Все виды опасности, создаваемые СГ при морской перевозке наливом, определяются физико-химическими свойствами самих газов и условиями транспортировки. Наибольшую опасность для судов-газовозов представляют пожары и взрывы. В основе пожара лежит горение – сложный физико-химический процесс быстрого высокотемпературного окисления, при котором в очаге пламени горючего вещества и окислителя резко падает, а концентрация продуктов сгорания и температура повышаются. Основу горения представляют окислительно-восстановительные химические реакции приводящие к перераспределению валентных электронов междуатомами взаимодействующих молекул. Горение отличается Гремя признаками: химическим превращением, выделением тепла и излучением света.
Все вещества находятся в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (пар). У твердого вещества атомы и тесно связаны между собой, а молекулы жидкости могут передвигаться относительно друг друга. Молекулы газа свободно перемещаются на большие расстояния одна от другой. Для окисления вещества его молекулы должны быть окружены молекулами кислорода. Тесная взаимосвязь молекул твердых веществ и жидкостей не позволяет им быть окруженными какими-либо другими молекулами. Следовательно, вещества могут гореть только в газообразном состоянии.
До того как твердое горючее вещество начнет гореть, оно должно перейти в парообразное состояние. При нагревании твердого вещества его молекулы начинают перемещаться. Сильный нагрев способствует увеличению скорости движения молекул, и тогда отдельные из них отрываются от поверхности, образуя над ней пары или газ. Во время пожара такое изменение происходит обычно при начапьном воздействии тепла. Этот процесс носит название пиролиза и представляет собой химическое разложение вещества под воздействием тепла. В результате разложения осуществляется переход из твердого состояния в парообразное. Пары при наличии достаточного количества кислорода в окружающей среде смешиваются с ним и при нагревании до определенной температуры (открытым пламенем, искрой, поверхностью горячего двигателя и т.п.) быстро окисляются и воспламеняются. Тепловая энергия горения распространяется во всех направлениях, и часть ее, называемая обратным излучением, возвращается к очагу пожара (горящему твердому веществу или горящей жидкости). Обратное излучение способствует дальнейшему выделению паров и повышению температуры паров до точки воспламенения. При этом одновременно воздух засасывается в зону соприкосновения паров и пламени. Возникает Цепная реакция, при которой образующаяся при горении пзров теплота воспламеняет все большее количество паров, при горении которых выделяется все-большее и большее количество теплоты, воспламеняющей все возрастающее количество паров. В результате постоянного увеличения теплоты и паров горение усиливается.
Пожар имеет три основные зоны влияния: горения, теплового воздействия и задымления. Эти зоны связаны между собой. В зависимости от вида горящего вещества различают гомогенное и гетерогенное горение. При этом кислород для горения чаще всего поступает из атмосферы, но в некоторых случаях он выделяется вследствие разложения кислородосодержащих веществ. Гомогенное горение всегда сопровождается наличием пламени над поверхностью горящего вещества (дерева, нефтепродуктов, масляных красок и т.п.), способного при нагревании выделять летучие горючие вещества. Для гетерогенного горения характерен накал на поверхности твердого горючего вещества. К таким веществам относятся кокс, древесный уголь, антрацит и другие. Они не способны выделять большое количество летучих горючих веществ. Зону горения определяют такие параметры, как объем, высота и площадь, количество горючих веществ, скорость и температура их горения. Абсолютное значение температуры открытых пожаров, естественно, всегда больше, чем закрытых. Температура закрытого пожара изменяется во времени, а также зависит от отношения площади приточных открытых проемов к площади горения, высоты помещения, соотношения площадей горения и палубы и других факторов. Например, при отношении площади приточных проемов к площади горения, равном 0,16, она может составлять при удельной горючей нагрузке 50 кгс/см2 300 °С (для разрыхленного хлопка), 910 °С (для сухой древесины), 1250 °С (для полистирола).
Зона теплового воздействия представляет собой пространство, иногда весьма значительное, на котором распространяются продукты горения, имеющие в среднем начальную температуру 1100-1300 °С. Смешиваясь с воздухом, эти продукты отдают ему часть своей тепловой энергии. Граница зоны пролегает там, где температура не превышает 60-80 °С. Выделяющиеся продукты горения и теплового разложения, распространяясь в окружающей среде, создают зону задымления.
Воздействие пламени часто приводит к получению местных или Дбших ожогов, поражению дыхательных путей. Температура окружающей среды при пожаре очень быстро поднимается выше 90 °С, а в закрытых помещениях составляет в среднем 430 °С. Для людей температура выше 50 °С уже опасна, даже если они пользуются защитной одеждой и дыхательными аппаратами. Непосредственное воздействие горячего воздуха способствует обезвоживанию человеческого организма, тепловому истощению, ожогам, поражению дыхательных путей. Высокая температура вызывает сильное сердцебиение, нервное возбуждение и поражение нервных центров.
Химический состав образующихся при пожаре газов определяется, в основном, видом горючего вещества. Наиболее опасными являются двуокись углерода С02 (продукт полного сгорания) и окись углерода СО (продукт неполного сгорания). Последний («кровяной яд») для человека более опасен, так как при вдыхании его в смеси с воздухом эритроциты крови захватывают СО и теряют способность переносить кислород, что приводит к кислородному голоданию организма. Два-три вдоха человеком воздуха с 1,3% -ным содержанием СО вызывают потерю сознания, а если он дышит таким воздухом несколько минут, то это приводит к смерти. Повышенная концентрация СОг в воздухе уменьшает поступление кислорода в легкие, что проявляется в учащенном дыхании человека. При падении содержания кислорода в воздухе от нормального (21% по объему) до 15% нарушается мышечная деятельность. При концентрации кислорода в воздухе 10-14% у человека пропадает ясность мышления и возникает ощущение сильной усталости. Концентрация кислорода в воздухе ниже 10% приводит к потери сознания. Следует учитывать, что потребление человеком кислорода значительио возрастает при увеличении нагрузки, как это имеет место при развертывании борьбы с огнем. Пожар способствует выделению и других вредных для человеческого организма газов, а также дыма. Дым затрудняет дыхание человека, может оказывать отравляющее действие. Он ухудшает видимость в зоне пожара, раздражает глаза, нос и легкие, ухудшает самочувствие людей. Поэтому, находясь з зоне пожара, обязательно следует применять дыхательные аппараты.
Если горючего вещества много, то пожар продолжает развиваться. Со временем количество паров, выделяющихся из горючего вещества, достигает максимума и начинает стабилизироваться, а горение начинает происходить с устойчивой скоростью. Скорость протекания реакции горения зависит от энергии активизации молекул горючего вещества и окислителя, а также от скорости их диффузии к зоне горения. Стабилизация процесса горения наступает при достаточно высокой температуре, когда количество выделяющегося при горении тепла становится равным количеству тепла, излучаемого пламенем в окружающее пространство, то есть когда устанавливается тепловой баланс. Это продолжается до тех пор, пока не израсходуется основная масса горючего вещества. Далее окисляется все меньшее количество паров и уменьшается тепловое излучение. Процесс все более затухает, и пожар начинает гаснуть. После сгорания твердых горючих веществ может остаться зола, и некоторое время будет продолжаться тление. Жидкие же горючие вещества сгорают полностью. Интенсивность выделения паров из жидкостей выше, чем из твердых веществ, так как молекулы жидкости менее тесно связаны между собой. Жидкости могут выделять пары б широком диапазоне температур. Например, бензин начинает испаряться уже при температуре – 43 °С, что превращает его в постоянный источник возможного возникновения пожара.
Чтобы более тяжелые воспламеняющиеся жидкости (мазут, смазочное масло) стали выделять пары в достаточном для возгорания количестве, их необходимо подогреть. Так, смазочные масла воспламеняются при температуре 204 °С, которая в случае пожара достигается весьма быстро, поэтому нефтепродукты, находящиеся вблизи огня, легко загораются. Обратное излучение и цепная реакция способствуют быстрому распространению горения воспламеняющейся жидкости. Пары, образующиеся при испарении воспламеняющейся жидкости, тяжелее воздуха, что делает их очень опасными. Распространяясь по палубе, опускаясь и проникая через возможные отверстия, эти пары могут войти в соприкосновение с каким-либо источником воспламенения, например с искрой электродвигателя вентилятора. Тогда при наличии достаточного количества кислорода пары могут воспламениться и огонь, распространяясь в сторону емкости, имеющей утечку, вызовет сильный взрыв и пожар. Интенсивность выделения тепла воспламеняющихся жидкостей в 3-10 раз выше, чем дерева, а его количеЬтво примерно в 2,5 раза больше. При растекании воспламеняющиеся жидкости распространяются на очень большой площади и при воспламенении выделяют много теплоты. Это одна из причин того, что растекшиеся жидкости горят столь интенсивно, а их гушение связано с очень большими трудностями.
Газообразные горючие вещества уже находятся в необходимом для условий горения состояний. Для их возгорания необходимо осуществить лишь перемешивание с кислородом в определенных пропорциях и подвести достаточное количество теплоты. Все обратное излучение уходит только на обеспечение непрерывного возгорания газа. Горючие газы горят более интенсивно, чем твердые вещества и жидкости. Размеры и интенсивность пожара при горении газов Зависят от их количества. Газы сгорают без тления и остатков.
Таким образом, для процесса горения необходимы три составных элемента: горючее вещество, которое испаряется и горит, кислород для окисления горючего вещества и теплота для поЕышения температуры паров горючего вещества до момента их воспламенения.
Сказанное наглядно иллюстрирует символический пожарный треугольник, который позволяет сделать важные выводы для обеспечения предотвращения пожара и его тушения:
— при отсутствии одной из сторон треугольника пожар не может возникнуть;
— если исключить одну из сторон треугольника, то пожар прекратится.
Рис. 1. Графическое представление физико-химического процесса горения:
а – пожарный треугольник; б – пожарный тетраэдр; 1 – горючее вещество; 2 – кислород, 3 – теплота; 4 – цепная реакция
Пожарный треугольник дает простейшее представление о трех факторах; необходимых для существования пожара, но он не полностью поясняет природу пожара, как ока была изложена выше, в частности, он не включает в себя цепную реакцию, возникающую между горючим веществом, кислородом и теплотой в результате химической реакции. Более глубокое отражение процесса горения дает пожарный тетраэдр (многогранник с четырьмя треугольными гранями. В тетраэдре присутствует цепная реакция, каждая грань которой касается трех других. Таким образом, тетраэдр дает возможность видеть, что цепная реакция поддерживает пламенное горение – грань цепной реакции удерживает остальные три грани от падения. Это весьма важный аргумент, позволивший создать стационарные системы, переносные огнетушители и автоматические комплексы тушения пожаров и предотвращения взрывов за счет применения огнегушащих веществ, оказывающих воздействие на цепную реакцию и прерывающих ее протекание.
Знание природы возникновения и развития пожаров позволяет разработать наиболее эффективные меры по их предупреждению. Если предотвратить пожар не удалось, то должны быть приняты все меры для его локализации, ограничения распространения и для его тушения. Это достигается путем осуществления комплекса профилактических мероприятий, включающих в себя ограничение применяемых горючих материалов, конструктивную противопожарную защиту, системы газового анализа, эффективные системы сигнализации и локализации пожара. Наглядное представление об эффективном тушении пожаров представляет собой пожарный тетраэдр (см.рис.91,б). При устранении либо горючего вещества, либо кислорода, либо теплоты пожар прекратится. Если будет прервана цепная реакция, то вследствие уменьшения образующихся паров и снижения тепловыделения пожар также будет потушен.
Простейшим способом предупреждения возникновения пожара является физическое устранение горючих веществ на борту судна, что практически невозможно. Наибольшую пожарную опасность для газовоза представляет сам перевозимый груз, количество которого для повышения эффективности морской транспортировки СГ постоянно стремятся увеличить. Меры борьбы с пожаром, вызванным воспламенением СГ, будут подробно рассмотрены ниже. Однако и в обычных судовых помещениях (постах управления, служебных, общественных, жилых и санитарно-бытовых помещениях, кпадовых) полностью отказаться от применения горючих веществ не представляется возможным. Поэтому, стремясь уменьшить степень пожарной опасности помещений данных категорий, ограничивают количество применяемых в йих горючих веществ.
Расчет горючей нагрузки выполняется в процессе проектирования каждого судна, при этом рассматриваются типовые помещения, исключая смежные с ними, например каюты без премыкающих коридоров, кабинет капитана без спальни и т.п.
Как было показано, горение представляет собой физико-химический процесс. Если учесть, что энергия активации молекул повышается чаще всего за счет тепла, то можно утверждать, что химическая реакция горения регулируется чисто физическими факторами, которые объективно отражают как свойства реагирующих веществ, так и условия, сложившиеся при пожаре. Следовательно, для тушения пожара на него необходимо воздействовать физическим или химическим путем. В случае физичзского воздействия горение прекращается без изменения направления реакции. Она остается экзотермической (экзотермическая реакция – химическая реакция горения, при которой из реагирующей системы в окружающую среду выделяется теплота). При химическом воздействии на горение изменяются скорость и направление реакции: из экзотермической она переходит в эндотермическую (химическую реакцию, при которой реагирующая система поглощает теплоту из окружающей среды). Результатом физического и химическго воздействия является торможение реакции горения. Способы тушения пожара основываются на различных физических и химических принципах и классифицируются в нашей стране следующим образом.
Охлаждение зоны горения и реагирующих веществ, для чего в зону горения вводятся вещества с низкой емпературой и высокой теплоемкостью ( вода, реже пена и твердая углекислота). За счет теплопоглощения понижается энергия активации молекул горючего вещества и окислителя до величины, при которой реакция горекия прерывается. К системам, тушащим пожар по этому принципу, относятся системы водяного пожаротушения, спринклерная. орошения, водяных завес, водораспыления, водяной защиты, затопления и др.
Изоляция реагирующих веществ от зоны горения путем нанесения на поверхность горючего вещества пены или порошковых составов. В результате прекращается диффузия молекул окислителя или горючего вещества к зоне горения. Пена экранирует поверхность горящей жидкости или твердого материала от поступления кислорода воздуха и перекрывает выход паров или продуктов термического разложения в зону горения. Порошковые составы предназначены для тушения горящих металлов. При распылении порошков они спекаются на поверхности горящих металлов, образуя пленку (корку), не пропускающую через себя ни окислитель, ни атомы горящего металла. В некоторых случаях при тушении пожаров прибегают к затоплению помещений, и тогда слой воды не только служит для охлаждения горючего вещества, но и создает барьер между горючим веществом и окислителем. В небольших по объему помещениях горение можно прекратить путем герметизации отверстий (дверей, люков, иллюминаторов, вентиляционных каналов). Тогда в процессе горения концентрация кислорода будет постепенно понижаться, пока пожар не прекратится. Принцип изоляции лежит в основе действия систем пенотушения и порошкового пожаротушения.
Следует отметить, что существуют вещества, горение которых нельзя прекратить изоляцией от кислорода. При нагревании, а иногда при соприкосновении с водой эти вещества выделяют кислород. К ним относятся гипохгориты, хлораты, перхлораты, нитраты, хрома-гы, окиси и перекиси. Молекулы этих веществ содержат свободные атомы кислорода, который при разрушении вещества, например, может выделяться и поддерживать горение. Тушение таких пожаров осуществляется подачей большого количества воды.
Разбавление реагирующих веществ не поддерживающим горение веществом, в результате чего снижается концентрация реагирующего вещества или реагирующих веществ, а следовательно, и скорость диффузии молекул к зоне горения, до величины, при которой реакция прекращается. Для этого в зону горения подают углекислый газ, азот, водяной пар или мел-
распылённую воду. При концентрации кислорода менее 16% пламенное горение прекращается, однако тление может происходить и при содержании в воздухе 3% кислорода. Для тушения пожаров горючих водорастворимых жидкостей в качестве средства их разбавления используют воду. За счет разбавления концентрация горючей жидкости, например спирта, снижается, в результате чего уменьшается парциальное давление паров жидкости и снижается скорость диффузии ее молекул к зоне горения. Тушение пожаров по принципу разбавления реагирующих веществ осуществляют системы угле-кислотного пожаротушения, азотного пожаротушения, инертных газов, паротушения, водораспыления.
Химическое торможение реакции горения с помощью ингибиторов (веществ, снижающих скорость химических реакций), вступающих во взаимодействие с активными центрами промежуточных реакций. Если прервать течение цепной реакции, то скорость горения падает до критической и пожар можно быстро потушить. В качестве ингибиторов для прерывания цепной реакции и замедления горения обычно используются хладоны и огнетушащие порошки. Эти вещества воздействуют непосредственно на молекулярную структуру соединений, образующихся в ходе цепной реакции. Разрушение этих соединений оказывает отрицательное влияние на образование пламени при пожаре. Подача ингибиторов для эффективности воздействия на пожар должна осуществляться за короткий промежуток времени – не более 20 с. Принцип химического торможения реакции горения лежит в основе действия систем объемного химического пожаротушения, порошкового пожаротушения и ингибиторной системы. Последняя, в частности, широко используется для профилактики предупреждения возгорания или взрыва легкоиспаряющихся веществ путем мгновенного выброса в охраняемые судовые помещения ингибитора в течение, всего 50-60 мс, поэтому ингибиторная система должна иметь автоматическое действие.
Применение того или иного способа тушения пожара, а следовательно, и соответствующих систем пожаротушения зависит от назначения судна и его помещений, вида перевозимого груза, свойств применяемых на судне горючих материалов, размеров пожара и Других факторов. Для успешного тушения пожара необходимо применение наиболее эффективного огнетушащего вещества, вопрос о выборе которого в аварийной ситуации должен быть решен практически мгновенно. Для упрощения решения этой задачи классификационными обществами зарубежных стран, в частности, Великобритании, Франции, а также Правилами Береговой охраны США и других вводится классификация пожаров. Каждый класс объединяет пожары, вызванные горением материалов, близких по своим свойствам при горении и требующих применения одних и тех же огнетушащих веществ.
Пожары класса А – это пожары, вызванные горением твердых, образующих золу, горючих материалов древесины, древесных материалов, тканей, бумаги, резины, некоторых пластмасс и др.). Это материалы, наиболее часто склонные к загоранию. Древесина и древесные материалы весьма распространены на судах. Температура воспламенения древесины составляет порядка 204 °С.
Рис. 2. Твердые горючие материалы, вызывающие пожары класса А:
1 – древесина; 2 – бумага; 3 – пластмасса; 4 – Е.олсжнистые материалы; 5 – резина
Рис. 3. Воспламеняющиеся жидкости, газы и нефтепродукты, вызывающие пожары класса В: 1 – СНГ; 2 – ацетилен; 3 – смазочное масло;
4 – краска; 5 – спирт; 6 – топливо
Пожары класса В связаны с горением воспламеняющихся или горючих жидкостей, воспламеняющихся газов, жиров и других подобных веществ. Их можно разделить на три группы; воспламеняющиеся и горючие жидкости, краски и лаки, воспламеняющиеся газы. Воспламеняющиеся жидкости способны выделять пары при температуре 27 °С и ниже, например бензин, ацетон, спирт, этиловый эфир. Горючие жидкости имеют температуру вспышки свыше 27 °С. К горючим жидкостям относятся тяжелые нефтепродукты (дизельное топливо, керосин, мазут), имеющие диапазон температур вспышки 27-65 кислоты, растительные и смазочные масла с температурой вспышки свыше 65 °С. Пожарная опасность большинства красок, лаков и эмалей обусловлена тем, что в их состав входят растворители, температура вспышки которые может составлять всего 32 °С. При хранении красок и лаков в закрытых бочках и банках может произойти их взрыв в случае возникновения пожара. Горение воспламеняющихся газов подробно будет рассмотрено ниже. Тушение Пожаров класса В осуществляют прекращением доступа кислорода к огню или предотвращением выделейия горючих паров, в качестве огнетушащих веществ здесь могут использоваться пена, порошки, углекислый газ, хладоны, а в некоторых случаях и вода.
Пожары класса С возникают при воспламенении электрооборудования, электроустройств и проводников, находящихся под напряжением. Для людей опасность таких пожаров связана с возможным поражением током, ожогами, отравлением токсичными парами, выделяющимися при горении изоляции электрокабелей. Перед тушением такого пожара необходимо обесточить электрическую сеть. При тушении пожара необходимо использовать огнетушащие вещества, не проводящие электрический ток (огнетушащий порошок, углекислый газ, хладоны). Категорически воспрещается применение для этих целей воды.
Рис. 4. Источники возникновения пожаров класса С:
1 – электродвигатели: 2 – генераторы: 3 – электрооборудование; 4 – светильники; 5 – кабели; 6 – плавкие предохранители; 7 – выключатели
Пожары класса D обусловлены возгоранием горючих материалов: натрия, калия, магния, цинка, циркония, титана, алюминия и др. Размельченные металлы могут легко воспламеняться при высоких температурах, а некоторые из них склонны к самовоспламенению. Щелочные металлы (натрий, калий, литий) активно вступают в реакцию с водой, выделяя водород. Количество образующейся при этом теплоты достаточно для воспламенения водорода. Большинство металлов в виде порошка может воспламениться, а иногда привести к взрыву, например, порошок титана представляет собой сильное взрывчатое вещество. Для тушения таких пожаров применяют огнетушащие порошки, не вступающие в реакцию с горящими металлами.
Потенциально на судах-газовозах возможны пожары всех четырех классов. Однако горение одного горящего вещества обычно способствует возгоранию других. Поэтому применительно к газовозам следует рассматривать шесть вариантов пожаров: класса А; класса В; сочетания классов А и В; сочетания классов А и С; сочетания классов В и С; класса D(имеет место в достаточно редких случаях). Пожар класса С самостоятельно не рассматривается, так как воспламенение электооборудова-ния всегда вызывает горение твердых материалов, жидких и газообразных веществ. Для газовоза наиболее опасным является воспламенение перевозимого СГ (пожар класса В). Причин для этого существует великое множество, а первоисточник воспламенения может находиться в любой части судна. Поэтому, чтобы предотвратить возгорание СГ, необходимо располагать эффективными средствами борьбы с пожарами любого класса в поеделах всего судна. В зависимости от способа тушения, класса пожара и применяемого огнетушащего вещества возможны самые различные комбинации борьбы с пожарами на судах-газовозах.
Рис. 5. Горючие металлы, способствующие возникновению пожаров класса D:
1 – магниевый сплав, 2 – алюминиевый порошок
Рис. 6. Действие огнетушащих веществ на пожары различных классов при использовании принципов:
а – охлаждения зоны горения; б – изоляции реагирующих веществ; в – снижения концентрации кислорода; г – химического торможения реакции горения