Глава 3. Аварии и катастрофы на пожаро- и взрывоопасных объектах экономики

К пожаро- и взрывоопасным ОЭ относится большинство элементов хозяйственного комплекса страны. Источниками пожаров и взрывов являются: емкости с легковоспламеняющимися, горючими или ядовитыми веществами; склады взрывоопасных и сильно дымящих составов; взрывоопасные технологические установки, коммуникации, разрушение которых приводит к пожарам, взрывам и загазованности территории; железные дороги и др. [2,22,26, 46,48].

При этом прогнозируются последствия:

q утечек газов и распространения токсичных дымов;

q пожаров и взрывов в колодцах, цистернах и других емкостях;

q нарушений технологических процессов, особенно связанных с вредными веществами или опасными методами обработки;

q воздействия шаровых молний, статического электричества;

q взрывов паров ЛВГЖ;

q нагрева и испарения жидкостей из емкостей и поддонов;

q рассеивания продуктов горения во внутренних помещениях;

q токсического воздействия продуктов горения и других реакций;

q тепловой радиации при пожарах;

q распространения в строениях пламени и огневого потока в зависимости от расположения стен и внутренней планировки.

При оценке планировки территории ОЭ определяется влияние плотности и типа застройки на возможность возникновения и распространения пожаров и на образование завалов.

Особое внимание обращается на участки, где могут возникнуть вторичные поражающие факторы: прежде всего, учитывается возможность образования УВВ при взрыве сосудов, работающих под давлением. При этом рассматривается суммарный эффект от воздействия динамического напора и статического избыточного давления.

Большинство пожаров связано с горением твердых материалов, хотя начальная стадия пожара обычно связана с горением жидких и газообразных горючих веществ, которых в современном производстве предостаточно. Образование пламени связано с газообразным состоянием вещества. Даже при горении твердых или жидких веществ происходит их переход в газообразное состояние. Этот процесс перехода для жидких веществ заключается в простом кипении с испарением у поверхности, а для твердых - с образованием продуктов достаточно низкой молекулярной массы, способных улетучиваться с поверхности твердого материала и попадать в область пламени (явление пиролиза).

Из-за воздействия так называемого «светового импульса» происходит загорание или устойчивое горение конкретных материалов. Возможная пожарная обстановка оценивается комплексно с учетом воздействия ударной волны и величины «светового импульса», огнестойкости сооружений, категории их пожаро- и взрывоопасности.

В соответствии с требованиями строительных норм и правил (СНиП 2.09.01-85) все строительные материалы и конструкции делятся по возгораемости на группы:

q несгораемые, которые под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (камень, железобетон, металл);

q трудно сгораемые материалы, которые под действием огня и высокой температуры с трудом воспламеняются; тлеют или обугливаются только при наличии источника огня, а при его отсутствии горение или тление прекращается (глиносоломенные смеси, асфальтобетон);

q сгораемые материалы, которые под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются или тлеют (древесина, картон).

Под огнестойкостью понимают сопротивляемость строения огню, что характеризуется группой горючести и пределом огнестойкости (СНиП 2.01.02-85). Самыми опасными являются сооружения, выполненные из сгораемых материалов. Но даже если сооружение выполнено из несгораемых материалов, оно выдерживает воздействие огня определенное время. Предел огнестойкости конструкции определяется временем (в часах), в течение которого не появляются сквозные трещины, сама конструкция не теряет несущей способности, не обрушивается и не нагревается до температуры выше 200°С на противоположной от огня стороне.

По степени огнестойкости сооружения бывают:

q I и II степени огнестойкости - основные конструкции таких сооружений выполнены из несгораемых материалов;

q III степени огнестойкости - строения с каменными стенами и деревянными оштукатуренными перекрытиями;

q IV степени огнестойкости - деревянные оштукатуренные дома;

q V степени огнестойкости - деревянные строения.

Согласно принятым нормам все объекты - в соответствии с характером технологического процесса по пожаро- и взрывоопасности - делят на категории (ГОСТ 12.1.004-91, ОНТП 24-96):

q категория А (взрыво- и пожароопасные) - горючие газы, ЛВГЖ с температурой вспышки ниже 28°С в количестве, достаточном для образования ТВС и УВВ с избыточным давлением более 5 кПа;

q категория Б (взрыво- и пожароопасные) - горючие пыли, волокна, ЛВГЖ с температурой вспышки выше 28°С в количестве, достаточном для образования взрывоопасных ГВС и УВВ с избыточным давлением более 5 кПа;

q категории В1...В4 (пожароопасные) - горючие и трудногорючие материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или другими веществами только гореть [46];

q категория Г - негорючие материалы в горячем состоянии, при обработке которых выделяется световая энергия, искры или пламя;

q категория Д - предприятия по холодной обработке и хранению металла и других несгораемых материалов.

Горение - химическая реакция окисления с выделением большого количества тепла и света. Для горения необходимо наличие горючего вещества, окислителя (кислород, хлор, фтор, окислы азота, бром) и источника загорания (импульса).

Горение может быть гомогенным (исходные вещества имеют одинаковое агрегатное состояние: горение газов) или гетерогенным (исходные вещества имеют разные агрегатные состояния: твердые или жидкие горючие вещества). В зависимости от скорости распространения пламени горение делят на дефлаграционное (несколько метров в секунду), взрывное (десятки метров в секунду) или детонационное (тысячи метров в секунду). Пожары характеризуются дефлаграционным горением.

Различают три вида самоускорения химической реакции горения: тепловой, цепной и комбинированный. Реальные процессы горения идут по комбинированному механизму самоускорения (цепочно-тепловому).

Процесс возникновения горения имеет несколько этапов:

q вспышка - быстрое сгорание горючей смеси без образования сжатых газов;

q возгорание - возникновение горения под действием источника загорания;

q воспламенение - возгорание с появлением пламени;

q самовозгорание - явление резкого увеличения скорости экзотермической реакции, приводящей к возникновению горения при отсутствии источника загорания;

q самовоспламенение - самовозгорание с появлением пламени;

q взрыв - чрезвычайно быстрое химическое превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных произвести механическую работу.

В зависимости от источника загорания (импульса) процессы самовозгорания можно разделить на тепловые, микробиологические и химические.

Основные показатели пожаро- и взрывоопасности:

q Температура вспышки - самая низкая температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары (газы), способные вспыхнуть от источника загорания. Но скорость их образования еще недостаточна для последующего горения. Температура вспышки паров: сероуглерод -45°С, бензин -ЗГС, нефть -2ГС, ацетон -20°С, дихлорэтан +8°С, скипидар +32°С, спирт +35°С, керосин +45°С, глицерин +17б°С. Жидкости с температурой вспышки ниже +45°С называют легковоспламеняющимися, а выше - горючими.

q Температура самовоспламенения - самая низкая температура, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции при отсутствии источника загорания, что заканчивается устойчивым горением.

q Температура воспламенения. При этой температуре горючее вещество выделяет горючие пары (газы) со скоростью, достаточной (после воспламенения вещества) для устойчивого горения. Температурные пределы воспламенения - это температуры, при которых насыщенные пары вещества образуют в данной окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему или верхнему пределу воспламенения.

Температуры вспышки, самовоспламенения и воспламенения горючих веществ определяются экспериментально или расчетом (ГОСТ 12.1.044-89); нижний и верхний концентрационный предел - экспериментально или руководствуясь «Расчетом основных показателей пожаро- и взрывоопасности веществ и материалов».

Пожаро- и взрывоопасность ОЭ определяется параметрами пожароопасности и количеством используемых в технологических процессах материалов, конструктивными особенностями и режимами работы оборудования, наличием источников зажигания и условий для быстрого распространения огня. Распространение пожаров и превращение их в сплошные пожары зависит от плотности застройки, разрушений и других факторов.

Пожароопасность веществ характеризуется линейной (см/с) или массовой (г/с) скоростями горения, а также предельным содержанием кислорода. При горении твердых веществ скорость поступления летучих компонентов непосредственно связана с интенсивностью теплообмена в зоне контакта пламени и твердой поверхности. Массовая скорость выгорания (г/м²*с) зависит от теплового потока с поверхности, физико-химических свойств твердого горючего и выражается формулой:

где V - массовая скорость выгорания материала, г/м²*с; Q - тепловой поток от зоны горения к твердому горючему, кВт/м²; Q- теплопотери твердого горючего в окружающую среду, кВт/м²; q - количество тепла для образования летучих веществ, кДж/г.

Тепловой поток, поступающий из зоны горения к твердому горючему, зависит от энергии, выделенной в процессе горения, и условий теплообмена на границе горения и в зоне контакта твердого горючего и окружающей среды.

Пожарная обстановка и динамика ее развития зависят от:

q импульса воспламенения;

q пожарной опасности ОЭ;

q огнестойкости конструкции и ее элементов;

q плотности застройки в районе пожара;

q метеоусловий, особенно силы и направления ветра.

На ОЭ многие технологические процессы протекают при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды. Нагретые поверхности излучают потоки лучистой энергии, способные вызвать отрицательные последствия. Продолжительность теплового облучения человека без ощутимых последствий зависит от величины тепловыделения (Дж/с) его организма. Чтобы физиологические процессы у человека протекали нормально, выделяемая в нем теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Избыток внешнего теплового излучения может привести к перегреву организма, потере сознания, ожогу или смерти. Температура кожи отражает реакцию организма на воздействие термического фактора. Если теплоотдача недостаточна, то происходит рост температуры внутренних органов (характеризуется понятием «жарко»). Тепловая энергия, превращаясь на горячей поверхности (очага пожара) в лучистую, передается - как свет - другому телу, имеющему более низкую температуру. Здесь лучистая энергия поглощается и вновь превращается в тепловую.

Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек еще способен дышать несколько минут без специальных средств защиты, 11б°С. Переносимость человеком высокой температуры зависит от влажности и скорости движения воздуха: чем больше влажность, тем меньше пота испаряется в единицу времени, то есть быстрее наступает перегрев тела. При температуре окружающего воздуха выше 30°С пот не испаряется, а стекает каплями, что резко уменьшает теплоотдачу.

Воздействие повышенной температуры на древесину:

q 110°С - удаляется влага (происходит сушка древесины);

q 150°C - начинается выделение летучих продуктов термического разложения, изменяется ее цвет (она темнеет);

q 200°C - то же, что и при 150°C, но древесина приобретает коричневую окраску;

q 300°C - значительное выделение газообразных продуктов, способных к самовоспламенению, древесина начинает тлеть;

q 400°C - то же, что и при 300°C, однако происходит самовоспламенение древесины.

При самостоятельном горении в условиях пожара линейная скорость выгорания древесины для тонких предметов (до 20 мм) около 1 мм/мин, для более толстых - 0,63 мм/мин.

Тяжелый бетон при температуре порядка 300°C принимает розовый оттенок, при 600°С - красноватый с появлением микротрещин, а при температуре 1000°С цвет переходит в бледно-серый, происходит выгорание частиц. Из-за различия в коэффициентах расширения его компонентов ширина трещин в бетоне достигает 1 мм. Взрывоопасное разрушение бетона при пожаре наблюдается в предварительно напряженных и тонкостенных элементах, особенно с повышенным влагосодержанием, при температуре 700...900°С.

Стальные конструкции при температуре 650°С теряют несущую способность, деформируются, изменяют физические и химические свойства, а при температуре 1400...1500°С - плавятся.

Если температура нагретой поверхности ниже 500°С, то преобладает тепловое (инфракрасное) излучение, а при температуре выше 500°С присутствует излучение инфракрасного видимого и ультрафиолетового света. Инфракрасные лучи оказывают на человека в основном тепловое воздействие, что приводит к уменьшению кислородной насыщенности крови, понижению венозного давления, нарушению деятельности сердечно-сосудистой и нервной систем. Общее количество теплоты, поглощенное телом, зависит от площади и свойств облучаемой поверхности, температуры источника излучения, расстояния до него.

Для характеристики теплового излучения используется понятие «интенсивность теплового воздействия». Это мощность лучистого потока, приходящаяся на единицу облучаемой поверхности. Облучение с интенсивностью до 350 Вт/м² не вызывает неприятного ощущения, до 1050 Вт/м² - уже через несколько минут ощущается как жжение в месте облучения, и температура кожи в этом районе может повыситься на 10°С. При облучении с интенсивностью до 1400 Вт/м² увеличивается частота пульса, а до 3500 Вт/м² - уже возможны ожоги. Болевые ощущения появляются при температуре кожи около 45°С.

Основным параметром, характеризующим поражающее действие светового излучения, является световой импульс «И». Это;

количество световой энергии, падающей за все время огненного свечения на 1м² освещаемой поверхности, перпендикулярной к направлению излучения. Световой импульс измеряется в Дж/м² или ккал/см². Световое излучение вызывает ожоги открытых участков тела, поражение глаз (временное или полное), пожары.

В зависимости от величины светового импульса различают ожоги разной степени.

q Ожоги 1-й степени вызываются световым импульсом, равным 2...4 ккал/см² (84...168 кДж/м²). При этом наблюдается покраснение кожных покровов. Лечение обычно не требуется.

q Ожоги 2-й степени вызываются световым импульсом, равным 5...8 ккал/см² (210...336 кДж/м²). На коже образуются пузыри, наполненные прозрачной белой жидкостью. Если площадь ожога значительная, то человек может потерять работоспособность и нуждаться в лечении. Выздоровление может наступить даже при площади ожога до 60% поверхности кожи.

q Ожоги 3-й степени наблюдаются при величине светового импульса, равного 9...15 ккал/см². (368...630 кДж/м²). Тогда происходит омертвление кожи с поражением росткового слоя и образованием язв. Требуется длительное лечение.

q Ожоги 4-й степени имеют место при световом импульсе свыше 15 ккал/см² (630 кДж/м²). Происходит омертвление более глубоких слоев ткани (подкожной клетчатки, мышц, сухожилий, костей).

При поражении значительной площади тела наступает смерть. Степень ожогов участков тела зависит от характера одежды: ее цвета, плотности, толщины и плотности прилегания к телу.

В атмосфере лучистая энергия ослабляется из-за поглощения или рассеивания света частицами дыма, пыли, каплями влаги, поэтому учитывается степень прозрачности атмосферы. Падающее на объект световое излучение частично поглощается или отражается. Часть излучения проходит через прозрачные объекты: стекло окон пропускает до 90% энергии светового излучения, которое способно вызвать пожар внутри помещения из-за преобразования световой энергии в тепловую. Таким образом, в городах и на ОЭ возникают очаги горения. Скорость распространения пожаров в городе зависит от характера застройки и скорости ветра. При скорости ветра около 6 м/с в городе с кирпичными домами пожар распространяется со скоростью порядка 100 м/ч; при сгораемой застройке - до 300 м/ч, а в сельской местности свыше 900 м/ч. При этом надо учитывать наличие горючих материалов вокруг зданий (толь, бумага, солома, торф, камыш, древесина, нефтепродукты), их толщину, содержание влаги.

Пожары являются самым опасным и распространенным бедствием. Они могут вспыхивать в населенных пунктах, лесных массивах, на ОЭ, торфоразработках, в районах газо- и нефтедобычи, на энергетических коммуникациях, на транспорте, но особенно часто они возникают из-за неосторожного обращения людей с огнем.

Причины пожаров и взрывов на промышленных ОЭ, %:

- нарушение мер безопасности и технологического режима 33

- неисправность электрооборудования 16

- ошибки при ремонте оборудования 13

- самовозгорание промасленной ветоши, других веществ 10

- несоблюдение графиков обслуживания, износ, коррозия 8

- неисправность запорной арматуры, отсутствие заглушек 6

- искры при выполнении сварочных работ 4

- прочие (неисправность сетей, обогрев открытым огнем) 10

Первостепенное значение придается умению грамотно реализовать при тушении пожара принципы прекращения горения:

q изоляция очага горения от окислителей, снижение их концентрации методом разбавления негорючими газами до значения, при котором не может идти процесс горения;

q охлаждение очага горения;

q ингибирование (торможение) скорости реакции в пламени;

q механический срыв пламени воздействием взрыва, струей газа или воды;

q создание условий для огнепреграждения: например, можно заставить пламя распространяться по узким каналам.

Основным огнетушащим средством является вода. Это дешево, охлаждает место горения, а образующийся при испарении воды пар разбавляет горящую среду. Вода также механически воздействует на горящее вещество, то есть срывает пламя. Объем образовавшегося пара в 1700 раз больше объема использованной воды. Нецелесообразно тушить водой горючие жидкости, так как это может значительно увеличить площадь пожара, вызвать заражение водоемов. Опасно применять воду при тушении оборудования, находящегося под напряжением, - во избежание поражения электрическим током.

Для тушения пожаров используются установки водяного пожаротушения, пожарные автомобили или водяные стволы. Вода в них подается от водопроводов через пожарные гидранты или краны, при этом должно быть обеспечено постоянное и достаточное давление воды в водопроводной сети. При тушении пожаров внутри зданий используют внутренние пожарные краны, к которым подсоединяют пожарные рукава. Для автоматического водяного пожаротушения применяются спринклерные и дренчерные установки.

Спринклерные установки - это разветвленная, заполненная водой система труб, которая оборудована спринклерными головками, чьи выходные отверстия запаяны легкоплавким составом (рассчитанным на температуру 72, 93, 141 или! 182°С). При пожаре эти отверстия сами распаиваются и орошают охранную зону водой.

Дренчерные установки - это система трубопроводов внутри здания, на которых установлены специальные головки (дренчеры) с диаметром выходных отверстий 8, 10 и 13 мм лопастного или розеточного типа, способные оросить до 12 м² пола. Дренчерный распылитель с винтовыми щелями дает возможность получить распыленную воду с более мелкой дисперсией, а при высоте расположения 5,2 м он способен оросить до 210 м² пола.

Для тушения твердых и жидких веществ применяют пены. Их огнегасительные свойства определяются кратностью (отношением объема пены к объему ее жидкой фазы), стойкостью, дисперсностью и вязкостью. В зависимости от условий и способа получения пена может быть:

q химической - это концентрированная эмульсия окиси углерода в водном растворе минеральных солей;

q воздушно-механической (кратность 5...10), которую получают из 5%-ных водных растворов пенообразователей.

При тушении пожаров газами используют двуокись углерода, азот, аргон, дымовые или отработанные газы, пар. Их огнегасительное действие основано на разбавлении воздуха, то есть на снижении концентрации кислорода. При нулевой температуре и давлении 36 атм. 1 л жидкой углекислоты образует 500 л углекислого газа. При тушении пожаров используют углекислотные огнетушители (ОУ-5, ОУ-8, УП-2м), если в состав молекул горящего вещества входит кислород, щелочные и щелочноземельные металлы. Газ в огнетушителе находится под давлением до 60 атм. Для тушения электроустановок необходимо применять порошковые огнетушители (ОП-1, ОП-10), заряд которых состоит из бикарбоната натрия, талька и стеараторов железа, алюминия.

Тушение паром применяют при ликвидации небольших пожаров на открытых площадках, в закрытых аппаратах и при ограниченном воздухообмене. Концентрация водяного пара в воздухе должна быть порядка 35% по объему.

Широкое применение в пожаротушении нашли огнегасительные составы-ингибиторы на основе предельных углеводородов, в которых один или несколько атомов замещены атомами галоида. Они эффективно тормозят реакции в пламени, проникая в него в виде капель. Низкая температура замерзания позволяет использовать эти составы при минусовых температурах. Применяют и порошковые составы на основе неорганических солей щелочных металлов.

Взрывчатые вещества - это химические соединения или смеси, способные к быстрому химическому превращению с образованием сильно нагретых газов, которые из-за расширения и огромного давления способны произвести механическую работу.

Взрывчатые вещества можно разделить на группы:

q инициирующие, которые обладают огромной чувствительностью к внешним воздействиям (удар, накол, нагрев) и используются для подрыва основного заряда ВВ;

q бризантные - менее чувствительные к внешним воздействиям. Они имеют повышенную мощность, подрываются в результате детонации;

q метательные - это пороха, основной формой химического превращения которых является горение. Могут применяться при подрывных работах.

Характеристики взрывчатых веществ:

q чувствительность к внешним воздействиям (удар, свет, накол);

q теплота превращения при взрыве;

q скорость детонации;

q бризантность (мощность), которая зависит от скорости детонации;

q фугасность (работоспособность).

Часто причиной пожаров и взрывов является образование топливо-, паро- или пылевоздушных смесей. Такие взрывы возникают как следствие разрушения емкостей с газом, коммуникаций, агрегатов, трубопроводов или технологических линий. Особенно опасными потенциальными источниками взрывов могут оказаться предприятия высокой пожаро- и взрывоопасности категорий А и Б [46]. При разрушении агрегатов или коммуникаций не исключается истечение газов или сжиженных углеводородных продуктов, что приводит к образованию взрыво- или пожароопасной смеси. Взрыв такой смеси происходит при определенной концентрации газа в воздухе. Например, если в 1 м³ воздуха содержится 21 л пропана, то возможен взрыв, если 95 л - возгорание.

Значительное число аварий связано с разрядами статического электричества. Одной из причин этого является электризация жидкостей и сыпучих веществ при их транспортировке по трубопроводам, когда напряженность электрического поля может достичь величины 30 кВ/см. Необходимо учитывать, что разность потенциалов между телом человека и металлическими частями оборудования может достигать десятков киловольт.

Сильным взрывам пылевоздушной смеси (ПлВС) обычно предшествуют локальные хлопки внутри оборудования, при которых пыль переходит во взвешенное состояние с образованием взрывоопасной концентрации. Поэтому в закрытых аппаратах необходимо создавать инертную среду, обеспечивать достаточную прочность аппарата и наличие противоаварийной защиты. До 90% аварий связано с взрывом парогазовых смесей (ПрГС), при этом до 60% таких взрывов происходит в закрытой аппаратуре и трубопроводах.

Ацетилен в определенных условиях способен к взрывному разложению при отсутствии окислителей. Выделяющейся при этом энергии (8,7 МДж/кг) достаточно для разогрева продуктов реакции до температуры 2800°С. При взрыве скорость распространения пламени достигает нескольких метров в секунду. Но для ацетилена возможен вариант, когда часть газов сгорает, а остальная сжимается и детонирует. В этом случае давление может вырасти в сотни раз. Температура самовоспламенения ацетилена зависит от его давления (табл. 3.1).

Таблица 3.1