УЩЕРБ ОТ ПОЖАРОВ В ВЕЛИКОБРИТАНИИ

8.6. КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ПОЖАРЫ И ОСНОВНЫЕ ОПАСНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Как будет показано, имеется обширная литература, посвященная проблеме крупных химических пожаров. В настоящей книге крупные химические пожары определяются как крупные возгорания веществ, используемых в химической и перерабатывающей промышленностях в качестве исходного сырья, промежуточных или конечных продуктов.

Хотя за последние годы в литературе и появились словари специальных терминов, например [Stull,1977; Gugan.1979; ACMH.1979; Сапуеу,1981],автор не смог найти какой-либо удовлетворительной систематической классификации различных явлений, составляющих пожар и возникающих при реализации основных химических опасностей. После рассмотрения существа дела будет сделана попытка построить такую таксономию по крайней мере в отношении горения жидкостей, газов и паров.
8.6.2. ПРИРОДА ХИМИЧЕСКИХ ПОЖАРОВ

За исключением определенных реакций в твердых фазах, которым приписано слишком общее название "пожары" и которые будут кратко обсуждены в этой главе, предполагается, что химическая природа пожаров заключается в окислении газовой или паровой фазы.

В качестве примера рассмотрим горение свечи. Обычная свеча изготавливается из смеси парафина (приблизительная формула С25Н52) с салом. Парафин - вещество горючее, но не воспламеняющееся, т. е. он горит, но с трудом, так как в холодном состоянии давление его паров незначительно. Наличие
фитиля из нитки - существенная особенность, без которой свеча гореть не сможет. Когда свеча начинает устойчиво гореть, тепло от пламени растапливает воск (т. пл. 50 °С), который благодаря капиллярному действию подпитывает фитиль. В фитиле он испаряется и/или распадается на более короткие цепочечные углеводороды; именно эти пары и продукты разложения горят в пламени. Кроме того, при горении разлагаются длинноцепочечные углеводороды и выделяется некоторое количество свободного углерода, что и приводит к появлению дыма.

Этот процесс служит примером многих особенностей химических пожаров, из которых главная заключается в том, что пламя может давать тепло, равное скрытой теплоте плавления, испарения и разложения. (В случае жидкостей необходимо количество тепла, равное именно скрытой теплоте испарения; в случае газов или паров подвода тепла не требуется совсем.) Таким образом, твердые вещества с низким давлением паров будут гореть наименее интенсивно, а наибольшая интенсивность горения будет наблюдаться для воспламеняющихся газов и паров.*

Промежуточным случаем является горение воспламеняющихся жидкостей, давление паров которых при обычных температурах меньше давления, соответствующего нижнему пределу воспламеняемости (НПВ), а также горение легко воспламеняющихся жидкостей с температурой вспышки (ТВ)** ниже окружающей температуры. Эти характеристики приводятся ниже, в таблице таксономии основных опасностей химических пожаров (табл. 8.4).
8.6.3. ТАКСОНОМИЯ ОСНОВНЫХ ОПАСНОСТЕЙ ХИМИЧЕСКИХ ПОЖАРОВ

Явления, сопровождающие зажигание разлития или выход воспламеняющейся жидкости при потере герметичности, зависят от количества пара над разлитием, а не от полного количества разлитой жидкости. Эти явления зависят также от степени смешения воспламеняющихся паров с воздухом.

По-видимому, удобно разделить все жидкости, способные вызывать пожары, на 6 классов.

Класс 1 - жидкости, имеющие при окружающей температуре незначительное давление паров. Прежде чем такая жидкость загорится, к ней необходимо подвести значительное количество тепла, достаточное для повышения ее температуры на несколько сотен градусов по Цельсию. Хотя подобные жидкости неспособны самостоятельно поддерживать горение, тем не менее их можно рассматривать как составную часть более крупного пожара. Жидкостям этого класса лучше всего подходит название "трудногорящие", но никак не "воспламеняющиеся"; они не входят в круг основных химических опасностей. Примером такой жидкости может служить смазочное масло.

________________________________________________________________________________________

*Автор подчеркивает то обстоятельство, что при воспламенении жидких и твердых веществ сама химическая реакция горения протекает в паровой фазе над поверхностью (либо в парах) горючего материала. Таким образом, интенсивность горения в значительной степени определяется скоростью испарения конденсированного вещества. - Прим. ред.

**Температура, при которой давление пара равно нижнему пределу самовоспламенения. - Прим. ред.

Класс 2 - жидкости с высокой температурой вспышки. Для того чтобы получить давление паров, соответствующее НПВ, к ним надо подвести определенное количество тепла. Хотя такие жидкости можно называть "воспламеняющимися",

Класс 3 - жидкости, у которых температура вспышки или равна номинальной температуре окружающей среды, или ниже ее (32°С или 90°F). В принципе над такими жидкостями, по крайней мере непосредственно над их поверхностью, находится смесь пара и воздуха в концентрации выше НПВ. На некотором расстоянии от поверхности концентрация будет ниже НПВ. Однако в зависимости от химического состава пара возможны широкие вариации его концентрации даже для веществ, классифицируемых как легковоспламеняющиеся и при обычных температурах представляющих собой жидкости. Например, температура вспышки октана 13°С, а диэтилового эфира - 49°С.

Классификация воспламеняющихся веществ этого типа наименее определена, так как даже в Великобритании температура окружающей среды может изменяться по крайней мере на 30 °С. Поэтому целесообразно провести дополнительную классификацию, отнеся к классу 3 жидкости, имеющие при температуре окружающей среды давление паров между нижним и верхним пределами самовоспламенения, и выделяя отдельно жидкости класса 4.

Класс 4 - жидкости, давление паров которых при температуре окружающей среды заключено между верхним пределом самовоспламенения (ВПВ) и атмосферным давлением. Таким образом, при температуре воздуха 20 °С октан, имеющий объемную концентрацию пара 1,3% (НПВ = 1%), следует считать веществом 3-го класса, а диэтиловый эфир с концентрацией пара 60% (ВПВ == 28%) - веществом класса 4.

Класс 5 - воспламеняющиеся жидкости, у которых при хранении давление паров (абсолютное) около 0,1 МПа. Сюда относятся охлажденные или криогенные воспламеняющиеся газы, такие, как СПГ. Хотя при разлитии примыкающий к поверхности слой слишком богат, чтобы гореть, при рассеянии заметная доля разлития превратится в способную сгорать смесь пара и воздуха.

Класс 6 - это сжиженные воспламеняющиеся газы. При разгерметизации оборудования значительная часть сжиженного газа выделяется в виде пара. Этот пар вместе с увлекаемыми каплями жидкости в определенных случаях можно представить как пар, образовавшийся при полном испарении жидкости, вместе с аэрозолем. В предыдущих главах этот вопрос обсуждался более подробно. Примером жидкости класса 6 может служить сжиженный пропан.

Поведение разлитых и зажженных жидкостей сильно зависит от рассмотренных выше свойств. На него влияют также конфигурация окружения, скорость ветра и время, прошедшее с момента истечения до зажигания.

Возможны шесть случаев ответной реакции жидкости на присутствие источника зажигания.

1) Жидкости первого класса не зажигаются от находящегося в непосредственной близости источника и могут не зажечься даже при ударе пламени.

2) Жидкости второго класса не зажигаются от находящегося рядом источника, но будут зажигаться от удара пламени и гореть в самоподдерживающемся пожаре разлития.

3) Жидкости третьего класса зажигаются от находящегося рядом источника и могут быстро образовать самоподдерживающийся пожар разлития. Расстояние между источником, способным зажечь облако, и ближайшей к нему точкой разлития зависит не только от свойств облака, но и от скорости ветра. Это расстояние намного больше по ветру, чем поперек или против ветра. При некоторых обстоятельствах, когда ветер имеет скорость, намного превышающую скорость пламени, облако может выгорать не с ближайшего края разлития. Источник зажигания вызовет появление пламени, которое будет быстро перемещаться и поджигать весь объем паровоздушной смеси, концентрация которой выше НПВ. Подобную ситуацию можно назвать "вспышечным пожаром" или "пожаром облака". В таких случаях облако способно сгорать целиком.

4) Жидкости четвертого класса зажигаются от находящегося рядом источника с образованием вспышечного пожара и способны образовывать самоподдерживающийся пожар разлития. Паровое облако будет содержать переобогащенный элемент объема, и благодаря диффузии процесс горения этого элемента будет происходить только на его границе.

5) В случае разлития жидкости пятого класса находятся в равновесии со своими парами при абсолютном давлении 0,1 МПа. Подвод тепла от окружающей среды вызывает кипение, приводящее к увеличению объема парового облака. Зажигание может произойти от источника, относительно удаленного от края разлития, и возникший в результате этого вспышечный пожар будет зажигать оболочку парового облака. Появление огневого шара (его определение будет дано ниже) возможно при очень больших разлитиях, особенно если происходит большая задержка между растеканием и зажиганием. Такие разлития будут приводить к пожару разлития.

6) Жидкости шестого класса способны зажигаться от относительно удаленного источника с образованием вспышечного пожара, а возможно, также и пожара разлития в тех случаях, когда мгновенно испарившаяся часть мала (скажем, около 0,10, как это может быть в случае бутана). Значительная часть облака окажется переобогащенной, эта часть благодаря диффузии будет гореть на границах своей оболочки. Если масса разлития составляет порядка тонны, вспышечный пожар может перерасти в огневой шар. В определенных случаях ситуация может усугубиться до взрыва парового облака (см. гл. 12).

Эффективность действия противопожарных средств уменьшается от класса к классу. Пожары жидкостей классов 1-3 могут сдерживаться при помощи пены, но пожары жидкостей классов 4-5 ставят проблемы куда более серьезные, если вообще преодолимые. В табл. 8.4 приводится таксономия поведения жидкостей всех шести классов, а также выбросов газов или паров в отношении источников зажигания. В дополнение рис. 8.3 обобщает таблицу в графическом виде. Хотя и очень грубо, но все-таки по таблице можно обнаружить, что части, соответствующие жидкостям различных классов, отличаются на порядок величины. В случае жидкостей классов 1-5 предполагается, что выше уровня жидкости существует двухметровый слой пара и что толщина жидкости составляет 0,2 м. В таблицу включены также сжатые газы, но на рисунке они не отражены.

Следует ожидать, что воспламеняющиеся газы или пары (в тех случаях, когда они тяжелее воздуха) при выбросах ведут себя подобно жидкостям класса 5, но без образования пожара разлития. Пожары разлитии, огневые шары рассматриваются ниже.

Рис. 8.3. Зависимость характеристик пожара от температуры кипения вещества.