Значения основных факторов пожара

ПРАКТИЧЕСКАЯ работа № 12

ПРАКТИЧЕСКАЯ работа

Определение показателей пожарной опасности горючих веществ

Цель работы: научиться определять показатели пожарной опасности горючих веществ и устанавливать категорию пожарной опасности производства

 

Основные теоретические сведения

1. Пожарная и взрывная опасность веществ и материалов

Горение - сложный физико-химический процессс взаимоде6йствия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся химическим превращением и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света.

Для возникновения и развития горения необходимы: горючее вещество, окислитель и источник воспламенения.

Пожарная и взрывная опасность веществ и материалов определяется показателями (свойствами) характеризующими предельные условия возникновения процесса горения. Набор таких показателей зависит от агрегатного состояния и физико-химических свойств горючих материалов.

 

1.1 Пожаровзрывоопасность газообразных горючих веществ

В простейшем случае, когда горючим материалом является газообразное вещество, основными показателями являются: концентрационные пределы распространения пламени (КП) или нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения (НКПВ,ВКПВ), скорость распространения пламени, минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК), температура самовоспламенения (ТС), давление взрыва (Р), [2,3,5,6].

 

1.2 Пожаровзрывоопасность жидких и твердых горючих веществ

При оценке пожароопасности жидкости к вышеперечисленным показателям, характеризующим газообразные горючие вещества, добавляются следующие: температура вспышки (Т_ВСП), температура воспламенения (ТВ).

Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, а также твердые вещества, сгорают в газовой или паровой фазе. Над поверхностью всех жидкостей присутствуют их пары. концентрация которых зависит от температуры жидкости и упругости ее насыщенного пара.

При нагревании горючей жидкости концентрация ее паров в воздухе (над поверхностью испарения) возрастает и при определенной температуре достигает нижнего концентрационного предела, при котором горючая смесь паров жидкости с воздухом может воспламениться. если есть внешний источник зажигания. Такая температура называется температурой вспышки горючей жидкости.

Под вспышкой понимается быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов.

Температура вспышки - минимальная температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары или газы способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для последующего горения.

По температуре вспышки горючие жидкости делятся на легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ), для которых Твсп<61°C и горючие жидкости (ГЖ), для которых Твсп>61°C.

Каждая горючая жидкость, кроме температуры вспышки характеризуется температурой воспламенения и самовоспламенения.

Температура воспламенения - минимальная температура горючего вещества, при которой при поднесении источника воспламенения появляется устойчивое горение продолжительностью не менее 5 секунд.

Разница между Т_всп и Т_воспл для ЛВЖ составляет 1... 5°С, а для ГЖ эта разница может достигать десятков°С.

Самовоспламенение - процесс возникновения горения в результате самопроизвольно ускоряющейся, при определенных условиях, реакции окисления горючего вещества до перехода в реакцию горения.

Температура самовоспламенения - минимальная температура горючего вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермической реакции, заканчивающейся возникновением пламенного горения.

Пожарная опасность твердых веществ и материалов характеризуется их склонностью к возгоранию и самовозгоранию, а также их горючестью [2,3,5].

Взрывоопасность аэрозолей характеризуется следующими параметрами: НКП, МВСК, dp/dt, Р_мах.

2. Определение категории взрывопожарной опасности производства.

Исходя из свойств веществ и условий их применения или обработки, все производства и склады подразделяются по взрывопожарной опасности на пять категорий [1,2,3],

Качественными показателями категорирования являются агрегатные состояния горючих веществ, способных создавать взрывопожароопасные Среды и температуры вспышки, в случае использования ЛВЖ или ГЖ в технологическом процессе.

В зависимости от категории назначаются нормативные требования по планировке, застройке, этажности, выбору строительных материалов и конструкций, инженерного оборудования и т. п.

Категории помещений: А(взрывопожароопасные); Б(взрывопожароопасные) В(пожароопасные); Г,Д(не пожароопасные).

К категории А относятся производства, связанные с применением горючих газов, легковоспламеняющихся жидкостей с температурой вспышки паров до 28°С включительно, в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа; веществ и материалов способных 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.

К категории Б относятся производства, связанные с использованием горючих пылей или волокон, легковоспламеняющихся жидкостей с температурой вспышки паров свыше 28 °С; горючих жидкостей в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пыли или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа.

К категории В относятся производства, связанные с применением легковоспламеняющихся, горючих и трудногорючих жидкостей, твердых горючих и трудногорючих веществ и материалов, способных при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых они имеются или обращаются, не относятся к категории А и Б.

К категории Г относятся производства, связанные с применением негорючих веществ в горячем, раскаленном или расплавленном виде; твердых, жидких или газообразных веществ, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива.

К категории Д относятся производства, связанные с применением негорючих веществ в холодном состоянии.

Количественным показателем категорирования является максимально возможное избыточное давление DР, развиваемое при сгорании взрывоопасной смеси, которая может образоваться в помещении.

 

2.1. Оределение избыточното давления

Образование взрывоопасной смеси возможно при неконтролируемом выходе горючих веществ в объем помещения с одновременным выходом из строя вентсистем, или отказом включения аварийной системы вентиляции.

Избыточное давление DР, образовавшееся при взрыве газовоздушной смеси определяют из выражения:

 

DР=(Н_т*Р_о*Z*m)/(V_p*C_p*r*K*K_h*T_o)

где Н_т - теплота сгорания горючего вещества, кДж; (для нефтепродуктов, растворителей Н_т=40*10³ кДж/кг);

Р_о - начальное давление, допускается Р_о=Р_ат=101 кПа;

Z- коэффициент, учитывающий попадание ГГ в зону образования взрывной среды, для ГГ Z=0,5;для ЛВЖ Z=0,3, для пыли Z=0,5

m - масса горючего вещества или паров, кг;

V_п - свободный объем помещения, м³(с учетом оборудования);

С_р - удельная теплоемкость газовой среды в помещении, кДж/кг(кг*К)

r - плотность газовой среды в помещении до взрыва, кг/м³, допустимо принять равной плотности воздуха при заданной температуре в помещении, при t=20°С, r=1,2кг/м³)

К - коэффициент, учитывающий работу аварийной вентиляции. Определяется по формуле К=А*t+1, где А- кратность воздухообмена в помещении, t- продолжительность аварии или время поступления ГГ в помещение, ч;

Т_о - температура в помещении,° К;

Z - коэффициент, учитывающий попадание ГГ в зону образования взрывной Среды, для ГГ Z=0,5; для ЛВЖ Z=0,3, для пыли Z=0,5.

 

2.2. Расчет массы горючих газов, паров легковоспламеняющихся жидкостей и горючих пылей, поступающих в помещение.

В случае неисправности или разрушения оборудования в результате аварии, массу (m) выброшенного в атмосферу помещения горючего газообразного вещества следует определять, учитывая объем разрушенного или неисправного аппарата из которого произошла утечка (V_a), объем питающих трубопроводов (V_T), а также время, необходимое для отключенря трубопроводов.

m=(V_г.a+V_г.т)*r_г

где V_г.а- объем газа, вышедшего из аварийного аппарата, м³;

V_г.т - объем газа, вышедшего из аварийного трубопровода до его отключения, м³;

r_г - плотность горючего газа, кг/м³

V_г.а=0,01*р_а*V_а

V_г.т= V1_г.т+V2_г.т , где

р_а - давление в аппарате, кПа,

V_a - объем аппарата, м³.

V1_г.т - объем газа, вышедший из трубопровода до его отключения, м³

V2_г.т - объем газа, вышедший из трубопровода после его отключения, м³

 

V1_г.т=Q*t; Q=S*W, где

t- время до отключения оборудования, с

Q - расход газа, м³/с

S - площадь сечения трубопровода, м²

W - скорость истечения газа, м/с

V2_г.т=0.01*P_т*(р²₁*L₁+r ²₂*L₂+... r ² _n*L_n), где

р_т - давление в трубопроводе, кПа

r₁,L₁ - радиус и длина участков трубопровода от аппарата до задвижек, м.

В случае поступления в помещение паров ЛВЖ и ГЖ, что имеет место при работах с лакокрасочными материалами, величина m рассчитывается по формуле:

m=m_и+m_v+m_к , где

 

m_и - масса испарившейся жидкости с поверхности разлива, кг

m_v - то же, из открытой емкости, кг

m_к - то же, со свежеокрашенных поверхностей, кг

m_и=W_и*F_п*t; W_и=10^-6*h*М*Р_нас , где

W_и - скорость испарения, кг/(м²*с)

F_п - площадь испарения,м²,(1л лакокрасочных материалов разливается на горизонтальной поверхности на 1м)

t - время полного испарения жидкости, с

h - коэффициент, учитывающий скорость и температуру воздушного потока над поверхностью жидкости, табл. 1;

М - молярная масса испаряющегося вещества

Р_нас - давление насыщенных паров при заданной температуре жидкости, кПа, определяется по справочным данным[4].

Таблица 1.

Значения коэффициента h.

Скорость воздушного потока, м/с	Значения h при температуре воздуха в помещении, °С
	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
0.1	3.0	2.6	2.4	1.8	1.6
0.2	4.6	3.8	3.5	2.4	2.3
0.5	6.6	5.7	5.4	3.6	3.2
1.0	10.0	8.7	7.7	5.6	4.6

Массу взвешенной в объеме пыли m_пл , поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, определяют по формуле

m_пл=m_ав+m_вз , где

m_ав - масса пыли, поступившей в помещение из аппарата в результате аварийной ситуации, кг

m_вз - масса взвихрившейся пыли, кг

Массу пыли, поступившей из аппарата, определяют по формуле:

m_ав=(m_ап+q_ап*t)*k_п, где

m_ап - максимальная масса горючей пыли, выбрасываемой при аварии из аппарата в помещение, кг

q_ап - расход пыли, поступающей в аварийный аппарат по трубоповодам до момента их отключения, кг/с

t - время отключения, с

k_п - коэффициент пыления, представляющий отношение массы взвешенной в воздухе пыли ко всей пыли, поступившей в помещение из аппарата. Значения k_п принимаются: для гранулированных веществ - 0.1; для сыпучих с объемной массой до 500 кг/м³ -и выше - 0.2; для тонкодистперстной пыли с дисперстностью до 350 мкм - 0.1.

Массу взвихрившейся пыли m_вз определяют по формуле:

m _с.п= m_x/(1+b₂b₃)[n*b₂*b₃+(1-(1-Ky)ⁿ)Kg]*К_г, где

m_х - масса пыли, осевшая на поверхностях в помещении за междууборочный период времени, кг

b₂- коэффициент, определяемый как отношение интенсивностей пылеоседания на труднодоступных и легкодоступных для уборки пыли местах помещения, (при невозможности определения принимается равным 1)

b₃ - коэффициент, определяемый как отношение площадей труднодоступных для уборки к легкодоступным; n - количество циклов поступления пыли в помещение;

Kg - коэффициент эффективности уборки пыли в помещении, принимается при сухой уборке - 0.6, при влажной - 0.7, при уборке с пылесосом - 0.9;

К_г - доля горючей пыли в общей массе отложенной пыли.

Общую массу пыли m_х вычисляют по формуле:

m_х=m_в*(1-a), где

m_в - масса пыли, выделившейся в помещение за между уборочный период, кг

a - коэффициент эффективности вытяжных вентиляционных систем, при отсутствии экспериментальных данных принимается равным 0;

 

Для производств, связанных с механической обработкой поверхности твердых горючих веществ, массу выделившейся в помещение пыли за смену m_в, кг, определяют по формуле:

m_в=F₀*b*r_м*K_д*K_об*n_р*t, где

F₀ - средняя площадь обрабатываемой поверхности за 1ч на одном рабочем месте, м²/ч;

b- средняя толщина слоя материала снимаемого с обрабатываемой поверхности, м²;

r_м - плотность материала, кг/м³

К_д - коэффициент, учитывающий долю пылевидного продукта с размерами частиц менее 800 мкм от общего количества отходов, при отсутствии данных допустимо принимать К_д= 1

К_об - коэффициент использования оборудования

n_p - число рабочих мест

t - среднее время работы станков за смену, ч

 

2.2 Выявление необходимости устройства аварийной вентиляции в производственном помещении.

В соответствии со СНиП 2.04.05-91* ’’Отопление, вентиляция и кондиционирование’’ [7] аварийную вентиляцию надлежит проектировать в помещениях в которых возможно образование взрывоопасной газо-, паро- или пылевоздушной смеси в 5 % объема помещения.

Величину локального объема взрывоопасной смеси, способной образоваться в помещении, определяют в соответствии с ’’Указаниями по определению категории производств по взрывной, взрывопожароопасной и пожарной безопасности’’ СН 463 – 74.

1.Определяют объем (V_cv, м³), в котором может образоваться взрывоопасная концентрация (на нижнем пределе воспламенения с учетом К_запаса=1.5)

V_см = 1.5* m/c, где

m - количество поступившего в помещение вещества, г

2. Определяют свободный объем производственного помещения с учетом заполнения помещения оборудованием.

3. По величине расчетного объема взрывоопасной смеси устанавливают процент заполнения свободного объема помещения взрывоопасной смесью. При V_см>5% V_пом в помещении должна быть предусмотрена аварийная вентиляция с механическим побуждением. От эффективности работы аварийной вентиляции будет зависеть сама возможность образования взрывоопасной смеси или время образования взрывоопасной смеси, Т_и.

Т_и = 0.18*П*С/(ИРФ*ÖМ), где

0.18 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения взрывоопасного продукта в объеме помещения

П - свободный объем помещения, м³

С -нижний концентрационный предел воспламенения, г/м³

И - коэффициент, учитывающий скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения, (табл. 1)

Р - давление паров, принимаемое по средней температуре поверхности жидкости и воздушной среды помещения, Па

М - молекулярная масса продукта, г

Ф - площадь испарения, м², (1л лакокрасочных материалов разливается на горизонтальной поверхности на 1м²)

 

2.3 Определение температуры вспышки нефтепродуктов аналитическим способом.

Для жидкости с определенным химическим составом приближенную величину вспышки Т_всп, можно рассчитать по формуле:

Т_всп =t_кип - 18ÖК, где

t_кип - температура кипения жидкости, С;

К - ’’число опасности ’’ вещества, определяется по формуле: К=4С+Н+4S-20-2СI-3F-5Br, где C,H,S,O,F,Br-число атомов соответствующих химических элементов, входящих в состав молекулы вещества.

При К>0, пары жидкости воспламеняются, при К<0 воспламенения не происходит.

Для нефтепродуктов с неопределенным химическим составом приближенную величину Т_всп , можно рассчитать по формуле:

Т_всп =0.82 t_кип -0.86

Физико-химические характеристики нефтепродуктов, необходимые для расчета ожидаемой температуры вспышки приведены в табл. 2

 

2.4 Определение вероятности возникновения пожара.

Вероятность возникновения ОФП-опаспого фактора пожара, (q_офп) оценивается выражением

q_офп=Q_п*(1-Р_п)*(1-Р_а)<Q_офп^н , где

Q_п - вероятность возникновения пожара или взрыва, год ^-1

Р_п, Р_а - вероятностная эффективность (надежность) профилактических и активных мероприятий

Q_офп^н - вероятность достижения в течение года предельных значений опасных факторов пожара и взрыва, (принимается равной 10^-6 год ^-1).

Таблица 2

Показатели пожаровзрывоопасности веществ.

Химические вещества, смеси	Формула	Хар-ка пожаровзрывоопасности	tвсп / tсв ° С	НКВП /ВКПБ об.%	rжидк приТ=293К, р=100кПа	Ткип К
Ацетон	С3Н6О	ЛВЖ	-18 / 540	2.9 /13
Бензол	С3Н6	ЛВЖ	-11 / 562	1.4 /8
Бутан	С4Н10	Г Г	-69 / 405	1.8 / 8.5
Бутил. Спирт	С4Н10О	ЛВЖ	35 / 340	1.8 /10.9
Водород	Н2	Г Г	- / 540	4.1 /75		20.3
Глицерин	С3Н8О3	ГЖ	198 / 400	2.6 /11.3
Ксилол	С8Н10	ЛВЖ	29 / 590	1.1 / 6.5
Метан	СН4	Г Г	-181 / 537	5.3 / 14.1
Пропан	С3Н8	Г Г	- / 470	2.3 / 9.4
Сероводород	Н2S	Г Г	- / 246	4.3 / 46
Толуол	С7Н8	ЛВЖ	7 / 536	1.3 / 6.8
Уксусная. Кислота	СН3СООН	ЛВЖ	40 / 465	4 / 19.9
Этил. Спирт	С2Н5ОН	ЛВЖ	13 / 400	3.62 / 18
Тосол А	Смесь	ГЖ	108 / 508
Бензин А70	Смесь	ЛВЖ	-34 / 300	0.8 / 5.2
Бензин А95	Смесь	ЛВЖ	-37 / 380	1 / 5.5
Диз. Топл.3	Смесь	ЛВЖ	48 / 225	0.6 / -
Диз. Топл. Л	Смесь	ГЖ	65 / 210	0.5 / -
Керосин	Смесь	ЛВЖ	55 / 227	0.6 / -
Лак бакал.	смесь	ЛВЖ	30 / 477	----
Мазут	Смесь	ГЖ	140 / 380	----
Масло И45	Смесь	ГЖ	181 / 355	----
Растворит. Р4	Смесь	ЛВЖ	7 / 550	1.7 / -
Уайт-спирт	Смесь	ЛВЖ	35 / 250	0.7 / 5.6
Эмаль ВЛ515	Смесь	ЛВЖ	7 / 426	----

 

Вероятность возникновения пожара или взрыва в течение года рассчитывают по формуле:

Q_п =Q_гс * Q_из ,

где Q_гс = Q_г* Q₀ – вероятность образования горючей смеси (Q_г – вероятность появления горючего вещества, Q₀ – вероятность появления окислителя, обычно Q₀=1);

Q_из = Qт*Qэ*Qt – вероятность появления источника зажигания (Q_т – вероятность появления теплового источника, Q _э - вероятность достаточности энергии источника, Q_t - вероятность достаточности времени существования источника).

Вероятность появления достаточного для образования взрывоопасной смеси количества горючего вещества можно рассчитать по формуле:

Q_г = 1-exp(-λ* τ), где

λ –интенсивность отказов оборудования в течение года, ч^-1

τ – общее время работы оборудования в течение года, ч

Значения предельных величин ОФП (опасного фактора пожара), превышение которых не допускается с вероятностью выше нормативной представлены в таблице. 3:

 

Таблица 3:

Значения основных факторов пожара

ОФП (опасный фактор пожара)	Предельные значения
Обрушение конструкций	Недопустимо
Температура, ºС
Тепловые излучения, Вт/м2
Содержание СО, % об.	0.1
Содержание СО2, % об.	0.6
Содержание О2, % об.	Не менее 17.0
Потеря видимости, раз	2.4