ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МЕТОДОВ РАЗРАБОТКИ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТА

Пожары, связанные с горением каучука и резинотехнических изделий вызывают большие затруднения в их тушении, связано это главным образом с физико-химическими свойствами данных веществ. При горении каучука, резины их температура может достигнуть 1200°С, выделяется огромное количество тепла.

Чтобы оценить пожарную и взрывопожарную опасность производства резинотехнических изделий необходимо подробно рассмотреть технологические процессы и оборудования, способные вызвать аварийные ситуации, сопровождающиеся взрывами и пожарами. Технологический процесс производства шин состоит из ряда последовательно выполняемых основных и вспомогательных операций.

Анализ показывает, что источником зажигания в производстве резинотехнических изделий может быть нарушение технологического регламента процесса производства, разряд статического электричества, неисправность производственного оборудования, нарушение технологического процесса производства, нарушение правил пожарной безопасности при проведении электрогазосварочных работ.

Примером может послужить крупный пожар на Московском шинном заводе. Огонь распространялся в складском корпусе, где основным детонатором пожара являлся каучук. Все отсеки и помещения корпуса заполнились непроницаемым дымом и копотью. Этим объясняется, что на ликвидацию пожара было затрачено около 18 часов. За последние четверть века пожар на шинном заводе был самым продолжительным и наиболее убыточным в Москве. Убытки, причиненные пожаром на Московском шинном заводе, составят 25 млрд. руб. В результате пожара шестиэтажный складской корпус общей поэтажной площадью 22 000 кв. м полностью выведен из строя и не подлежит восстановлению.

Пожарная безопасность резинотехнической промышленности должна обеспечиваться системами предотвращения пожара и противопожарной защиты, в том числе организационно-техническими мероприятиями [1, с. 4]. Системы пожарной безопасности должны характеризоваться уровнем обеспечения пожарной безопасности людей и материальных ценностей, а также экономическими критериями эффективности этих систем для материальных ценностей, с учетом всех стадий (научная разработка, проектирование, строительство, эксплуатация) жизненного цикла объектов и выполнять одну из следующих задач:

• исключать возникновение пожара;
• обеспечивать пожарную безопасность людей;
• обеспечивать пожарную безопасность материальных ценностей;
• обеспечивать пожарную безопасность людей и материальных ценностей одновременно.

Предприятия должны иметь системы пожарной безопасности, направленные на предотвращение воздействия на людей опасных факторов пожара, в том числе их вторичных проявлений, на требуемом уровне.

Требуемый уровень обеспечения пожарной безопасности людей с помощью указанных систем должен быть не менее 0,999999 предотвращения воздействия опасных факторов в год в расчете на каждого человека, а допустимый уровень пожарной опасности для людей должен быть не более 10 воздействия опасных факторов пожара, превышающих предельно допустимые значения, в год в расчете на каждого человека.

Классификация объектов по пожарной и взрывопожарной опасности должна производиться с учетом допустимого уровня их пожарной опасности (требуемого уровня обеспечения пожарной безопасности), а расчеты критериев и показателей ее оценки, в том числе вероятности пожара (взрыва), - с учетом массы горючих и трудногорючих веществ и материалов, находящихся на объекте, взрывопожароопасных зон, образующихся в аварийных ситуациях, и возможного ущерба для людей и материальных ценностей.

Методики, содержащиеся в стандартах и других нормативно-технических документах и предназначенные для определения показателей пожарной опасности строительных конструкций, их облицовок и отделок, веществ, материалов и изделий (в т.ч. незавершенного производства), должны адекватно отражать реальные условия пожара [1, с. 5].

Предотвращение образования горючей среды должно обеспечиваться одним из следующих способов или их комбинаций:

• максимально возможным применением негорючих и трудногорючих веществ и материалов;
• максимально возможным по условиям технологии и строительства ограничением массы и (или) объема горючих веществ, материалов и наиболее безопасным способом их размещения;
• изоляцией горючей среды (применением изолированных отсеков, камер, кабин и т.п.);
• поддержанием безопасной концентрации среды в соответствии с нормами и правилами и другими нормативно-техническими, нормативными документами и правилами безопасности;
• достаточной концентрацией флегматизатора в воздухе защищаемого объема (его составной части);
• поддержанием температуры и давления среды, при которых распространение пламени исключается;
• максимальной механизацией и автоматизацией технологических процессов, связанных с обращением горючих веществ;
• установкой пожароопасного оборудования по возможности в изолированных помещениях или на открытых площадках;
• применением устройств защиты производственного оборудования с горючими веществами от повреждений и аварий, установкой отключающих, отсекающих и других устройств.

Предотвращения возгорания на любом объекте следует заранее разработать и предусмотреть возможный вариант развития пожара. Это позволит быстро и эффективно ликвидировать огонь ввиду знаний особенностей развития возгорания и его распространения по наиболее уязвимым и пожароопасным местам. Поэтому моделирование пожаров носит двоякую цель: и разработка профилактических мер по защите объекта от возгорания (установка специализированных систем, разработка противопожарного режима), и ускоренная ликвидация огня при его возникновении. Этому немало способствовало быстрое развитие компьютерных технологий.

Наиболее простые способы моделирования возможного пожара носят название вербальных. Они включают в себя описание возгорания, изменения температуры в помещении, появлении продуктов горения, аккумуляции тепла конструктивными элементами и оборудованием, в результате чего происходит деструкция сгораемых частей [2, c. 588]. Ввиду распространения огня происходит его расширение на другие площади и объекты. Поэтому для ликвидации пожара необходимо одновременно принимать все средства для его локализации при обеспечении одновременной эвакуации материально-технических ценностей. Для этого одновременно применяют методические и практические способы изучения пожара, базирующиеся на основе физико-математических наук, механики, материаловедения и пр. На основе полученных данных требуется изучить и разработать теорию возникновения пожара, его возможного развития и способов ликвидации.

Поэтому еще на этапе проектирования объекта следует определить его огнестойкость, разместить в наиболее пожароопасных местах датчики, системы оповещения, пожаротушения и дымоудаления, разработать план эвакуации людей. Тепломассообмен в зданиях позволяет линейным способом решить вопрос распространения пламени, хотя он и характеризуется определенными неточностями ввиду многофакторности и трёхмерности протекания процесса.

Наиболее часто используемым является комплекс дифференциальных уравнений Навье-Стокса, описывающих сохранение импульса и массы в области гидроаэромеханики [2, c. 590]. Но для полного описания динамики пожара следует добавить уравнения, связывающие энергию, температурно-плотностный фактор и давление в зоне поражения.

Система уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, к которой с большой точностью можно отнести воду, имеет вид:

Первое уравнение в системе – это собственно уравнение движения. В левой его части стоят произведения плотности на соответствующие ускорения. В правой же части – произведения плотности на силы давления и внутреннего трения.

Второе уравнение – это уравнение неразрывности. Его физический смысл – это сохранение массы для потока жидкости.

Выражение – это не что иное, как субстанциональная производная (также её называют полной). Она показывает, как изменяется ускорение материальной точки, которая движется в стационарной среде жидкости.

Система уравнений Навье-Стокса дает очень точные решения, если рассматривается ламинарное течение жидкости, либо геометрия каналов несложная [3, с. 492]. А вот при турбулентном течении уравнения очень чувствительны к значениям коэффициентов: изменение числа Рейнольдса на 0,05% может привести к кардинально другому результату.

На практике система уравнений Навье-Стокса применяется для расчёта конвекции и термической диффузии в теплофизике и теплотехнике; для предсказания поведения смесей, состоящих из многих компонентов.

В настоящее время разработаны программные комплексы, позволяющие создавать и разрабатывать сложные многофакторные модели пожаров в полевом режиме. Всего известно более 150 моделей развития пожара, включающих процессы тепломассопереноса, возгораемости веществ и строительно-конструктивных элементов. Поэтому разработка данных моделей должна включать в себя особенности эвакуации людей, создания приборов с повышенной пожаробезопасностью. Для обеспечения пожарной безопасности зданий, людей, технологических процессов следует предусмотреть использование современных средств пожарной защиты в программном комплексе.

На объектах промышленного комплекса, относящихся к потенциально опасным, ввиду использования специфических технологий и наличия на их территории веществ и материалов с взрывоопасными характеристиками, также осуществляется математическое моделирование. Для этого вводится информация, описывающая технологическое состояние предприятия, его технические ресурсы, картографические особенности и статистические данные об ОПО. Виртуальный прогноз позволяет минимизировать ущерб от возможной ЧС или предотвратить её.

Подобную информационную систему ГИС «Экстремум» разработали российские специалисты. Такая математическая модель предусматривает расчёт затрат в результате катастрофы и позволяет рассчитать параметры рациональной стратегии на предприятии путём повышения надёжности системы противопожарной защиты, выполнения мониторинга или введения средств для создания надежной защиты от возгораний.

Поэтому разработка моделей пожара является важным инструментом практической части работы пожарных ввиду определения возможных сценариев развития возгорания. Применение современных компьютерных средств с использованием соответственного программного обеспечения для отрасли, предприятия, природного объекта или здания позволяет максимально эффективно проводить профилактику пожаров, выполнять их локализацию и тушение.

Согласно Приказу МЧС России (№ 382 от 30.06.09) для описания термогазодинамической картины пожара на объекте применяют следующие методов моделирования [4, с. 1656]:

1. Интегральный – предварительный, позволяет выявить самый опасный сценарий пожара. Подходит для:
   • зданий с развитой системой небольших помещений простой конфигурации;
   • помещений, сходных между собой по линейным размерам (могут отличаться не больше, чем в 5 раз) и соизмеримых с характерным размером очага пожара.
2. Зонный или зональный – применяется для разноуровневых помещений (лекционные, зрительные залы), помещений несложной конфигурации или в том случае, когда размер очага пожара значительно меньше, чем габариты помещения.
3. Полевой – самый универсальный инструмент в компьютерном моделировании пожаров, с помощью этого метода проводят расчеты пожаров на объектах даже самой сложной геометрии. Используется:
   • если помещение имеет сложную планировку, большое количество внутренних перегородок, коридоров, систему вертикальных и горизонтальных связей;
   • для уникальных зданий;
   • для тоннелей, закрытых автостоянок и других подобных объектов.

Построение модели пожара на сегодня осуществляется при помощи специальных компьютерных программ. На первом этапе необходимо ввести исходные данные, после чего программа автоматически проводит вычисления по различным сценариям пожара. Оператору остается только проанализировать полученные данные и оформить отчет.

Для построения модели необходимо:

• огрничить объем пространства, т. е. область моделирования;
• задать точки расположения строительных конструкций в 3-мерной системе координат для создания трехмерной модели области моделирования;
• задать теплофизические свойства строительных конструкций;
• задать макрокинетические характеристики для материалов пожарной нагрузки (с какой скоростью по ним распространяется огонь, удельная скорость выгорания, интенсивность дымообразования и другие) и некоторые химические параметры;
• указать исходные свойства среды (температура, влажность, давление, количество кислорода, плотность);
• указать точки расположения пожарных датчиков.

Более точное моделирование подразумевает также имитацию работы системы противопожарной защиты. В итоге программа создает целую анимацию, которая показывает направление распространения пламени и дыма. Кроме того, моделирование пожара предоставляет возможность:

• выявить самые пожароопасные на объекте участки;
• определить имеющиеся недостатки систем противопожарной защиты;
• оценить в достаточной ли мере представлены на объекте мероприятия по ПБ;
• проверить насколько эффективны и достаточны дополнительные средства защиты от пожара;
• обнаружить другие опасные факторы пожара.

Полный отчет на основании полученных данных позволяет максимально точно предсказать где и когда может случиться пожар на объекте, что дает возможность предупредить возгорание и избежать негативных его последствий.

Рисунок 1. Пример математических моделей для расчета распространения опасных факторов пожара.

Рисунок 2. Эволюция методов моделирования пожаров.

Рисунок 3. Моделируемые физико-химические процессы.РРисунок 4. Эволюция методов моделирования эвакуации.

Развитие науки и техники обуславливает внедрение в системы противопожарной защиты зданий новых способов обнаружения и сбора информации о параметрах пожара. Это определяет необходимость системного рассмотрения процессов, протекающих при пожаре в здании, что диктует необходимость компьютерного моделирования процессов развития и тушения пожаров в зданиях.

В настоящее время программ по математическому моделированию динамики развития пожара не так уж и много. Самой известной считается программа FDS разработанная национальным институтом стандартов и технологии (НИСТ) министерством торговли США при содействии технического научно-исследовательского центра VTT (Финляндия). В компании ООО «Ситис» разработали PyroSim - пользовательский графический интерфейс для моделирования динамики развития опасных факторов пожара полевым методом [5, с. 185].

Рисунок 5. Визуализация распространения опасных факторов пожара и эвакуации.

С помощью программного модуля «Сигма ПБ» можно решать задачи пожарной безопасности:

• подготовка персонала, отвечающего за ПБ, к управлению эвакуацией на объекте на основе предварительного анализа результатов расчётов различных сценариев развития пожар и эвакуации;
• организация видео-информационной поддержки посетителей мест массового пребывания людей о правилах поведения при пожаре, планировке здания, эвакуационных выходах, путях эвакуации в штатном режиме и ЧС-режиме;
• априорная оценка безопасности для жизни и здоровья людей планировочных решений при организации массовых мероприятий;
• оценка безопасности для жизни и здоровья людей планировочных решений на этапе проектирования зданий и сооружений;
• расчёт пожарных рисков.

По запросу пользователя выдается статистическая информация по сценарию (времена эвакуации с этажей и здания в целом, времена блокирования путей эвакуации, длительность плотных скоплений, количество людей, подвергшихся воздействию ОФП, превышающих предельно допустимые значения).

В соответствии с Методикой расчета пожарного риска определяются времена эвакуации и блокирования путей эвакуации, определяется вероятность эвакуации каждого участника здания и вероятность эвакуации из здания в целом.

Данная программа упрощает выполнение расчётов распространения ОФП и эвакуации. В ней используются вычислительные ядра отечественных программ SigmaFire и SigmaEva, в которых реализованы полевая модель пожара и модель эвакуации индивидуального поточного типа, что позволяет определять текущие и желаемые условия эксплуатации как варьируемые переменные моделирования и изучать их влияние на исход эвакуации при пожаре. Пространственная визуализация, сопровождаемая количественным анализом, позволяет наглядно изучить динамику развития пожара, оценивать влияния рискообразующих факторов на исход эвакуации.

Функциональное наполнение программного комплекса «Сигма ПБ» позволяет применять его в различных областях, связанных с обеспечением безопасности людей [6, с. 55]. Можно выделить следующие потенциальные области применения программы:

• анализ зданий и сооружений на предмет пожаробезопасности при проектировании и на этапе эксплуатации (включая исследование эффективности систем дымоудаления, подпора воздуха);
• обучающие тренажеры в специализированных учебных заведениях (наглядное изучение особенностей развития пожара и эвакуации в зависимости от условий сценария);
• обеспечение безопасной маршрутизации потоков людей на объекте и прилегающей территории;
• в пожарных частях (база насчитанных наиболее опасных и вероятных сценариев используется оперативным дежурным для оценки наиболее вероятного развития пожара к моменту прибытия пожарного расчета на объект, для выдачи рекомендаций на объект о способах эвакуации людей).

Развитие науки и техники обуславливает внедрение в системы противопожарной защиты зданий новых способов обнаружения и сбора информации о параметрах пожара. Это определяет необходимость системного рассмотрения процессов, протекающих при пожаре на производственных объектах, что диктует необходимость компьютерного моделирования процессов развития и тушения пожаров в зданиях. Таким образом, прогнозирование возможных рисков и опасных факторов пожара на производственных предприятия, в частности рассматриваемых нами предприятий резинотехнических изделий с помощью моделирования в современных программных обеспечениях, даёт возможность на основании полученных данных максимально точно предсказать, где и когда может случиться пожар. Данные расчеты могут позволять моделировать динамику параметров развития и тушения пожара в зданиях с учётом введения средств подачи огнетушащих веществ. Благодаря трёхмерной визуализации процессов развития и тушения пожаров пользователь наблюдает за развитием опасных факторов пожара в помещениях, что позволяет ему рассмотреть отдельные аспекты данного процесса и использовать полученную информацию при принятии решений. Разработанная программа за счёт совокупного взаимодействия модулей позволяет производить анализ обстановки на месте пожара за счет решения систем дифференциальных уравнений, описывающих процесс развития пожара во времени.