Развитие пожара до полного охвата пламенем закрытого помещения

Понятие пожара в закрытом помещении используется для описания пожара, который ограничен комнатой или аналогичным закрытым помещением внутри здания. Безусловно, важную роль в развитии рассматриваемого явления играют общие размеры помещения. Характер пожара в вытянутых помещениях или в весьма значительных пространствах (>1000 м³) будет зависеть в большей мере от геометрии ограждения.

В начальный период, следующий за зажиганием, характер пожара будет аналогичен характеру пожара в условиях открытого пространства. При наличии возможности нарастания огня, что может быть обусловлено либо распространением пламени над вспыхнувшим предметом, либо распространением пламени на соседние объекты, пожар достигнет этапа, на котором на развитие пожара начнет влиять ограничение, накладываемое конечностью пространства помещения. При достаточной вентиляции помещения, позволяющей обеспечивать дальнейшее разрастание масштаба пожара, его дальнейший характер может быть описан с помощью схемы зависимости средней температуры внутри помещения от времени (рис. 2.3.). (Полезнее и более реальным оказался бы график зависимости полной скорости горения от времени, хотя форма его была бы подобной форме графика, представленного на рис. 7.3.).

Рис. 7.3.Развитие пожара в помещении, выраженное в виде зависимости

средней температуры газа от времени

Пунктирной линией обозначено уменьшение горючего материала перед достижением полного охвата помещения пламенем 1 - период нарастания: 2 - полный охват помещения пламенем; 3 - полностью развитый пожар; 4 - период затухания пожара.

Чисто схематически рис. 7.7. показывает, что пожар в помещении можно представить тремя этапами.

1. Этап нарастания или начальный этап пожара до полного охвата помещения пламенем; на этом этапе средняя температура незначительна, и пламя существует в окрестности очага.

2. Этап полностью развитого пожара или пожара, полностью охватившего помещение; на этом этапе горят все горючие предметы в помещении, пламя заполняет весь объем.

3. Этап затухания, на этом этапе пожара средняя температура снижается до уровня, который составляет 80 % пикового значения.

Несмотря на низкую среднюю температуру на первом этапе пожара, внутри и вокруг зоны горения местные температуры достигают значительного уровня. В течение периода нарастания, пожар увеличивает свои размеры, сначала достигая, а затем, проходя момент, при котором значительную роль начинает играть взаимодействие с границами помещения. Переход к полностью развитому пожару (этап 2) назван этапом полного охвата помещения пламенем, при этом пламя быстро распространяется от области местного горения на все горючие поверхности внутри помещения (объема). В обычных условиях переход этот непродолжителен по сравнению с длительностью основных этапов пожара, но он часто рассматривается как поворотное событие, подобное тому явлению, каким является зажигание.

На этапе полностью развитого пожара интенсивность тепловыделения достигает максимума и угроза соседним помещениям и объектам наибольшая. Пламя может вырываться через окна, двери и технологические проемы, что приводит к распространению пожара на остальную часть здания. Это распространение может носить внутренний (через открытые дверные проемы), либо внешний характер (через окна). Кроме очевидной угрозы жизни оставшимся в здании людям на данном этапе может произойти разрушение конструкций, что в свою очередь может привести либо к частичному, либо полному обрушению здания. В период охлаждения (этап 3) интенсивность горения уменьшается по мере того, как в составе горючих веществ все меньше и меньше будет оставаться летучих продуктов. Это приведет к тому, что пламя прекратится, образовав после себя массу тлеющих в золе углей, которые будут продолжать гореть в течение некоторого времени, в результате чего будут поддерживаться высокие местные температуры.

Понимание характера этапа пожара до полного охвата пламенем помещения имеет прямое отношение к обеспечению безопасности людей, находящихся в здании. Если пожаром полностью охвачено одно помещение, то создается непосредственная угроза для тех людей, которые находятся в остальной части здания. Значение различных событий последовательно происходящих во время пожара, можно представить в форме неравенства:

Где: τ_р- время, прошедшее с момента воспламенения до момента, когда пожар был обнаружен; τ_a - длительность задержки, т. е. время от момента, когда пожар был замечен, до момента начала эвакуации людей; τ_rs - время, необходимое для перехода в безопасное место; τ_u - время (от момента воспламенения), за которое пожар принимает такие размеры, которые делают условия пребывания человека в рассматриваемом месте неприемлемыми для жизни.

Время до момента автоматического обнаружения пожара (τ_р) можно уменьшить, причем в некоторых случаях весьма значительно, тогда успех эвакуации зависит от нарастания параметров опасных факторов пожара, т.е. от τ_u.

Таким образом, время полного охвата помещения пламенем является важным фактором определения пожароопасности данного помещения. Чем больше это время, тем больше шансов для своевременного обнаружения пожара и принятия мер по его ликвидации (как вручную, так и с помощью автоматических средств), а также для эвакуации людей в безопасное место.

После того, как локальное воспламенение перешло в устойчивое горение, дальнейший процесс может пойти по одному из трех направлений.

1. Загоревшийся предмет сгорит полностью, и пожар прекратится, не распространившись на другие изделия из горючего материала, это имеет место, в частности, при условии, если первый загоревшийся предмет находится в изолированном положении.

2. При недостаточной вентиляции пожар может автоматически прекратиться, или горение будет происходить с такой малой скоростью, которая диктуется поступлением кислорода.

3. При достаточном количестве горючего материала и притоке свежего воздуха, пожар может полностью охватить пламенем помещение (объем) комнаты, когда горят все поверхности горючих материалов.

Для большинства горючих веществ и материалов приблизительно 30% выделяемого пламенем тепла приходится на излучение в окружающую среду, а остальная часть тепла рассеивается за счет конвекции в восходящей струе газа или дыма. Если объект горит в помещении, это тепло не полностью теряется средой, окружающей горючий материал, так как поток дыма и газов отклоняется и скапливается под потолком, который в результате этого нагревается. Если размер площади пожара возрастает настолько, что высота пламени превысит высоту помещения, произойдет расширение пламени до припотолочной струи, что приведет к резкому увеличению теплоотвода к потолку. Это в свою очередь вызовет все возрастающий обратный лучистый тепловой поток от потолка к горючему, так как температура потолка увеличивается. Но слой раскаленного дыма и газов, образовавшихся на раннем этапе пожара, будет накапливаться под потолком и излучать тепло на расположенные внизу объекты со все возрастающей интенсивностью, так как концентрация дыма, толщина слоя и температура будут увеличиваться. В результате этого скорость горения начнет увеличиваться, нарастающая интенсивность лучистого теплового потока, исходящего от припотолочного слоя, будет способствовать распространению пламени за пределы первоначального загоревшегося объекта; рядом расположенные предметы в свою очередь расширят область горения. Максимальная интенсивность горения в ограждениях в три раза превышает значение этой величины при пожаре на открытом месте. При этом время достижения максимума в три раза меньше срока достижения минимума интенсивности при горении на открытом месте. Например, интенсивность горения при пожаре спирта в малом ограниченном пространстве может достигать восьмикратного увеличения по сравнению со значением аналогичной величины для пожара на открытом пространстве.

Принимая во внимание, что ряд признаков определяют начало полностью развитого пожара, понятие полного охвата помещения пламенем можно сформулировать следующим образом:

- переход от локального пожара, к пожару по всему помещению, когда горят все горючие поверхности (пожар, регулируемый пожарной нагрузкой);

- переход от пожара, который регулируется расходом горючего к пожару, который регулируется интенсивностью вентиляции помещения (пожар, регулируемый его вентиляцией);

- внезапное проникание пламени через не загоревшиеся газы и пары, скопившиеся под потолком.

Следует подчеркнуть, что явление полного охвата помещения пламенем надо рассматривать как переход от одного состояния к другому, а не как точное обозначенное изолированное событие.

Во время начального этапа пожара, предшествующего полному охвату помещения пламенем, пожар развивается от места его зарождения, причем процесс горения первоначально проходит так, как это имеет место на открытом месте, но постепенно на ход этого процесса все больше и больше начинает влиять обратный тепловой поток, исходящий из верхних областей помещения. Увеличение интенсивности лучистого теплового потока, действующего на нижние области помещения, в конце концов вызывают быстрое распространение пламени по всем воспламеняющимся поверхностям, и как только это случится, принято считать, что наступил полный охват помещения (ограждения) пламенем.

Длительность начального этапа пожара до полного охвата помещения пламенем обуславливает обеспечение безопасности людей, поэтому существенное внимание должно уделяться параметрам горючих веществ и материалов и условиям вентиляции, которые влияют на скорость нарастания опасных факторов пожара.

Рассмотрим факторы, имеющие влияние первого порядка на процессы, протекающие на пожаре:

a. Источник зажигания. Время охвата помещения пламенем уменьшается при центральном расположении источника зажигания, так как площадь, охваченная пожаром, на начальном его этапе в этом случае нарастает быстрее. Подобно этому, большая площадь сечения источника зажигания сокращает время τ3, так как в момент зарождения пожара в процессе горения вовлечена и большая площадь очага пожара.

б. Высота очага горючего материала. При высоком расположении очага пожара, пламена достигают потолка быстрее, тем самым, способствуя распространению пожара на раннем этапе по возгораемым поверхностям.

в. Средняя плотность горючего материала. По штабелям с большим шагом расположения брусьев в рядах, пожар распространяется быстрее, так как диаметр пожара увеличивается с большей скоростью и полный охват помещения пламенем наступает гораздо раньше. Применительно к реальному пожару это соответствует распространению пламени между соседними предметами с низкой теплоемкостью.

г. Материал облицовки стен и потолка. Хотя возгораемый облицовочный материал уменьшает время, необходимое для полного охвата помещения пламенем, но это не самая важная переменная. При полномасштабном пожаре в помещении при центральном расположении источника зажигания горючая облицовка стен не охватывается пламенем до тех пор, пока пламя пожара не коснется потолка.

Важно знать факторы взаимного влияния. Самым важным из таких факторов является взаимное влияние положения источника зажигания и характера облицовочного материала. Время полного охвата помещения пламенем резко уменьшается, если облицовочный материал является возгораемым и охватывается огнем в результате непосредственного зажигания от источника воспламенения, расположенного в углу. Аналогично этому имеет место взаимодействие, хотя менее ярко выраженное, между двумя другими переменными: между высотой очага и его средней плотностью.

Дополнительный фактор, который может влиять на время перехода к полному охвату помещения пламенем, является тепловая инерция пола, потолка и стен помещения. Время, необходимое для полного охвата помещения пламенем зависит от плотности материала облицовки стен.

Характерные схемы развития пожаров. Рассмотрим зависимость интенсивности развития пожара от вида и характера пожарной нагрузки, состояния горючих материалов и некоторых их специфических особенностей. Если горючий материал, составляющий пожарную нагрузку, однороден (например, древесина, кипы бумаги) и равномерно размещен по площади пола, и если в помещении нет ориентированных газовых потоков, то процесс горения будет распространяться равномерно во все стороны, будет иметь форму, близкую к круговой. Чем больше скорость линейного распространения пламени, тем выше скорость роста площади пожара; чем выше теплота сгорания данного материала, тем больше скорость роста интенсивности тепловыделения на пожаре, выше скорость роста температуры пожара; чем мельче частицы материала (больше дисперсность), тем больше скорость выгорания его. Чем менее компактно уложен материал, тем больше коэффициент поверхности горения КП, тем больше поверхность нагревания горючего материала, легче поступает воздух в зону горения и интенсивнее выходят летучие фракции из горючего материала и тем, соответственно, выше скорость линейного распространения пожара и т.д.

Но поскольку неизвестно истинное значение зависимости скорости распространения пожара во времени, то в расчетные формулы для определения площади пожара в начальной стадии его развития и после введения первых стволов на ликвидацию горения вводят поправочный коэффициент скорости распространения пожара: а < 1.

Условно а принят равным 0,5. Также условно принято, что этот коэффициент в формулу S_n = k (аV_nτ)ⁿ вводится для расчета площади пожара в первые 10 минут развития пожара и после введения первых стволов, независимо от того, насколько l_Ф и Q_Ф соответствует l_ТР и Q_ТР (фактические и требуемые интенсивности подачи и расходы огнетушащих веществ).

Эти взаимосвязи просматриваются при принятых ранее условиях: однородной пожарной нагрузке; равномерном ее расположении в горизонтальной плоскости; отсутствии ярко выраженных других факторов, влияющих на скорость и направление развития пожара (при равномерном и однородном поле температур, отсутствии внешних принудительных газовых потоков и др.).

Если пожарная нагрузка неоднородна, то распространение и развитие пожара существенно изменится. В характере процесса горения появится доминирующее направление распространения V^dom_P. Этот фактор и будет определять направление и скорость распространения процесса горения, а стало быть, величину и форму площади пожара, и все остальные параметры динамики его развития.

То же самое произойдет в случае, если однородная пожарная нагрузка размещена неравномерно. Особенно если часть ее расположена горизонтально (т.е. размещена в плоскости пола или на некотором уровне от пола), а значительная часть ее размещена вертикально (обшивка стен горючими материалами, картины, занавеси, стеллажное хранение горючих материалов, и др.). При прочих равных условиях доминирующим направлением распространения процесса горения станет вертикальное. Причем V^dom_P может быть в 2-3 раза больше, чем Vn.

Рассмотрим некоторые простейшие схемы распространения и развития пожара, когда пожарная нагрузка неоднородна или размещена неравномерно:

Пожарная нагрузка неоднородна. Таких вариантов множество. Одного и того же вида пожарная нагрузка неравномерно размещена (рис. 2.4.).

При разнородной пожарной нагрузке (рис. 2.5.) пожар будет распространяться быстрее и интенсивнее по более легкогорючим материалам. Если пожарная нагрузка размещена неравномерно и различается по структуре (рис. 2.6.), в реальных условиях процесс горения будет распространяться неравномерно и по направлению, и по скорости.

Пространственное размещение однородной и неоднородной пожарной нагрузки. При пространственном (наиболее реальном) размещении однородной пожарной нагрузки преимущество распространения пожара будет определяться направлением действия сил конвекции. Примером может служить распространение пожара в высотных зданиях и высокостеллажных складах (рис. 7.7.).

Известно, что, когда вектор распространения горения совпадает с вектором конвективных потоков, скорость распространения горения увеличивается в 2-3 раза и более. И наоборот, если направление вектора распространения горения не совпадает с вектором конвективных потоков, скорость распространения горения начинает убывать и в пределе может стать равной нулю.

Рис. 7.4. Схема распространения пожара при неравномерном размещении

пожарной нагрузки.

Рис. 7.5. Схема распространения пожара при разнородной пожарной

нагрузке.

Еще больше усложнится и задача прогнозирования обстановки на пожаре, если в зоне горения находятся неоднородные горючие вещества и материалы. Например, если в книгохранилище по полу выстлана ворсистая ковровая дорожка из синтетического материала, то пламя распространяется по ней, как по «пороховой дорожке», как по специальному пламяпроводу (рис. 2.7.). Тогда, по законам действия конвективных газовых и тепловых потоков, пламя по стеллажу пойдет вверх, а по легкогорючей и легковоспламенимой ковровой дорожке распространяется до противоположной стены книгохранилища. Если стеллажи по торцам отделаны декоративным легковоспламенимым и быстрогорящим пластиком, лаком, масляной краской и другими

Рис. 7.6.Схема распространения пожара, когда пожарная нагрузка

размещена неравномерно и различается по структуре.

Рис. 7.7.Схема распространения пожара в высокостеллажных складах.

Распространение пожара по этим видам горючих материалов вверх и в направлении их размещения будет еще интенсивнее, а задача правильного расчета и прогнозирования направлений и скорости развития пожара еще сложнее. И тем не менее, уметь хотя бы приблизительно оценивать направление и интенсивность развития пожара в реальных условиях крайне необходимо. Необходимо это и инженерам-конструкторам и проектировщикам, разрабатывающим автоматические системы сигнализации о пожаре и системы автоматического пожаротушения, а также оперативным работникам пожарной охраны.

При возникновении пожара в складе у основания стеллажей уже через 3 мин скорость его распространения достигает 10 м/мин. Увеличение высоты стеллажей с 2,5 м до 5 м повышает интенсивность тепловыделения в 9-10 раз, а поскольку в этих условиях она пропорциональна интенсивности выгорания пожарной нагрузки, значит, и скорость выгорания возрастает более чем в 10 раз. Локальная температура под крышей уже через 3-5 мин достигает 870°С (а прочность металлических конструкций резко снижается при t_п ~ 350- 400°С, и при 450°С происходит потеря устойчивости).

Распространение пожара за пределы одного помещения. Как известно, реальные пожары сравнительно редко ограничиваются зоной их первоначального возникновения. Если не будут приняты специальные активные меры по их локализации и тушению, то через некоторое время, после разрушения остекления, прогорания дверей, изолирующих перегородок, перекрытий или по другим каналами коммуникациям, пожар перебрасывается за пределы одного помещения и начинает интенсивно распространяться дальше.

Раньше всего пламя пожара выходит за пределы помещения, где оно первоначально возникло, через оконные проемы, если дверь помещения была при этом плотно закрыта. Это происходит потому, что остекление окон, как правило, разрушается при среднеобъемной температуре пожара 250-300°С (т. е. через 10-15 мин после начала пожара); а. при недостатке воздуха в зоне горения, который обычно имеет место при внутренних пожарах, эти горючие газы сгорают за пределами помещения, в оконных проемах и над ними. Языки пламени из окна с разрушившимся остеклением вместе с горячими продуктами горения устремляются вверх и достигают оконных переплетов верхних этажей, которые могут воспламениться (рис. 7.8.).

При очень интенсивном горении пожар может переброситься на расположенное вблизи здание по механизму передачи лучистой энергии или от искр и головней (рис. 7.9.).

Еще более естественным и опасным путем распространения пожара за пределы помещения, где он первоначально возник, являются дверные проемы, если дверь в момент возникновения пожара не была закрыта или если она самопроизвольно открылась под действием избыточного давления газовой среды в горящем помещении. Даже если дверь плотно закрыта, это одно из слабых мест в отношении опасности распространения пожара за пределы горящего помещения, так как огнестойкость дверей, как правило, сравнительно мала и составляет 10-15 мин, а иногда и 4-5 мин. Огнестойкость двери зависит от конструкции материала, из которого она изготовлена, от режима горения в помещении, а также от характера размещения пожарной нагрузки и относительного расположения первоначального очага пожара.

Рис. 7.8.Схема перехода пожара Рис. 7.9.Схема распространения

с нижних этажей на верхние. пожара при интенсивном излучении

Если очаг пожара расположен далеко от двери, то до начала ее загорания она будет испытывать в течение некоторого времени более или менее интенсивное тепловое воздействие процесса горения внутри помещении. Поэтому она будет разогрета и подготовлена к горению. Кроме того, когда пламя достигнет двери и начнется процесс ее горения, он будет протекать под интенсивным воздействием лучистого теплового потока от зоны горения, расположенной внутри помещения. Поэтому огнестойкость двери, как огне преграждающей конструкции, с момента ее воспламенения, будет минимальна, она прогорит быстро, и пламя пожара (а также продукты полного и неполного горения) начнет распространяться на смежные помещения. Но с момента начала пожара это произойдет не сразу, а через более или менее продолжительный промежуток времени (складывающийся из времени, за которое пламя пожара достигнет двери и времени, за которое прогорит сама дверь). Если же очаг пожара находится в непосредственной близости от двери, например, при загорании бумаги и мусора в урне, стоящей под дверью, она загорится практически сразу, как только ее поверхность прогреется до температуры начала пиролиза древесины ( t_НАЧ^ПИР ~ 250°С). А окрашенная краской или оклеенная горючими синтетическими декоративно-отделочными материалами дверь загорится еще раньше. При этом огнестойкость двери будет даже выше, чем в предыдущем случае. Но пожар выйдет за пределы горящего помещения еще быстрее, чем в первом случае.

Другой путь распространения пожара за пределы помещения - это переход горения через вертикальные и горизонтальные ограждающие конструкции (рис. 7.10.). По вертикальным ограждающим конструкциям пожар может интенсивно распространяться с обогреваемой стороны в пределах того же помещения, если эти конструкции покрыты горючими, а тем более легковоспламеняемыми декоративно-отделочными синтетическими материалами.

Если же ограждающие конструкции обладают низкой огнестойкостью и способны прогореть или частично разрушиться под воздействием пламени или высоких температур на обогреваемой пожарной нагрузке. Такими конструкциями являются переборки в судовых каютах, лабораторные боксы, перегородки, смонтированные из металлических сборных или сварных элементов, и т.д.

Рис. 7.10.Схема распространения пожара за пределы помещения через

ограждающие конструкции.

Через горизонтальные ограждающие конструкции пожар может распространиться через перекрытия на этажи здания, расположенные выше горящего помещения. Пожар лишь в редких случаях переходит через перекрытие на этажи, расположенные ниже горящего помещения. Чаще всего он распространяется в верхние этажи.

Наиболее опасными путями распространения пожара на верхние этажи здания являются различные пустоты в строительные конструкциях, вентиляционные и кабельные каналы и т.п. Продукты неполного сгорания, интенсивно выделяющиеся в горящем помещении, по законам естественной конвекции устремляются по таким каналам вверх. Скопление их с последующим внезапным воспламенением может вызвать даже взрыв с разрушением элементов конструкции здания и выбросом пламени.

При этом не исключено, что несгоревшие летучие продукты при их перемешивании с воздухом могут энергично сгорать, быть может, в местах, весьма отдаленных от места, где возник пожар, например, в том месте, где коридор переходит в лестничную клетку.

На стадии развившегося пожара в зданиях, после окончания фазы распространения, факел выбрасывается из оконных проемов. Наиболее устойчивый по времени факел в момент максимальной интенсивности пожара в среднем достигает половины высоты расположенного выше этажа. Поэтому за расчетную высоту факела при пожаре на одном этаже следует брать высоту фасада от подоконника горящего этажа до середины следующего этажа.

Площадь поверхности факела зависит от числа и размеров оконных проемов на каждом этаже, из которых выбрасывается пламя. Обычно пожар развивается в пределах одной секции жилого дома или противопожарного отсека промышленного (складского) здания. При коридорной системе пожар может развиться в пределах всего этажа, а затем охватить все здание.

С усилением скорости ветра в наветренной стороне оконных проемов горящего помещения, при наличии открытых проемов на подветренной стороне здания, пожар становится еще более интенсивным в результате увеличения разности давлений снаружи и внутри здания. Увеличивается скорость движения газовых потоков внутри здания как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Поэтому вскрытие оконных проемов для удаления дыма и нагретых газов допускается только в пределах горящего этажа с подветренной стороны здания при одновременной подаче мощных стволов в очаг пожара и на защиту выше расположенных этажей, а также путей эвакуации.