нитроглицерина, очень чувствительного к внешним воздействиям; невозможность получить заряды диаметром больше 0,8 м (в отличие от смесевых порохов на основе синтетических полимеров). Технологический процесс производства баллиститных порохов предусматривает смешение компонентов в тёплой воде в целях их равномерного распределения, отжимку воды и многократное вальцевание на горячих вальцах. При этом удаляется вода и происходит пластификация нитрата целлюлозы, который приобретает вид роговидного полотна. Далее порох выпрессовывают через матрицы или прокатывают в тонкие листы и режут. Кордитные. Кордитные пороха содержат высокоазотный пироксилин, удаляемый (спирто-эфирная смесь, ацетон) и неудаляемый (нитроглицерин) пластификатор. Это приближает технологию производства данных порохов к производству пироксилиновых порохов. Преимущество кордитов — большая мощность, однако они вызывают повышенный разгар стволов из-за более высокой температуры продуктов сгорания. Твёрдое ракетное топливо Пороха, применяемые в ракетных двигателях, называются твёрдыми ракетными топливами. Смесевые пороха на основе синтетических полимеров (твёрдые ракетные топлива) содержат: 50-60 % окислителя, как правило, перхлората аммония; 10-20 % пластифицированного полимерного связующего; 10-20 % мелкодисперсного порошка алюминия и различные добавки. Это направление пороходелия впервые появилось в германии в 30-40-е годы XX века, после окончания войны активной разработкой таких топлив занялись в США, а в начале 50-х годов и в СССР. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 60 из 176 Главными преимуществами перед баллиститными порохами, привлёкшие к ним большое внимание, явились: более высокая удельная тяга ракетных двигателей на таком топливе; возможность создавать заряды любой формы и размеров; высокие деформационные и механические свойства композиций; возможность регулировать скорость горения в широких пределах. Эти достоинства позволили создавать стратегические ракеты с дальностью действия более 10 000 км. На баллиститных порохах С.П.Королёву вместе с пороходелами удалось создать ракету с предельной дальностью действия 2000 км. Но у смесевых твёрдых топлив есть значительные недостатки по сравнению с нитроцелюлозными порохами: очень высокая стоимость их изготовления; длительность цикла производства зарядов (до нескольких месяцев); сложность утилизации; выделение при горении перхлората аммония в атмосферу соляной кислоты. Горение пороха и его регулирование Горение параллельными слоями, не переходящее во взрыв, обусловливается передачей тепла от слоя к слою и достигается изготовлением достаточно монолитных пороховых элементов, лишённых трещин. Скорость горения порохов зависит от давления по степенному закону, увеличиваясь с ростом давления, поэтому не стоит ориентироваться на скорость сгорания пороха при атмосферном давлении, оценивая его характеристики. Регулирование скорости горения порохов очень сложная задача и решается использованием в составе порохов различных катализаторов горения. Горение параллельными слоями позволяет регулировать скорость газообразования. Газообразование пороха зависит от величины поверхности заряда и скорости его горения. Величина поверхности пороховых элементов определяется их формой, геометрическими размерами и может в процессе горения увеличиваться или уменьшаться. Такое горение называется соответственно прогрессивным или дегрессивным. Для получения постоянной скорости газообразования или её изменения по определённому закону отдельные участки зарядов (например, ракетных) покрывают слоем негорючих материалов (бронировкой). Скорость горения порохов зависит от их состава, начальной температуры и давления. Характеристики пороха Основными характеристиками пороха являются: теплота горения Q — количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 килограмма пороха; объём газообразных продуктов V выделяемых при сгорании 1 килограмма пороха (определяется после приведения газов к нормальным условиям); температура газов Т, определяемая при сгорании пороха в условиях постоянного объёма и отсутствия тепловых потерь; плотность пороха ρ; сила пороха f — работа, которую мог бы совершить 1 килограмм пороховых газов, расширяясь при нагревании на Т градусов при нормальном атмосферном давлении. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 61 из 176 2. Вторичное взрывчатое вещество – динамит Характеристика, история возникновения и области применения Динамит (от греч. δύναμις — сила) — взрывчатая смесь, абсорбент (например, кизельгур), пропитанный нитроглицерином. Также может содержать и другие компоненты (селитра и др.). Вся масса обычно спрессовывается в цилиндрическую форму и помещается в бумажную или пластиковую упаковку. Подрыв заряда осуществляется с помощью капсюля-детонатора. Динамит изменил методы, применяемые в горнодобывающей и других отраслях, стал применяться в военных действиях. История открытия Динамит изобретён Альфредом Нобелем в 1866 году, 25 ноября 1867 года запатентован (патент США № 78,317). Начиная с 1859 года, Альфредом Нобелем, его отцом и младшим братом ставились эксперименты над взрывчатым жидким нитроглицерином. Для его производства было построено несколько заводов в Европе и Америке, фабрик в 20 странах мира. Часть заработанного состояния он завещал для образования фонда, ежегодно вручающего Нобелевские премии. Состав наиболее распространенных динамитов Стандартный 62 %: нитроглицерин или его смесь с нитрогликолем 62 %, нитроцеллюлоза 3 %, нитрат калия или натрия 27 %, древесная мука 8 %. (Теплота взрыва 5.3 МДж/кг, температура вспышки 205°C, фугасность 380 мл, скорость детонации 6000 м/с при 1,4 г/см3); нитроглицерин или его смесь с нитрогликолем 15 %, нитроцеллюлоза 1 %, нитрат аммония 73,5 %, тротил 9 %, полиметилметакрилат −0.5 %, древесная мука 2 %. (Фугасность 340 мл, скорость детонации 5100 м/с при 1.32 г/см3); нитроглицерин или его смесь с нитрогликолем 60 %, нитроцеллюлоза 3 %, нитрат аммония 31 %, древесная мука 6 %. (Фугасность 410 мл, скорость детонации 6400 м/с); нитроглицерин или его смесь с нитрогликолем 60 %, нитроцеллюлоза 4 %, нитрат калия или натрия 28 %, древесный уголь 8 %; нитроглицерин или его смесь с нитрогликолем 10 %, нитроцеллюлоза 1 %, нитрат аммония 58 %, древесный уголь 8 %, оксалат аммония 5 %, хлорид натрия 18 %. При изготовлении динамитов сначала готовят «гремучий студень», представляющий собой бесцветную прозрачную, мягкую массу, которая сильно детонирует при ударе, по мощности превосходит нитроглицерин. Температура вспышки гремучего студня 205°C, плотность 1,55-1,58 г/см3, теплота взрыва 6,47 МДж/кг, фугасность 600 мл, скорость детонации 7800 м/с, бризантность по Касту -8 мм. Его получают осторожно нагревая нитроглицерин до 60-70°C, добавляют коллоксилин (78 %), тщательно и аккуратно перемешивают. Затем засыпают наполнитель, через некоторое время смесь охлаждают. Динамиты, содержащие в качестве наполнителя смесь нитрата аммония и древесного угля в большинстве стран запрещены из-за нестабильности свойств и высокой чувствительности. Широкое применение динамит получил вплоть до середины XX века. В настоящее время динамиты вытеснены аммиачно-селитренными ВВ из-за опасности в обращении и высокой стоимости производства. В СССР не применялись с 60-х годов. 3. Гексоген, история возникновения, характеристика и области применения УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 62 из 176 Гексоге́н (циклотриметилентринитрамин) - (CH2)3N3(NO2)3, мощное вторичное (бризантное) взрывчатое вещество. Чувствительность к удару занимает среднее положение между тетрилом и ТЭНом. Физические свойства Гексоген - белый кристаллический порошок, без запаха, вкуса, сильный яд. Удельный вес - 1,8 г/см³, молярная масса - 222,12 г/моль, плотность заряда - 1,77 г/см³, скорость детонации - 8360 м/сек, давление во фронте ударной волны - 33,8 ГПа, фугасность - 470 мл, бризантность - 24 мм, объём газообразных продуктов взрыва - 908 л/кг, температура вспышки - 230 °C, температура плавления - 204,1°C, теплота взрыва - 1370 ккал/кг, теплота сгорания - 2307 ккал/кг. Нерастворим в воде, плохо растворим в спирте, эфире, бензоле, толуоле, хлороформе, лучше - в ацетоне, концентрированной азотной и уксусной кислотах. Разлагается серной кислотой, едкими щелочами, а также при нагревании. Плавится при температуре 204,1°C с разложением, при этом чувствительность его к механическим воздействиям сильно повышается, поэтому его не плавят, а прессуют. Плохо прессуется, поэтому, чтобы его лучше спрессовать, флегматизируют в ацетоне. История Гексоген получил своё название по внешнему виду его структурной химической формулы. Впервые его синтезировал в 1890-х годах немецкий химик и инженер, сотрудник прусского военного ведомства Ленце. Гексоген по химическому составу близок к известному лекарству уротропину, использующемуся для лечения инфекций мочевыводящих путей. Поэтому вначале гексогеном заинтересовались преимущественно фармацевты. В 1899 году Ганс Геннинг (Hans Henning) взял патент на один из способов его производства, надеясь, что гексоген окажется ещё лучшим лекарством, чем уротропин. Однако, в аптеки гексоген не попал, так как вовремя выяснилось, что он представляет собой сильнейший яд. Лишь в 1920 году Герц показал, что гексоген представляет собой сильнейшее взрывчатое вещество, далеко превосходящее тротил. По скорости детонации он опережал все остальные известные тогда взрывчатки, а определение его бризантной способности обычным методом было невозможно, потому что гексоген разбивал стандартный свинцовый столбик. Герц взял на свой относительно простой способ получения гексогена английский патент, и немедленно в Англии, а затем и в других странах начались усиленные исследования нового вещества и развернулось строительство заводов. В годы второй мировой войны гексоген уступал по масштабам производства только тротилу, а в наше время входит в состав многих боевых и промышленных взрывчатых веществ. Высокие взрывчатые параметры, простота и надёжность в обращении, а также относительно широкое распространение гексогена вызывают постоянный к нему интерес со стороны участников вооружённых конфликтов, а также террористических организаций. Получение гексогена в кустарных условиях затруднительно, поэтому нелегальное распространение гексогена связано как с тайными операциями государственных структур промышленно развитых государств, так и с деятельностью различных криминальных кругов, в том числе и международных. Применяют для изготовления детонаторов (в том числе детонационных шнуров) снаряжения боеприпасов и для взрывных работ в промышленности, как правило, в смеси с другими веществами (тротилом и др.), а также, с добавкой флегматизаторов (парафина, воска, церезина), уменьшающих опасность взрыва гексогена от случайных причин. В чистом виде используется для снаряжения капсюлей-детонаторов, а также, как компонент ракетного топлива. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 63 из 176 4. Тротил, история возникновения, характеристика и области применения Тринитротолуо́л (троти́л, тол, TNT, 2,4,6-тринитрометилбензол) одно из наиболее распространённых бризантных взрывчатых веществ. Представляет собой желтоватое кристаллическое вещество с температурой плавления 80,35 °C (плавится в очень горячей воде). Применяется в промышленности и военном деле как самостоятельно в гранулированном (гранулотол), прессованном или литом виде, так и в составе многих взрывчатых смесей (алюмотол, аммонал, аммонит и другие). В США тротил в промышленности и горном деле не применяют с начала 1990-х из-за токсичности продуктов взрыва. Тротил гораздо стабильнее многих других взрывчатых веществ, например, динамита, к трению и нагреванию, и загорается только при температуре 290 °C, поэтому может быть относительно безопасно нагрет до температуры плавления. Это очень удобно, так как позволяет легко придать нужную форму при помощи литья. Литой или прессованный тротил можно поджечь. Он горит без взрыва желтоватым пламенем. Для взрыва обычно необходимо использование детонатора, однако порошкообразный тротил с примесями может иметь повышенную чувствительность к внешним воздействиям, в том числе и к пламени. Несмотря на стабильность тринитротолуола, во многих применениях и его стараются заменить на ещё более стабильные взрывчатые вещества, например, ВС США планирует заменить тротил в крупнокалиберных снарядах на вещество IMX-101. Тринитротолуол был получен в 1863 году немецким химиком Юлиусом Вильбрандом. Обладает свойствами антимикотика, ранее применялся в медицине в составе противогрибковых препаратов «Ликватол» и «Унгветол», но из-за токсичности и появления более эффективных лекарственных средств практически вышел из медицинского употребления. Получение Первый этап: нитрование толуола смесью азотной и серной кислот. Серная кислота используется как водоотнимающий агент. 2C6H5CH3 + 3HNO3 → C6H4CH3NO2 + C6H3CH3(NO2)2 +3H2O Второй этап: затем смесь моно- и динитротолуола нитруют в смеси азотной кислоты и олеума. Олеум используется как водоотнимающий агент. C6H4CH3NO2 + C6H3CH3(NO2)2 + 3HNO3 → C6H2CH3(NO2)3 +3H2O Излишек кислоты от второго этапа можно использовать для первого. Затем следует очистка раствором гидрокарбоната натрия для нейтрализации кислот, так как их наличие ухудшают взрывные и химические свойства. NaHCO3+HNO3 → NaNO3 + H2O + CO2↑ 2NaHCO3+H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2↑ Физические свойства Плотность: 1654 кг/м³; Температура плавления 80,35 °C; Температура кипения 295 °С; Теплота взрыва 4,23 МДж/кг; Скорость детонации – 6700 -7000 м/с (плотность: 1,6 г/см³); Бризантность по Гессу - 16 мм; Бризантность по Касту - 3,9 мм; УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 64 из 176 Фугасность 285 мл; Имеет невысокую чувствительность к удару (4 - 8 % взрывов при падении груза 10 кг с высоты 25 см). 5. Характеристика тетранитропентаэритрита (ТЭН), как мощного взрывчатого вещества Тетранитропентаэритрит (ТЭН, пентрит, C(CH2ONO2)4) - бесцветное кристаллическое вещество не растворимое в воде, растворимое в ацетоне (58,8 г /100 г при 50°С), диметилформамиде (70 г /100 г при 100°С). Разлагается при нагревании с водой, кислотами и щелочами до динитропентаэритрита. Мощное и чувствительное ВВ. Детонирует при ударе, горение неплотных зарядов неустойчиво и может переходить в детонацию. Теплота взрыва 5,76 МДж/кг, температура плавления 141°С с медленным разложением, температура воспламенения около 200°С, скорость детонации 6110м/с при плотности 1,17 г/см3, 7520м/с при плотности 1,51 г/см3, 8350м/с при плотности 1,72 г/см3, плотность 1,77 г/см3. Применение: для снаряжения капсюлей-детонаторов (вторичный заряд), промежуточных детонаторов, детонирующих шнуров, в боеприпасах в смесях и сплавах с флегматизаторами, пластификаторами, тротилом, алюминием и т.п, а также в медицине. Получение: В 400 мл концентрированной азотной кислоты медленно при осторожном помешивании добавляется 100 г пентаэритрита или 150 г сульфата пентаэритрита. Необходимо поддерживать температуру не выше 20°С иначе образуется смесь малостабильных нитроэфиров. Через 20 минут добавляется лед, смесь охлаждается, кристаллы отфильтровывают, промывают водой, затем теплым 1% раствором бикарбоната натрия и перекристаллизовывают из ацетона (выход - около 220 г). Пентаэритрит - Бесцветные пластинчатые кристаллы растворимые в воде (при 15°С - 5,6 г /100 г воды, при 100°С - 76,6 г /100 г воды), малорастворимое в органических растворителях, температура плавления 141°С. Получают нагреванием водного раствора формалина с уксусным альдегидом (метальдегидом) в присутствии гашеной извести: CH2O + 4CH3CHO = C(CH2OH)4 + HCOOH. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 65 из 176 Лекция № 12 Тема: ВЗРЫВНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА (часть I) План: 1. Понятие о воздушной ударной волне; 2. Параметры ударной волны. 1 Понятие о воздушной ударной волне Аварии во взрыво- и пожароопасных производствах связаны, как правило, с внезапным истечением газообразных или сжиженных углеводородных продуктов, при перемешивании которых с воздухом образуются взрыво- и пожароопасные смеси. Наиболее опасными в этом отношении являются смеси с воздухом следующих углеводородных газов: метана, пропана, бутана, этилена, пропилена, бутилена и др. Взрыв или возгорание этих газов наступает при определенном содержании газа в воздухе. Например, взрыв пропана возможен при содержании в 1 м3 воздуха от 36.6 (НКПВ) до 173.8 г (ВКПВ) газа. Интенсивное перемешивание пропана с воздухом при аварийном выбросе объясняется отрицательной температурой его кипения (- 42° С) при атмосферном давлении. Взрывоопасными могут быть также смеси паров легковоспламеняющихся жидкостей, взвеси пыли или волокон в воздухе при определенных концентрациях. Взрыв приводит к разрушению и повреждению зданий, сооружений технологического оборудования, емкостей и трубопроводов. Эти явления связаны как с самим взрывом, так и с действием образующейся при взрыве ударной волны. Ударной называется волна, характеризующаяся наличием поверхности разрыва основных физических параметров состояния cреды (давления, плотности, температуры), в которой она распространяется со сверхзвуковой скоростью. В зависимости от того, в какой среде распространяется волна - в воздухе, воде или грунте, ее называют воздушной ударной волной, ударной волной в воде или сейсмовзрывной волной в грунте. Воздушная ударная волна представляет собой область резкого сжатия воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Переднюю границу волны (рис.1), характеризующуюся резким скачком давления, называют фронтом ударной волны. Во фронте ударной волны происходит скачкообразное изменение параметров состояния воздуха (давления, плотности, температуры, скорости движения). Характерной особенностью воздушной ударной волны является движущийся позади нее поток воздушной среды, направленный в ту же сторону. Механизм образования воздушной ударной волны состоит в следующем. При взрыве образуется большое количество газообразных продуктов. Они, находясь под весьма высоким давлением (порядка нескольких МПа), подобно сильно сжатой и мгновенно отпущенной пружине, расширяются. Так как давление окружающего воздуха во много раз меньше давления продуктов взрыва, то последний, расширяясь, наносят резкий удар по прилегающим слоям. За счет этого воздух сжимается, повышается его давление, плотность, температура. Масса продуктов взрыва, расширяясь, вытесняет окружающий воздух и образует вокруг себя зону сжатого воздуха. Эта зона действует на окружающий, еще невозмущенный воздух и сжимает его. Таким способом сжатие быстро передается все дальше и дальше от места взрыва. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 66 из 176 Внешняя граница сжатого слоя воздуха и представляет собой фронт воздушной ударной волны, перемещающейся со сверхзвуковой скоростью. Рис.1. Схема образования воздушной ударной волны: а - при воздушном взрыве; б - при наземном взрыве; 1 - центр взрыва; 2 - газообразный продукт взрыва; 3 - зона сжатого воздуха; 4 - фронт ударной волны Ударная волна имеет: 1. фазу сжатия; 2.фазу разрежения. В фазе сжатия ударной волны давление выше атмосферного, а в фазе разрежения - ниже. Наибольшее давление воздуха наблюдается на внешней границе фазы сжатия - во фронте волны. Как видно из рис. 2 в момент прихода ударной волны давление повышается от нормального (атмосферного) Р0 до максимального во фронте Р1. В дальнейшем по мере продвижения ударной волны давление падает ниже атмосферного. Рис. 2. Характер изменения давления в фиксированной точке пространства в зависимости от времени и результат действия ударной волны на местные предметы: t1 - момент прихода фронта ударной волны в фиксированную точку на местности; t2- момент падения давления после прохождения ударной волны до нормального; t3 - момент окончания действия ударной волны и слоев воздуха. 2 Параметры ударной волны Основными параметрами ударной волны, определяющими ее разрушающее и поражающее действие, являются: избыточное давление ΔР1 , Па (кгс/см2); скоростной напор ΔРск , Па (кгс/см2 ); скорость движения волны Vв , м/с; скорость движения воздушного потока U1 , м/с; время действия ударной волны tв , с. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 67 из 176 Избыточное давление во фронте ударной волны - это разница между максимальным Р1 и атмосферным давлением Р0, (рис. 2). ΔР1= Р1 - Р0 Избыточное давление в данной точке зависит от расстояния до центра взрыва и его мощности. Скоростной напор за фронтом ударной волны определяется по формуле 2.5 P12 Pck , Па P1 7 P0 Скорость движения ударной волны зависит от ее интенсивности и может быть определена по упрощенной формуле Vв 340 1 0.83Р1 , м/с где ΔР1 - избыточное давление, кгс/см2. Скорость движения воздушного потока за фронтом ударной волны определяется по упрощенной формуле 8 104 P1 U1 , м/с Vв Время действия ударной волны tв - это время действия избыточного давления. Его величина может быть определена по формуле tв 1.3 103 6 m R , с где m- масса взорвавшейся газовоздушной среды, кг; R - расстояние от центра взрыва, м. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 68 из 176 Лекция № 13 Тема: ВЗРЫВНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА (часть II) План: 1. Действия взрыва на здания, сооружения и оборудование; 2. Действия взрыва на человека; 3. Расчет избыточного давления для газовоздушных смесей при взрыве в помещении. 1 Действия взрыва на здания, сооружения и оборудование При взрыве действует весьма мощная, кратковременная и переменная по величине нагрузка (рис. 2). Эта нагрузка возникает в результате действия газообразных продуктов взрыва и ударной волны. Наиболее разрушительными от действия продуктов взрыва и ударной волны являются здания и сооружения больших размеров с легкими несущими конструкциями, значительно возвышающимися над поверхностью земли, а также немассивные бескаркасные сооружения с несущими стенами из кирпича и бетона. Подземные же и заглубленные в грунт сооружения с жесткими несущими конструкциями обладают значительной сопротивляемостью разрушению. Из вышеперечисленных параметров ударной волны решающим (характеризующим разрушение) является избыточное давление ΔР1. При разрушении высокого оборудования с малой площадью (мачты, трубы, шкафы с аппаратурой управления) определяющим является скоростной напор ΔРск. Разрушения подразделяются на: 1. полные; 2. сильные; 3. средние; 4. слабые. Полные разрушения. В зданиях и сооружениях обрушены перекрытия и разрушены все основные несущие конструкции. Восстановление невозможно. Оборудование, средства механизации и другая техника восстановлению не подлежат. В коммуникационно-энергетических сетях (КЭС) имеются разрывы кабелей, разрушения участков трубопроводов, опор воздушных линий электропередач и т. п. Сильные разрушения. В зданиях и сооружениях значительные деформации несущих конструкций, разрушена большая часть перекрытий и стен. Восстановление возможно, но нецелесообразно, так как практически сводится к новому строительству с использованием некоторых сохранившихся конструкций. Оборудование и механизмы большей частью разрушены и значительно деформированы. Отдельные детали и узлы оборудования могут быть использованы как запасные части. В КЭС разрывы и деформации на отдельных участках подземных сетей, деформации воздушных линий электропередач и связи, разрывы технологических трубопроводов. Средние разрушения. В зданиях и сооружениях разрушены главным образом не несущие, а второстепенные конструкции (легкие стены, перегородки, крыши, окна, двери). Возможны трещины в наружных стенах и вывалы в отдельных местах. Перекрытия и подвалы не разрушены, часть помещений пригодна к эксплуатации. Для восстановления требуется капитальный ремонт, выполнение которого возможно собственными силами. Оборудование требует капитального ремонта. В КЭС значительные разрушения и деформации элементов, которые можно устранить капитальным ремонтом. Слабые разрушения. В зданиях и сооружениях разрушена часть внутренних перегородок, заполнения дверных и оконных проемов. Оборудование имеет незначительные деформации. В КЭС имеются незначительные разрушения и поломки УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 69 из 176 конструктивных элементов зданий, сооружений, оборудования, получивших слабые разрушения, как правило, требуется текущий ремонт. Зоны действия взрыва Различают следующие зоны действия взрыва (рис. 3). Рис. 3. Зоны действия взрыва: I- детонационной волны; II-продуктов взрыва; III-воздушной ударной волны. Избыточное давление, кПа (кгс/см2). Зона I с радиусом r1 - зона действия детонационной волны в пределах облака газовоздушной смеси. Характеризуется интенсивным дробящим действием, в результате которого конструкции разрушаются на отдельные фрагменты, разлетающиеся с большими скоростями от центра взрыва. Радиус этой зоны может быть приближенно определен по формуле: r1 17.53 m (1) где m - масса взрывоопасного вещества, образовавшего газовоздушную смесь, т. Избыточное давление, создаваемое продуктами взрыва на внешней границе зоны ΔР1=1500 - 1700 кПа (15...17 кгс/см2). Зона II (r1-r2) - зона действия продуктов взрыва, охватывающая всю площадь разлета продуктов газовоздушной смеси в результате ее взрыва. Радиус этой зоны определяется по формуле r2 = 1.7r1 (2) Внешняя граница рассматриваемой зоны характеризуется избыточным давлением ΔР1II = 300 кПа (3 кгс/см2). В этой зоне происходит полное разрушение зданий и сооружений под действием расширяющихся продуктов взрыва. На внешней стороне границы этой зоны образующаяся воздушная волна отрывается от продуктов взрыва и движется самостоятельно от центра взрыва. Продукты взрыва, исчерпав всю свою энергию, расширившись до плотности, соответствующей атмосферному давлению, больше не производят разрушительного действия. Избыточное давление в любой точке зоны II может быть определено по формуле 3 r1 II P1 1300 50 , кПа (3) r где r - расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки, м. Зона III (r3-r2) - зона действия воздушной ударной волны включает три подзоны: IIIа - подзона сильных, IIIб - подзона средних и IIIв - подзона слабых разрушений, каждая из которых характеризуется избыточным давлением во фронте Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Страница 70 из 176 ударной волны на их внешних границах ΔР1 = 50 (0.5); 30 (0.3) и 10 (0.1) кПа (кгс/см2) соответственно. На внешней границе зоны III ударная волна вырождается в звуковую, слышимую еще на значительных расстояниях. Избыточное давление в зоне III в зависимости от расстояния до центра взрыва может быть рассчитано по формулам. Для этого предварительно определяется относительная величина III K 0.24 r3 r1 (4) где r1 - радиус зоны I; r3 - радиус зоны III или расстояние от центра взрыва до точки в этой зоне, в которой требуется определить избыточное давление воздушной ударной волны: при K ≤ 2 P1III при K ≥ 2 P1III 700 3( 1 29.8 k 2 1 ) , кПа (5) 22 , кПа k( lg k 0.158 (6)Пример. Требуется определить избыточное давление, ожидаемое в районе механического цеха при взрыве емкости, в которой находится 100 т сжиженного пропана. Исходные данные: расстояние от емкости до цеха 300 м. Решение. 1. Определяем радиус зоны детонационной волны (зона I): r1 17.53 m 17.53 100 80 м. 2. Вычисляем радиус зоны действия продуктов взрыва (зоны II): r2 = 1.7r1 = 1.7·80 = 136 м 3. Сравнивая расстояние от центра взрыва до цеха (300 м) с найденными радиусами зон, делаем вывод, что цех находится за пределами этих зон, и, следовательно, может оказаться в зоне действия воздушной ударной волны (зона III). Далее находим избыточное давление на расстоянии 300 м, используя расчетные формулы для зоны III и принимая r3=300 м. Для этого определяем относительную величину К: K 0.24 r3 300 0.24 0. 9 r1 800 Так как К<2, то используем формулу (5): P1III 700 3( 1 29.8 k 1 ) 2 700 3( 1 29.8 0.92 1 ) 60 , кПа Вывод. При взрыве 100 т сжиженного пропана цех окажется под воздействием воздушной ударной волны с избыточным давлением около 60 кПа, что соответствует зоне сильных разрушений. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 71 из 176 2 Действия взрыва на человека Продукты взрыва и образовавшаяся в результате их действия воздушная ударная волна способны нанести человеку различные травмы, в том числе смертельные. В указанных выше зонах I и II наблюдается полное поражение людей, связанное с разрывов тела на части, обугливанием под действием расширяющихся продуктов взрыва, имеющих весьма высокую температуру. В зоне III поражение людей вызывается как непосредственным, так и косвенным воздействием ударной волны. При непосредственном воздействии ударной волны основной причиной появления травм у людей является мгновенное повышение давления воздуха, что воспринимается человеком как резкий удар. При этом возможны повреждения внутренних органов, разрыв кровеносных сосудов, барабанных перепонок, сотрясение мозга, различные переломы и т. п. Кроме того, скоростной напор воздуха, обуславливающий метательное действие ударной волны, может отбросить человека на значительное расстояние и причинить ему при ударе о землю (или препятствие) различные повреждения. Метательное действие скоростного напора воздуха заметно сказывается в зоне с избыточным давлением более 50 кПа (0,5 кгс/см2), где скорость перемещения воздуха более 100 м/с, что значительно превышает скорость ураганного ветра. Характер и тяжесть поражения людей зависят от величины параметров ударной волны, положения человека в момент взрыва и степени его защищенности. При прочих равных условиях наиболее тяжелые поражения получат люди, находящиеся в момент прихода ударной волны вне укрытий в положении стоя. В этом случае площадь воздействия скоростного напора воздуха будет примерно в 6 раз больше, чем в положении человека лежа. Поражения, возникающие под действием ударной волны подразделяются на легкие, средние, тяжелые и крайне тяжелые (смертельные). Характеристики поражений приведены в таблице 1. Таблица 1 Поражения человека от действия воздушной ударной волны Вид Характеристики поражения Избыточное давление поражений ΔР1, кПа (кгс/см2) Легкие легкая контузия, временная потеря слуха, 20 – 40 (0,2 – 0,4) ушибы и вывихи конечностей Средние травмы мозга с потерей сознания, повре40 – 60 (0,4 – 0,6) ждения органов слуха, кровотечение из носа, ушей, переломы, вывихи конечностей Тяжелые сильная контузия всего организма, повре60 – 100 (0,6 – 1,0) ждения внутренних органов и мозга, тяжелые переломы конечностей, возможны смертельные исходы Крайне получаемые травмы очень часто приводят >100 (1,0) тяжелые к смертельному исходу Поражения людей, находящихся в момент взрыва в зданиях и сооружениях, зависит от степени их разрушения. При полных разрушениях зданий следует ожидать полной гибели находящихся в них людей. При сильных и средних разрушениях может выжить примерно половина людей, а остальные получат травмы различной Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Страница 72 из 176 степени тяжести. Многие могут оказаться под обломками конструкций, а также в помещениях с заваленными или разрушенными путями эвакуации. Косвенное воздействие ударной волны заключается в поражении людей летящими обломками зданий и сооружений, камнями, битым стеклом и другими предметами, увлекаемыми ею. При слабом разрушении зданий гибель людей маловероятна. Однако часть из них может получить различные травмы. 3 Расчет избыточного давления для газовоздушных смесей при взрыве в помещении Одним из главных параметров разрушительного действия взрыва является избыточное давление ΔР1. Весьма приближенные методы определения величины ΔР1 приведены ранее. Ниже приводится методика для конкретных аварийных ситуаций. Избыточное давление взрыва в помещении, где произошел взрыв в результате аварии, определяется по формуле: P1 m QT P0 Z 1 , кПа VСВ В С Р Т 0 К Н (7) где m - масса взрывоопасного вещества, образовавшего газопаро- или паровоздушную смесь, попавшего в результате аварии в помещение, кг; Qт - количество тепла, выделяющегося при разложении (теплота сгорания), Дж/кг; (значения Qт для некоторых веществ приводятся в справочной литературе); P0 - начальное давление в помещении, кПа; z - коэффициент участия горючего газа во взрыве; Vсв - свободный объем помещения, м3; (разность между объемом помещения и объемом оборудования, допускается принимать условно равным 80% геометрического объема помещения); ρв - плотность воздуха до взрыва при начальной температуре Т0, кг/м3; Ср - теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); Т0 - начальная температура воздуха, К; Кн - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатический процесс горения, допускается принимать Кн=3. Значения начальных условий воздуха в помещении и коэффициента Z , входящих в формулу (7) представлены в таблице 2. Таблица 2 Наименование, обозначение Начальное давление, Р0 Плотность воздуха до взрыва, ρв Теплоемкость воздуха, Ср Начальная температура, Т0 Коэффициент z: - для аэрозолей, нагретых до температуры вспышки и выше; - для легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, нагретых ниже температуры вспышки; - для горючих газов Размерность кПа кг/м3 Дж/(кг·К) К Величина 101 1,293 1,01·103 290 - 0,3 - 0,3 0,5 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 73 из 176 Перед определением величины следует убедиться, достаточна ли концентрация газовоздушной смеси для взрыва? Взрыв может произойти лишь в том случае, если концентрация смеси лежит в пределах между нижним (НКПВ) и верхним (ВКПВ) концентрационными пределами взрываемости. Концентрация смеси определяется по формуле K m , г/м3 VСВ (8) где m - масса газовоздушной смеси, г; Vсв - свободный объем помещения, принимаемый с учетом объема оборудования условно равным 80% от геометрического объема помещения, м3. Полученное значение концентрации сравнивается со значениями пределов взрываемости. Пример. Требуется определить избыточное давление и сделать вывод о характере разрушения для следующей аварийной ситуации. В цехе химического комбината произошла утечка сжиженного пропана из емкости, в результате чего все содержимое емкости оказалось в помещении цеха. При соприкосновении с горячим источником произошел взрыв образовавшейся газо-воздушной смеси. Исходные данные: 1) масса вытекшего из емкости пропана m =1000 кг; 2) размеры цеха, м: высота 10, ширина 12, длина 100. Решение 1. Определяем концентрацию газо-воздушной смеси: K m 1000 103 100 , г/м3 VСВ 0.8 10 12 100 2. Полученное значение сравниваем со значениями предельных концентраций. Из справочных данных - для пропана НКПВ = 36.6 г/м3, ВКПВ = 173.8 г/м3. Следовательно, взрыв возможен при наличии источника инициирования. 3. Пользуясь данными, определяем величину избыточного давления: P1 m QT P0 Z 1 1000 47 106 101 0.5 1 220 , кПа 3 VСВ В СР Т 0 К Н 0.8 10 12 100 1.293 1.0110 290 3 Вывод. Полученное значение величины Р1 дает основание предположить, что помещение цеха находится в зоне полных и сильных разрушений взрыва. Анализ рассмотренной аварийной ситуации указывает на необходимость разработки мероприятий по предупреждению взрывов или уменьшению их последствий. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Контрольные вопросы Что называется ударной волной? Объясните механизм образования воздушной ударной волны. Назовите основные параметры ударной волны. От каких параметров зависит время действия ударной волны? Какие разрушения на здания и сооружения оказывает воздушная ударная волна? Охарактеризуйте зоны действия взрыва с точки зрения разрушения зданий и сооружений. Приведите характеристики воздействия ударной волны на человека. Приведите алгоритм расчета избыточного давления газа при взрыве в помещении. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 74 из 176 Лекция № 14 Тема: МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРОФИЛАКТИКЕ АВАРИЙ НА ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ, ЗАЩИТЕ ПЕРСОНАЛА И НАСЕЛЕНИЯ (часть I) План: 1. Понятие пожарной профилактики; 2. Меры по предотвращению пожаров. 1 Понятие пожарной профилактики Пожары и взрывы на объектах народного хозяйства (ОНХ), в жилых домах представляют большую опасность для персонала объектов, населения и могут причинить огромный материальный ущерб. Вопросы обеспечения пожарной безопасности производственных и жилых зданий и сооружений имеют большое значение и регламентируются специальными государственными решениями и постановлениями. Пожарная безопасность может быть обеспечена мерами пожарной профилактики и активной пожарной защиты. Понятие пожарной профилактики включает в себя комплекс мероприятий, направленных на предупреждение возникновения пожара (взрыва) и создание условий для предотвращения ущерба от них. Под активной пожарной защитой понимаются меры, обеспечивающие успешную борьбу с возникающими пожарами или взрывоопасной ситуацией. Анализ имевших место на объектах экономики крупных пожарах показал, что при пожаре на этих предприятиях создаётся сложная обстановка для пожаротушения, поэтому требуется разработка комплекса мероприятий по противопожарной защите. Этот комплекс включает мероприятия профилактического характера и устройство систем пожаротушения и взрывозащиты. Основы противопожарной защиты объектов определены стандартами (ГОСТ 12.1.004-76 «Пожарная безопасность» и ГОСТ 12.1.010-76 «Взрывобезопасность»). Этими стандартами возможная частота пожаров и взрывов допускается такой, чтобы вероятность их возникновения и воздействия опасных факторов на людей в течение года не превышала 10-6 на человека. Пожарная профилактика является составной частью технологических процессов производства, градостроительства, планировки и застройки населенных пунктов. Её мероприятия учитываются при проектировании, строительстве, реконструкции, эксплуатации объектов, зданий, сооружений, транспортных средств и в быту. Организацией пожарной профилактики занимаются органы Государственного пожарного надзора. Пожарная профилактика достигается: разработкой, внедрением пожарных норм и правил на объектах и контролем за их соблюдением; ведением конструирования и проектирования создаваемых объектов с учётом их пожарной безопасности; совершенствованием и содержанием в готовности противопожарных средств; регулярным проведением пожарно-технических обследований объектов, жилых и общественных зданий; пропагандой пожарно-технических знаний среди населения. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 75 из 176 2 Меры по предотвращению пожаров Мероприятия по пожарной профилактике разделяются на: организационные, технические, режимные и эксплуатационные. Организационные мероприятия предусматривают: правильную эксплуатацию оборудования и транспорта; правильное содержание зданий и сооружений, территории; противопожарный инструктаж рабочих и служащих объекта; организацию добровольных пожарных формирований, пожарно-технических комиссий; издание приказов по вопросам усиления пожарных формирований и т.д. Технические мероприятия предусматривают: соблюдение противопожарных правил и норм при проектировании зданий, устройстве электропроводов и оборудования, отопления, вентиляции, освещения; правильное размещение оборудования. Мероприятия режимного характера - запрещение курения в неустановленных местах (производства сварочных и других огневых работ в пожароопасных помещениях). Эксплуатационные мероприятия - своевременные профилактические осмотры, ремонты и испытания технологического оборудования. Пожарная профилактика ведется по видам объектов: в гражданских зданиях; на складах, базах; промышленных объектах; транспорте; в лесах и торфяных разработках. В гражданских зданиях предусматриваются противопожарные меры, связанные с системами отопления, электроснабжения, газовыми и керосиновыми приборами. Пожарная профилактика на складах, базах и в магазинах включает: соблюдение противопожарных разрывов между зданиями при их строительстве; создание внутреннего пожарного водопровода; оборудование пожарной и пожарно-охранной сигнализации; разделение больших складских помещений противопожарными стенами; раздельное хранение легковоспламеняющихся и горючих веществ; запрет на печное и газовое отопление. Пожарная профилактика на промышленных объектах организуется на основе общих требований ко всем объектам, а также в соответствии с категорией пожарной опасности технологических процессов на каждом из них. Пожарная профилактика промышленных объектов включает: 1. исполнение зданий и сооружений объекта в степени огнестойкости, соответствующей категории пожарной опасности объекта. Повысить огнестойкость зданий и сооружений можно: облицовкой или оштукатуриванием металлических конструкций; защитой деревянных конструкций оштукатуриванием (известково-цементное, асбестоцементное, гипсовое покрытия) или пропитывание антипиренами (фосфорно-кислый аммоний, сернокислый аммоний), огнезащитными красками; 2. устройство противопожарных разрывов между зданиями. Величины противопожарных разрывов между основными и вспомогательными зданиями определяют с учетом их огнестойкости, они могут находиться в пределах от 9 до 18 метров; 3. зонирование территории. Это мероприятие заключается в группировании при генеральной планировке предприятий в отдельные комплексы объектов, родственных по УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 76 из 176 функциональному назначению и признаку пожарной опасности. Для таких комплексов на промышленной площадке отводят определенные участки. Сооружения с повышенной пожарной опасностью располагают с подветренной стороны, склады ЛВЖ и резервуары с горючими веществами располагают на границах объекта или за их пределами в более низких местах; 4. устройство внутризаводских дорог, которые должны обеспечивать беспрепятственный удобный проезд пожарных автомобилей к любому зданию объекта; выбор мест расположения пожарных депо. Одна из сторон предприятия должна примыкать к дороге общего пользования или сообщаться с ней проездами; 5. устройство внутреннего противопожарного водопровода, спринклерных и дренчерных установок пожаротушения, пожарной сигнализации; 6. замена сгораемых перекрытий на несгораемые; 7. установка электрооборудования в пылевлагонепроницаемом исполнении; 8. систематизация хранения горючих материалов, создание буферных складов, исключающих накопление горючих материалов на рабочих местах; 9. отделение особо опасных технологических участков производства противопожарными преградами (противопожарные стены, перекрытия, люки, двери, ворота, тамбуршлюзы и окна). Противопожарные стены выполняются из несгораемых материалов и должны иметь предел огнестойкости не менее 2,5 часа и опираться на фундаменты Противопожарные двери, окна и ворота в противопожарных стенах должны иметь предел огнестойкости не менее 1 часа, а противопожарные перекрытия - не менее 1 часа. Перекрытия не должны иметь проемов и отверстий, через которые могут проникать в помещение продукты горения при пожаре; 10. в чистоте и исправности поддерживаются пути эвакуации людей при пожаре. При возникновении пожара люди должны покинуть здание в минимальное время, которое определяется кратчайшим расстоянием от их местонахождения в здании до наружного выхода. Число эвакуационных выходов из зданий, помещений и каждого этажа здания определяется расчетом, но должно составлять не менее двух. Выходы должны располагаться рассредоточено. Лифты и другие механические средства транспортирования людей в расчет не берутся. Ширина участков путей эвакуации должна быть не менее 1 метра, дверей на этих путях не менее 0,8 м, ширина наружных дверей лестничных клеток - не менее ширины марша лестницы, высота прохода на путях эвакуации - не менее 2 метров. Необходимое время эвакуации регламентируется СНиП 11-2-80 в зависимости от назначения здания и степени огнестойкости его конструктивных элементов. Для зданий I, II, и III степени огнестойкости в зависимости от категории производства по степени взрывной, взрыво- и пожарной опасности и объема помещения необходимое время устанавливается от 50 минут до 3 часов; 11. устройство специальных конструктивных элементов в здании для удаления из помещений дыма при пожаре и стравливания избыточного давления при взрыве. Удаление газа и дыма из горящих помещений производится через оконные проемы, аэрационные фонари, специальные дымовые люки и легко сбрасываемые конструкции, (сброс давления при взрыве); 12. установление строгого противопожарного режима на объекте. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 77 из 176 Лекция № 15 Тема: МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРОФИЛАКТИКЕ АВАРИЙ НА ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ, ЗАЩИТЕ ПЕРСОНАЛА И НАСЕЛЕНИЯ (часть II) План: 1. Меры по предотвращению взрывов; 2. Защита персонала и оборудования на взрывоопасных объектах. Рекомендации населению по профилактике пожаров и взрывов в быту. 1 Меры по предотвращению взрывов Три принципа предотвращения взрывов: исключение образования горючих систем; предотвращение инициирования горения; локализация очага горения в пределах определенного устройства, способного выдержать последствия горения. Исключение образования горючих систем можно осуществлять тремя методами: 1. поддержанием концентрации горючего вещества в смеси менее нижнего концентрационного предела воспламенения; 2. флегматизацией взрывчатых смесей, т.е. добавлением в смесь с фиксированным соотношением горючего и окислителя инертных компонентовфлегматизаторов (СО2, N2, Н2O) или ингибиторов (химически активных веществ, способных затормозить скорость химической реакции окисления). Добавление флегматизаторов к горючей смеси приводит к понижению температуры горения смеси, вместе с температурой горения понижается и скорость горения (скорость распространения пламени). Соответствующим количеством флегматизаторов можно свести скорость горения к нулю и превратить смесь в негорючую; 3. обезжириванием устройств и установок жидкого кислорода. Большую опасность представляют системы масло-кислород (воздух). Смазочные масла при перегреве подвергаются термическому разложению с выделением легкокипящих углеводородных фракций. При смешении указанных фракций с кислородом они взрываются под влиянием различных импульсов (искры ударной волны и т.д.) Предотвращение инициирования горения Среди инициаторов горения наибольший удельный вес имеют электрические разряды и фрикционные искры. Наиболее благоприятной средой возникновения и накопления статических зарядов являются диэлектрические жидкости, а также газы, содержащие во взвешенном состоянии жидкие и твердые дисперсные частицы. Для обеспечения взрывобезопасности в отношении статических зарядов ограничивают скорости движения диэлектрических жидкостей по трубопроводам, предотвращают образование дисперсных частиц в газах и проводят нейтрализацию электрозарядов путем заземления аппаратуры и оборудования. Фрикционные искры образуются при истирании металлических предметов или при ударах по ним. Для предотвращения новообразования вместо искрообразующих материалов (железо, сталь) следует применять алюминий, медь и их сплавы. Локализация очага горения предусматривает такое выполнение технологического процесса, при котором возможный очаг горения был бы локализован в пределах определенного аппарата или газопровода, способного выдерживать последствия горения. Локализация очага горения предусматривает наличие специальных УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 78 из 176 устройств (обратных клапанов, гидрозатворов, автоматических задвижек и т.д.) предотвращающих дальнейшее распространение пламени. В этой связи широкое распространение нашли огневзрывопреградители, принцип работы которых основан на том, что струя горящей смеси разбивается на множество струек с малым диаметром, при котором из-за тепловых потерь пламя взрыва (пожара) не может распространяться. Пламегасящие каналы огневзрывопреградителей могут быть образованы пучками трубок, отверстиями в диафрагмах, плоскими щелями, металлическими сетками и т.п. 2 Защита персонала и оборудования на взрывоопасных объектах. Рекомендации населению по профилактике пожаров и взрывов в быту Способы защиты персонала и оборудования от поражения и разрушения при взрывах смесей: проектирование прочных ограждений конструкций, способных выдержать нагрузку, равную максимальному давлению при взрыве; создание во взрывоопасных зонах инертной среды, в которой содержание кислорода было бы меньше необходимого для поддержания горения; изоляция взрывоопасной зоны прочными стенами; расположение взрывоопасного производства в местах, где при взрыве не будет причинен вред окружающей среде; установка специальных предохранительных клапанов для сброса давления взрыва; подавление взрыва (предотвращение распространения пламени); строительство для персонала защитных сооружений (убежищ). Рекомендации населению по профилактике пожаров и взрывов в быту Соблюдение мер пожарной безопасности и умелые действия во время пожара способствуют снижению пожарной опасности, спасению людей и имущества. Персонал объекта для предотвращения пожаров и взрывов должен действовать в соответствии с установленными на объекте правилами пожарной безопасности, нормами техники безопасности и охраны труда, технологическими инструкциями. Для предотвращения пожаров и взрывов в быту, спасения жизни и имущества при их возникновении следует: избегать хранения в доме большого количества легковоспламеняющихся жидкостей и горючих веществ; небольшое количество ЛВЖ и ГВ хранить в плотно закрытых сосудах, вдали от нагревательных приборов, не подвергать их ударам, встряске, разливу; не разогревать мастики, краски и лаки, аэрозоли на открытом огне, не стирать в бензине; не загромождать лестничные клетки и противопожарные выходы мебелью и другими предметами; не устанавливать электроприборы вблизи горючих веществ; содержать электрооборудование помещений в исправном состоянии; не оставлять включенными электронагреватели, приборы и телеприемники без присмотра, не перегружать электросеть, при ремонте отключать приемники от сети; соблюдать осторожность при курении и пользовании открытым огнем, не сушить одежду над горящей газовой и электрической плитой, не отогревать УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 79 из 176 замерзшие трубы отопления открытым огнем, не допускать шалости детей со спичками, включения ими электроприборов и зажигания газовых плит; следить за исправностью средств пожарной автоматики и средств пожаротушения. Знать номера телефонов пожарных служб и медицинской службы; знать правила пользования огнетушителями, правила оказания первой помощи пораженным. При пожаре наибольшую опасность для людей представляют высокая температура воздуха, задымленность, концентрация окиси углерода, возможное обрушение зданий и сооружений, взрывы технологического оборудования и приборов. Опасно входить в зону задымления, если видимость менее 10 метров. При спасении людей и при тушении пожара необходимо соблюдать следующие правила: перед входом в горящее помещение накрыться с головой мокрым покрывалом; дверь в задымленное помещение открывать осторожно, чтобы избежать вспышки пламени от притока свежего воздуха; в сильно задымленном помещении двигаться ползком или пригнувшись, дышать через увлажненную ткань; для тушения горящей одежды набросить плотную ткань и плотно ее прижать, прекратить приток воздуха к огню; сбить пламя, катаясь по земле; бежать нельзя; на места ожогов наложить повязку и отправить пострадавшего в медицинское учреждение; при тушении пожара использовать огнетушители, пожарные краны, воду, песок, землю, плотную ткань и другие средства; огнегасящее вещество следует направлять в места наиболее интенсивного горения и не на пламя, а на горящую поверхность; если горит вертикальная поверхность, воду направляют в верхнюю ее часть; в задымленном помещении применять распыленную струю воды; горючие жидкости тушить пенообразующим составом, засыпать песком или землей, небольшой очаг горения накрыть брезентом, тяжелой тканью, одеждой; при горении электропроводки - обесточить сеть, а затем приступить к ее тушению; выходить из зоны горения в наветренную сторону; если в общественном здании прозвучит сигнал пожарной тревоги необходимо немедленно покинуть его; не рекомендуется пользоваться лифтами; при эвакуации из горящих зданий использовать, наряду с основными, запасные пожарные выходы или лестницы. При их задымлении плотно закрыть двери, ведущие на лестничные клетки, коридоры, холлы и выйти на балкон. С балкона эвакуироваться по пожарной лестнице или через другую квартиру (на нижних этажах - через балконы и окна, используя подручные средства - веревки, простыни и т.п.). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 80 из 176 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ Тематика практических работ направлена на закрепление и углубление теоретических знаний, полученных студентами на лекционных занятиях, на экспериментальную проверку теоретических положений, выработку умений и практических навыков. Цель практических занятий - закрепление полученных по обсуждаемой проблеме знаний, видение этой проблемы в целом, осознание ее соотнесенности с другими темами в рамках целостной философской концепции. Практические работы выполняются одновременно с изучением теоретического курса. Для полноценной подготовки к практическим занятиям необходимо изучить теоретическую часть вопросов, указанных в учебной программе дисциплины по рекомендуемой литературе. В русле самостоятельной работы выполнить соответствующие задания. Перед началом работы студент должен ответить на контрольные вопросы преподавателя. При неудовлетворительных ответах студент не допускается к проведению практической работы. Однако он должен оставаться в аудитории и повторно готовиться к ответу на контрольные вопросы. При успешной повторной сдаче, если до конца занятия остается достаточное количество времени, преподаватель может допустить студента к выполнению работы, в противном случае студент выполняет работу в дополнительное время. Практическая работа считается выполненной только в том случае, когда отчет по ней принят. Практическое занятие № 1 Тема: «Определение теплового эффекта химической реакции горения и температуры продуктов сгорания». 1. Основные сведения. Горением называют физико-химический процесс, при котором химическое превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и теплои массообменом с окружающей средой. Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения (когда, например, температура окружающей среды оказывается равной или больше температуры воспламенения вещества), либо быть инициированным зажиганием (например, в авиационных двигателях при использовании дугового разряда свечи или пламени из специального воспламенителя). Уравнение первого закона термодинамики для процесса, сопровождающегося химическими превращениями, в дифференциальной форме имеет следующий вид: dQ = dU + pdV + dL, (1) где dQ - количество выделившейся теплоты (при экзотермической реакции) или поглощённой (при эндотермической реакции); dU - изменение внутренней энергии вещества; pdV - дифференциал работы расширения; dL -дифференциал других возможных видов работы, совершающейся в процессе химической реакции (например, электрической работы, магнитной работы и др.). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 81 из 176 В термохимии под тепловым эффектом реакции понимается величина dQ при неизменных V или Т или при неизменных р и Т и при условии, что системой может производиться работа расширения, а dL =0. В соответствии с этим в химической термодинамике пользуются двумя значениями тепловых эффектов: теплового эффекта изохорно-изотермической реакции Qv и теплового эффекта при изобарно-изотермической реакции Qp. Для изохорно-изотермического процесса работа расширения равна нулю (pdV =0), и поскольку согласно условию dL =0, уравнение первого закона термодинамики принимает вид dQ = dU или в интегральной форме Qv = U2 – U1 (2) Для изобарно-изотермической реакции уравнение первого закона термодинамики принимает следующий вид dQ = dU + pdV = d (U + pV) = dH (3) или в интегральной форме Qp = H2 – H1 (4) Здесь dH - дифференциал энтальпии (теплосодержания) вещества, а разность H2 – H1 - изменение теплосодержания вещества; Vdp = 0 – работа технической системы. Поскольку внутренняя энергия и энтальпия являются функциями состояния вещества (p,T, v), значения Qv и Qp определяются соответствующими начальными и конечными состояниями системы. На основании этого постулата русский химик Г.И. Гесс в 1840 году сформулировал закон: тепловой эффект реакции, состоящей из нескольких промежуточных стадий, не зависит от этих промежуточных стадий или их последовательности, а полностью определяется начальным и конечным состояниями системы. Закон Гесса может быть выражен также следующим образом: если система посредством ряда химических превращений совершает круговой процесс при неизменных температуре и объёме или при неизменных температуре и давлении, то алгебраическая сумма тепловых эффектов должна быть равна нулю. В качестве примера рассмотрим следующую задачу. 1. Определить тепловой эффект реакции неполного сгорания углерода при постоянном давлении C + (1/2)O2 = CO + Qp1, (неполное окисление углерода) если известны тепловые эффекты при p = const =760 мм рт.ст. = 101325 Па и t=25°С двух других реакций: C+O2=CO2+Qp2, Qp2 = 393785 кДж/кмоль = 94054 ккал/кмоль – полное окисление углерода; CO+(1/2)O2 = CO2+Qp3, Op3 = 283187 кДж/кмоль = 67639 ккал/кмоль – полное окисление окиси углерода. На основании закона Гесса можно записать: Qp1 + Qp3 = Op2 , т.к. в данном случае имеет место изобарно-изотермический круговой процесс. Отсюда получаем: Qp1 = Qp2 – Op3 = 393785 - 283187 = 110598 кДж/кмоль СО = 26416 ккал/кмоль СО При определении параметров продуктов химической реакции, представляющих смесь различных газов (компонентов), используют следующие законы: - Дальтона (давление смеси р равно сумме парциальных давлений её компонентов) Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Страница 82 из 176 n p pi , где n – количество компонентов в смеси газа; (5) i 1 - Амага (объем смеси V равен сумме парциальных объемов её компонентов) n V Vi (6) i 1 - уравнение состояния для идеального газа pV = mRT, где m – масса газа, кг; R – газовая постоянная, кДж/кг·К Для газа массой 1 кг это уравнение принимает вид: рν = RT, где ν = V/m – удельный объём, м3/кг. (7) (8) 1 кг . м3 Величина, обратная удельному объёму, называется плотностью , Состав смеси задается объёмными (молярными) или массовыми долями. Объёмной долей ri называют отношение парциального объёма компонента к объему смеси: ri Vi V (9) Отсюда получаем, что сумма объёмных долей компонентов смеси равна единице n r 1 (10) i i 1 Массовой долей gi называют отношение массы компонента mi к массе смеси: mi m gi (11) Отсюда получаем, что сумма массовых долей компонентов смеси равна единице: n g i 1 1 i (12) Пересчёт объёмных долей в массовые и обратно производится на основании закона Авогадро (отношение объёмов компонентов в смеси равно отношению количества молекул этих компонентов): а) известны массовые доли компонентов, необходимо определить их объёмные доли gi ri i n , gi i 1 (13) i где μi – молярная масса компонента. б) известны объемные доли компонентов, необходимо определить их массовые доли gi i ri n r i 1 (14) i i Если известны объёмные доли компонентов смеси, то её молярная масса находится по формуле: УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 n кг см i ri , кмоль i 1 Страница 83 из 176 (15) Газовая постоянная для каждого из компонентов смеси определяется формулой: Ri 8314.4 Дж Дж , , где 8314,4 - универсальная газовая постоянная i кг К кмоль (16) Газовая постоянная смеси рассчитывается по одной из формул: Rсм 8314.4 см Д 8314,4 n r i 1 n ri gi (17) i 1 i i Парциальное давление компонентов смеси рассчитывается из условия, что температура каждого компонента Ti равна температуре смеси Тсм: pi g i см pсм (18) i Задача 1. Атмосферный воздух содержит приблизительно 23% (по массе) кг кислорода О2 (молярная масса O2 32 ) и 77% азота (молярная масса кмоль N 28 2 кг ). Каковы в процентах объемные доли газов? кмоль Решение. g O2 rO2 а) для кислорода O 2 g O2 O 2 g N2 N 23 32 100% 20.7% 23 77 32 28 2 gN2 rN 2 б) для азота N g O2 O или 2 2 gN2 N 77 28 23 77 32 28 100% 79.3% 2 rN 2 100 rO2 100 20.7 79.3% Задача 2. Чему равна молярная масса воздуха при условиях, указанных в задаче 1? n Решение. возд i ri i 1 20.7 79.3 кг 32 28 28.828 100 100 кмоль Задача 3. Продукты сгорания керосина в авиационном ГТД имеют следующий состав в массовых долях: g CO2 0.074; g H 2O 0.024; g O2 0.152; g N 2 0.75 Определить газовую постоянную и плотность продуктов сгорания, а также парциальное давление отдельных газов, если рсм = 0.5МПа; Тсм = 1250 К . Решение. 1. Находим молярные массы компонентов смеси, используя их химические формулы: CO 12 32 44 2 кг кг кг кг ; H 2 O 2 16 18 ; O2 32 ; N 2 28 кмоль кмоль кмоль кмоль УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 84 из 176 2. Определяем газовые постоянные компонентов смеси: 8314.4 RCO2 CO 8314.4 Дж 8314.4 8314.4 Дж 188.96 ; RH 2O 461.91 ; 44 кг К H 2O 18 кг К 8314.4 Дж 8314.4 8314.4 Дж 259.82 ; RN 2 296.94 . 32 кг К N 2 28 кг К 2 8314.4 RO2 O 2 3. Находим газовую постоянную смеси газов – продуктов сгорания: n Rсм Ri gi RCO2 gCO2 RH 2 O g H 2O RO2 gO2 RN 2 g N 2 i 1 188.96 0.074 461.91 0.024 259.82 0.152 296.94 0.75 287.27 Дж кг K 4. Из уравнения состояния 1 кг смеси газов определяем плотность: см 0.5 106 кг pсм 1.392 3 Rсм Tсм 287.27 1250 м 5. Рассчитывается молярная масса смеси газов: 8314.4 8314.4 кг см 28.94 Rсм 287.27 кмоль 6. Определяется парциальное давление компонентов, составляющих смесь: см 28.94 см 0.074 0.5 106 0.0243 106 Па 0.0243 Мпа CO 44 CO gCO 2 2 2 H O gH O 2 2 см 28.94 см 0.024 0.5 106 0.0192 106 Па 0.0193 Мпа H O 18 2 O gCO 2 2 см 28.94 см 0.152 0.5 106 0.0687 106 Па 0.0687 Мпа O 32 2 N gN 2 2 см 28.94 см 0.075 0.5 106 0.03876 106 Па 0.03876 Мпа N 28 2 Задача 4. Давление в баллонах кислородной системы самолета р1 = 4МПа, температура кислорода t=20°C. Определить: - массу кислорода в баллонах, если их суммарный объем равен V=48 л.; - какое количество кислорода надо заправить в баллоны, чтобы повысить его давление до 15 МПа. Решение. 1. Из уравнения состояния находим массу кислорода в баллонах: m1 O 2 8314.4 O 2 p1V 4 106 48 103 106 2.52 кг RO2 T 259.8 293 8314.4 Дж 259.8 - газовая постоянная для кислорода; 32 кг К 1 литр = 10 см =10-3 м3 T = t+273 = 20 +273 = 293K – абсолютная температура. 3 3 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 85 из 176 2. Из уравнения состояния, написанного для исходной массы и для требуемой, получаем: m m2 m1 ( p2 p1 ) V RCO2T ( 15 4 ) 106 48 103 106 6.93 кг 259.8 293 2 Порядок выполнения работы Задача 1. Определить тепловой эффект Qp1 следующей реакции получения водорода: 2Н 2О (г) СН 4 ( г ) СО2 (г) 4Н 2 ( г ) Qp1 Если известны тепловые эффекты образования реагирующих веществ: кДж ; кмоль кДж - водяного пара H 2O QP3 2.42 105 ; кмоль кДж - метана СН 4 QP4 0.74 105 . кмоль - углекислог о газа СО2 QP2 3.49 105 Буквой (г) обозначены агрегатные состояния реагирующих веществ. Задача 2. Продукты сгорания керосина в авиационном ГТД имеют следующий состав в массовых долях: gCO2 0.054; gCO 0.02; g H 2O 0.024; gO2 0.152; g N 2 0.75. Определить газовую постоянную и плотность продуктов сгорания, а также парциальное давление отдельных газов, если рсм = 0.2 МПа; Тсм = 900 К. 3 Оформление отчёта Отчёт о работе должен содержать: условия задач №1 и №2; алгоритм решения задач; результаты решения задач. 4 Контрольные вопросы к практическому занятию № 1 1. Уравнение состояния идеального газа для 1 кг газообразного вещества, где оно было использовано? 2. Дайте определение процесса горения. 3. Напишите и поясните уравнение первого закона термодинамики для изохорноизотермической химической реакции. 4. Напишите и поясните уравнение первого закона термодинамики для изобарноизотермической химической реакции. 5.Дайте формулировку закона Гесса и пример его использования. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 86 из 176 Практическое занятие № 2 Тема: «Определение теплоты сгорания углеводородных топлив» 1 Основные сведения Топливом называют горючие вещества, применяемые для получения при их сжигании тепловой энергии; основная составная часть - углерод С. Топливо для авиационных двигателей может быть в виде жидкости или газа. Практически все жидкие топлива пока получают путём переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300 - 370°С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tк: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tк =30...180°С), керосиновую (около 17%, tк =120...135°С), дизельную (около 18%, tк =180...350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 - 350°С называется мазутом. Указанные фракции служат исходным сырьём для получения смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей - бензина, керосина, дизельных топлив и т.д. Сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти согласно ГОСТ 20448-80 с изменениями от 01.03.84 г. и 01.07.86 г., выпускают в виде технического пропана (не менее 93% С3Н8+С3Н6), технического бутана (не менее 93% С4Н10+С4Н8) и их смеси. Температура конденсации пропана при атмосферном давлении равна - 44.5°С, а бутана +5°С; соответственно при 20°С давление паров пропана составляет около 0.8, а бутана - около 0.2 МПа. Поэтому эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах под небольшим давлением (менее 2 МПа). К газообразным топливам относится прежде всего природный газ, основным компонентом которого является метан СН4 (около 95 %), кроме того, в газе различных месторождений содержатся небольшие количества азота N2, высших углеводородов CnHm , диоксида углерода CO2 . При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий 40…80% метана и других более тяжелых углеводородов. Из такого газа можно получать бензин или широкую фракцию легких углеводородов. Последняя является сырьём для получения пропанбутановой фракции (40%) и конденсированного топлива (60%), называемого АСКТ. АСКТ представляет собой смесь предельных углеводородов этана С2Н6 (0...2%), пропана С3Н8 (10...20%), бутана С4Н10 (40...50%), пентана С5Н12 (40...50%) и гексана С6Н14 (10...15%). Отличительной особенностью АСКТ является отсутствие метана в связи с его низкой температурой кипения (-161°С), низкой критической температурой (-82.6°С), а также высоким давлением насыщенных паров (при температурах от -60°С до +40°С). Такие свойства жидкого метана потребуют необходимость создания для баков, арматуры и коммуникаций топливных магистралей новых хладостойких и более прочных конструкционных и уплотнительных материалов, а также высококачественной низкотемпературной теплоизоляции, предотвращающей быстрое выкипание метана и обледенение конструкции. Под теплотой сгорания понимается количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива обычно относят к 1 кг, а газообразного - к 1 м3 (в нормальных условиях: температура 0°С, давление 760 мм рт.ст.=1.01325∙105 Па) рабочей, сухой или горючей УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 87 из 176 массы топлива. По ГОСТ 147-74 с изменениями от 01.01.1981 г. и 01.01.1985 теплота сгорания определяется в так называемой калометрической бомбе, представляющей собой металлический стакан, в который помещается проба топлива (около 1г) и нагнетается кислород давлением около 3 МПа. Сосуд помещается в заполненный водой комнатной температуры калориметр, при помощи которого определяется количество выделяющейся при сгорании теплоты. Продукты сгорания пробы топлива остаются в калометрической бомбе и охлаждаются в ней до комнатной температуры. При этом вода, образующаяся при сгорании водорода и содержащаяся во влажном топливе, оказывается в жидком виде. Если в результате сгорания вода получается в виде жидкости, теплота сгорания называется высшей - Но . В технических устройствах вода обычно выбрасывается вместе с продуктами сгорания в виде пара. Если в результате сгорания вода получается в виде пара, теплота сгорания называется низшей - Нu . Она меньше, чем Но, на количество затрат теплоты на испарение. В Казахстане, Российской Федерации и ряде других стран обычно оперируют низшей теплотой сгорания на рабочее состояние Нu. В США и Великобритании теплотехнические расчёты выполняют на основе высшей теплоты сгорания. Процесс сгорания углеводородных топлив заключается в распаде составляющих его сложных соединений на простые молекулы и группы атомов и в окислении входящих в их состав углерода и водорода кислородом воздуха. Высшая теплота сгорания может быть определена по формуле Д.И. Менделеева: H u H o 600W , ккал кг (2) Где W – количество водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания 1 кг топлива. Например, при сгорании 1 кг водорода в камере сгорания авиационных двигателей образуется 9 кг водяного пара Н2О, поэтому для нормального топлива находим количество пара 0.15·9 = 1.35. Отсюда для данного топлива имеем: H u 11385 600 1.35 10575 ккал кДж 44277 кг кг УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 88 из 176 3 Оформление отчёта Основные характеристики заданного топлива. Алгоритм и результаты расчета высшей и низшей теплоты сгорания топлива. 1. 2. 1. 2. 3. 4. 4 Контрольные вопросы к практическому занятию № 2 Укажите состав и основные характеристики газообразного топлива. Укажите состав и основные характеристики жидкого топлива. Что называется теплотой сгорания топлива? Напишите и поясните формулу Менделеева Дмитрия Ивановича для определения теплоты сгорания топлива. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 89 из 176 Таблица 1 Теплофизические свойства газовых топлив, авиакеросина ТС-1 Показатель Водород Метан Этан Пропан Бутан Пектан Гексан ТС-1 Химическая Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 С6Н14 С10Н19.6 формула Температура, К: -плавления 13.94 90.66 89.88 85.46 134.82 143.43 177.83 213.14 -кипения 20.37 111.42 184.52 231.08 272.65 309.22 341.89 409.15500.15 -критическая* 33.23 190.55 305.28 369.89 425.16 469.77 507.85 635.15 Давление, МПа критическое* 1.298 4.641 4.913 4.264 3.796 3.374 3.031 2.44 3 Плотность, кг/м при температуре -плавления 77.15 4153.4 650.7 733.1 736.4 761.2 756.9 837 -кипения 71.07 422.4 546.4 582.0 601.5 610.5 612.6 664.4 -при 20°С 0.0846 0.6591 1.244 1.837 2.446 626.1 660.1 780 Теплота сгорания массовая при 114484 50224 47524 46390 45736 45389 45130 43287 20°С, кДж/кг Теплота сгорания объёмная, кДж/дм3 при температуре: -плавления 8830 22696 30928 34005 33678 34549 34160 36647 -кипения 8135 21147 30153 31183 31711 32314 32251 32986 -при 20°С 9.684 32.99 59.12 85.20 116.06 32602 29789 33808 *) Критическая температура и давление соответствуют состоянию твёрдого тела УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 90 из 176 Практическое занятие № 3 Тема: Исследование пожаровзрывобезопасности помещений, зданий, наружных установок Цель работы: определить температуру вспышки жидкости и установить категорию помещения, здания, наружной установки. Разработать мероприятия по безопасной эвакуации людей. 1. Основные положения Пожароопасность веществ и материалов определяется показателями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества (материала) и условий его применения. При определении пожароопасности веществ и материалов различают: - газы - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа превышает 101,3 кПа; - жидкости - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа. К жидкостям относятся также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50°С; - твердые вещества и материалы - индивидуальные вещества и их смесевые композиции с температурой плавления или каплепадения больше 50°С, а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани и т.п.); - пыли - диспергированные твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм. Номенклатура показателей и их применяемость для характеристики пожаровзрывоопасности веществ и материалов приведены в таблице 1 (приложения 3). Показатели пожароопасности веществ представлены в приложении 1. При категорировании помещений, зданий, наружных установок в которых обращаются жидкости, по пожаровзрывоопасности определяют следующие показатели: 1) температуру вспышки; 2) температуру воспламенения; 3) температурные и концентрационные пределы воспламенения паров в воздухе; 4) температуру самовоспламенения. Основным классификационным параметром, характеризующим пожарную опасность жидкостей, является температура вспышки. Температурой вспышки называется самая низкая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать в воздухе от постороннего источника зажигания; устойчивого горения вещества при этом не возникает. Температура вспышки является экспресс-параметром, ориентировочно показывающим температурные условия, при которых горючее вещество становится пожароопасным в открытом сосуде или при разливе. Температуру вспышки горючих веществ применяют при классификации жидкостей по воспламеняемости, учитывают при категорировании производств, помещений и установок по степени пожарной опасности в соответствии с действующими противопожарными нормами. В зависимости от температуры вспышки жидкости подразделяются на: - легковоспламеняющиеся (ЛВЖ); - горючие (ГЖ). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 91 из 176 К ЛВЖ относятся жидкости с температурой вспышки, не превышающей 61°С в открытом тигле. Существует множество ориентировочных методов расчёта температуры вспышки, все они основываются либо на зависимости давления насыщенного пара от температуры (формула Блинова), либо на зависимости температуры вспышки от температуры кипения (формула Элея). Формула Блинова: Tвсп Аб , Рв сп D0 где Твсп - температура вспышки, К; Рвсп - парциальное давление горючего вещества при температуре вспышки, мм рт. ст.; Аб -константа метода определения, рекомендуется при расчёте температуры вспышки в закрытом тигле принимать Аб = 2100 и в открытом тигле Аб = 3400; Dо - коэффициент диффузии пара в воздухе; β - количество молей кислорода, необходимое для сгорания 1 моля вещества. Расчёт по формуле (1) ведут следующим образом. В начале подставляют в формулу известные для рассчитываемого вещества величины Аб, Dо и β вычисляют произведение Твсп·Рвсп. Далее по справочным данным [4] или расчётным путём находят зависимость давления насыщенного пара от температуры в аналитической форме. Методом последовательных приближений находят искомую температуру вспышки, для этого вычисляют при различных температурах произведение рТ, добиваясь минимальной разности между рТ и Твсп·Рвсп. Менее точным, хотя, и более простым является метод расчёта температуры вспышки по формуле Элея. tвсп tкип 18 К , где tкип - температура кипения вещества, °С; К- коэффициент горючести, вычисляемый по формуле: K 4mC mH 4mS mN 2mO mCl 3mP 5mBr , где mС,H,N,S,O,Cl,P,Br - число атомов соответственно углерода, водорода, азота, серы и т.д. в молекуле горючего вещества. Значение температуры кипения взять из справочной литературы или воспользоваться расчётной формулой Стага-Цухида: Tкип = p·y+q, где у - величина, определяемая типом органического радикала; р, q - константы, зависящие от типа функциональной группы, соединённой с органическим радикалом. Пример расчёта температуры вспышки и температуры кипения дан в приложении 2. Значение величин у, р, q приводятся в таблицах 1, 2 (приложения 3). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 92 из 176 2 Типы приборов По конструкции приборы для определения температуры вспышки делятся на приборы открытого и закрытого типа. Из приборов закрытого типа применяют приборы Мартенс-Пенского. Определение температуры вспышки на приборе Мартенс-Пенского проводится по различным методикам: для нефтепродуктов и химических продуктов используют методику ГОСТ 6356-75, для растительных и животных масел - методику ГОСТ 9287-59. Из приборов открытого типа при испытании нефтепродуктов и масел используют аппарат для определения температуры вспышки в открытом тигле (ТВО), методику ГОСТ 4333-87 и международного стандарта ISO 2592-2000, а при испытании химических органических продуктов - прибор ТВ ВНИИПО и методику ГОСТ 13921-68. 3 Принцип действия приборов Принцип действия приборов открытого и закрытого типа состоит в нагревании испытуемого вещества с определённой скоростью (скорость нагрева зависит от предполагаемой температуры вспышки), поджигании образовавшихся паров внесением источника зажигания в паровоздушное пространство над испытуемой жидкостью и измерении температуры жидкости. 4 Устройство прибора закрытого типа (ПВНЭ) Прибор закрытого типа (рис. 1) состоит из реакционного сосуда и нагревательной ванны. Реакционным сосудом является металлический тигель с внутренним диаметром (51 ± 1) мм, высотой (56 ± 1) мм и толщиной стенок (1,5 ± 0,2) мм. 1 - тигель; 2 - крышка тигля; 3 - подвижная заслонка; 4 - ось мешалки; 5 - гибкий вал; 6 - патрубок под термометр; 7 - лопасти мешалки; 8 - колонка для наклона зажигательной лампочки; 9 - зажигательная лампочка; 10 - кольцевой выступ тигля Рис. 1. Прибор ПВНЭ Внутри тигля на расстоянии (22 ± 0,5) мм от верха имеется кольцевой уступ. Тигель закрывается крышкой, на которой крепятся зажигательная лампочка, заслонка с поворотным устройством и мешалка. На крышке имеется также патрубок для установки термометра. В комплект прибора входят ухват для переноски тигля, ртутные стеклянные термометры типов ТН-1 № 1 и № 2, ТН-6; нагревательная ванна УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 93 из 176 электрическая с автотрансформатором. Тигель и крышку прибора с закреплёнными на ней деталями, соприкасающимися с испытуемым продуктом, изготавливают из материала, не реагирующего с этим продуктом, например, из нержавеющей стали; для некоррозийных веществ обычно используют латунные тигли и крышки прибора ПВНЭ. 5 Порядок проведения анализа Проводят ориентировочный расчёт температуры вспышки. Затем, используя полученные результаты, проводят лабораторные исследования. Испытуемый продукт наливают в сухой, чистый и не имеющий запаха тигель до кольцевого уступа; закрывают тигель чистой, сухой крышкой и, вставив термометр до упора, помещают в нагревательную ванну. Если температура вспышки вещества ниже комнатной температуры, то перед наливом испытуемый продукт и тигель охлаждают не менее чем на 20°С и ниже предполагаемой температуры вспышки. Твёрдые продукты предварительно расплавляют. Прибор помещают в таком месте комнаты, где нет заметного движения воздуха, и окружают его щитом так, чтобы вспышка была хорошо видна. При исследовании горючего вещества или продукта, которые выделяют при разложении и горении токсичные вещества, необходимо прибор устанавливать в вытяжном шкафу, применять соответствующий противогаз и иметь достаточное количество дегазационных средств. Зажигают фитильную лампочку, предварительно заправленную лёгким маслом (швейным, трансформаторным и т.д.) и регулируют пламя так, чтобы его форма была близкой к шару диаметром 4-5 мм. Записывают давление по барометру. Включают нагревательную ванну и начинают нагревать испытуемый продукт в тигле при непрерывной работе мешалки со скоростью 90-120 об/мин. При испытании продуктов с температурой вспышки до 50°С нагревание проводить со скоростью 11,5°С/мин, продукты с температурой вспышки более 50 °С нагревают со скоростью 5-6оС/мин. При испытании органических веществ скорость нагрева ограничивают до 1,5-2°С/мин. Скорость нагрева регулируют изменением напряжения на автотрансформаторе. Испытания начинают проводить при температуре, которая на 10-17°С ниже предполагаемой. Причём вещества с температурой вспышки до 104°С испытывают с интервалом 2°С. В момент испытания на вспышку перемешивание прекращают, приводят в действие расположенный на крышке механизм, которым открывают заслонку и опускают пламя. При этом пламя опускают внутрь тигля в течение 0,5 с, оставляя в самом нижнем положении 1 с, и затем возвращают в верхнее положение. Если вспышка не произошла, то снова включают мешалку и повторяют испытание на зажигание после нагревания продукта на 1-2°С до тех пор, пока не будет получена вспышка. За температуру вспышки отдельного определения принимают температуру, показываемую при появлении ясно различимого пламени над поверхностью продукта. Истинную температуру вспышки не следует смешивать с отблеском от пламени зажигательной лампочки. Если получена неясная вспышка, она должна быть подтверждена последующей вспышкой соответственно через 1-2оС. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 94 из 176 Во время испытания зажигательная лампочка должна находиться в зажженном состоянии. В процессе испытания на вспышку лампочка может погаснуть в момент открытия отверстий крышки. Результат этого определения не следует учитывать, если он отличается от остальных на величину большую, чем это допускается для параллельных испытаний. 6 Отчёт Отчёт должен содержать теоретические основы метода, расчёт температуры кипения вещества и температуры вспышки по формулам Блинова и Элея, экспериментальные данные по определению температуры вспышки. За температуру вспышки продукта принимают среднее арифметическое не менее трёх параллельных определений для различных проб продукта. Расхождение между параллельными определениями температуры вспышки не должны превышать 2°С при температуре до 50°С и 3°С при температуре выше 50°С (для химических органических продуктов); 2оС при температуре до 104°С и 6°С при температуре свыше 104оС (для нефтепродуктов). Условия и результаты испытаний регистрируются со следующей степенью точности: - температура, °С 1 - давление, Па 300 - продолжительность опыта, с 2. Если атмосферное давление отличается от 101325 Па более чем на 1,3 кПа, то в вычисленное значение температуры вспышки следует вводить поправку Δt, которую рассчитывают по формуле: t 0,45 10 6 ( 101325 Pa )( 273 tвсп ) (5) Поправку Δt следует прибавлять. Окончательное значение температуры вспышки округляют до целых градусов. Результаты опытов сводят в таблицу. № Барометрическое Скорость Температура Результат Поправка к опыта давление, Па нагрева, жидкости, на показаниям º С ºС вспышку термометра, о С Поправка на атмосферное давление, Па Температура жидкости с учётом поправок, ºС По значению определённой температуры вспышки устанавливают категорию помещения, здания, наружной установки. Разрабатывают мероприятия, минимизирующие взрывопожароопасность производства. Выбирают длину пути эвакуации и количество эвакуационных выходов, огнетушащее вещество, огнетушители. 7 Основные правила техники безопасности Перед проведением работы студент получает от преподавателя инструктаж по технике безопасности и расписывается в журнале. При выполнении работ студент обязан: 1.не загромождать рабочее место посторонними предметами; 2.о начале эксперимента поставить преподавателя или лаборанта в известность; 3.выполнять работы с токсичными и пожароопасными веществами, отвечая требованиям и в последовательности, изложенными в лабораторных методичках; 4.на рабочем месте количество ЛВЖ не должно превышать 100 мл. 5.запрещается ставить тигель с ЛВЖ на открытый огонь плитки. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 95 из 176 6.в случае пролива и воспламенения жидкости под тягой необходимо: - позвать преподавателя и одновременно приступить к тушению пожара; - выключить электронагревательные приборы; - засыпать жидкость песком. 7.запрещается нагревать термометр пламенем горелки; 8.не отлучаться от приборов во время проведения работы; 9.обо всех обнаруженных неисправностях или неполадках в работе приборов немедленно сообщить преподавателю; 10.об окончании эксперимента сразу же доложить преподавателю или лаборанту. 8 Список рекомендуемой литературы 1. Моханов, В.Т. Методы исследования пожарной безопасности веществ. - М. : Химия, 1979 - 424 с. 2. Безопасность производства и труда на химических предприятиях / И. А. Роздик, Е. И. Хабарова, О. Н. Вареник. - М. : Химия, Колос, 2005. - 254 с. 3. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств. (Охрана труда): учеб. пособие для вузов / под ред. П. П. Кукина. М. : Высш. шк., 2005. - 297 с. 4. Справочник химика. Т. 1. - М. : Гостехиздат, 1963 -1070 с. Контрольные вопросы к практическому занятию № 3 Цель, порядок выполнения работы. 1. Основные понятия: температура вспышки, воспламенения, самовоспламенения; температурные и концентрационные пределы воспламенения паров в воздухе. Показатели пожаров-зрывоопасности веществ и материалов. 2. Аналитические методы определения температуры вспышки. 3. Устройство и принцип действия прибора ПВНЭ. 4. Категорирование помещений, зданий, наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасностям. 5. Первичные средства тушения пожаров. Устройство огнетушителей. 6. Классификация пожаров. Выбор огнетушителей. 7. Меры по предупреждению пожаров в помещениях. 8. Пути эвакуации (расчет). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Приложение 1 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 96 из 176 Показатели пожаровзрывоопасности веществ и материалов Показатели Агрегатное состояние веществ и материалов Газы Жидкости Твердые Пыли вещества Группа горючести + + + Температура вспышки + + Температура воспламенения + + Температура самовоспламенения + + + Концентрационные пределы распространения + + пламени (воспламенения) Температурные пределы распространения + пламени (воспламенения) Температура тления + Условие теплового самовозгорания + Минимальная энергия зажигания + + Кислородный индекс + Способность взрываться и гореть при взаимодей+ + + ствии с водой, кислородом воздуха и др. веществами Нормальная скорость распространения пламени + + Скорость выгорания + Коэффициент дымообразования + Индекс распространения пламени + Показатель токсичности продуктов горения + полимерных материалов Минимальное взрывоопасное содержание + + кислорода Максимальное давление взрыва + + Скорость нарастания давления взрыва + + Примечание. Знак «+» означает применимость, знак «-» - неприменимость показателя. + + + + + + + + - - + + + Приложение 2 Пример расчёта температуры вспышки и температуры кипения Рассчитаем температуру вспышки этиленгликоля по формуле Блинова. Суммарное уравнение стехиометрического горения этиленгликоля в воздухе имеет следующий вид: (1) Зависимость давления Р насыщенного пара этиленгликоля от температуры выражается формулой [4]: УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 97 из 176 По формуле (1) вычисляем произведение Рвсп·Твсп, необходимое для расчёта температуры вспышки в закрытом тигле (А б = 2100): Искомую температуру определяем методом последовательных приближений. Принимаем Т = 380 К, тогда Таким образом, методом последовательных приближений находим, что искомая температура вспышки в закрытом тигле равна 399 К, или 126 оС. Рассчитаем температуру вспышки метилового спирта по формуле Элея. Для этого вначале рассчитаем температуру кипения метилового спирта по формуле Стага-Цухида. Для спирта метилового: Приложение 3 Таблица 1 Формула y Формула y -СН3 55,5 -СН2(СН2)2СН(СН3)2 168,0 -СН2СН3 77,1 -СН2(СН2)5СН3 191,5 -СН2СН2СН3 102,0 -СН2(СН2)6СН3 210,0 -СН(СН3)2 92,0 -СН=СН2 71,0 -СН2СН2СН2СН3 124,5 -СН2СН=СН2 104,0 -СН(СН3)СН2СН3 118,0 -СН2СН=СНСН3 127,0 -СН2СН(СН3)2 116,5 -С6Н5 197,0 -С(СН3)3 96,0 -С(СН3)=СН2 86,0 -СН2(СН2)3СН3 149,0 -С6Н4СН3 211,5 -СН2СН2СН(СН3)2 140,5 -С6Н3(СН3)2 231,1 -С(СН3)2СН2СН3 122,0 -С6Н2(СН3)3 249,6 -СН2С(СН3)3 125,0 -С6Н4СН(СН3)2 244,1 -СН2(СН2)4СН3 171,0 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Таблица 2 Страница 98 из 176 Значение констант р и q в формуле (4) Функциональная группа, присоединяемая к радикалу -Н -С1 -Вг -I -ОН -ОСН3 -ОСН2СН3 -О -ОС6Н5 -О2 -SH -SСН3 -SСН2СН3 -S -NН2 -NНСН3 -МНСН2СН3 -МНСН2СН2СН3 -N(CH3)2 -NO2 -СНО -СОСН3 -СОСН2СН3 -CH -СОС -СОО -СН3СОО -СН3СН2СОО -С6Н5СОО -СООН -СООСН -СООСН2СН3 -СООСН2СН2СН3 -СООС6Н5 -С(О)ОС(О) СIСН2СОО -С12СНСОО -В4СН2СОО -NССН2СОО -СН2=СНОО =P=РН -РН2 (-О)3Р -ОРСI2 -РСI2 -РOСL2 =Р(O)(-O)3РO =NРOСL2 Редакция № 3 от 30.09.2011 р 1,615 1,348 1,260 1,198 0,896 1,217 1,137 2,158 0,849 1,016 1,191 1,146 1,080 1,937 1,194 1,180 1,081 0,991 1,193 0,923 1,140 1,022 0,918 0,960 1,040 1,073 1,000 0,963 0,766 0,903 1,000 0,963 0,911 0,766 1,286 0,721 0,745 0,745 0,565 0,918 2,180 1,617 1,175 1,739 0,799 0,889 0,744 1,519 0,603 0,503 Радикалы, дающие отклонение более 5 К q 63,8 179,7 213,6 253,4 277,6 191,2 221,8 143,2 377,4 280,5 221,0 249,2 280,6 214,4 201,4 215,2 247,9 282,8 218,7 308,8 233,8 270,6 302,2 292,2 267,9 244,6 273,2 297,5 425,9 342,4 273,2 297,5 323,4 425,9 337,7 359,6 372,3 374,4 433,5 302,2 223,7 236,8 206,2 298,2 332,8 325,2 393,7 399,8 438,6 451,8 Метил, трет-бутил Метил, трет-бутил Метил Метил, гептил Метил Метил, гептил Метил Метил, этил Гептил Метил, пропенил, бутил, фенил Метил, изоамил, бутил, фенил Метил, октил, гептил Пропил Фенил, триметилфенил Метил, пропил, диметилфенил Метил, пропил УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 99 из 176 Расчёт температуры вспышки по формуле Блинова на ЭВМ. Рассмотрим формулу Блинова: где Твсп, Аб, D0, β - константы для нашего случая (см. прил. 1): Нам необходимо решить систему уравнений, чтобы найти Твсп. где N =9,7423 и L = 3193,6. где A=N; В=L. Для нахождения температуры вспышки воспользуемся методом половинного давления, который заключается в том, что мы рассматриваем какую-либо функцию на промежутке и путём последовательного деления этого отрезка постепенно подходим к корню уравнения. Таким образом, сужая промежуток, получаем последовательно F', D', F", D" и т.п., следя за тем, чтобы значения их функций были разного знака. Для нахождения Твсп выбираем интервал, в котором у нас будет находиться Твсп. Tmin≤T≤Tmax; Tmin=Tmax=F. Задаем точность вычисления Твсп F - D - E < 0, где Е - точность вычисления температуры вспышки. Выбираем Е = 0,01. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 100 из 176 Практическое занятие № 4 Тема: Изучение принципа действия и выбор первичных средств тушения пожаров Цель: изучить правила пользования первичными средствами пожаротушения; выполнить анализ и решение задачи по выбору первичных средств пожаротушения. 1 Порядок выполнения работы 1. Изучить методические указания и ответить на контрольные вопросы. 2. Получить у преподавателя номер варианта для самостоятельной работы. 3. Выполнить анализ и решить конкретную задачу по выбору первичных средств пожаротушения, используя исходные данные (приложение табл. 1). 2 Теоретические положения Правила пожарной безопасности в Республике Казахстан (ППБ 08.02.2006, № 35) устанавливают требования пожарной безопасности, обязательные для применения и исполнения органами государственной власти, органами местного самоуправления, организациями независимо от их организационно-правовых форм и форм собственности, их должностными лицами, предпринимателями без образования юридического лица, гражданами РК, иностранными гражданами, лицами без гражданства в целях защиты жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества, охраны окружающей среды. Организации, их должностные лица и граждане, нарушившие требования пожарной безопасности, несут ответственность в соответствии с законодательством РК. Согласно (ППБ 08.02.2006, № 35) (пункт 36) помещения, здания и сооружения должны быть обеспечены первичными средствами пожаротушения. Количество первичных средств пожаротушения определяют по приложениям 2,3 (ППБ 08.02.2006, № 35). Первичные средства пожаротушения - устройства, инструменты и материалы, предназначенные для локализации или тушения пожара на начальной стадии его развития (асбестовое полотно, грубошерстные ткани, войлок (кошма, покрывало из негорючего материала), песок, вода, огнетушители, ведра, лопаты.). Первичные средства пожаротушения должны содержаться в соответствии с паспортными данными на них. Не допускается использование средств пожаротушения, не имеющих соответствующих сертификатов. При определении видов и количества первичных средств пожаротушения следует учитывать физико-химические и пожароопасные свойства горючих веществ, их отношение к огнетушащим веществам, а также площадь производственных помещений, открытых площадок и установок. На объекте должно быть определено лицо, ответственное за приобретение, ремонт, сохранность и готовность к действию первичных средств пожаротушения. Учет проверки наличия и состояния первичных средств пожаротушения следует вести в специальном журнале произвольной формы. Размещение первичных средств пожаротушения в коридорах, проходах не должно препятствовать безопасной эвакуации людей. Их следует располагать на видных местах вблизи от выходов из помещений на высоте не более 1,5 м. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 101 из 176 Для размещения первичных средств пожаротушения, немеханизированного инструмента и пожарного инвентаря в производственных и складских помещениях, не оборудованных внутренним противопожарным водопроводом и автоматическими установками пожаротушения, а также на территории предприятий (организаций), не имеющих наружного противопожарного водопровода, или при удалении зданий, наружных технологических установок этих предприятий на расстояние более 100 м от наружных пожарных водоисточников, должны оборудоваться пожарные щиты. Необходимое количество пожарных щитов и их тип определяются в зависимости от категорий помещений, зданий (сооружений) и наружных технологических установок по взрывопожарной и пожарной опасности, предельной защищаемой площади одним пожарным щитом и класса пожара в соответствии с приложением 2 (ППБ 08.02.2006, № 35). Пожарные щиты комплектуются первичными средствами пожаротушения, немеханизированным пожарным инструментом и инвентарем в соответствии с приложением 2 (ППБ 08.02.2006, № 35). На пожарных щитах должен быть указан их тип. Типы пожарных щитов указывают после соответствующих буквенных индексов: «ЩП». Использование первичных средств пожаротушения, немеханизированного пожарного инструмента и инвентаря для хозяйственных и прочих нужд, не связанных с тушением пожара, запрещается. 3 Первичные средства пожаротушения 3.1 Асбестовое полотно Асбестовые полотна, грубошерстные ткани или войлок должны быть размером не менее 1х1м и предназначены для тушения очагов пожара веществ и материалов на площади не более 50% от площади применяемого полотна, горение которых не может происходить без доступа воздуха. В местах применения и хранения легковоспламеняющихся и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ) размеры полотен могут быть увеличены до 2х1,5м или 2 х2 м. Асбестовое полотно, грубошерстные ткани или войлок (кошма, покрывало из негорючего материала) должны храниться в водонепроницаемых закрывающихся футлярах (чехлах, упаковках), позволяющих быстро применить эти средства в случае пожара. Указанные средства должны не реже одного раза в 3 месяца просушиваться и очищаться от пыли. 3.2 Песок Ящики с песком, как правило, должны устанавливать со щитами в помещениях или на открытых площадках, где возможен розлив ЛВЖ или ГЖ. Для помещений и наружных технологических установок категории А, Б и В по взрывопожарной и пожарной опасности запас песка в ящиках должен быть не менее 0,5 м на каждые 500 м защищаемой площади, а для помещений и наружных установок категории Г и Д не менее 0,5 м на каждые 1000 м защищаемой площади. Ящики для песка должны иметь объем 0,5; 1,0 и 3,0 м3 и комплектоваться совковой лопатой. Конструкция ящика должна обеспечивать удобство извлечения песка и исключать попадание осадков. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 102 из 176 3.3 Вода Бочки для хранения воды, устанавливаемые рядом с пожарным щитом, должны иметь объем не менее 0,2 м3 и быть укомплектованы пожарным ведром. Вместимость пожарных ведер должна быть не менее 0,008 м3. 3.4 Немеханизированный инструмент и пожарный инвентарь К немеханизированному, ручному пожарному инструменту и инвентарю относятся: лом, багор, крюк, топор, подставки для огнетушителей и др. Их выбор и количество определяется в соответствии с приложением 2 (ППБ 08.02.2006, № 35). 3.5. Огнетушители Огнетушитель - переносное или передвижное устройство для тушения очага пожара за счет выпуска запасенного огнетушащего вещества (ОТВ). Комплектование технологического оборудования огнетушителями осуществляется согласно требованиям технических условий (паспортов) на это оборудование. Комплектование импортного оборудования огнетушителями производится согласно условиям договора на его поставку. 4 Огнетушители 4.1 Классификация огнетушителей и ОТВ 1. Огнетушители делятся на переносные (массой до 20 кг) и передвижные (массой не менее 20, но не более 400 кг). Передвижные огнетушители могут иметь одну или несколько емкостей для зарядки ОТВ, смонтированных на тележке. 2. По виду применяемого огнетушащего вещества огнетушители подразделяют на: - водные (ОВ); - пенные, которые в свою очередь делятся на: а) химические пенные (ОХП); б) воздушно-пенные (ОВП); - порошковые (ОП); - газовые, которые в свою очередь делятся на: а) углекислотные (ОУ); б) хладоновые (ОХ); - комбинированные. 3. Водные огнетушители по виду выходящей струи подразделяют на: - огнетушители с компактной струей - ОВ (К); - огнетушители с распыленной струей (средний диаметр капель более 100 мкм) -ОВ (Р); - огнетушители с мелкодисперсной распыленной струей (средний диаметр капель менее 100 мкм) - ОВ (М). 4. Огнетушители воздушно-пенные по параметрам формируемого ими пенного потока подразделяют на: - низкой кратности, кратность пены от 5 до 20 включительно -ОВП (Н); - средней кратности, кратность пены свыше 20 до 200 включительно - ОВП (С). 5. По принципу вытеснения огнетушащего вещества огнетушители подразделяют на: - закачные; - с баллоном сжатого или сжиженного газа; УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 103 из 176 - с газогенерирующим элементом; - с термическим элементом; - с эжектором. 6.По значению рабочего давления огнетушители подразделяют на: - огнетушители низкого давления (рабочее давление ниже или равно 2,5 МПа при температуре окружающей среды (20 ± 2) °С); - огнетушители высокого давления (рабочее давление выше 2,5 МПа при температуре окружающей среды (20 ± 2) °С). 7. По возможности и способу восстановления технического ресурса огнетушители подразделяют на: - перезаряжаемые и ремонтируемые; - неперезаряжаемые. 8. По назначению, в зависимости от вида заряженного ОТВ, огнетушители подразделяют: - для тушения загорания твердых горючих веществ (класс пожара А); - для тушения загорания жидких горючих веществ (класс пожара В); - для тушения загорания газообразных горючих веществ (класс пожара С); - для тушения загорания металлов и металлосодержащих веществ (класс пожара Д); - для тушения загорания электроустановок, находящихся под напряжением (класс пожара Е). Огнетушители могут быть предназначены для тушения нескольких классов пожара. 9. Огнетушащие порошки в зависимости от классов пожара, которые ими можно потушить, делятся на: - порошки типа А, В, С, Е - основной активный компонент - фосфорно-аммонийные соли; - порошки типа В, С, Е - основным компонентом этих порошков могут быть бикарбонат натрия или калия; сульфат калия; хлорид калия; сплав мочевины с солями угольной кислоты и т. д.; - порошки типа Д - основной компонент - хлорид калия; графит и т. д. В зависимости от назначения порошковые составы делятся на порошки общего назначения (типа А, В, С, Е; В, С, Е) и порошки специального назначения (которые тушат, как правило, не только пожар класса Д, но и пожары других классов). 10. В качестве поверхностно-активной основы заряда воздушно-пенного огнетушителя применяют пенообразователи общего или целевого назначения. Дополнительно заряд огнетушителя может содержать стабилизирующие добавки (для повышения огнетушащей способности, увеличения срока эксплуатации, снижения коррозионной активности заряда). 4.2 Размещение огнетушителей Огнетушители следует располагать на защищаемом объекте таким образом, чтобы они были защищены от воздействия прямых солнечных лучей, тепловых потоков, механических воздействий и других неблагоприятных факторов (вибрация, агрессивная среда, повышенная влажность и т. д.). Они должны быть хорошо видны и легкодоступны в случае пожара. Предпочтительно размещать огнетушители вблизи мест наиболее вероятного возникновения пожара, вдоль путей прохода, а также около выхода из помещения. Огнетушители не должны препятствовать эвакуации УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 104 из 176 людей во время пожара. В помещениях, насыщенных производственным или другим оборудованием, заслоняющим огнетушители, должны быть установлены указатели их местоположения. Указатели должны быть выполнены по ГОСТ 12.4.026-76 «Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сигнальная. Назначение и правила применения. Общие технические требования и характеристики. Методы испытаний» и располагаться на видных местах на высоте 2,0-2,5 м от уровня пола, с учетом условий их видимости. Расстояние от возможного очага пожара до ближайшего огнетушителя определяется требованиями (ППБ 08.02.2006, № 35), оно не должно превышать: 20 м - для общественных зданий и сооружений; 30 м - для помещений категорий А, Б и В; 40 м - для помещений категорий В и Г; 70 м - для помещений категории Д. Рекомендуется переносные огнетушители устанавливать на подвесных кронштейнах или в специальных шкафах. Огнетушители должны располагаться так, чтобы основные надписи и пиктограммы, показывающие порядок приведения их в действие, были хорошо видны и обращены наружу или в сторону наиболее вероятного подхода к ним. Запорно-пусковое устройство огнетушителей и дверцы шкафа (в случае их размещения в шкафу) должны быть опломбированы. Огнетушители, имеющие полную массу менее 15 кг, должны быть установлены таким образом, чтобы их верх располагался на высоте не более 1,5 м от пола; переносные огнетушители, имеющие полную массу 15 кг и более, должны устанавливаться так, чтобы верх огнетушителя располагался на высоте не более 1,0 м. Они могут устанавливаться на полу, с обязательной фиксацией от возможного падения при случайном воздействии. Расстояние от двери до огнетушителя должно быть таким, чтобы не мешать ее полному открыванию. Огнетушители не должны устанавливаться в таких местах, где значения температуры выходят за температурный диапазон, указанный на огнетушителях. Водные и пенные огнетушители, установленные вне помещений или в неотапливаемом помещении и не предназначенные для эксплуатации при отрицательных температурах, должны быть сняты на холодное время года (температура воздуха ниже 1°С). В этом случае на их месте и на пожарном щите должна быть помещена информация о месте нахождения огнетушителей в течение указанного периода и о месте нахождения ближайшего огнетушителя. 4.3 Выбор огнетушителей Выбор типа и расчет необходимого количества огнетушителей в защищаемом помещении или на объекте следует производить в зависимости от: - огнетушащей способности огнетушителя; - предельной площади тушения; - класса пожара горючих веществ и материалов; - величины пожарной нагрузки; - физико-химических и пожароопасных свойств обращающихся горючих материалов (категории защищаемого помещения). Выбирая огнетушитель, необходимо учитывать соответствие его температурного диапазона применения возможным климатическим условиям эксплуатации на защищаемом объекте. Расчет необходимого количества огнетушителей следует вести по каждому УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 105 из 176 помещению и объекту отдельно. Выбор типа огнетушителя (передвижной или ручной) обусловлен размерами возможных очагов пожара. При их значительных размерах необходимо использовать передвижные огнетушители. Если возможны комбинированные очаги пожара, то предпочтение при выборе огнетушителя отдается более универсальному по области применения. При наличии рядом нескольких небольших помещений одной категории пожарной опасности количество необходимых огнетушителей определяют с учетом суммарной площади этих помещений. Общественные и промышленные здания и сооружения должны иметь на каждом этаже не менее двух переносных огнетушителей. Помещения категории Д могут не оснащаться огнетушителями, если их площадь не превышает 100 м2. При защите помещений ЭВМ, телефонных станций, музеев, архивов и т.д. следует учитывать специфику взаимодействия огнетушащих веществ с защищаемым оборудованием, изделиями, материалами и т.п. Данные помещения следует оборудовать хладоновыми и углекислотными огнетушителями с учетом предельно допустимой концентрации огнетушащего вещества. Допускается помещения, оборудованные автоматическими установками пожаротушения, обеспечивать огнетушителями на 50% исходя из их расчетного количества. При возможности возникновения на защищаемом объекте значительного очага пожара (предполагаемый пролив горючей жидкости может произойти на площади более 1 м2) необходимо использовать передвижные огнетушители. Каждый огнетушитель, установленный на объекте, должен иметь порядковый номер, нанесенный на корпус белой краской. На него заводят паспорт по установленной форме. Огнетушители должны всегда содержаться в исправном состоянии, периодически осматриваться, проверяться и своевременно перезаряжаться. Огнетушители, отправленные с предприятия на перезарядку, должны заменяться соответствующим количеством заряженных огнетушителей. Не допускается использовать на защищаемом объекте огнетушители и заряды к ним, не имеющие сертификат пожарной безопасности. 4.4 Виды огнетушителей 4.4.1 Углекислотные огнетушители Огнетушитель углекислотный (ОУ) - огнетушитель с зарядом двуокиси углерода (рис. 1). Углекислотные огнетушители с диффузором, создающим струю ОТВ в виде снежных хлопьев, как правило, применяют для тушения пожаров класса А ( приложение таблица 6). Углекислотные огнетушители с диффузором, создающим поток ОТВ в виде газовой струи, следует применять для тушения пожаров класса Е (прил. табл.6). Меры безопасности: 1.Соблюдать осторожность при выпуске заряда из огнетушителя, так как температура раструба и корпуса запорно-пускового устройства понижается до минус 60-70 °С. 2.После использования огнетушителя помещение необходимо проветрить. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 106 из 176 Рис. 1. Огнетушитель углекислотный: а) запорно-пусковое устройство: 1 — корпус; 2 — поршень; 3 — пружина; 4 — мембрана; 5 — гайка; 6 — шайба; 7 — шток; 8 — рычаг верхний; 9 — пластина; 10 — рычаг нижний; 11 — прокладка; б) вид огнетушителя ОУ-2: 12 — раструб снегообразователь; 13 — стальной баллон; 14 — чека; в) вид огнетушителя ОУ-10: 12 — раструб снегообразователь; 13 — стальной баллон; 14 — чека; 15 — рукоятка Огнетушители ручные углекислотные выпускаются с объемом баллонов: 2, 3, 5, 6, 8 литров. Огнетушители предназначены для тушения загораний в электрифицированном железнодорожном, городском и автомобильном транспорте, в музеях, картинных галереях, библиотеках, архивах, домах, бытовых помещениях и производственных учреждениях, а также в электроустановках, находящихся под напряжением до 1000 В. Техническая характеристика Тип огнетушителя Ручной углекислот- Передвижной углекисный ОУ-2 лотный ОУ-10 Объем баллона, л 2 10 Время выхода заряда, с 8 15 Длина струи при температуре 20°С, м 1,5 Средний срок службы, лет 11 — Диапазон температур, °С, От -40 до +50 От —40 до +50 Масса, кг: заряда 1,4 7 заряженного огнетушителя 6,5 30 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 107 из 176 При пожаре: 1. Снять огнетушитель с кронштейна, поднести его к очагу загорания. 2. Сорвать пломбу, выдернуть чеку (рис. 1, поз. 14). 3. Нажав на нижний рычаг (рис. 1, поз. 10), направить раструб (рис. 1, поз. 12) на горящий предмет. Огнетушители передвижные углекислотные выпускаются с объемом баллонов: 10, 20, 25, 30, 40, 80 литров. Огнетушители предназначены для тушения загораний в музеях, картинных галереях, библиотеках, архивах, а также в электроустановках, находящихся под напряжением до 1000 В. При пожаре: 1. Необходимо подвезти огнетушитель к очагу загорания, установить его в вертикальное положение, снять раструб (рис. 1, поз. 12) и размотать шланг. 2. Сорвать пломбу, выдернуть чеку (рис. 1, поз. 14). 3. Нажать запорно-пусковое устройство (рис. 1, а) и направить раструб (рис. 1 поз. 12) на горящий предмет. 4.4.2 Химические пенные огнетушители Огнетушитель химический пенный (ОХП) — пенный огнетушитель с зарядом химических веществ, которые в момент приведения его в действие вступают в реакцию с образованием пены и избыточного давления (рис. 2). Огнетушитель предназначен для тушения загораний тлеющих материалов, горючих жидкостей, пожаров класса А и В (приложение таблица 6). Тушение щелочных металлов неэффективно. Не допускается применение данного огнетушителя при тушении электроустановок под напряжением. Техническая характеристика Время подачи пены, с Длина струи пены, м Средний срок службы, лет Диапазон температур, °С, Масса, кг: заряда заряженного огнетушителя 55 не менее 4 8 от +5 до + 45 8,7 13,0 Меры безопасности: 1. Не допускать попадания пены на кожу, глаза. 2. Не допускается хранение вблизи нагревательных приборов, где температура может превышать 50 °С. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 108 из 176 Рис. 2. Огнетушитель химический пенный ОХП-10: 1 - корпус; 2 - рычаг; 3 - мембрана; 4 - кольцо; 5 - гайка; 6 - шток; 7 -пружина; 8- седло; 9 - клапан; 10 - пластиковый стакан с кислотой; 11 -щелочь. При пожаре: 1. Снять огнетушитель с кронштейна или подставки, поднести его к очагу загорания на расстояние не менее 1 м. 2. Сорвать пломбу. 3. Повернуть рычаг (рис. 2, поз. 2) на 180°до отказа. 4. Перевернуть огнетушитель вверх дном, встряхнуть и направить струю пены на горящий предмет. 4.4.3 Воздушно-пенные огнетушители Огнетушитель воздушно-пенный (ОВП) - огнетушитель с зарядом водного раствора пенообразующих добавок и специальной насадкой, в котором за счет эжекции воздуха образуется и формируется струя воздушно-механической пены (рис. 3). Огнетушитель предназначен для тушения загораний тлеющих материалов, горючих жидкостей, пожаров класса А и В (приложение табл. 6). Воздушно-пенные огнетушители не должны применяться для тушения пожаров оборудования, находящегося под электрическим напряжением, для тушения сильно нагретых или расплавленных веществ, а также веществ, вступающих с водой в химическую реакцию, которая сопровождается интенсивным выделением тепла и разбрызгиванием горючего. Тушение щелочных металлов неэффективно. Меры безопасности: 1.Не допускать попадания пены на кожу, глаза. 2.Не допускается хранение вблизи нагревательных приборов, где температура может превышать 50 °С. При пожаре: 1. Снять огнетушитель с кронштейна, поднести его к очагу загорания. 2. Снять предохранительное кольцо (рис. 3, поз. 8) и направить пеногенератор (рис. 3, поз. 15) на горящий предмет. 3. Ударить по пусковой кнопке (рис. 3, поз. 6). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 а) Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 109 из 176 б) Рис. 3. Огнетушитель воздушно-пенный ОВП-10,01: а) запорно-пусковое устройство: 1 - прокладка; 2 - штуцер; 3 - шайба; 4 -штуцер; 5 - крышка; 6 - кнопка пусковая; 7 - шплинт; 8 - кольцо предохранительное; 9 - мембрана; 10 - втулка резьбовая; 11 - пружина; 12 - сухарик; 13 - баллончик с рабочим газом; б) вид огнетушителя: 14 - сетка пеногенератора; 15 - пеногенератор; 16 - шланг; 17 - рукоятка; 18 - трубка сифонная; 19 – корпус Техническая характеристика Время выхода огнетушащего вещества, с 45+5 Длина струи огнетушащего вещества, м 3,5 Средний срок службы, лет 10 Диапазон температур, °С, от +5 до + 45 Масса, кг: заряда 9,5 углекислоты в пусковом баллоне 0,075 заряженного огнетушителя 16,0 незаряженного огнетушителя не более 5,8 Объем, л: Корпуса 10 баллончика с рабочим газом 0,175 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 110 из 176 4.4.4 Порошковые огнетушители Огнетушитель порошковый (ОП) — огнетушитель с зарядом огнетушащего порошка (рис. 4, 5, 6). Огнетушитель предназначен для тушения загораний нефтепродуктов, легковоспламеняющихся жидкостей, растворителей, твердых веществ, а также электроустановок, находящихся под напряжением до 1000 В. Огнетушитель может быть применен на промышленных предприятиях для тушения загораний в складах, цехах и на транспортных средствах. Огнетушители не предназначены для тушения загораний щелочных и щелочноземельных металлов и других материалов, горение которых может происходить без доступа кислорода. Рис. 4. Огнетушитель порошковый ОПУ-5: 1 - клавиша; 2 - пружина; 3 - гайка; 4 - прокладка; 5 - шток клапана; 6 -корпус пистолета; 7 - кольцо; 8 - гайка накидная; 9 - насадка; 10 - баллончик с рабочим газом; 11 - резина; 12 - трубка газовая; 13 - головка; 14 -колпак; 15 - винт; 16 - втулка резьбовая; 17 - рукав; 18 - мембрана полиэтиленовая; 19 - игла; 20 - шайба; 21 - мембрана металлическая; 22 -трубка сифонная; 23 - рычаг; 24 - запорно-пусковое устройство (пистолет); 25 - корпус; 26 - чека; 27 - рукоятка; 28 – рычаг Меры безопасности: 1. Не допускать попадания порошка на кожу, глаза. 2. Не допускается хранение вблизи нагревательных приборов, где температура может превышать 50 °С. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 111 из 176 3. После использования огнетушителя проветрить помещение. 4. Для огнетушителей закачного типа техническое обслуживание включает: - проверку давления рабочего газа 1 раз в год; - проверку состояния огнетушащего порошка 1 раз в 5 лет; - проверку давления газа производить визуально по индикатору, стрелка должна быть в зеленом секторе. 5. Тушение необходимо производить с наветренной стороны с расстояния не менее 3-4 метров. Рис. 5. Огнетушитель порошковый ОП-5(З): 1 - чека; 2 - индикатор давления (манометр); ручка для переноски; 4 - пусковой рычаг; 5 - запорно-пусковой клапан; 6 - сифонная трубка; 7 -шланг с распылителем; 8 - корпус Рис. 6. Огнетушитель порошковый ОП-100: 1 - корпус баллона; 2 - баллон с рабочим газом; 3 - шланг; 4 - пистолет; 5 - вентиль; 6 - крышка баллона При пожаре (огнетушитель ОПУ): 1. Снять огнетушитель с кронштейна, поднести его к очагу загорания. 2. Сорвать пломбу, выдернуть чеку (рис. 4, поз. 26). 3. Отвести рукоятку (рис. 4, поз. 27). 4. Ждать 5 секунд и нажать на клавишу (рис. 4, поз. 1). 5. Направить пистолет (рис. 4, поз. 24) на горящий предмет и нажать рычаг (рис. 4, поз. 28). При пожаре (огнетушитель ОП закачного типа): 1.Снять огнетушитель с кронштейна, поднести к очагу загорания. 2. Сорвать пломбу, выдернуть чеку (рис. 5, поз. 1). 3. Нажать на рычаг (рис. 5, поз. 4). 4. Направить распылитель (рис. 5, поз. 7) на горящий предмет. Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 1. 2. 3. 4. Страница 112 из 176 При пожаре: Подвезти огнетушитель к очагу загорания, установить его в вертикальное положение. Снять пистолет (рис. 6, поз. 4) и размотать шланг (рис. 6, поз. 3). Открыть вентиль на баллоне с рабочим газом (рис. 6, поз. 2). Направить пистолет (рис. 6, поз. 4) на горящий предмет. Технические характеристики Ручной огнеРучной огнетушитель потушитель порошковый Тип огнетушителя рошковый унифицироунифицированный ванный ОПУ-2 ОПУ-5 Время выхода порошка, с 8 15 Длина порошковой струи, м не менее 4 не менее 5 Средний срок службы, лет: в металлическом исполнении; 10 в пластмассовом исполнении 5 10 Диапазон температур, °С: в металлическом исполнении в пластмассовом исполнении от -50 до +50 от -40 до +50 Масса, кг: огнетушащего порошка заряженного огнетушителя: 2 в металлическом исполнении в пластмассовом исполнении 3,6 3,4 Объем баллончика с рабочим газом, л 0,065 от -50 до +50 ПередвижРучной огнетуной огнетушитель порошшитель поковый закачного рошковый типа ОП-5(З) ОП-100 не менее 10 не менее 3,5 45 Не менее 6 - - от -40 до +50 от -40 до +50 10,5 8,2 0,175 - 85 200 2 4.4.5 Хладоновые огнетушители Огнетушитель хладоновый (ОХ) - огнетушитель с зарядом огнетушащего вещества на основе галоидированных углеводородов (бромистого этила, бромистого метилена, тетрафтордибромэтана (хладона 114В2), трифторбромметана (хладона 13В1), диоксида углерода) (рис. 7). Хладоновые огнетушители должны применяться в тех случаях, когда для эффективного тушения пожара необходимы огнетушащие составы, не повреждающие защищаемое оборудование и объекты (вычислительные центры, радиоэлектронная аппаратура, музейные экспонаты, архивы и т. д.). Огнетушители ручные хладоновые выпускаются с объемом баллонов: 0,48; 3,2; 7,4; 8 литров, передвижные - 40, 50, 150 литров. Огнетушители предназначены для тушения загораний легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, твердых веществ, электроустановок под напряжением и различных материалов, кроме щелочных металлов и кислородосодержащих веществ. Огнетушитель ОАХ одноразового использования предназначен для тушения загораний на транспортных средствах и для тушения загораний бытовых электроприборов. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 113 из 176 Техническая характеристика Тип огнетушителя Ручной аэрозольный хладоновый ОАХ Объем баллона, л 2 Время выхода заряда, с 8 Длина струи при температуре 20°С, м 1,5 Средний срок службы, лет 11 Диапазон температур, °С, От -40 - до +50 Масса, кг: заряда 1,4 заряженного огнетушителя 6,5 Рис. 7. Огнетушитель аэрозольный хладоновый ОАХ: 1 - корпус огнетушителя; 2 - головка распылительная; 3 - колпак предохранительный При пожаре: 1.Снять огнетушитель с кронштейна, поднести его к очагу загорания. 2.Снять предохранительный колпак (рис. 7, поз. 3). 3.Ударить по пусковой кнопке, нажав ее до упора и не отпускать ее до полного выхода заряда. 4.Направить струю на горящий предмет (рис. 7, поз. 2). 4.4.6 Водные огнетушители Водные огнетушители следует применять для тушения пожаров класса А (рис. 8). Запрещается применять водные огнетушители для ликвидации пожаров оборудования, находящегося под электрическим напряжением, для тушения сильно нагретых или расплавленных веществ, а также веществ, вступающих с водой в химическую реакцию, которая сопровождается интенсивным выделением тепла и разбрызгиванием горючего. На практике не нашли широкого применения. При пожаре: 1. Снять огнетушитель с кронштейна, поднести его к очагу загорания. 2. Удерживая за ручку (рис. 8, поз. 8), нажать на рычаг (рис. 8, поз. 1). 3. Направить струю жидкости на горящий предмет. Техническая характеристика Тип огнетушителя Объем баллона, л Время выхода заряда, с Длина струи, м Диапазон температур, °С, Масса, кг: - заряда - заряженного огнетушителя Огнетушитель ОВ-5 закачного типа 5 20 6-8 От +2 до +50 4,5 7,3 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 114 из 176 4.4.7 Самосрабатывающие огнетушители ОСП Основное преимущество огнетушителя ОСП перед известными средствами пожаротушения заключается в полной автономности огнетушителя в сочетании с возможностью использования его в любых агрессивных средах. Огнетушитель не требует технического обслуживания в течение всего срока служебной пригодности (не менее 5 лет). ОСП предназначен для тушения без участия человека, загорания твердых и жидких веществ, нефтепродуктов, электрооборудования в небольших складских, технологических, бытовых помещениях, гаражах и пр. ОСП используется вместо переносных огнетушителей или дополнительно к ним. ОСП представляет собой герметичный стеклянный сосуд размером 410 х 50 мм, который заполняется огнетушащим порошком и специальным веществом - газообразователем (рис. 9). Рис. 8. Огнетушитель водный ОВ: Он устанавливается над местом возможного 1 - рукоятка; 2 - шток; 3 - насадок; загорания и автоматически срабатывает при повы4 - запорно-пусковое устройство; шении температуры (рис.10). 5 -пружина; 6 - сифонная трубка; 7 - корпус; 8 - ручка Рис. 9. Огнетушитель ОСП Техническая характеристика Тип огнетушителя Объем защищаемый одним огнетушителем, м3 Габаритные размеры, мм: длина диаметр Температура эксплуатации, °С Температура срабатывания, °С Масса, кг ОСП-1 (ОСП-2) 5-8 не более 500 не более 54 от -50 до +50 100 (200) не более 1 (2) Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 а) б) Страница 115 из 176 в) д г) е) д) Рис. 10. Использование огнетушителя ОСП: а) самосрабатывание; б) ручное использование; в) гаражи, ангары, склады ГСМ; г) закрытые электрораспределительные устройства; д) жилые помещения, дачные дома, торговые киоски, склады; е) бытовые электроприборы Меры безопасности: 1.Запрещается эксплуатировать ОСП с трещинами в корпусе. 2.Запрещается устанавливать и хранить вблизи источников тепла с температурой выше +50 °С. 3. Не допускать длительного воздействия солнечных лучей при хранении и эксплуатации. 4. Тушение пожаров в зоне размещения ОСП другими средствами, производить с расстояния не менее 4-х метров от него. 5. При ликвидации пожара до срабатывания ОСП, работу с ним производить после снижения температуры до нормальной, но не ранее, чем через два часа. 4.4.8 Модуль порошкового пожаротушения Огнетушитель «Буран» предназначен для тушения и локализации пожаров твердых горючих материалов, горючих жидкостей и электрооборудования до 5000 вольт в производственных, складских, бытовых и других помещениях. Не тушит пожары щелочных и щелочноземельных металлов и веществ, горящих без доступа кислорода. Огнетушитель «Буран» выполнен из полусфер, плотно соединенных между собой и заполненных огнетушащим порошком. При срабатывании огнетушителя нижняя его полусфера, раскрываясь в виде лепестков, обеспечивает импульсный выброс (за время менее 0,1 с) порошка в зону пожара (рис. 11). Высокая интенсивность подачи порошка по сравнению с другими средствами пожаротушения обеспечивает эффективное локально-объемное тушение. Тушение пожара происходит без участия человека при импульсном выбросе порошка из огнетушителя в зону возгорания. Модуль не образует осколков при срабатывании. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 116 из 176 Срабатывание происходит: • автоматически, при повышении температуры в защищаемом объеме до 90 °С; • от источника питания 12-24 В. Меры безопасности: 1.Запрещается эксплуатировать ОСП с трещинами в корпусе. 2. Запрещается устанавливать и хранить вблизи источников тепла с температурой выше +50 °С. 3. Не допускать длительного воздействия солнечных лучей при хранении и эксплуатации. 4. Тушение пожаров в зоне размещения ОСП другими средствами, производить с расстояния не менее 4-х метров от него. 5. При ликвидации пожара до срабатывания ОСП работу с ним производить после снижения температуры до нормальной, но не ранее, чем через два часа. __________________ Техническая характеристика _____________________ Тип огнетушителя «Буран» 2 Защищаемая площадь одним модулем, м до 7 Габаритные размеры с кронштейном, мм: 250x170 Потребляемый ток при запуске, мА 100 3 Защищаемый объем одним модулем, м до 23 Масса огнетушащего порошка, кг не менее 2 Полная масса заряженного модуля, кг не более 3 Меры безопасности: 1. Не допускаются удары по корпусу, приводящие к его деформации и разгерметизации. 2. Не допускается установка модуля вблизи нагревательных и отопительных приборов, где температура может превышать +50 °С. Рис. 11. Огнетушитель «Буран» (модуль порошкового типа) Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 а) б) г) д) Страница 117 из 176 в) е) Рис. 12. Использование огнетушителя «Буран»: а) самосрабатывание; б) электрозапуск; в) гаражи, ангары, склады ГСМ; г) жилые помещения, дачные дома, торговые киоски, склады; д) навесной монтаж на потолке; е) встраивание в потолок 4.4.9 Аэрозольные генераторы Генератор огнетушащего аэрозоля СОТ-1 и СОТ-5М является средством объемного пожаротушения и предназначен для локализации и тушения пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидких веществ, а также электрооборудования, находящегося под напряжением 1000 В. Генераторы не применяются для тушения щелочных и щелочноземельных металлов, а также веществ, горение которых происходит без доступа воздуха. Наиболее эффективное использование генераторов СОТ-5М в условиях, когда существует угроза для жизни пожарных (рис. 13). Меры безопасности: При возникновении пожара и срабатывании генератора лица, находящиеся в этот момент в помещении, должны быстро покинуть его и плотно закрыть за собой двери, не предпринимать никаких действий по тушению пожара, кроме вызова пожарной команды. В случае невозможности быстро покинуть помещение при срабатывании системы следует находиться от генератора на максимально удаленном расстоянии и защитить органы дыхания от воздействия аэрозольных частиц с помощью марлевых или тканевых повязок. Рис. 13. Генераторы огнетушащего аэрозоля. 1 - СОТ-1У; 2 - СОТ-5М УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 118 из 176 Технические характеристики Тип генератора огнетушащего СОТ-1У СОТ-5М аэрозоля Время работы, с 120 70 Масса генератора, кг 6,5 5 Температура аэрозольной На расстоянии 1 м от На расстоянии 1 м от смеси, °С эжектора не более 400 генератора не более 150 Интервал температур, °С от -55 до +55 от -55 до +55 Масса аэрозолеобразующего 0,2 3 заряда, кг Защищаемый объем, м3 60 40 Способ запуска Электрический Ручной термохимический термомеханический Запрещается: - производить сварочные или другие огневые работы ближе 2-х м от генератора; - использовать генераторы, имеющие механические повреждения; - разбирать генератор. Рис. 14. Генератор огнетушащего аэрозоля СОТ-1У: 1 - корпус; 2 - аэрозолеобразующий заряд; 3 - узел запуска; 4 - инжектор; 5 - теплозащитный слой; 6 - сопловое устройство; 7 - кронштейн; 8 - клеммная колодка УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 119 из 176 Рис. 15. Генератор огнетушащего аэрозоля СОТ-5М: 1 - корпус; 2 - генератор аэрозоли; 3 - теплоизоляционный слой; 4 - место установки воспламенителя; 5 - воспламенитель; 6 - ручка; 7 - сопловое устройство; 8 - чека; 9 - шнур; 10 - предохранительный клапан Литература: 1. Правила пожарной безопасности в Республике Казахстан (ППБ 08.02.2006, № 35). 2. НПБ 166-97. Пожарная техника. Огнетушители. Требования к эксплуатации. 3. ГОСТ 12.1.004-91* ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. 4. НПБ 105-03. Определение категорий, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. Задание к практическому занятию № 4: Используя исходные данные таблицы 1 (приложения) необходимо: 1. Определить категорию здания по взрывопожарной и пожарной опасности или категорию наружной установки по пожарной опасности по табл. 4 или 5. 2. Определить необходимое количество, тип пожарных щитов и их комплектацию немеханизированным инструментом и инвентарем по табл. 7 и 8. Обосновать выбор. 3. Определить необходимое количество и вид огнетушителей по табл. 9 или 10. Обосновать выбор. Контрольные вопросы к практическому занятию № 4: 1. Дайте определение первичных средств пожаротушения. 2. Что следует учитывать при определении видов и количества первичных средств пожаротушения? 3. Какие помещения и территория должны быть оборудованы пожарными щитами? УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 120 из 176 4. В зависимости от чего определяется необходимое количество пожарных щитов и их тип? 5.Дайте определение понятия «огнетушитель». 6. Приведите классификацию огнетушителей и огнетушащих веществ. 7. Как следует располагать огнетушители на защищаемом объекте? 8. Каким должно быть расстояние от возможного очага пожара до ближайшего огнетушителя? 9. Исходя из чего устанавливают количество и тип огнетушителей необходимых для защиты конкретного объекта? 10. Расскажите об устройстве, принципе действия, области применения и мерах безопасности углекислотных огнетушителей. 11. Расскажите об устройстве, принципе действия, области применения и мерах безопасности химических пенных огнетушителей. 12. Расскажите об устройстве, принципе действия, области применения и мерах безопасности воздушно-пенных огнетушителей. 13. Расскажите об устройстве, принципе действия, области применения и мерах безопасности порошковых огнетушителей. 14. Расскажите об устройстве, принципе действия, области применения и мерах безопасности хладоновых огнетушителей. 15. Назовите основное преимущество самосрабатывающего огнетушителя ОСП. 16. Расскажите об устройстве, принципе действия, области применения и мерах безопасности самосрабатывающих огнетушителей. 17. Расскажите об устройстве, принципе действия, области применения и мерах безопасности огнетушителя «Буран». 18. Расскажите об устройстве, принципе действия, области применения и мерах безопасности аэрозольных генераторов. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 121 из 176 Приложение 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Производственное здание (цех по производству красителей) Складское помещение Общественное здание (детский сад) Наружная установка (топливно-раздаточная колонка) Производственное здание (деревообрабатывающий цех) Общественное здание (гостиница) 2 450 Б/150 А/50 В/250 1 80 Д/80 3 300 В3/250 В4/50 10 Бн 1 800 Б/70 В1/700 В4/30 3 4800 В3/3250 2 В4/1550 - 1000 Вн Открытый склад пиломатериалов В2/250 Гаражный бокс 1 350 В3/100 Производственное здание (электроцех) 1 770 А/50 В2/720 10 Общественное здание (торговый центр) 2 11 Складское помещение 12 Производственное здание (котельный цех ТЭС) 13 Общественное здание (общежитие) 14 Углеподача 15 Административно-бытовой комбинат 16 Трансформаторная подстанция (масляные трансформаторы) Б/100 1600 В1/1200 В2/300 Б/30 В1/70 2 800 В3/400 Г/300 В1/100 1 1200 Г/1100 В2/2800 9 3600 В3/800 1 1000 В1/100 Б/900 Б/100 В1/400 3 1200 В2/500 В4/200 1 70 В/70 Примечание: АУПЗ1 - автоматическая установка противопожарной защиты; АУПТ2 - автоматическая установка пожаротушения; АУПС3 - автоматическая установка пожарной сигнализации. А, В наружное АУПТ2 Б А, Е нет наружное нет АУПС3 В, Е наружное нет А, Е внутреннее АУПС А, Е наружное АУПС А А, В, Е А, В, Е наружное нет нет нет нет нет А, В, наружное Е внутреннее внутренА, Е нее внутренА, Е нее А, Е наружное А, В Наличие АУПЗ1 Категория (см. табл. 2) / площадь, м2 помещения Площадь здания, м2 Наименование объекта Количество этажей № п/п Характеристика объекта Наличие противопожарного водоснабжения Исходные данные для самостоятельного решения Класс пожара (см. табл. 6) Таблица 1 АУПТ АУПТ нет нет АУПТ Е нет АУПС В, Е нет нет УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 122 из 176 Таблица 2 Категория Критерии отнесения наружной установки наружной к той или иной категории пожарной опасности установки Ан Установка относится к категории Ан, если в ней присутствуют (хранятся, перерабатываются, транспортируются) горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28оС. Вещества и/или материалы, способные гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и/или друг с другом, при условии, что величина индивидуального риска при возможном сгорании указанных веществ с образованием волн давления превышает 10-6 в год на расстоянии 30 м от наружной установки. Бн Установка относится к категории Бн, если в ней присутствуют (хранятся, перерабатываются, транспортируются) горючие пыли и/или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28 о С. Горючие жидкости, при условии, что величина индивидуального риска при возможном сгорании пыле- и/или паровоздушных смесей с образованием волн давления превышает 10-6 в год на расстоянии 30 м от наружной установки. Вн Установка относится к категории Вн , если в ней присутствуют (хранятся, перерабатываются, транспортируются) горючие и/или трудногорючие жидкости, твердые горючие и/или трудногорючие вещества и/или материалы (в том числе пыли и/или волокна). Вещества и/или материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и/или друг с другом гореть. Не реализуются критерии, позволяющие отнести установку к категориям Ан или Бн, при условии, что величина индивидуального риска при возможном сгорании указанных веществ и/или материалов превышает 10-6 в год на расстоянии 30 м от наружной установки. Гн Установка относится к категории Гн, если в ней присутствуют (хранятся, перерабатываются, транспортируются) негорючие вещества и/или материалы в горячем, раскаленном и/или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и/или пламени, а также горючие газы, жидкости и/или твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива. Дн Установка относится к категории Дн, если в ней присутствуют (хранятся, перерабатываются, транспортируются) в основном негорючие вещества и/или материалы в холодном состоянии и по перечисленным выше критериям она не относится к категориям Ан, Бн, Вн, Гн. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 123 из 176 Таблица 3 Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности (по НПБ 105-03) Категория Характеристика веществ и материалов, помещения находящихся (обращающихся) в помещении Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой А взрыво вспышки не более 28оС в таком количестве, что могут образовывать пожаро взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении котоопасная рых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. Вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышает 5 кПа. Горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с темБ взрыво пературой вспышки более 28 оС, горючие жидкости в таком количепожаро стве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паопасная ровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. В 1 - В 4 * Горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорюпожаро чие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и опасные материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых имеются в наличии или обращаются, не относится к категории А или Б. Негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расГ плавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива. Примечание. * Разделение помещений на категории В1-В4 регламентируется положениями, изложенными в таблице 3.1. Таблица 3.1 Категории помещений В1-В4 (по НПБ 105-03) Категории Удельная пожарная нагрузка на участке, МДж/м2 более 2200 В1 1401-2200 В2 181-1400 В3 1-180 В4 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 124 из 176 Таблица 4 Категории зданий по взрывопожарной и пожарной опасности (по НПБ 105-03) Категория Характеристика помещений здания Здание относится к категории А, если суммарная площадь помещеА Взрывоний категории А превышает 5 % площади всех помещений или 200 пожароопасная м2 . Допускается не относить здание к категории А, если суммарная площадь помещений категории А в здании не превышает 25 % суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м2) и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения. Здание относится к категории Б, если одновременно выполнены два Б Взрывоусловия: пожароопасная 1. Здание не относится к категории А. 2. Суммарная площадь помещений категорий А и Б превышает 5 % суммарной площади всех помещений или 200 м . Допускается не относить здание к категории Б, если суммарная площадь помещений категорий А и Б в здании не превышает 25 % суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м2) и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения. Здание относится к категории В, если одновременно выполнены два В Пожароопасная условия: 1. Здание не относится к категориям А и Б. 2. Суммарная площадь помещений категорий А, Б и В превышает 5 % (10 %, если в здании отсутствуют помещения категорий А и Б) суммарной площади всех помещений. Допускается не относить здание к категории В, если суммарная площадь помещений категорий А, Б и В в здании не превышает 25 % суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 3500 м2) и эти помещения оборудуются установками автоматического пожаротушения. Здание относится к категории Г, если одновременно выполнены два Г Пожароопасная условия: 1. Здание не относится к категориям А, Б и В. 2. Суммарная площадь помещений категорий А, Б, В и Г превышает 5 % суммарной площади всех помещений. Допускается не относить здание к категории Г, если суммарная площадь помещений категорий А, Б, В и Г в здании не превышает 25 % суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не более 5000 м2) и помещения категорий А, Б, В оборудуются установками автоматического пожаротушения. Здание относится к категории Д, если оно не относится к категориД Пожароопасная ям А, Б, В или Г. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 125 из 176 Таблица 5 Категории наружных установок по пожарной опасности (по НПБ 105-03) Категория Критерии отнесения наружной установки к той или иной наружной категории по пожарной опасности установки Установка относится к категории Ан, если в ней присутствуют (хранятАн ся, перерабатываются, транспортируются) горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28оС. Вещества и/или материалы, способные гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и/или друг с другом, при условии, что величина индивидуального риска при возможном сгорании указанных веществ с образованием волн давления превышает 10-6 в год на расстоянии 30 м от наружной установки. Установка относится к категории Бн, если в ней присутствуют (хранятБн ся, перерабатываются, транспортируются) горючие пыли и/или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28оС. Горючие жидкости, при условии, что величина индивидуального риска при возможном сгорании пыле- и/или паровоздушных смесей с образованием волн давления превышает 10-6 в год на расстоянии 30 м от наружной установки. Установка относится к категории Вн , если в ней присутствуют (храВн нятся, перерабатываются, транспортируются) горючие и/или трудногорючие жидкости, твердые горючие и/или трудногорючие вещества и/или материалы (в том числе пыли и/или волокна). Вещества и/или материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и/или друг с другом гореть. Не реализуются критерии, позволяющие отнести установку к категориям Ан или Бн, при условии, что величина индивидуального риска при возможном сгорании указанных веществ и/или материалов превышает 10-6 в год на расстоянии 30 м от наружной установки. Установка относится к категории Гн, если в ней присутствуют (храГн нятся, перерабатываются, транспортируются) негорючие вещества и/или материалы в горячем, раскаленном и/или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и/или пламени, а также горючие газы, жидкости и/или твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива. Установка относится к категории Дн, если в ней присутствуют (храДн нятся, перерабатываются, транспортируются) в основном негорючие вещества и/или материалы в холодном состоянии и по перечисленным выше критериям она не относится к категориям Ан, Бн, Вн, Гн. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Таблица 6 Класс пожара А Редакция № 3 от 30.09.2011 Классификация пожаров Характеристика пожара Пожары твердых веществ, в основном органического происхождения, горение которых сопровождается тлением (древесина, текстиль, бумага) В Пожары горючих жидкостей или плавящихся твердых веществ С Пожары газов D Пожары металлов и их сплавов E Пожары, связанные с горением электроустановок Страница 126 из 176 Символ класса пожара УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 127 из 176 Таблица 7 Нормы оснащения зданий (сооружений) и территории пожарными щитами (по ППБ 08.02.2006, № 35) № п/п 1 2 Наименование функционального назначения Предельная защища- Класс помещений и категория помещений или емая площадь одним пожара наружных технологических установок по взры- пожарным щитом, м2 вопожарной и пожарной опасности А, Б и В (горючие газы и жидкости) А 200 В (Е) В (твердые горючие вещества и материалы) ГиД А Е А В Е 400 3 1800 Тип щита ЩП-А* ЩП-В ЩП-Е ЩП-А ЩП-Е ЩП-А ЩП-В ЩП-Е Помещения и открытые площадки предприятий 4 (организаций) по первичной переработке сель1000 ЩП-СХ скохозяйственных культур Помещения различного назначения при проведении сварочных или других огнеопасных ра5 А ЩПП бот Примечание: ЩП-А - щит пожарный для очагов пожара класса А; ЩП-В -щит пожарный для очагов пожара класса В; ЩП-Е - щит пожарный для очагов пожара класса Е; ЩП-СХ - щит пожарный для сельскохозяйственных предприятий (организаций); ЩПП - щит пожарный передвижной. Таблица 8 Нормы комплектации пожарных щитов немеханизированным инструментом и инвентарем (по ППБ 08.02.2006, № 35) № Наименование первичных средств пожаротуп/п шения, немеханизированного инструмента и инвентаря 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Огнетушители: - воздушно-пенные (ОВП) вместимостью 10 л; - порошковые (ОП) вместимостью, л/массой огнетушащего состава, кг 10/9 5/4; - углекислотные (ОУ) вместимостью, л/массой огнетушащего состава, кг 5/3 Лом Багор Крюк с деревянной рукояткой Ведро Комплект для резки электропроводов: ножницы, диэлектрические боты и коврик Асбестовое полотно, грубошерстная ткань или войлок (кошма, покрывало из негорючего материала) Лопата штыковая Лопата совковая Вилы Тележка для перевозки оборудования Емкость для хранения воды объемом: 0,2 м3 0,002 м3 Ящик с песком Насос ручной Нормы комплектации в зависимости от типа пожарного щита и класса пожара ЩП-А ЩП-В ЩП-Е ЩП-СХ ЩПП 2+ 2+ 1++ 2+ 1++ 1++ 2+ 1++ 1++ 2+ 1 1 2+ 1 2+ 2+ 1 1 2+ 1 1 2 1 2+ 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 128 из 176 Примечание: Знаком «++» обозначены рекомендуемые к оснащению объектов первичные средства пожаротушения, немеханизированный инструмент и инвентарь; знаком «+» - первичные средства пожаротушения, немеханизированный инструмент и инвентарь, применение которых допускается при отсутствии рекомендуемых и при соответствующем обосновании; знаком «-» - первичные средства пожаротушения, немеханизированный инструмент и инвентарь, которые не допускаются для оснащения данных объектов. Примечание: 1. Знаком «++» обозначены рекомендуемые к оснащению объектов огнетушители, знаком «+» — огнетушители, применение которых допускается при отсутствии рекомендуемых и при соответствующем обосновании, знаком «-» — огнетушители, которые не допускаются для оснащения данных объектов. 2. В замкнутых помещениях объемом не более 50 м3 для тушения пожаров вместо переносных огнетушителей, или дополнительно к ним, могут быть использованы огнетушители самосрабатывающие порошковые. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Таблица 9 Категория помещения Нормы оснащения помещений переносными огнетушителями (ППБ 08.02.2006, № 35) Предельная Класс Пенные и вод- Порошковые Хладоновые Углекислотзащищаемая пожа- ные огнету- огнетушители огнетушители ные огнетушиплощадь, м2 ра шители вмевместимовместимотели вместистимостью, л стью, л стью, л мостью, л А, Б, В 200 В 400 Г 800 Г, Д 1800 общественные здания Таблица 10 Категория помещения 800 А В С D (Е) А D (Е) В С А D (Е) А (Е) 10 2++ 4+ 2++ 2+ 2++ 4++ 2 4+ 4+ 4+ 2+ 8+ 5 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2++ 2+ 2++ 2++ 2++ 2++ 2+ 2++ 4++ 4++ 10 1++ 1++ 1++ 1++ 1++ 1+ 1++ 1+ 1+ 1+ 1+ 1++ 1+ 2+ 2+ 2(3) 4+ 4+ 2+ 2+ 4+ 2 4+ 4+ 4+ 5(8) 2++ 2+ 2++ 2++ 4+ 2++ Нормы оснащения помещений передвижными огнетушителями (ППБ 08.02.2006, № 35) Предельная Класс Воздушнопенные защищаемая пожара огнетушители площадь, м2 вместимостью 100 л А, Б, В (горючие газы и жидкости) 500 В (кроме горючих газов и жидкостей), Г 800 А В С D (Е) А В С D (Е) 1++ 2+ 1++ 2+ - Комбинированные огнетушители вместимостью (пена, порошок), 100 л 1++ 1++ 1+ 1++ 1++ 1+ - Порошковые огнетушители вместимостью 100 л 1++ 1++ 1++ 1++ 1+ 1++ 1++ 1++ 1++ 1+ Углекислотные огнетушители вместимостью, л 25 80 3+ 3+ 3+ 2+ 1++ 4+ 2+ 3+ 3+ 1++ 1+ УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 129 из 176 Примечание: Знаком «++» обозначены рекомендуемые к оснащению объектов огнетушители, знаком «+» - огнетушители, применение которых допускается при отсутствии рекомендуемых и при соответствующем обосновании, знаком «-» огнетушители, которые не допускаются для оснащения данных объектов. Практическое занятие № 5 Тема: Способы эвакуации населения Цель: обучение студентов способам организации эвакуации сотрудников из горящего здания, составлению плана эвакуации учебного заведения. Оборудование: карандаши, линейки, транспортиры, план-схемы корпусов. Порядок выполнения: определить категорию пожароопасности здания, определить пути эвакуации сотрудников и студентов. Общие требования к эвакуационным путям и эвакуационным выходам по СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений». Номера маршрутов 1 2 3 4 5 6 7 Описание маршрута эвакуации из помещений первого наружу: непосредственно; через коридор; через вестибюль (фойе); через лестничную клетку; через коридор и вестибюль (фойе); через коридор и лестничную клетку; в соседнее помещение (кроме помещения категории А и Б), обеспеченное эвакуационными выходами Рис. 1а. Эвакуационные выходы из помещений 1-го этажа УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 130 из 176 Номера маршрутов 1 Описание маршрута эвакуации из помещений первого наружу: непосредственно в лестничную клетку или на лестницу 3-го типа; 2 в коридор, ведущий непосредственно в лестничную клетку или на лестницу 3-го типа; 3 в холл (фойе), имеющий выход непосредственно в лестничную клетку или на лестницу 3-го типа; 4 в соседнее помещение (кроме помещения категории А и Б), обеспеченное эвакуационными выходами Рис. 1б. Эвакуационные выходы из помещений, расположенных на любых этажах, кроме 1-го Пути эвакуации в пределах помещения Нормируемые параметры - расстояние от наиболее удаленной точки до выхода из зала, суммарная ширина выходов из залов (помещений), размещение на этажах здания и вместимость. Для зрительных залов также нормируется число непрерывно установленных мест в ряду: при одностороннем выходе из ряда не более 26, при двустороннем - не более 50. В кинотеатрах пути эвакуации не допускается проектировать через помещения, в которых может находиться более 50 чел. Например, через помещение, в котором ожидают сеанса следующая группа зрителей, через кафе и т.п. В торговых залах ширина основных эвакуационных проходов в торговом зале должна быть от 1,4 до 2,5м в зависимости от площади торгового зала. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 131 из 176 В спортивно-зрелищных зданиях, нормируется количество человек на 1м ширины путей эвакуации с трибун открытых спортивных сооружений, количество эвакуирующихся через каждый выход (люк) в крытых спортивных сооружениях, а также ширина путей эвакуации на трибунах. Пути эвакуации в пределах этажа Основными нормируемыми параметрами для коридоров является их ширина, протяженность путей движения и ширина выхода из коридора на лестничную клетку. Как правило, протяженность поставлена в зависимость от расположения помещения - между лестничными клетками или в тупиковом коридоре или холле и определяется в зависимости от плотности людского потока, от степени огнестойкости и функционального назначения здания. Анализ методологии нормирования процесса эвакуации людей показывает, что критерием для определения помещения с выходом в тупиковый коридор и помещения расположенного между лестничными клетками является количество направлений для эвакуации. Одно направление эвакуации из помещения – это «помещение с выходом в тупиковый коридор», два и более - «помещение, расположенное между лестничными клетками». Нормируется также вместимость помещений, выходящих в тупиковый коридор, например, для общественных зданий от 80 до 125 человек. Ширина эвакуационных выходов из коридора на лестничную клетку, а также ширина лестничного марша лестницы поставлена в зависимость от степени огнестойкости здания, класса конструктивной пожарной опасности здания, объем и категория помещения. При дверях, открывающихся из помещений в коридоры, за ширину эвакуационного пути по коридору следует принимать ширину коридора, уменьшенную: - на половину ширины дверного полотна - при одностороннем расположении дверей; - на ширину дверного полотна - при двустороннем расположении дверей, рис. 2. Рис. 2. Ширина пути эвакуации по коридору а), б) по нормам, при двух- и одностороннем открывании дверей; в) вероятный вариант, наблюдаемый в действительности. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 132 из 176 Как показывают наблюдения и расчеты, наличие открытых дверей в некоторых случаях не влияет на процесс эвакуации людей, поэтому действительную ширину эвакуационного пути следует определять аналитически. Пути эвакуации по лестницам и пандусам На путях эвакуации не допускается устройство винтовых лестниц, лестниц полностью или частично криволинейных в плане, а также забежных и криволинейных ступеней, ступеней с различной шириной проступи и различной высоты в пределах марша лестницы и лестничной клетки. Нормируется ширина и уклон (рис. 3) лестничных клеток и пандусов. Рис. 3. Иллюстрация к определению уклона вертикальных путей эвакуации: Уклон определяется соотношением H / L , например, если H =1,5м, L=3м, уклон лестницы составляет 1:2 Ширина проступи на лестнице должна быть как правило, не менее 25 см, а высота ступени — не более 22 см, рис. 4. Рис. 4. Нормируемые значения габаритов ступеней Нормируется число подъемов в одном марше. Например, для общественных зданий между площадками должно быть не менее 3 и не более 16 подъемов. В одномаршевых лестницах, а также в одном марше двух - и трехмаршевых лестниц в пределах первого этажа допускается не более 18 подъемов. Действующие нормы требуют, что бы ширина площадки была не менее ширины лестничного марша, а ширина лестничного марша должна быть не менее ширины выхода на лестничную клетку (рис. 5): b л.п. b л.м., а b л.м b вх. лк., т.к. в противном случае вероятно нарушения условия беспрепятственности движения. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 133 из 176 Рис. 5. Ширина лестничного марша b л.м, ширина лестничной площадки b л.п и ширина входа в лестничную клетку b вх. лк. Лестничные клетки должны иметь выход наружу на прилегающую к зданию территорию непосредственно или через вестибюль, отделенный от примыкающих коридоров перегородками с дверями, рис. 6. Рис. 6. Выход из лестничной клетки в вестибюль, отделенный от примыкающих коридоров перегородками с дверями Выходы из подвальных и цокольных этажей, являющиеся эвакуационными, как правило, следует предусматривать непосредственно наружу обособленными от общих лестничных клеток здания. Допускается эвакуационные выходы из подвалов предусматривать через общие лестничные клетки с обособленным выходом наружу, отделенным от остальной части лестничной клетки глухой противопожарной перегородкой 1-го типа, рис. 7. Наружные открытые лестницы для эвакуации допускается использовать в IV климатическом районе и в III Б климатическом подрайоне (кроме стационарных лечебных учреждений). В остальных климатических районах допускается использовать указанные лестницы для эвакуации только со второго этажа зданий (кроме зданий школ и школ-интернатов, детских дошкольных учреждений и т.п.), и должны быть рассчитаны на число эвакуируемых в пределах от 30 до 70 чел. Внутренние открытые лестницы широко используются, например, в общественных зданиях. Однако, ввиду их повышенной пожарной опасности их применение ограничено и поставлено в зависимость от степени огнестойкости, назначения здания (в стационарах лечебных учреждений открытые лестницы в расчет эвакуации УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 134 из 176 людей при пожаре не включаются). При использовании в здании внутренних открытых лестниц, нормами вводятся дополнительные требования к объемнопланировочным решениям здания: отделение помещений с такой лестницей от примыкающих к ней коридоров и других помещений противопожарными перегородками, устройстве автоматического пожаротушения во всем здании, ограничение численности внутренних открытых лестниц, дополнительные закрытые лестничные клетки, выход из которых предусмотрен непосредственно наружу. Рис. 7. Выход из подвала предусмотрен через общую лестничную клетку с обособленным выходом наружу, отделенным от остальной части лестничной клетки противопожарной перегородкой 1-го типа. Литература: 1. Закон «О пожарной безопасности» в РК, № 48-1, 1996. 2. Правила пожарной безопасности в Республике Казахстан, № 35, 2006. 3. Абдурагимов И.М. и др. Физико-химические основы развития и тушения пожара. — М.: Стройиздат, 1997. — 288 с. 4. Богданов М.И., Кокарев В.Ю. Действия сил и средств на пожаре. — С-Пб., 1994. - 56 с. 5. Пожарная безопасность в общеобразовательном учреждении (нормативные документы, инструкции) сост. О.В. Павлова. – Волгоград: учитель, 2007. - 153 с. 6. Оперативное управление мероприятиями РСЧС/Сборник лекций для руководящего состава МЧС России / Книга-1. Издание 2, дополненное и переработанное. Под общ. ред. В.Ф. Мищенко. – М.: ООО «ИПП «КУНА», 2004. – 441 с. 7. Теребнев В.В. Справочник руководителя тушения пожара. Тактические возможности пожарных подразделений. — М.: Пожкнига, 2004. — 248 с. 8. Первая помощь пострадавшим при пожаре. — М.: Стройиздат, 1983. — 64 с. Контрольные вопросы к практическому занятию № 5 1.Какой нормативный документ регламентирует общие требования к эвакуационным путям и выходам? 2. Какие параметры подлежат нормированию при эвакуации в пределах помещения? 3. Какие параметры подлежат нормированию при эвакуации в пределах коридора? 4. Какие параметры подлежат нормированию при эвакуации по лестницам и пандусам? 5. Дайте определение понятию «путь эвакуации». УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 135 из 176 Практическое занятие № 6 Тема: «Основные положения теории детонации» 1 Основные сведения Процесс химического превращения взрывчатого вещества может протекать либо в форме горения, либо в форме взрыва. Процесс в форме взрыва происходит в очень тонком слое и распространяется со сверхзвуковой скоростью (до 1000 - 3500 м/с в газовых взрывчатых смесях, а в твёрдых и жидких взрывчатых веществах достигает 8000 - 9000 м/с). Этот процесс химического превращения взрывчатого вещества называют детонацией. Детонация возникает во взрывчатых средах под действием мощной ударной волны, а также других факторов. Ударная волна - это процесс распространения сжатия в жидкой или газообразной среде со сверхзвуковой скоростью. Она обладает резкой границей - фронтом ударной волны. Давление, плотность и другие величины, характеризующие состояние среды, изменяются практически скачкообразно, принимая различные значения по ту и другую сторону фронта волны. Детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за её фронтом зоны химического превращения вещества (от сечения «А-А» до «ВВ» на рис.1). Ударная волна сопровождается экзотермической реакцией, в результате которой резко возрастают давление (рис.2) и температура. Детонация может играть как отрицательную, так и положительную роль. Вредное влияние детонации проявляется при горении топлива в камере сгорания поршневых двигателей вследствие накопления пероксидов (органических и неорганических соединений, содержащих кислородную группу, способствующих окислению, углерода и водорода) в топливной смеси. Возникающая детонация (самопроизвольное воспламенение топлива) сопровождается металлическим «стуком», вибрацией, перегревом двигателя и др. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 136 из 176 Рис.2. Распределение давления в зоне реакции Полезный эффект от детонации используется для повышения износостойкости поверхностей деталей посредством напыления (рис.3). Рис.3. Схема образования детонационных покрытий: 1 - зажигание ВВ; 2- ударные волны; 3- детонационная волна; 4 - газ со взвешенными в нем частицами напыляемого порошка; 5 - ствол установки; 6 - покрытие; 7 - напыляемая деталь; S - направление подачи детали Смесь газов, заключенная в стволе (5) , подожженная с одной стороны, формирует фронт пламени, распространяющийся вдоль ствола с возрастающей скоростью до тех пор, пока в газе не возникает детонационная волна; скорость распространения волны достигает 44 м/с. Этот высокоскоростной поток газов придаёт необходимое ускорение напыляемому порошку (некоторая порция порошка предварительно вводится в ствол), который, ударяясь о поверхность изделия, формирует покрытие. Скорость частиц порошка достигает 1000 м/с. Высокие скорости напыляемых частиц позволяют получать покрытия высокого качества (по плотности, прочности сцепления, твёрдости и др.). Главное преимущество детонационного метода это незначительный нагрев изделия, на которое наносится покрытие (менее 250°С). Из всех существующих только метод детонационного напыления позволяет наносить металлокерамику на основе карбидов вольфрама, хрома, титана. Ресурс изделий, износостойкость и коррозионная стойкость увеличивается в 20 - 30 раз. Рассмотрим детонационный механизм распространения пламени в предварительно реакционной смеси (рис.1), который связан с ударной волной. Двигаясь со сверхзвуковой скоростью wо смесь во фронте ударной волны («АА» на рис.1, толщина волны порядка 0.1 мкм) подвергается сжатию (давление, температура и плотность резко возрастают). При сжатии горючая смесь разогревается, УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 137 из 176 образуется детонационная волна (1 - 1 на рис.1, толщина детонационной волны порядка 0,1 - 1 см). В результате воздействия этой волны происходят химические реакции окисления с выделением тепла. При дальнейшем распространении по каналу детонационной волны возникает новый фронт ударной волны, и таким образом происходит догорание остальной части смеси взрывчатого вещества (рис. 3). При отсутствии теплообмена с окружающей средой процесс в ударной волне газовой среды (прямом скачке уплотнения) описывается уравнением Гюгонио уравнением ударной адиабаты: Температура торможения в ударной волне: To* To к 1 2 1 о к 1 Пример расчета параметров ударной волны: УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 138 из 176 Совершенно очевидно, что в данном случае ударная волна может вызвать воспламенение горючей газовой смеси. 2 Порядок выполнения работы 1. Задается наименование и состав взрывчатого вещества. Например: СН4+2О2+8N2=CO2+2H2O+8N2+191.8 ккал – стехиометрическая метано-воздушная смесь. 2. Задаются также: - средняя объемная теплоёмкость продуктов сгорания cv 86.88 кал кг град - начальные температура и давление взрывчатого вещества: То=293К; ро = 1.01325·105Па - газовая постоянная продуктов сгорания: R 285.9 Дж кДж или R 1.987 кг К кмоль К 3. Рассчитывается показатель адиабаты в детонационной волне: УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 139 из 176 3 Оформление отчета: Отчет о работе должен содержать: 1. Схему процесса детонационного горения. 2. Исходные данные. 3. Алгоритм и результаты расчётов параметров горения взрывчатого вещества в детонационной волне. 4. Сравнить параметры состояния во фронте ударной волны и во фронте детонационной волны. Почему Т1 > Твзр ? 4 Контрольные вопросы к практическому занятию № 6 1. Изобразите и поясните график ударной адиабаты Гюгонио и адиабаты Пуассона (pvk = const) в координатах р - v . 2. Дайте определение явления детонации. 3. Поясните механизм детонационного горения взрывчатого вещества. 4. Поясните положительные и отрицательные свойства детонационного горения вещества. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 140 из 176 Практическое занятие № 7 Тема: Оценка опасности взрыва горючих газов Цель: освоение методики определения взрывоопасности смеси горючих газов при пожарах на объектах, опасных по газу. Содержание работы В процессе выполнения работы студенты должны: - ознакомиться с источниками выделения горючих газов в угольных шахтах; - изучить особенности взрыва и детонации смеси горючих газов; - рассчитать нижний предел взрываемости смеси газов, долю каждого горючего газа; - ознакомиться с причинами образования и воспламенения скоплений горючих газов; - научиться определять возможность взрыва горючих газов с помощью «треугольника взрываемости»; - научиться выбирать эффективный путь предотвращения взрыва горючих газов. 1 Теоретические положения Взрывы горючих газов в шахтах относятся к наиболее опасным авариям и приводят, как правило, к групповому травматизму с тяжелыми последствиями. Наиболее распространенными горючими газами, которые могут выделяться в шахтах и образовывать с воздухом взрывоопасные смеси, являются метан, оксид углерода, водород, этан, ацетилен. Пределы взрываемости в воздухе: - оксида углерода от 12,5 % до 75 %; - водорода от 4,1 % до 74 %; - этана от 3,2 % до 12,5 %; - ацетилена от 3,0 % до 65 %. По мере снижения концентрации кислорода в газовой смеси (например, за счет добавки инертных газов) пределы взрываемости этих горючих газов уменьшаются. Наиболее часто встречающаяся в шахтах метано-воздушная смесь взрывается при концентрации метана от 5 до 15 %. Смесь, содержащая до 5 % метана, не взрывчата, но может гореть при наличии источника высокой температуры. При концентрации метана более 15 % смесь не взрывчата и не поддерживает горения, а с притоком кислорода извне горит спокойным пламенем в зоне перемешивания этих газов. Наибольшей силы взрыв достигает при концентрации метана 9,5 %, так как в этом случае на его сжигание используется весь кислород воздуха. Температура взрыва метано-воздушной смеси может достигать 2650°С, если взрыв произошел в замкнутом пространстве, и 1850°С, если продукты взрыва могут свободно распространяться. 2 Источники выделения горючих газов в шахтах Метан - горючий газ, почти в два раза легче воздуха, поэтому скапливается в верхней части горных выработок, заполняя пустоты в кровле. Выделение метана бывает обычное, суфлярное и внезапное. Обычное выделение происходит из невидимых пор и трещин в угле по всей обнаженной поверхности. Количество выделяющегося газа зависит от газоносности пластов - количества газа, содержащегося в тонне угля или породы. Газообильность шахт определяется по количеству метана, выделившегося в единицу времени (сутки). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 141 из 176 Абсолютная газообильность - объем метана, выделившийся в шахте за сутки. Относительная газообильность - количество метана, выделившегося в шахте за сутки, отнесенное к 1 т добычи. Суфлярное выделение - истечение газа, скопившегося в трещинах и пустотах угольного пласта или вмещающих пород, через видимые трещины и отверстия. Суфлярные выделения чаще происходят в районах тектонических нарушений. Продолжительность действия суфляра - от нескольких дней до года и более. Внезапное выделение - одновременное выделение (выброс) большого объема газов, сопровождающееся выбросом угольной мелочи от нескольких до сотен и даже тысяч тонн. К опасным по газу относятся шахты, в которых хотя бы в одной выработке был обнаружен метан. Шахты, в которых выделяется метан, должны быть полностью переведены на газовый режим. В зависимости от величины относительной метанообильности (количество газа, выделяемого в шахте за сутки, отнесенное к 1 т среднесуточной добычи) газовые шахты делят на пять категорий: - к 1 категории относятся шахты с выделением в сутки на 1 т угля до 5 м3 метана; - в шахтах 2 категории выделяется метана в сутки на 1 т угля от 5 до 10 м3 /т; - шахты 3 категории выделяют метана в сутки на 1 т угля от 10 до 15 м3/т; - к сверхкатегорным относятся шахты, опасные по суфлярным выделениям метана или при выделении метана в сутки на 1 т угля более 15 м3 /т; - опасными по внезапным выбросам являются шахты, разрабатывающие пласты, опасные или угрожающие по внезапным выбросам угля и газа; с выбросами пород. Существуют следующие нормы содержания метана в атмосфере подземных выработок: - поступающая в выемочный участок, очистные выработки, к забоям тупиковых выработок < 0,5 %; - исходящая крыла, шахты < 0,75 %; - исходящая струя из очистной или тупиковой выработки, выемочного участка < 1 %; - местные скопления метана в очистных, тупиковых и др. выработках, выходе из смесительных камер < 2 %; - трубопроводы для изолированного отвода метана с помощью вентиляторов < 3,5 %; - дегазационные трубопроводы от 3,5 до 25 %. При несоответствии состава воздуха в выработках установленным нормам, работы должны быть остановлены и люди выведены на свежую струю воздуха. Об этом сообщается горному диспетчеру, и принимаются меры по улучшению состава воздуха. Оксид углерод, водород, этилен, ацетилен и некоторые другие горючие газы могут образовываться в шахтах при пожарах. Так, в очаге пожара при взаимодействии кислорода с углеродом при недостатке кислорода образуется оксид углерода и выделяется тепло 2С + О2 = 2СО = 58860 кал (2.1) Взаимодействие углерода с углекислым газом при поглощении тепла приводит также к образованию оксида углерода С + СО2 = 2СО -38790 кал (2.2) При высоких температурах (1200-1300°C) в очаге пожара происходит разложение водяного пара при взаимодействии с углеродом с образованием оксида углерода и водорода УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 142 из 176 С + Н2О = СО + Н2 -17080 кал (2.3) о При более низких температурах (400-700 С) разложение водяного пара протекает с выделением водорода по реакции С + 2Н2О = СО2 + 2Н2 - 27980 кал (2.4) В результате взаимодействия углерода, оксида углерода, углекислого газа с водородом в очаге пожара при отсутствии кислорода происходит образование метана с выделением тепла. Эти реакции наиболее легко протекают при температуре 300-800оС СО + 3Н2 = СН4 + Н2О + 49250 кал (2.5) СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О + 38840 кал (2.6.) С + 2Н2 = СН4 + 20870 кал (2.7.) 3 Причины и особенности процесса воспламенения горючих газов в шахтах Причинами образования взрывоопасной метано-воздушной смеси в угольных шахтах являются: - прекращение вентиляции по организационным и техническим причинам; - неудовлетворительное состояние вентиляционных трубопроводов; - перевал выработок; - неправильный расчет количества требуемого воздуха; - скопление метана в выработанном пространстве; - скопление метана в куполах, слоевые скопления; - выбросы метана; - неправильность вентиляционных сооружений; - неправильное разгазирование атмосферы горных выработок. Источниками теплового импульса воспламенения метано-воздушной среды могут быть: - взрывные работы при выгорании взрывчатого вещества и применения накладных зарядов; - неисправное электрооборудование и кабельные сети; - трение канатов о дерево и полезное ископаемое, конвейерной ленты о барабаны и роликоопоры; - фрикционное искрение; - курение; - самовозгорание; - эндогенный пожар; - газоэлектросварочные работы и др. Взрывоопасная смесь метана с воздухом при температуре 600оС воспламеняется через 10 с, при 1000оС - воспламеняется через доли секунды, а при температуре 1300оС взрывается. Взрывом называется воспламенение, сопровождающееся ударной волной. Быстрый рост давления во фронте пламени, передаваемого от слоя к слою, рождает ударную волну, распространяющуюся перед фронтом пламени со скоростью звука (330 м/с). Обычное воспламенение горючих газов (скорость движения фронта пламени 0,3-0,6 м/с) может постепенно переходить в обычный взрыв (давление во фронте пламени достигает 1 МПа, скорость движения фронта пламени 10-330 м/с). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 143 из 176 Взрывное горение может переходить в детонацию скачками, которые вызывают разгон пламени до сверхзвуковой скорости. При детонации давление во фронте пламени достигает 2-5 МПа, а фронт пламени способен распространяться со скоростью 1000-8000 м/с. Исходя из того, что скорость детонационной волны больше скорости звука, следует, что ее движение вызывается не передачей тепла и диффузией, как при обычном пламени, так как скорость этих процессов не может превышать скорости звука, обусловленной тепловой скоростью молекул. Давление в детонационной волне более 2 МПа, что достаточно для воспламенения газовой смеси за счет повышения температуры газа при адиабатическом сжатии. Последствия воспламенения горючих газов зависят от множества факторов (объем смеси горючих газов, их концентрация, начальные давление и температура газов, гидравлическое сопротивление продвижению фронта пламени, условия теплоотдачи из очага). Горение метана может происходить с образованием углекислого газа и воды СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О (3.1) В случае горения метана при недостатке кислорода образуется оксид углерода и водород СН4 + О2 = СО + Н2 + Н2О (3.2) Экспериментальные взрывы стехиометрических метано-воздушных смесей показали, что в образуемых смесях концентрация углекислого газа может доходить до 8 %, оксида углерода до 8,5 %, водорода до 10 %. 4 Определение взрываемости смеси горючих газов При перемешивании метана с воздухом концентрация кислорода со смеси снижается по линейной зависимости от 21 % (содержание кислорода в атмосферном воздухе) до 0 при 100 % содержании метана (рис. 4.1). При концентрации метана от 5 % до 15 % , что соответствует содержанию кислорода в смеси от 18 % до 20 %, смесь горит и взрывается. Однако в реальных условиях шахты концентрация кислорода может быть существенно меньше обозначенных пределов из-за сорбции кислорода углем, поглощения при горении, а также образования и выделения инертных газов. Поэтому пределы взрываемости смесей метана с воздухом при различных концентрациях кислорода (С к ) можно определить по треугольнику взрываемости (рис. 4.1). Треугольники взрываемости горючих газов строят по экспериментальным данным, полученным на лабораторной установке. Эксперименты, проведенные со смесями газов, показали, что взрывоопасные концентрации расположены в области, имеющей форму треугольника (область 2). Из рис. 4.1 видно, что наблюдается постепенное сужение нижнего и верхнего концентрационных пределов взрываемости смеси метана с воздухом вплоть до выхода в точку при объемной доле кислорода, равной 12,2 %. Это связано с цепным механизмом передачи теплового импульса зажигания. В области 3 для осуществления цепной реакции окисления недостаточно молекул метана, в области 4 - молекул кислорода. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 144 из 176 Рис. 4.1. Объемные пределы взрываемости метано-воздушных смесей: 1 - несуществующая смесь; 2 - взрывчатая смесь; 3 - невзрывчатая смесь; 4 - смесь, способная стать взрывчатой при добавлении воздуха «Треугольник взрываемости» для других горючих газов имеет тот же вид, что и для метана, но различные размеры. Взрываемость смеси горючих газов при подземных пожарах также определяется с помощью «треугольника взрываемости». Нижний концентрационный предел взрываемости смеси горючих газов (в об. %) определяется по формуле, предложенной Ле Шателье: где n1,n2, n3,...ni - объемное содержание каждого горючего компонента в смеси горючих газов, %; N1 , N2 , N 3 , …Ni - нижние концентрационные пределы взрываемости каждого из этих компонентов, %. Объемное содержание каждого горючего компонента в смеси горючих газов определяют по формуле: С - концентрация соответствующего горючего газа в смеси с воздухом, %. Формула Ле Шателье верна для большинства углеводородов. Однако для смесей, состоящих из сильно различающихся по структуре органических компонентов, применяемость этой формулы ухудшается. Для оценки взрываемости смеси горючих газов вначале определяется общее суммарное содержание горючих газов (%). Для наиболее распространенных в угольных шахтах горючих газов используется формула С = См +Со +Св, (4.3) где С м, Со, Св - концентрация соответственно метана, оксида углерода и водорода, %. Затем рассчитывают долю каждого горючего газа в смеси по выражениям УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 145 из 176 P м = Cм /C г P о = Cо /C г P в = Cв /C г (4.4) Правильность расчета проверяется по соотношению Рм + Ро + Рв = 1 (4.5) По полученным данным выбирают соответствующий треугольник взрываемости. Затем концентрацию кислорода в смеси наносят на ось ординат, а сумму концентраций горючих газов на ось абсцисс на соответствующем графике (рис. 4.2 4.7) и в точке их пересечения определяют местонахождение данной смеси. В случае если найденная точка находится внутри «треугольника взрываемости», то газовая смесь может взорваться при появлении источника огня или повышении температуры газа. Так, произведенный отбор проб газа из атмосферы пожарного участка показал, что газовая смесь содержит кислорода ( С к ) 15 %, оксида углерода ( С о ) 0 %, метана ( С м ) 2,1 % и водорода ( С в ) 1,4 % Затем по формуле (4.3) подсчитываем, что концентрация суммы горючих газов ( С г ) равна 3,5 %. Доля оксида углерода в смеси горючих газов ( Р о ) равна 0, а доля метана ( Р м ) составляет 0,6. Исходя из расчетных данных выбираем соответствующий треугольник взрываемости из рис. 4.2. Затем на оси графика рис. 4.2 наносим значения концентраций кислорода и суммы горючих газов и находим точку Х, соответствующую состоянию атмосферы пожарного участка. Рис. 4.2. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при отсутствии оксида углерода (Р о = 0) Из графика видно, что точка Х расположена вне «треугольника взрываемости», поэтому на данный момент смесь горючих газов не может взорваться. Однако найденная точка находится вблизи нижнего концентрационного предела взрываемости смеси и незначительное изменение, способствующее увеличению концентрации горючих компонентов в рудничной атмосфере, может переместить точку Х в зону взрываемости. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 146 из 176 Рис. 4.3. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,1 Рис. 4.4. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,2 По графику расположения зоны взрываемости горючих газов можно определить, куда будет смещаться точка, отображающая соответствующую газовую смесь, в случае изменения концентрации составляющих ее компонентов (кислорода, горючих газов и инертных газов). Так, линия, соединяющая полученную точку Х с точкой А, покажет, куда будет смещаться смесь в случае увеличения подачи свежего воздуха и, соответственно, роста в ней концентрации кислорода. Из рис. 4.2 видно, что добавление свежего воздуха приведет к снижению концентрации горючих газов и удалению смеси от треугольника взрываемости. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 147 из 176 Рис. 4.5. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,3 Рис. 4.6. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,4 Перемещение точки Х по линии, соединяющей ее с точкой В, происходит в случае, если в смесь газов будут добавляться инертные газы. С этой целью в шахту могут нагнетать азот, углекислый газ, аргон и другие газы, не поддерживающие горения и снижающие концентрации в смеси кислорода и горючих газов. Согласно рис. 4.2 такое воздействие также удаляет смесь от треугольника взрываемости, что уменьшает опасность взрыва смеси. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 148 из 176 В случае дополнительного выделения горючих газов, приводящего к увеличению их концентрации в смеси, точка Х, отображающая состояние смеси газов, начнет перемещаться к точке С. Для приведенного на рис. 4.2 примера это означает вхождение в треугольник взрываемости и образование взрывчатой смеси. Увеличение концентрации горючих газов в рудничной атмосфере может происходить при изоляционных работах, снижении притока свежего воздуха при сохраняющейся интенсивности выделения горючих газов. Рис. 4.7. Треугольники взрываемости смеси горючих газов при доле оксида углерода 0,5 Таким образом, использование «треугольников взрываемости» в шахтах при тушении пожаров позволяет не только оценить возможность взрыва образующейся смеси газов, но и проанализировать, как будет изменяться ситуация в пожарном участке в случае увеличения выделения горючих газов, повышения или снижения количества подаваемого свежего воздуха или при подаче инертных газов. Соответственно появляется возможность выбора наиболее эффективного способа предотвращения взрыва горючих газов. 5 Порядок выполнения работы 5.1. Из предложенных в таблице 5.1 вариантов выбирают заданный состав смеси газов, возникший в атмосфере пожарного участка. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 149 из 176 Таблица 5.1. Исходные данные для оценки взрываемости смеси горючих газов при пожаре в шахте Вариант Состав атмосферы пожарного участка, % Кислород Метан Оксид углерода Водород 1 2 3 4 5 1 17 4 0 0 2 8 6 2 12 3 10 7,2 1,8 9 4 16 1,9 0 1,9 5 12 8 1,6 6,4 6 14 7 1 2 7 18 3,2 0 4,8 8 16 6,4 0,8 0,8 9 15 3 2 5 10 16 12 0 0 11 13 3,6 1,8 4,6 12 12 4 1,6 2,4 13 14 8 0 2 14 11 4,2 1,4 1,4 15 16 4,8 1,2 0 16 17 1,5 1,5 2 17 18 1,6 1,2 1,2 18 16 4 2,4 1,6 19 15 7,2 3,6 1,2 20 14 10,5 4,5 0 21 14 4,8 6,4 4,8 22 13 7,2 7,2 3,6 23 12 10 8 2 24 10 14,4 9,6 0 25 13 7,2 12 4,8 26 11 8 10 2 27 9 8 8 0 28 14 5 1 2 29 7 7 3 4 30 12 4 4 3 По формулам (4.1) и (4.2) определяют нижний концентрационный предел взрываемости смеси этих горючих газов. Затем по формуле (4.3) рассчитывают общее содержание горючих газов, а по формуле (4.4) долю каждого горючего газа в смеси. По формуле (4.5) проверяют правильность расчета. 5.2. По рассчитанным данным на рисунках 4.2-4.7 выбирают соответствующий доли оксида углерода треугольник взрываемости горючих газов и перечерчивают его в тетрадь. 5.3. Наносят на выбранный график заданную точку и определяют возможность взрыва смеси горючих газов. 5.4. Анализируют опасность взрыва в случае увеличения интенсивности выделения горючих газов, усиления проветривания свежим воздухом и при подаче инертных газов. 5.5. Выбирают оптимальный путь предотвращения взрыва смеси горючих газов. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 150 из 176 Контрольные вопросы к практическому занятию № 7 1.Какие горючие газы могут выделяться в шахте? 2.Какие условия способствуют выделению горючих газов в угольных шахтах? 3.На какие категории делятся шахты по выделению метана? 4.Назовите причины образования скоплений горючих газов в шахтах. 5.Что представляет собой детонация горючих газов в угольных шахтах? 6.Как определяют нижний концентрационный предел взры-ваемости смеси горючих газов? 7.Назовите скорость распространения и давление во фронте пламени при взрыве и детонации газовой смеси. 8.Назовите пределы взрываемости в воздухе метана, водорода, оксида углерода. 9.Как по треугольнику взрываемости выбирают способ предотвращения взрыва смеси горючих газов? 10.Как определяют взрывоопасность состава газов при пожаре в шахте? 11.Назовите основные источники воспламенения смеси горючих газов в шахтах. Литература: 1. Соболев Г. Г. Горноспасательное дело. - 2-е изд., перераб. и доп. / Г. Г. Соболев. - М.: Недра, 1979. - 432 с. 2. Соболев Г. Г. Организация и ведение горноспасательных работ в шахтах. 3-е изд., перераб. и доп. / Г. Г. Соболев. - М.: Недра, 1988. -280 с. 3. Устав военизированной горноспасательной части (ВГСЧ). - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Углетехиздат, 1954. - 388 с. 4. Охрана труда: учеб. для вузов / К. З. Ушаков, Б. Ф. Кирин, Н. В. Ножкин [и др.]. - М.: Недра, 1986. - 624 с. 5. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 05. Выпуск 11 / Кол. авт. - М.: Гос. унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003. - 296 с. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 151 из 176 Практическое занятие № 8 Тема: Оценка обстановки при авариях с взрывом на пожаровзрывоопасных объектах Цель работы: научиться оценивать обстановку при авариях с взрывом на пожаровзрывоопасных объектах. Порядок выполнения работы: 1. Изучить методические указания и ответить на контрольные вопросы. 2. Получить у преподавателя номер варианта для самостоятельной работы. 3. Используя исходные данные, согласно полученному варианту, самостоятельно: • спрогнозировать последствия взрывов газовоздушной смеси (ГВС) в открытом пространстве при детонационном режиме горения (п. 5.1.); • спрогнозировать последствия взрывов газопаровоздушной смеси (ГПВС) в производственных помещениях (п. 5.2); • спрогнозировать последствия взрывов пылевоздушной смеси (ПВС) в производственных помещениях (п. 5.3); • определить показатели, непосредственно характеризующие инженерную обстановку (п. 5.4); • определить показатели, влияющие на объемы поисково-спасательных работ (п. 5.5). 1 Общие сведения о пожаровзрывоопасных объектах Аварии с взрывом могут произойти на пожаровзрывоопасных объектах. К пожаровзрывоопасным объектам относятся объекты, на территории или в помещениях которых находятся (обращаются) горючие газы (ГГ), легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) и горючие пыли (ГП) в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные горючие смеси, при горении которых избыточное давление в помещении может превысить 5 кПа. В связи с высокой вероятностью аварий на взрывоопасных объектах рассмотрим механизм взрывного горения и методику прогнозирования параметров взрывного горения. Горение - это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и свечением. Движение пламени по газовой смеси называется распространением пламени. В зависимости от скорости распространения пламени горение может быть: - дефлаграционным со скоростью несколько метров в секунду; - взрывным - скорость порядка десятков и сотен метров в секунду; - детонационным - тысячи метров в секунду. При дефлаграционном горении распространение пламени происходит в слабо возмущенной среде со скоростями значительно ниже скорости звука, давление при этом возрастает незначительно. Взрывное горение (взрыв) - быстрое превращение вещества, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу, при этом образуется избыточное давление более 5 кПа. Взрыв, как правило, приводит к возникновению интенсивного роста давления. В окружающей среде образуется и распространяется ударная волна. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 152 из 176 Ударной - называется волна, характеризующаяся наличием поверхности разрыва основных физических параметров состояния среды (давления, плотности, температуры), в которой она распространяется со скоростью 330 м/с. В зависимости от того, в какой среде распространяется волна - в воздухе, в воде или в грунте, ее называют воздушной ударной волной, ударной волной в воде или сейсмовзрывной волной в грунте. Воздушная ударная волна представляет собой область сильно сжатого воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва. Механизм образования воздушной ударной волны рассмотрен на рис. 1. При взрыве образуется большое количество газообразных продуктов. Переднюю границу волны, характеризующуюся резким скачком давления, называют фронтом ударной волны. Во фронте ударной волны происходит скачкообразное изменение параметров состояния воздуха (давления, плотности, температуры, скорости движения). Характерной особенностью воздушной ударной волны является движущийся позади нее поток воздушной среды, направленный в ту же сторону. Параметры состояния воздуха, находясь под весьма высоким давлением (порядка нескольких мегапаскалей, МПа), подобно сильно сжатой и мгновенно отпущенной пружине, расширяются. Так как давление окружающего воздуха во много раз меньше давления продуктов взрыва, то последние, расширяясь, наносят резкий удар по прилегающим слоям. За счет этого воздух сжимается, повышается его давление, плотность, температура. Рис. 1. Схема образования воздушной ударной волны: а - при воздушном взрыве; б - при наземном взрыве; 1 - центр взрыва; 2 - газообразные продукты взрыва; 3 - зона сжатого воздуха; 4 - фронт ударной волны Масса продуктов взрыва, расширяясь, вытесняет окружающий воздух и образует вокруг себя зону сжатого воздуха. Эта зона действует на окружающий, еще невозмущенный воздух и сжимает его. Таким способом сжатие быстро передается все дальше и дальше от места взрыва. Внешняя граница сжатого слоя воздуха и представляет собой фронт воздушной ударной волны. Ударная волна имеет фазу сжатия и фазу разрежения. В фазе сжатия ударной волны давление выше атмосферного, а в сфере разрежения - ниже. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 153 из 176 Наибольшее давление воздуха наблюдается на внешней границе фазы сжатия во фронте волны. Как видно из рис. 2, в момент прихода ударной волны давление повышается от нормального (атмосферного) P0 до максимального во фронте Р1. В дальнейшем по мере продвижения ударной волны давление падает ниже атмосферного. Общее действие взрыва проявляется в разрушении оборудования или помещения, вызываемых ударной волной, а также выделением вредных веществ (продуктов взрыва или содержащихся в оборудовании). Основным параметром ударной волны, определяющим ее разрушающее и поражающее действие, является избыточное давление. Рис. 2. Характер изменения давления в фиксированной точке пространства в зависимости от времени и результата действия ударной волны на местные предметы: t1 - момент прихода фронта ударной волны в фиксированную точку на местности; t2 - момент падения давления после прохождения ударной волны до нормального; t3 - момент окончания действия ударной волны и слоев воздуха Избыточное давление во фронте ударной волны - это разница между максимальным и атмосферным давлением: ΔP = P1 - P0, Па (кгс/см2). Избыточное давление в данной точке зависит от расстояния до центра взрыва и его мощности (рис. 2). При детонационном горении (детонации) распространение пламени происходит со скоростью, близкой к скорости звука или превышающей ее. Химическая энергия, выделяющаяся в детонационной волне, подпитывает ударную волну, не давая ей затухнуть. В условиях детонации достигается максимальное разрушительное действие взрыва. Поэтому режим детонационного горения принят за расчетный случай для прогнозирования инженерной обстановки при авариях с взрывом. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 154 из 176 Инициирование (зажигание) газовоздушной смеси (ГВС) с образованием очага горения возможно при следующих условиях: • концентрация горючего газа в ГВС должна быть в диапазоне между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени; Нижний концентрационный предел (Снкп) распространения пламени - это такая концентрация горючего газа в смеси с окислительной средой, ниже которой смесь становится неспособной к распространению пламени. Верхний концентрационный предел (Свкп) распространения пламени - это такая концентрация горючего в смеси с окислительной средой, выше которой смесь становится неспособной к распространению пламени. • энергия зажигания от искры, горящей поверхности должна быть не ниже минимальной. Минимальная энергия инициирования (зажигания) (Эи) - наименьшее значение энергии электрического разряда, способное воспламенить смесь стехиометрического состава. Концентрация газа стехиометрического состава (Ссх) - концентрация горючего газа в смеси с окислительной средой, при которой обеспечивается полное без остатка химическое взаимодействие горючего и окислителя смеси. При сгорании ГВС стехиометрического состава образуются только конечные продукты реакции горения, и выделившаяся теплота их сгорания не расходуется. По этой причине продукты сгорания нагреваются до максимальной температуры. К основным факторам, влияющим на параметры взрыва, относят: • массу и тип взрывоопасного вещества; • параметры и условия хранения взрывоопасного вещества или использования в технологическом процессе; • место возникновения взрыва; • объемно-планировочные решения зданий. Последствия взрыва на пожаровзрывоопасных предприятиях определяются в зависимости от условия размещения взрывоопасных продуктов. Если продукты размещаются вне помещений, то принимается, что авария развивается по сценарию взрыва в открытом пространстве. Если технологический аппарат с взрывоопасными продуктами размещен в зданиях, то авария развивается по сценарию взрыва в замкнутом объеме. Следовательно, взрывы на промышленных предприятиях и базах хранения можно разделить на две группы - в открытом пространстве и производственных помещениях. В открытом пространстве на промышленных предприятиях и базах хранения возможны взрывы ГВС, образующихся при разрушении резервуаров со сжатыми и сжиженными под давлением или охлаждением (в изотермических резервуарах) газами, а также при аварийном разливе ЛВЖ. В производственных помещениях , наряду с взрывом ГВС, возможны также взрывы пылевоздушных смесей (ПВС), образующихся при работе технологических установок. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 155 из 176 2 Взрывы газовоздушных смесей (ГВС) в открытом пространстве при детонационном режиме горения С целью проведения расчетов с гарантированным запасом по объему инженерно-спасательных работ, при обосновании исходных данных принимают такой случай разрушения резервуара, чтобы образовавшийся при этом взрыв ГВС произвел максимальное поражающее воздействие. Этот случай соответствует разрушению того резервуара, в котором хранится максимальное количество горючего вещества на рассматриваемом объекте. При взрыве ГВС различают две зоны действия: - детонационная волна - в пределах облака ГВС; - воздушная ударная волна (ВУВ) - за пределами облака ГВС. В зоне облака действует детонационная волна, избыточное давление во фронте которой принимается постоянным в пределах облака ГВС и приблизительно равным ΔР = 17 кгс/см2 (1,7 МПа). 2.1 Расчетные формулы, используемые при прогнозе последствий взрывов газовоздушных смесей В расчетах принимают, что зона действия детонационной волны ограничена радиусом r0, который определяется из допущения, что ГВС после разрушения емкости образует в открытом пространстве полусферическое облако. Объем полусферического облака может быть определен по формуле: (2.1) 2 3 3 V 3 π r0 , м где π = 3,14. Учитывая, что киломоль идеального газа при нормальных условиях занимает 22,4 м, объем образовавшейся ГВС при аварийной ситуации составит: (2.2) 22,4 k Q 100 3 V mk C ,м где k - коэффициент, учитывающий долю активного газа (долю продукта, участвующего во взрыве); принимают в зависимости от способа хранения продукта; Q - количество сжиженных углеводородных газов в хранилище до взрыва, кг; С - стехиометрическая концентрация газа, % по объему; тk - молярная масса газа, кг/кмоль. Из условия равенства полусферы и объема образовавшейся смеси, получим радиус зоны действия детонационной волны: r0 10 3 Qk ,м mk C (2.3) Зона действия ВУВ начинается сразу за внешней границей облака ГВС. Давление во фронте ударной волны ΔР ф зависит от расстояния до центра взрыва, которое можно определить исходя из соотношения ΔР ф = ƒ(r/r0), (2.4) где r - расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 156 из 176 2.2 Пример по прогнозу последствий взрывов ГВС в открытом пространстве Требуется определить избыточное давление во фронте ударной волны (ΔРф), ожидаемое в районе механического цеха при взрыве облака ГВС, образованного при разрушении резервуара с 10 т (Q) сжиженного под давлением пропана. Расстояние от центра взрыва до механического цеха (r) - 300 м. Исходные данные: - вещество, характеризующее смесь - пропан (ГГ); - количество Q = 10 т = 104 кг; - расстояние от центра взрыва r - 300 м; - способ хранения продукта - сжижен под давлением. Определить: избыточное давление во фронте ударной волны - ΔРф. Расчет: 1. Находим по прил. 1 значения коэффициента k: для газов, сжиженных под давлением - k = 0,6. 2. Находим по прил. 2 значения тk, С: пропан - тk = 44 кг/кмоль; С = 4,03 % . 3. Определяем радиус зоны действия детонационной волны по формуле (2.3): r0 10 3 4.Определяем соотношение: 5. По прил. 3 при Qk 10 4 0 ,6 10 3 32 ,3 , м mk C 44 4 ,03 r 300 9 ,3 r0 32 ,2 r 9 ,3определяем давление во фронте ударной волны ΔРф = 12 кПа. r0 3 Взрывы газопаровоздушных (ГПВС) и пылевоздушных смесей (ПВС) в производственных п омещениях Рассмотрим модели воздействия, позволяющие определить поля давлений при прогнозировании последствий взрывов в производственных помещениях. Наиболее типичными аварийными ситуациями в этом случае считаются: разрушение аппарата или трубопровода со смешанными газами или жидкостями; потеря герметичности трубопроводов (разрыв сварного шва, прокладки, отрыв штуцера); разлив жидкостей по полу помещения или по рельефу местности; образование или выброс горючей пыли. В этом случае газо-, паро-, пылевоздушная смесь займет частично или полностью весь объем помещения. Затем этот объем заменяется расчетной сферой (в отличие от полусферы в открытом пространстве), радиус которой определяется с учетом объема помещения, типа и массы опасной смеси. При прогнозировании последствий считают, что процесс в помещении развивается в режиме детонации. 3.1 Расчетные формулы, используемые при прогно зе последствий взрывов ГПВС При взрыве газопаровоздушных смесей зону детонационной волны, ограниченную радиусом r0 , можно определить по формуле r0 1 3 Э , м, 24 (3.1) Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Страница 157 из 176 где 1/24 - коэффициент, м/кДж ; Э - энергия взрыва смеси, кДж. Э = V г п в с · ρ с т х · Qстх, кДж, (3.2) 3 где Vгпвс - объем смеси, м ; ρ с т х - плотность смеси стехиометрического состава, кг/м3; Qстх - энергия взрывчатого превращения единицы массы смеси стехиометрического состава, кДж/кг. Vгпвс 100CVг , (3.3) где Vг - объем газа в помещении, м ; С - стехиометрическая концентрация горючего по объему, %. При объеме ГПВС (V гпвс ) более объема помещения (Vп) объем смеси (V гпвс ) принимают равным свободному объему помещения (V0): V0 = 0,8· Vп, м3 (3.4) Для оперативного прогнозирования последствий взрыва в производственных помещениях расчеты целесообразно проводить для случая, при котором будут максимальные разрушения, то есть когда свободный объем помещения, где расположены емкости с газом, будет полностью заполнен взрывоопасной смесью стехиометрического состава. Тогда уравнение (3.2) по определению энергии взрыва можно записать в виде: 3 Э 100 V0 СТХ QСТХ , кДж С (3.5) Далее принимается, что за зоной детонационной волны с давлением 17 кгс/см2, действует ВУВ. Давление во фронте ударной волны ΔР ф зависит от расстояния до центра взрыва, которое можно определить по формуле (2.4). 3.2 Пример по прогнозу последствий взрывов ГПВС в производственных помещениях Требуется определить избыточное давление во фронте ударной волны (ΔР ф) ГПВС на расстоянии (r1) 30 м от контура помещения при разрушении его ограждающих конструкций. Произошел взрыв этилено-воздушной смеси при разгерметизации технологического блока внутри производственного помещения. Исходные данные: вещество, характеризующее смесь - этилен (ВВ); размеры цеха: длина а - 25 м, ширина b - 15 м, высота h - 4 м; расстояние от контура помещения, r1 - 30 м. Определить: избыточное давление во фронте ударной волны - ΔР ф. Расчет: 1. Находим по приложению 2 значения ρстх; Qстх; С: этилен - ρстх = 1,285 кг/м3; Qстх = 3,01 кДж/кг; С = 6,54 %. 2. Определяем объем помещения: Vп = а·b·h = 25·15·4 = 1500 м3. 3. Определяем свободный объем помещения: V0 = 0,8·Vп = 0,8·1500 = 1200 м3. 4. Определяем энергию взрыва смеси по формуле (4.4): Э 100 V0 СТХ QСТХ 100 1200 1,285 3,01 70969 ,7 ,кДж С 6 ,54 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 158 из 176 5. Определяем радиус зоны детонационной волны, которая образуется при взрыве газопаровоздушных смесей (ГПВС) по формуле (3.1): r0 1 3 1 3 Э 70969 ,7 10 3 17 ,2 м , 24 24 r r1 r0 30 17 ,2 2 ,7. r0 r0 17 ,2 r 9 ,3 определяем давление во фронте ударной волны r0 ΔР ф = 100 кПа (1 кгс/см2). 6. Определяем соотношение 7. По прил. 3 при 3.3 Расчетные формулы, используемые при прогнозе последствий взрывов ПВС При нарушении герметичности технологических аппаратов пыль выбрасывается в помещение, где вместе с накопившейся пылью смешивается с воздухом, образуя ПВС, способную гореть. Искровой разряд приводит к взрывному горению такой смеси. В отличие от ГВС образование взрывоопасного облака ПВС в помещении может происходить в процессе самого горения. Взрыву в большинстве случаев предшествуют локальные микровзрывы (хлопки) в оборудовании, резервуарах и воспламенение в отдельных участках здания, что вызывает встряхивание пыли, осевшей на полу, стенах и других строительных конструкциях и оборудовании. Это приводит к образованию взрывоопасных концентраций пыли во всем объеме помещения, взрыв которой вызывает сильные разрушения. При оперативном прогнозировании последствий при взрыве ПВС принимают, что процесс развивается в детонационном режиме. Зону детонационной волны, ограниченную радиусом r0, можно определить по формуле (3.1), в которой энергия взрыва определяется из выражения Э = m· Q, кДж, (3.6) где Q - удельная теплота сгорания вещества, образовавшего пыль, кДж/кг; m - расчетная масса пыли, кг. При оперативном прогнозировании расчетная масса пыли определяется из условия, что свободный объем помещения будет полностью заполнен взвешенным дисперсным продуктом, образуя при этом ПВС стехиометрической концентрации m где V0 C , кг 1000 (3.7) V0 - свободный объем помещения, м2; С - стехиометрическая концентрация пыли, г/м3. С ≈ φнкпр, (3.8) 3 где φнкпр - нижний концентрационный предел распространения пламени, г/м . Нижний концентрационный предел распространения пламени (φнкпр) это минимальное содержание пыли в смеси с воздухом, при котором возможно возгорание. Значение φнкпр для различных веществ находится в пределах: • неорганических веществ (сера, фосфор) 2-30 г/м3; • пластмасс 20-100 г/м3; • пестицидов и красителей 30-300 г/м3; • шерсти 100-200 г/м3. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 159 из 176 Далее принимается, что за зоной детонационной волны с давлением 17 кгс/см2, действует ВУВ. Давление во фронте ударной волны ΔР ф зависит от расстояния до центра взрыва, которое можно определить по формуле (2.4). 3.4 Пример по прогнозу последствий взрывов ПВС в производственных помещениях Требуется определить избыточное давление во фронте ударной волны (ΔРф) ПВС на расстоянии r 1 - 30 м от контура помещения при разрушении его ограждающих конструкций. Произошел взрыв в цехе по переработке полиэтилена при разгерметизации технологического блока ПВС. Исходные данные: вещество, характеризующее смесь - полиэтилен; размеры цеха: длина а - 25 м, ширина b - 15 м, высота h - 4 м; расстояние от контура помещения: r 1 - 30 м. Определить: избыточное давление во фронте ударной волны - ΔР ф. Расчет: 1. Находим по прил. 4 значения φнкпр; Q: полиэтилен - φнкпр = 45 г/м3; Q = 47,1 кДж/кг. 2. Определяем объем помещения: V п = а·b·h =25·15·4 = 1500 м3. 3. Определяем свободный объем помещения: V0 = 0,8·V п = 0,8·1500 = 1200 м3. 4. Определяем стехиометрическую концентрацию пыли: С = 3·φнкпр = 3·45 = 135 г/м3. 5. Определяем массу пыли исходя из условия, что свободный объем помещения будет полностью заполнен взвешенным дисперсным продуктом, образуя при этом ПВС стехиометрической концентрации: V C 1200 135 m 0 162 кг 1000 1000 6. Определяем энергию взрыва смеси по формуле (3.6): Э = m·Q = 162·47,1=7630,2 кДж. 7. Определяем радиус зоны детонационной волны, которая образуется при взрыве ПВС по формуле (3.1): r0 8. Определяем соотношение 9. По прил. 3 при r 4 ,6 r0 1 3 1 3 Э 7630 ,2 103 8,2 м , 24 24 r r1 r0 30 8,2 4 ,6. r0 r0 8,2 определяем давление во фронте ударной волны ΔР ф = 43 кПа (0,43 кгс/см2). 4 Оценка обстановки в зоне разрушения При выполнении оценки обстановки на пожаровзрывоопасных объектах рекомендуется на план объекта нанести зоны с радиусами, соответственно равными ΔР ф = 100; 50; 30; 20; 10 кПа. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 160 из 176 Для ЧС, вызванных взрывами, при оперативном прогнозировании обстановки принято рассматривать четыре степени разрушения зданий: слабые (10 < ΔР ф < 20 кПа); средние (20 < ΔРф< 30 кПа); сильные (30 < ΔРф < 50 кПа); полные (ΔР ф < 50 кПа). Характеристики степеней разрушения зданий приведены в приложении 5. Обстановку в зоне разрушения принято оценивать показателями, которые могут быть разделены на две группы: - показатели, непосредственно характеризующие инженерную обстановку; - показатели, определяющие объем аварийно-спасательных работ и жизнеобеспечения населения. К основным показателям инженерной обстановки относят: 1) количество зданий, получивших полные, сильные, средние и слабые разрушения; 2) объем завала; 3) количество участков, требующих укрепления (обрушения) поврежденных или разрушенных конструкций; 4) количество аварий на КЭС. Кроме основных показателей, при оценке инженерной обстановки могут определяться вспомогательные показатели, к которым относятся: дальность разлета обломков от контура здания; высота завала. К основным показателям, влияющим на объемы поисково-спасательных работ, относятся: 1) общая численность пострадавших людей; 2) число пострадавших, оказавшихся в завале; 3) число людей, оказавшихся без крова (для жилых районов); 4) потребность во временном жилье. При взрывах на объектах люди поражаются непосредственно ВУВ, осколками остекления и обломками зданий, получивших полные и сильные разрушения, значительная часть людей может оказаться в завалах. Данные показатели используются при определении состава сил и средств, приведенных для ликвидации последствий аварий. На основании анализа материалов случившихся аварий основным фактором, определяющим потери, является степень повреждения зданий. Принимается, что: в полностью разрушенных зданиях выходит из строя 100% находящихся в них людей, при этом полагают, что все пострадавшие находятся в завалах; в сильно разрушенных зданиях выходит из строя до 60% находящихся в них людей, при этом считают, что 50 % из числа вышедших из строя может оказаться в завале, остальные поражаются обломками, стеклами и давлением в волне; в зданиях, получивших средние разрушения, может выйти из строя до 10-15% находящихся в них людей. 4.1 Расчетные формулы, используемые пр и оценке показателей, непосредственно характеризующих инженерную обстановку Рассмотрим порядок определения показателей, характеризующих инженерную обстановку: УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 161 из 176 1. Количество зданий, получивших степени разрушения определяют путем сопоставления давлений, характеризующих прочность зданий и давлений, характеризующих воздействие взрыва. В приложении 6 приведены интервалы давлений, вызывающих ту или иную степень разрушения жилых, общественных и производственных зданий при взрывах ВВ и горючих смесей. 2. Объем завала полностью разрушенного здания определяют по формуле V a bh 100 , м3 (4.1) где а, b, h - длина, ширина и высота здания, м; γ - объем завала, принимаемый для промышленных зданий - γ = 20 м3, для жилых зданий - γ = 40 м3. 3. Объем завала здания, получившего сильную степень разрушения, принимают равным половине от объема завала полностью разрушенного здания. 4. Количество участков, требующих укрепления (обрушения) поврежденных или разрушенных конструкций, принимают из расчета один участок на здание, получившее сильное разрушение. 5. Количество аварий на КЭС принимают равным числу разрушенных вводов коммуникаций в здание (электро-, газо-, тепло- и водоснабжения). Кроме того, проверяется возможность разрушения головных элементов коммуникаций и линий снабжения. Ввод коммуникации считается разрушенным, если здание получило полную или сильную степень разрушения. При отсутствии исходных данных можно принять, что каждое здание имеет четыре ввода коммуникации. 6. Дальность разлета обломков разрушенных зданий определяется для оценки заваливаемости подъездов. Дальность разлета обломков принимают равным половине высоты здания. 7. Высота завала вычисляется для выбора способа проведения спасательных работ. Если высота завала составляет 4-5 м, то более эффективной является проходка галерей в завале, при проведении спасательных работ из заваленных подвалов. Расчеты высоты завала проводят по формуле. H h 100 k h ,м (4.2) где h - высота здания, м; γ - объем завала здания, м3; k - показатель, равный для взрыва вне здания - 2; внутри здания - 2,5. 4.2 Пример по оценки показателей, непосредственно характеризующих инженерную обстановку Требуется определить показатели, непосредственно характеризующие инженерную обстановку, в пределах которой оказались цех № 1, цех № 2 и жилое здание. Произошел взрыв этилено-воздушной смеси при разгерметизации технологического блока внутри производственного помещения. Исходные данные: (таблица 1) Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Страница 162 из 176 Таблица 1 Размеры Избыточное давление Тип здания Цех № 1 а - 25 м, b -15 м, h - 4 м; Цех № 2 а - 35 м, b - 70 м, h - 8 м; Жилое здание а - 40 м, b - 60 м, h -10 м ΔРф = 50 кПа ΔРф = 95 кПа ΔРф = 6 кПа железобетонное крупнопанельное с металлическим каркасом и крановым оборудованием грузоподъемностью до 50 т железобетонное крупно- кирпичное панельное с железобемалоэтажное тонным каркасом и крановым оборудованием грузоподъемностью от 50 до 100 т Определить: показатели, непосредственно характеризующие инженерную обстановку. Расчет: 1. Определяем количество зданий, получивших степень разрушения путем сопоставления давлений, характеризующих прочность зданий (приложение 6) и давлений, характеризующих воздействие взрыва (см. исходные данные). При ΔР ф = 6 кПа степень разрушения жилого здания - слабая; при ΔР ф = 50 кПа степень разрушения цеха № 1 - сильная; при ΔР ф = 95 кПа степень разрушения цеха № 2 - полная. 2. Определяем объем завала полностью разрушенного здания: a b h 20 25 15 4 3 Vпол 100 100 300, м 3. Определяем объем завала здания, получившего сильную степень разрушения: Vсил 300 150 ,0 м 3 2 4.Определяем количество участков, требующих укрепления (обрушения) поврежденных или разрушенных конструкций: т.к. зданий получивших сильное разрушение одно, то количество участков, требующих укрепления (обрушения) поврежденных или разрушенных конструкций - 1. 5.Определяем количество аварий на КЭС: т.к. исходные данные по количеству вводов коммуникаций в здание отсутствуют, то принимаем, что каждое здание имеет четыре ввода коммуникации. Ввод коммуникации считается разрушенным, если здание получило полную или сильную степень разрушения. Количество аварий на КЭС-8. 6.Определяем дальность разлета обломков разрушенных зданий: - дальность разлета обломков для цеха № 1: h/2 = 4/2 = 2 м; - дальность разлета обломков для цеха № 2: h/2 = 8/2 = 4 м; 7. Определяем высоту завала: 300 4 H 100 2,5 4 10,9 м Высота завала составляет 10,9 м, то более эффективной является проходка галерей в завале, при проведении спасательных работ из заваленных подвалов. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 163 из 176 4.3 Расчетные формулы, используемые при оценке показат елей, влияющих на объемы поисково -спасательных работ Рассмотрим порядок определения показателей, влияющих на объемы поисково-спасательных работ: 1. Максимальное количество людей, вышедших из строя в зданиях, составит N о б . з д = N п о л . р + 0,6 ·N с и л . р + 0,15 · N с р . р , чел, (4.3) где N п о л . р , N с и л . р , N с р . р - количество людей, находящихся в зданиях, получивших соответственно полные, сильные и средние разрушения. 2. Безвозвратные потери людей на объекте составят Nб = 0,6 · Nоб.зд., чел, (4.4) где Nоб.зд. - максимальное количество людей вышедших из строя в зданиях. 3.Санитарные потери Nс = Nоб.зд. - Nб, чел. (4.5) где Nоб.зд. - максимальное количество людей вышедших из строя в зданиях; Nб - безвозвратные потери людей. 4.Число пострадавших, оказавшихся в завалах, определяется из выражения Nзав = Nпол.р. + 0,3 · N с и л. р ., чел. (4.6) где Nпол.р., N с и л . р - количество людей, находящихся в зданиях, получивших соответственно полные и сильные разрушения. 5.Число людей, оказавшихся без крова, принимается равным численности людей, проживающих в зданиях, получивших конкретные степени разрушения. 6.Потребность в жилой площади во временных зданиях, домиках и палаточных городках может быть определена из расчета размещения: 3-4 человека (или 1 семья) в комнате сборно-разборного домика, площадью 8-10 м2; 4-5 человек (или 1 семья) в одной лагерной палатке; до 20 человек в палаточном общежитии УСБ-56 и до 30 коек при использовании УСБ-56 для развертывания больниц и медицинских пунктов при двухъярусном размещении больных. 4.4 Пример по оценки показателей, влияющих на объемы поисково-спасательных работ Требуется определить показатели, влияющие на объемы поисково-спасательных работ, в пределах которой оказались цех № 1, цех № 2 и жилое здание при взрыве облака ГВС, образованного при разрушении резервуара со сжиженным под давлением пропаном. Исходные данные: (таблица 2) Таблица 2 Избыточное давл ение Количество людей, чел. Цех № 1 ΔР ф = 50 кПа 200 Цех № 2 ΔР ф = 95 кПа 100 Жилое здание ΔР ф = 6 кПа 150 Определить: показатели, влияющие на объемы поисково-спасательных работ. Расчет: 1. Используя показатели инженерной обстановки (п. 4.2) определяем количество людей, находящихся в зданиях, получивших: полные разрушения - Nпол.р. = 200 чел.; сильные разрушения - N с и л . р = 0,6 100 = 60 чел. 2. Определяем максимальное количество людей, вышедших из строя в зданиях: УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 164 из 176 Nоб.зд. = 200 + 60 + 0 = 260, чел. 3. Определяем безвозвратные потери людей на объекте: Nб = 0,6 · 260 = 156, чел. 4. Определяем санитарные потери: Nс = 260 -156 = 104, чел. 5. Определяем число пострадавших, оказавшихся в завалах: Nзав. = 200 + 0,3 · 60 = 218, чел. 6. Определяем число людей, оказавшихся без крова: т.к. жилое здание получило слабую степень разрушения, то людей, оказавшихся без крова - нет. 7. Потребности в жилой площади во временных зданиях, домиках и палаточных городках - нет. 5. Задания на самостоятельную работу 5.1. Прогноз последствий взрывов ГВС в открытом пространстве при детонационном режиме г орения Используя исходные данные таблицы 3 требуется определить избыточное давление во фронте ударной волны (ΔР ф), ожидаемое в районе жилого здания и цехов при взрыве облака ГВС, образованного при разрушении резервуара с Q т вещества, характеризующее газовоздушную смесь. Для всех вариантов расстояние от центра взрыва - до жилого здания - r1= 800 м, - до цеха № 1 - r2 = 500 м, - до цеха № 2 -r3 = 300 м. Расчетные формулы, используемые при прогнозе последствий взрывов ГВС приведены (п. 2.1). Пример по прогнозу последствий взрывов ГВС в открытом пространстве (п. 2.2). Таблица 3 № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Вещество, характеризующее смесь Аммиак Гексан Пропан Ацетилен Метан Бензол Бутилен Этилен Пропилен Толуол Водород Пентан Бутан Ксилол Окись углерода Условные обозначения* ГГ ЛВЖ ГГ ВВ ГГ ЛВЖ ГГ ВВ ГГ ЛВЖ ГГ ЛВЖ ГГ ЛВЖ ГГ Количество вещества, Q, т 250 500 750 1000 250 500 750 1000 250 500 750 1000 250 500 750 Способ хранения продукта Резервуар Аварийный разлив Сжижен под давлением Резервуар Резервуар Аварийный разлив Сжижен под давлением Резервуар Сжижен охлаждением Аварийный разлив Резервуар Аварийный разлив Сжижен под давлением Аварийный разлив Резервуар * ГГ - горючий газ; ВВ - взрывоопасное вещество; ЛВЖ - легковоспламеняющаяся жидкость. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 165 из 176 5.2 Прогноз последствий взрывов ГПВС в производственных помещениях Используя исходные данные таблицы 4 требуется определить избыточное давление во фронте ударной волны (ΔРф) ГПВС на расстоянии - r1 м от контура помещения при разрушении его ограждающих конструкций. Произошел взрыв ГПВС при разгерметизации технологического блока внутри производственного помещения (размеры цеха: длина - а, м, ширина - b, м, высота - h, м). Расчетные формулы, используемые при прогнозе последствий взрывов ГПВС приведены (п. 3.1). Пример по прогнозу последствий взрывов ГПВС в производственных помещениях (п. 3.2). Таблица 4 Исходные данные для самостоятельного решения № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Вещество, характ еризующее смесь Аммиак Гексан Пропан Ацетилен Метан Бензол Бутилен Этилен Пропилен Толуол Водород Пентан Бутан Ксилол Окись углерода Условные обозначения* ГГ ЛВЖ ГГ ВВ ГГ ЛВЖ ГГ ВВ ГГ ЛВЖ ГГ ЛВЖ ГГ ЛВЖ ГГ Размеры ц еха, а, b, h, м 100, 10, 6 80, 12, 5 70, 15, 4 60, 20, 4 50, 25, 4 40, 25, 5 30, 20, 4 35, 15, 5 45, 12, 4 55, 10, 6 65, 8, 5 75, 6, 4 85, 10, 5 90, 12, 5 120, 15, 6 Расстояние от контура помещения r1, м 15 14 13 12 10 25 16 12 18 24 28 35 24 35 6 5.3 Прогноз последствий взрывов ПВС в производственных помещениях Используя исходные данные таблицы 5 требуется определить избыточное давление во фронте ударной волны (ΔРф) ПВС на расстоянии - r1 м от контура помещения при разрушении его ограждающих конструкций. Произошел взрыв в цехе при разгерметизации технологического блока ПВС (размеры цеха: длина - а, м, ширина - b, м, высота - h, м). Расчетные формулы, используемые при прогнозе последствий взрывов ПВС приведены (п. 3.3). Пример по прогнозу последствий взрывов ПВС в производственных помещениях (п. 3.4). УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 166 из 176 Таблица 5 Исходные данные для самостоятельного решения № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Вещество, характеризующее смесь Полистирол Полиэтилен Метилцеллюлоза Полиоксадиазол Сера Полиэтилен Нафталин Фталиевый анг идрид Уротропин Адипиновая кислота Сера Алюминий Нафталин Полистирол Уротропин Размеры цеха а, b, h, м 100, 10, 6 80, 12, 5 70, 15, 4 60, 20, 4 50, 25, 4 40, 25, 5 30, 20, 4 35, 15, 5 45, 12, 4 55, 10, 6 65, 8, 5 75, 6, 4 85, 10, 5 90, 12, 5 120, 15, 6 Расстояние от контура помещения r1, м 15 14 13 12 10 25 16 12 18 24 28 35 24 35 6 5.4 Определение показателей, непосредственно характеризующих инженерную обстановку Используя исходные данные таблиц 6 и 7 требуется определить показатели, непосредственно характеризующие инженерную обстановку, в пределах которой оказались цех № 1, цех № 2 и жилое здание. Произошел взрыв ГВС при разгерметизации технологического блока внутри производственного помещения. Расчетные формулы, используемые при оценке показателей, непосредственно характеризующих инженерную обстановку приведены (п. 4.1). Пример по оценки показателей, непосредственно характеризующих инженерную обстановку приведен (п. 4.2). Таблица 6 № варианта 1 1 2 3 Типы здания Жилое здание Цех № 1 Цех № 2 3 Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым оборуд ованием грузоподъемн остью до 50 т 4 Железобетонное крупноп анельное с металлическим каркасом и кран овым обор удованием грузоподъемн остью от 50 до 100 т Кирпичное Железобетонное крупноп амногоэтажное нельное с железобетонным каркасом и крановым оборуд ованием грузоподъемн остью от 50 до 100 т Железобетон- Железобетонное крупноп аное нельное с металлическим ка ркрупнопанель- касом и крановым оборудов аное нием г рузоподъемностью до 50 малоэтажные т Складские помещения с м еталлическим каркасом и ст енами из листового металла 2 Кирпичное малоэтажное Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым обор удованием грузопод ъемностью от 50 до 100 т УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 167 из 176 Продолжение таблицы 6 4 5 Железобетонное крупнопанельное многоэтаж ные Железобетонное крупноп анельное с металлическим ка ркасом и крановым оборудов анием г рузоподъемностью от 50 до 100 т Железобетонное Складские помещения с мета лмонолитное лическим каркасом и стенами многоэтажное из листового металла 6 Железобетонное монолитное повышенной этажности 7 Каменное малоэтажное 8 Каменное многоэтажные 9 Кирпичное малоэтажное 10 11 12 13 Железобетонное крупноп анельное с металлическим ка ркасом и крановым оборудов анием г рузоподъемн остью до 50 т Железобетонное крупноп анельное с металлическим ка ркасом и крановым оборудов анием г рузоподъемн остью от 50 до 100 т Складские помещения с мета ллическим каркасом и стенами из листового металла Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым оборуд ованием грузоподъемн остью от 50 до 100 т Кирпичное Железобетонное крупноп амногоэтажное нельное с железобетонным каркасом и крановым оборуд ованием грузоподъемн остью до 50 Железобетонное Складские помещения с металкрупнопанельное лическим каркасом и стенами малоэтажные из листового металла Железобетонное крупноп анельное с металлическим каркасом и крановым обор удованием грузоподъемн остью до 50 т Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым обор удованием грузоподъемн остью до 50 т Железобетонное крупноп анельное с металлическим каркасом и крановым о борудованием грузоподъемн остью от 50 до 100 т Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым обор удованием грузоподъемн остью до 50 т Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым обор удованием грузоподъемн остью до 50 т Складские помещения с м еталлическим каркасом и ст енами из листового мета лла Железобетонное крупноп анельное с металлическим каркасом и крановым обор удованием грузоподъемн остью до 50 т Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым обор удованием грузоподъемн остью от 50 до 100 т Железобетонное Железобетонное крупноп аЖелезобетонное крупноп акрупнопанельное нельное с мета ллическим ка р- нельное с металлическим многоэтажные касом и крановым оборудов а- каркасом и крановым обор унием г рузоподъемн остью от 50 дованием грузоподъемн одо 100 т стью до 50 т Железобетонное Железобетонное крупноп аЖелезобетонное крупноп амонолитное нельное с металлическим ка р- нельное с металлическим многоэтажное касом и крановым оборудов а- каркасом и крановым обор унием г рузоподъемн остью до 50 дованием грузоподъемн от стью от 50 до 100 т УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 168 из 176 Продолжение таблицы 6 14 Железобетонное монолитное повышенной этажности 15 Каменное малоэтажное Таблица 7 № варианта 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым оборуд ованием грузоподъемн остью от 50 до 100 т Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым оборуд ованием грузоподъемн остью до 50 т Складские помещения с м еталлическим каркасом и ст енами из листового м еталла Железобетонное крупноп анельное с железобетонным каркасом и крановым обор удованием грузоподъемн остью от 50 до 100 т Исходные данные для самостоятельного решения Типы зданий 2 Кирпичное мал оэтаж ное Кирпичное многоэта жное Железобетонное крупнопанел ьное малоэтажное Железобетонное крупнопанел ьное многоэтажные Железобетонное монолитное многоэтажное Железобетонное монолитное п овышенной этажности Каменное малоэта жное Каменное многоэта ж ные Железобетонное крупнопанел ьное с металлическим карк асом и крановым оборудованием груз оподъемностью до 50 т Железобетонное крупнопанел ьное с металлическим карк асом и крановым оборудованием груз оподъемностью от 50 до 100 т Железобетонное крупнопанел ьное с железобетонным ка ркасом и крановым оборудованием гр узоподъемностью до 50 т Железобетонное крупнопанел ьное с железобетонным ка ркасом и крановым оборудованием гр узоподъемностью от 50 до 100 т Складские помещения с мета ллическим каркасом и стенами из листового металла Железобетонное монолитное п овышенной этажности Железобетонное крупноп анельное с металлическим карк асом и крановым оборудованием грузоподъемностью до 50 т Размеры здания, м Количество ΔР ф, выдлина ширина сота людей, чел. кПа 3 4 5 6 7 150 20 10 160 12 200 30 15 450 40 300 40 25 200 12 180 40 18 480 30 250 40 20 300 35 350 50 30 600 40 60 100 500 60 30 160 50 5 15 12 60 100 10 11 50 740 200 12 60 120 620 300 15 454 70 800 150 20 140 130 170 100 30 8 25 255 50 125 450 55 200 45 35 120 110 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 169 из 176 5.5 Определение показателей, влияющих на объемы поисково-спасательных работ Используя исходные данные таблиц 4 и 5 требуется определить показатели, влияющие на объемы поисково-спасательных работ, в пределах которой оказались цех № 1, цех № 2 и жилое здание при взрыве облака ГВС, образованного при разрушении резервуара со сжиженным под давлением пропаном. Расчетные формулы, используемые при оценке показателей, влияющих на объемы поисково-спасательных работ приведены (п. 4.3). Пример по оценки показателей, влияющих на объемы поисково-спасательных работ приведены (п. 4.4). Контрольные вопросы к практическому занятию № 8 1. Какие объекты относят к пожаровзрывоопасным? 2. Что называется горением? 3. Что называют распространением пламени? 4. Каким может быть горение в зависимости от скорости распространения пламени? 5. Что называется ударной волной? 6. Что называют фронтом ударной волны? 7. Каким основным параметром ударной волны определяется ее разрушающее и поражающее действие? 8. При каких условиях возможно инициирование газовоздушной среды с образованием очага горения? 9. Что называется нижним и верхним концентрационным пределом распространения пламени? 10. Что называют минимальной энергией инициирования? 11. Что называют концентрацией газа стехиометрического состава? 12. Что является основными факторами, влияющими на параметры взрыва? 13. Назовите две группы, на которые можно разделить взрывы на промышленных предприятиях и базах хранения. 14. Какие две зоны действия различают при взрыве ГВС? 15. Перечислите основные показатели инженерной обстановки. 16. Перечислите основные показатели, влияющие на объемы поисково-спасательных работ. Приложение 1 Значение коэффициента k Способ хранения продукта Резервуар с газообразным веществом Газ, сжиженный под давлением Газ, сжиженный охлаждением (хранящийся в изотермических емкостях) Аварийный разлив ЛВЖ k 1 0,6 0,1 0,05 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 170 из 176 Приложение 2 Основные характеристики газопаровоздушных смесей Характеристики смеси Вещество, Формула характеризующее вещества, образу- m к , ρстх , Qстх , смесь ющего смесь кг/кмоль кг/м кДж/кг Газовоздушная смесь (ГВС) Аммиак СН3 15 1,180 2,370 Ацетилен С2Н2 26 1,278 3,387 Бутан С4Н10 58 1,328 2,776 Бутилен С4Н8 56 1,329 2,892 Водород Н2 2 0,933 3,425 Метан СН4 16 1,232 2,763 Окись углерода СО 28 1,280 2,930 Пропан С3Н8 44 1,315 2,801 Пропилен С3Н6 42 3,314 2,922 Этилен С2Н4 28 1,285 3,010 Паровоздушные смеси (ПВС) Бензол С6Н6 78 1,350 2,937 Гексан С6Н14 86 1,340 2,797 Ксилол С6Н10 106 1,355 2,830 Пентан С5Н12 72 1,340 2,797 Толуол С7Н8 92 1,350 2,843 С, об. % 19,72 7,75 3,13 3,38 29,59 9,45 29,59 4,03 4,46 6,54 2,84 2,16 1,96 2,56 2,23 Приложение 3 Давление во фронте ударной волны в зависимости от расстояния до шнура взрыва 0-1 1,01 1,04 1,08 1,2 1,4 1,8 2,7 r/ r 0 1700 1232 814 568 400 300 200 100 ΔР ф, кПа 3 4 5 6 8 12 20 — r/ r 0 80 50 40 30 20 10 5 — ΔР ф, кПа Приложение 4 Показатели взрывных явлений пыли Вещество φнкпр. г/м3 Полистирол 27,5 Полиэтилен 45,0 Метилцеллюлоза 30,0 Полиоксадиазол 18,0 Пигмент зеленый (краситель) 45,0 Пигмент бордо на полиэтилене 39,0 Нафталин 2,5 Фталиевый ангидрид 12,6 Уротропин 15,0 Адипиновая кислота 35,0 Сера 2,3 Алюминий 58,0 Q, кДж/кг 39,8 47,1 11,8 18,0 42,9 42,9 39,9 21,0 28,1 19,7 8,2 30,13 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 171 из 176 Приложение 5 Характеристика степеней разрушения зданий Характеристика разрушения Степени разрушения Частичное разрушение внутренних перегородок, кровли, дверных и Слабые оконных коробок, легких построек и др. Основные несущие конструкции сохраняются. Для полного восстановления требуется капитальный ремонт. Разрушение меньшей части несущих конструкций. Большая часть неСредние сущих конструкций сохраняется и лишь частично деформируется. Может сохраняться часть ограждающих конструкций (стен), однако при этом второстепенные и несущие конструкции могут быть частично разрушены. Здание выводится из строя, но может быть восстановлено. Сильные Разрушение большей части несущих конструкций. При этом могут сохраняться наиболее прочные элементы здания, каркасы, ядра жесткости, частично стены и перекрытия нижних этажей. При сильном разрушении образуется завал. Восстановление возможно с использованием сохранившихся частей и конструктивных элементов. В большинстве случаев восстановление нецелесообразно. Приложение 6 Степени разрушения зданий от избыточного давления при взрывах взрывчатых веществ и горючих смесей Типы зданий Степени разрушения и избыточные давления, кПа слабые средние сильные полные Кирпичные и каменные: - малоэтажные 8-20 20-35 35-50 50-70 - многоэтажные 8-15 25-30 30-45 45-60 Железобетонные крупнопанельные: - малоэтажные; 10-30 30-45 45-70 70-90 - многоэтажные. 8-25 25-40 40-60 60-80 Железобетонные монолитные: - многоэтажные; 25-50 50-115 115-180 180-250 - повышенной этажности 25-45 45-105 105-170 170-215 Железобетонные крупнопанельные с железобетонным и металлическим каркасом и крановым оборудованием грузоподъемностью, в тоннах: - до 50; 5-30 30-45 45-75 75-120 - от 50 до 100. 15-45 45-60 60-90 90-135 Складские помещения с металлическим каркасом и стенами из листового 5-10 10-20 20-35 35-45 металла Редакция № 3 от 30.09.2011 УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Страница 172 из 176 4 Самостоятельная работа - СРСП и СРС При кредитной системе обучения предъявляются высокие требования к повышению качества организации самостоятельной работы студента, которая включает выполнение различных домашних заданий. Самостоятельная работа студента под руководством преподавателя – одна из форм учебной работы при кредитной системе обучения, которая проводится в виде аудиторного занятия в диалоговом режиме, а также в виде консультаций во внеаудиторное время. Содержание самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя и самостоятельной работы студента приведено в таблице 1. Таблица 1 № п/п 1 1 Лит. 2. Планы СРСП И СРС СРСП аудиторная 2 Тема 1. Введение. Цели и задачи курса «Теория горения и взрыва» 1.1 Основные термины, определения и понятия теории горения и взрыва– 1,5 часа СРС внеаудиторная 3 Раздел 1. Теория горения 1.2 Основоположники современной теории горения и взрыва– 1,5 часа 4 1.3 Основные положения закона РК «О пожарной безопасности»– 3,0 часа 1.1, 1.2, 2.1 Тема 2. Физико-химические основы процессов горения и взрыва 2.1 Сущность процесса горения. Горение. Окисление. - 1,5 часа Лит. 3. 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 Лит. 4 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 Лит. 5 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 Лит. 6 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.5 Лит 7 1.1, 1.2, 1.7, 1.8, 2.1, 2.2, 2.4 Лит. 8 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 2.1, 2.2, 2.4 Лит. 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 2.1, 2.2, 2.4 Тема 3. Состав продуктов горения (часть I) 3.1. Горение жидкостей – 1,5 часа Тема 4. Состав продуктов горения (часть II) –4.1 Виды и характеристика горючих веществ - 1,5 часа Тема 5. Пламя 5.1 Виды пламени – 1,5 часа Тема 6. Показатели пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов 6.1 Классификация пожароопасных веществ; 6.2 Температура самонагревания. Тепловое самовозгорание – 1,5 часа Тема 7. Пожары (часть I) 7.1 Пожар. Пожарная опасность. Показатели пожарной опасности веществ – 1,5 часа Тема 8. Пожары (часть II) 8.1 Стадии (фазы) развития пожара и условия, способствующие его распространению – 1,5 часа 2.2 Условия, необходимые для горения 2.3 Условия прекращения процесса горения – 1,5 часа 2.4 Виды и характеристика горючих веществ - 3,0 часа 3.2 Горение газов – 1,5 часа 3.3 Горение твердых веществ и пылей – 3,0 часа 4.2 Дым. Продукты горения топлива – 1,5 часа 4.3 Опасные продукты горения и их действие на организм человека – 3,0 часа 5.2 Диффузионное пламя, его строение - 1,5 часа 5.3 Зависимость длины пламени от скорости движения горючей смеси – 3,0 часа 6.3 ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов номенклатура показателей и методы их определения» - 1,5 часа 6.4 Минимальная энергия зажигания; 6.5 Температурные и концентрационные пределы распространения пламени – 3,0 часа 7.2 Параметры пожаров, их классификация – 1,5 часа 7.3 Особенности лесных, нефтяных и газовых пожаров– 3,0 часа 8.2 Последствия пожаров – 1,5 часа 8.3 Статистика и прогнозирование пожаров – 3,0 часа УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 173 из 176 Раздел 2. Теория взрыва 9.2 Взрыв. Характерные особенности 9.3 Химический взрыв; Тема 9. Взрывы 9.1 История взрыва: основные этапы– возникновения и развития – 1,5 часа 9.4 Физический взрыв; 1,5 часа 9.5 Детонация– 3,0 часа 9 Лит. 10 1.1, 1.2, 1.5, 2.8, 2.1, 2.3, 2.5 Лит 11 1.1, 1.2, 1.6, 2.1, 2.3, 2.5 Лит. 12 1.1, 1.2, 1.6, 2.1, 2.3, 2.5 Лит 1.1, 1.2, 2.1, 2.3, 2.5 Тема 10. Взрывчатые вещества (часть I) 10.1 Порох. Характеристика и применение – 1,5 часа Тема 11. Взрывчатые вещества 11.2 ГОСТ 12.1.010-76 ССБТ «Взрывобезопасность»– 1,5 часа (часть II) 11.1 Тротил, история возникновения, характеристика и области применения – 1,5 часа Тема12. Взрывная ударная волна (часть I) 12.1 Параметры взрыва и его последствия. Ударная волна – 1,5 часа Тема 13. Взрывная ударная волна (часть II) 13.1 Расчет избыточного давления для газовоздушных смесей при взрыве в помещении – 1,5 часа 13 10.2 ГОСТ 12.1.011-78 ССБТ «Смеси взрывоопасные. Классификация и методы их определения»– 1,5 часа Лит 14 1.1, 1.2, 2.1, 2.3, 2.5 Лит. 15 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.4 Тема 14.– Мероприятия по профилактике аварий на пожаро- и взрывоопасных объектах, защите персонала и населения (часть I) 14.1 Система оповещения о пожаре 1,5 часа Тема 15. Мероприятия по профилактике аварий на пожаро- и взрывоопасных объектах, защите персонала и населения (часть II) 15.1 Меры пожарной безопасности 1,5 часа Лит 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.4 Итого 22,5 10.3 Виды и характеристика ВВ (нитроглицерина, тринитротолуола, гремучей ртути, динамита, гексогена, ТЭН) – 3,0 часа 11.3 Взрывоопасный объект (ВОО)– 3,0 часа 12.2 Действия взрыва на человека – 1,5 часа 12.3 Тепловое действие взрыва – 3,0 часа 13.2 Действия взрыва на здания, сооружения, оборудование – 1,5 часа 13.3 Осколочное действие взрыва – 3,0 часа 14.2 Способы эвакуации населения – 1,5 часа 14.3 Характеристика основных огнетушащих веществ – 3,0 часа 15.2 Рекомендации населению по профилактике пожаров и взрывов в быту – 1,5 часа 15.3 Защита предприятий и населения от поражающих факторов пожаров и взрывов – 3,0 часа 22,5 45 Литература 1 Основная 1.1 Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справ. Изд./ А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов, А.Я. Корольченко и др. – М.: Химия, 1987; 1.2 Арутюнов В.А., Миткалинный В.И., Старк С.Б. Металлургическая теплотехника, Т.1. – М.: Металлургия, 1974; 1.3 ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ «Пожарная безопасность. Общие требования»; 1.4 ГОСТ 12.1.033-81 ССБТ «Пожарная безопасность. Термины и определения»; 1.5 ГОСТ 12.1.010-76 ССБТ «Взрывобезопасность»; 1.6 ГОСТ ССБТ 12.1.011-78 ССБТ «Смеси взрывоопасные. Классификация и методы их определения»; УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 174 из 176 1.7 ГОСТ 12.1.044-89 (с изм. 1 2000)ССБТ «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов номенклатура показателей и методы их определения»; 1.8 ГОСТ 12.1.041-83 ССБТ «Пожаровзрывоопасность горючих пылей. Общие требования». 2 Дополнительная 2.1 Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. – М.: Издательство МГУ, 1957, 442с. 2.2 Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. – М.: Химия, 1977, 320с. 2.3 Фролов Ю.В. (ред) Теория горения и взрыва. – М.: Наука, 1981, 412с. 2.4 Померанцев В.В., Арефьев К.М., Ахмедов Д.В. и др. Основы практической теории горения. – Л.: Энергоатомиздат, 1986, 309с. 2.5 Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. – М.: Мир, 1968, 592с. 2.6 Вильямс Ф.А. Теория горения. - М.: Наука, 1971, 150с. 2.7 Гарднер У. (ред) Химия горения. – М.: Мир, 1988, 461с. 2.8 Фарадей М. История свечи, М.: Наука, 1980. УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 175 из 176 5 Экзаменационные вопросы по дисциплине «Теория горения и взрыва» Теория горения 1. Цели и задачи курса «Теория горения и взрыва». Общее представление о процессе горения; 2. Физико-химические основы горения и взрыва. Условия необходимые для горения и взрыва; 3. Виды горения (полное и неполное горение, гомогенное и гетерогенное горение, дефлаграционное горение, взрыв, детонация); 4. Диффузионное и кинетическое горение; 5. Горение газов; 6. Горение жидкостей; 7. Горение твердых веществ; 8. Горение пылей; 9. Расход воздуха при горении (стехиометрическая смесь, стехиометрический коэффициент); 10.Состав продуктов горения. Уравнения реакций диссоциации. Уравнения баланса элементов; 11.Адиабатическая температура горения; 12.Теория цепных реакций академика Н.Н.Семенова; 13.Типы цепных реакций; 14.Цепное воспламенение. Характер воспламенения по Д.А. ФранкуКаменецкому; 15.Продукты сгорания. Дым; 16.Теплота сгорания. Виды теплоты сгорания; 17.Расчет теплоты сгорания; 18.Температура горения топлива; 19.Характеристика и понятие пламени. Виды пламени; 20.Структура и длина пламени; 21.Стабилизация пламени; 22.Определение пожаровзрывоопасности. Группы горючести; 23.Показатели пожаровзрывоопасности газов; 24.Показатели пожаровзрывоопасности жидкостей; 25.Показатели пожаровзрывоопасности твердых веществ; 26.Показатели пожаровзрывоопасности пылей; 27.Классификация помещений по пожаровзрывоопасности; 28.Классификация строительных конструкций по возгораемости. Огнестойкость зданий; 29.Пожар. Виды и параметры пожаров. 30.Причины пожаров и взрывов на производстве. Последствия пожаров; Теория взрыва 31.Взрывы. Общая характеристика взрывных явлений; 32.История взрыва: основные этапы; 33.Краткие сведения о взрывчатых веществах; 34.Классификация взрывчатых веществ по взрывчатым свойствам; 35.Характеристики взрывчатых веществ; 36.Виды взрывов (физический, химический, аварийный, детонационный). Взрывоопасный объект; УМК 042-14.4.05.1.20.45/03-2011 Редакция № 3 от 30.09.2011 Страница 176 из 176 37.Виды взрывов (дефлаграционный, сосредоточенный, объемный, под высоким давлением). Взрывоопасный объект; 38.Понятие о воздушной ударной волне. Механизм образования воздушной ударной волны. Фазы развития ударной волны; 39.Перечислить, дать определение, указать формулы и единицы измерения основных параметров ударной волны; 40.Перечислить и охарактеризовать степени разрушения зданий от действия взрыва; 41.Действия взрыва на здания, сооружения, оборудование. Зоны действия взрыва. Какими показателями характеризуются (расчетные формулы, единицы измерения); 42.Действия взрыва на человека. Классификация и характеристика поражений человека от действия ударной волны; 43.Расчет избыточного давления для газовоздушных смесей при взрыве в помещении; 44.Два типа порохов. Характеристика и применение порохов; 45.Характеристика нитроглицерина, тринитротолуола и гремучей ртути, как мощных взрывчатых веществ; 46.Вторичное взрывчатое вещество – динамит, его характеристика, история возникновения и области применения; 47.Взрывчатое вещество – гексоген, история возникновения, характеристика и области применения; 48.Взрывчатое вещество – тротил, история возникновения, характеристика и области применения; 49.Характеристика тетранитропентаэритрита (ТЭН), как мощного взрывчатого веществ; 50.Понятие пожарной профилактики; 51.Мероприятия по профилактике аварий на пожаро- и взрывоопасных объектах (организационные, технические, эксплуатационные, режимного характера); 52.Меры по предотвращению взрывов; 53.Предотвращение инициирования горения; 54.Защита персонала и оборудования на взрывоопасных объектах. Рекомендации населению по профилактике пожаров и взрывов в быту.
