Глава 2 ГОРЕНИЕ И СРЕДСТВА ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ
2.1. ПОНЯТИЕ О ПРОЦЕССЕ ГОРЕНИЯ
Горением называют физико-химический процесс, характеризующийся следующими признаками: химическими превращениями, выделением тепла и света. Для того чтобы возникло устойчивое горение, необходимо наличие трех факторов: горючего вещества (материала, смеси), окислителя и источника зажигания.
Химическая реакция горения, идущая с выделением значительного количества тепла, почти всегда сопровождается различного рода физическими явлениями. Так, в процессе горения происходит перенос тепла реагирующих веществ и продуктов горения из одного места в другое. Все процессы, происходящие в зоне реакции горения, взаимосвязаны - скорость химических реакций определяется уровнем теплопередачи и скоростью диффузии вещества и, наоборот, физические параметры (температура, давление, скорость переноса вещества) зависят от скорости химической реакции.
Горючее вещество. Все вещества и материалы, обращающиеся в производстве, используемые в качестве сырья, полуфабрикатов, строительных конструктивных элементов, подразделяются на три группы: негорючие, трудногорючие и горючие.
Негорючими называются вещества и материалы, не способные к горению в воздухе нормального состава. Негорючие вещества и материалы составляют значительную группу. К ним относятся все естественные и искусственные неорганические вещества и материалы, применяемые в строительстве металлы, а также гипсовые или гипсоволокнистые плиты при содержании органической массы до 8%, минераловатные плиты на синтетической, крахмальной или битумной связке при содержании ее по массе до 6%.
Трудногорючими называются вещества (материалы), способные загораться под действием источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления. К ним относятся вещества и материалы, состоящие из негорючих и горючих составляющих, например: асфальтобетон, гипсовые и бетонные материалы, содержащие более 8% по массе органического заполнителя; минераловатные плиты на битумной связке при содержании ее от 7 до 15%; глиносоломенные материалы объемной массой не менее 900 кг/м3; войлок, пропитанный глиняным раствором; древесина, подвергнутая глубокой пропитке антипиренами; цементный фибролит; отдельные виды конструкционных пластмасс и т.п.
Горючими называются вещества (материалы, смеси), способные к самостоятельному горению в воздухе нормального состава. К ним относятся все вещества и материалы, не отвечающие требованиям, предъявляемым к негорючим и трудногорючим веществам и материалам, например: авиационные топлива, спирты, органические и неорганические масла, декоративно-отделочные материалы на основе пластмасс, текстильные материалы, магний, натрий, сера и другие материалы и химические вещества.
В свою очередь, все горючие вещества и материалы подразделяются на три подгруппы: легковоспламеняющиеся, средней воспламеняемости, трудновоспламеняющиеся.
Легковоспламеняющимися называются вещества (материалы, смеси), способные воспламеняться от кратковременного воздействия пламени спички, искры, накаленного электрического провода и тому подобных источников зажигания с низкой энергией.
Среднюю воспламенимость имеют вещества (материалы, смеси), способные воспламеняться от длительного воздействия источника зажигания с низкой энергией.
Трудновоспламеняющимися называются вещества (материалы, смеси), способные воспламеняться только под воздействием мощного источника зажигания, который нагревает значительную часть вещества до температуры воспламенения.
К подгруппе легковоспламеняющихся веществ и материалов в первую очередь относятся газы и легковоспламеняющиеся жидкости.
К легковоспламеняющимся жидкостям (ЛВЖ) из всех жидкостей, обращающихся в производстве, относятся горючие жидкости с температурой вспышки, не превышающей +61 °С в закрытом тигле. Они делятся на три разряда:
I - особо опасные ЛВЖ с температурой вспышки до - 18 °С;
II - постоянно опасные ЛВЖ с температурой вспышки от- 18 до 23 °С;
III - ЛЖВ, опасные при повышенной температуре воздуха или жидкости с температурой вспышки от 23° до 61 °С.
Температурой вспышки называется самая низкая (в условиях специальных испытаний) температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для устойчивого горения. Для ЛВЖ температура вспышки на 1-5 °С ниже температуры воспламенения.
Температурой воспламенения называется температура горючего вещества, при которой оно выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.
Практически все горючие и трудногорючие вещества и материалы горят в паровой или газовой фазе, исключение составляют титан, алюминий, антрацит и ряд других. Горючие вещества и материалы могут различаться по химическому составу, агрегатному состоянию и другим свойствам, исходя из чего процессы подготовки их к горению протекают по-разному. Газы вступают в реакцию горения практически без каких-либо изменений, так как их перемешивание с окислителем (кислородом воздуха) происходит при любых температурах среды и не требует значительных дополнительных затрат энергии. Жидкости должны сначала испариться и перейти в парообразное состояние, на что затрачивается определенное количество тепловой энергии, и только в паровой фазе перемешиваются с окислителем и горят. Твердые вещества и материалы при своей подготовке к горению требуют значительно большее количество энергии, так как сначала они должны либо расплавиться, либо разложиться. Расплавленные или разложившиеся вещества и материалы должны испариться и перемешаться с окислителем, после чего под воздействием источника зажигания возникает процесс горения. Каучук, резина и другие пластические материалы, а также магний и его сплавы перед воспламенением плавятся и испаряются (при этом пластмассы разлагаются). Такие материалы, как бумага, древесина, хлопчатобумажные ткани и отдельные виды конструкционных пластмасс при нагревании разлагаются с образованием газообразных продуктов и твердого остатка (как правило, угля).
Окислитель. Окислителем обычно служит кислород воздуха. Воздух по своему составу представляет собой смесь многих газов, основными из которых являются: азот (N2)- 78,2% по объему и 75,5% по массе; кислород (О2)- 20,9% по объему и 23,2% по массе; инертные газы (Не, Ne, Ar, Kr) - 0,9% по объему и 1,3% по массе. Помимо данных газов в воздушном объеме всегда присутствует незначительное количество углекислого газа, водяных паров и пыли. Все эти составляющие воздуха, кроме кислорода, при горении органических веществ и материалов в реакцию горения практически не вступают. Кислород, азот и инертные газы считаются постоянными составными частями воздуха. Содержание же углекислого газа, водяных паров и пыли непостоянно и может изменяться в зависимости от условий, в которых протекает тот или иной процесс горения.
Источник зажигания. Им может быть горящее или накаленное тело, а также электрический разряд, обладающие запасом энергии и температурой, достаточными для возникновения горения других веществ.
На практике существуют или возникают различные явления, повышающие температуру веществ и материалов, находящихся в производстве или на хранении, что в большинстве случаев приводит к возникновению процесса горения как локально, так и во всем объеме горючего вещества или материала. К источникам зажигания относятся: искры, образующиеся при ударах металла о металл или другие твердые материалы; искры и капли расплавленного металла при коротких замыканиях в электрооборудовании и при производстве сварочных и других огневых работ; нагрев электрических проводов при перегрузках электрических сетей; механический нагрев трущихся деталей машин; биологический нагрев при окислении растительных масел и ветоши, смоченной этими маслами; горящие спички, окурки и т.п. Характер воздействия этих источников зажигания неодинаков. Так, искры, образующиеся при ударах металлических предметов, как источник зажигания имеют весьма малую мощность и способны воспламенить только газопаровоздушные смеси: метано-воздушную, ацетилено-воздушную, сероуглеродно-воздушную и др. Искры, возникающие при коротких замыканиях в электрооборудовании или при электросварке, обладают мощной воспламеняющей способностью и могут вызвать горение практически всех горючих веществ и материалов независимо от их агрегатного состояния.
Горючая среда. При возникновении и протекании процесса горения горючее вещество и окислитель являются реагирующими веществами и представляют собой горючую среду, а источник зажигания является стартером процесса горения. При установившемся горении источником зажигания еще не горящих веществ и материалов служит теплота, выделяющаяся из зоны реакции горения.
Горючие среды могут быть физически однородными (гомогенными) и неоднородными (гетерогенными). К первым относятся среды, в которых горючее вещество и окислитель (воздух) равномерно перемешаны: смеси горючих газов, паров и пылей с воздухом. Примерами горения однородной среды могут служить: горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости (разлитого авиатоплива ТС-1 при авиационном происшествии); горение газа, вытекающего из поврежденного баллона или трубопровода; взрывы газо-, паро- и пылевоздушных смесей. К гетерогенным относятся среды, в которых горючее вещество (материал) и окислитель не перемешаны и имеют поверхность раздела: твердые горючие вещества и материалы, струи горючих газов и жидкостей, поступающие в воздух под высоким давлением, и т.п. Примером горения неоднородной среды является горение титана, алюминия, антрацита или нефтяных и газовых фонтанов, когда нефть и газ поступают в зону горения под большим давлением и имеют весьма значительные скорости истечения.
Пламя. Пространство, в котором сгорают пары, газы и взвеси, называется пламенем. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров, газов или пыли с воздухом или такая смесь образуется непосредственно в зоне пламени в процессе горения. Процессы, протекающие в кинетическом пламени, характеризуются высокими скоростями протекания реакции горения (линейная скорость распространения пламени может превышать 1000 м/с) и, как правило, представляют собой взрыв горючей среды, сопровождающийся высоким уровнем тепловыделения и резким повышением давления в зоне горения.
В условиях пожара практически все газы, пары, жидкости и твердые вещества и материалы горят диффузионным пламенем. Структура данного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров или газов и его скорости. По характеру этого потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Первое возникает при малых сечениях потока горючих паров или газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички, газа в горелке домашней плиты и т.п.). На пожарах при горении различных веществ и материалов образуется турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное и турбулентное пламя представляет собой зону реакции горения, которая окружает зону паров или газов, последняя практически занимает весь объем зоны горения. Зона реакции горения в диффузионном пламени представляет очень тонкий (всего несколько микрометров) слой, в котором происходит выделение тепла и света. Турбулентное пламя в отличие от ламинарного характеризуется тем, что не имеет четких очертаний, постоянных сечений и положения фронта пламени.
Температура в зоне паров значительно ниже, чем в зоне реакции. В пламени авиационных топлив температура потока паров около поверхности жидкости приближается к температуре ее кипения (для авиатоплива ТС-1 эта температура лежит в пределах 150-280 °С). По мере движения потока паров к зоне реакции их температура повышается сначала за счет теплового излучения пламени, а затем диффузии из зоны реакции нагретых продуктов сгорания. В результате нагрева происходит термическое разложение (диссоциация) парообразных веществ, и образующиеся свободные атомы и радикалы совместно с продуктами сгорания поступают непосредственно в зону реакции, т.е. в пламя. Атомы углерода, поступая в зону реакции горения, нагреваются и начинают светиться, образуя так называемое светящееся пламя. Температура зоны реакции горения меняется по высоте пламени. В нижней части пламени температура снижается за счет расхода значительного количества тепла на нагрев массы холодного воздуха, поступающего в зону горения, и является минимальной для каждого вида горения. Наибольшая температура развивается в средней части пламени, поскольку в верхней скорость реакции уменьшается за счет падения концентрации реагирующих компонентов (выгорания), в связи с чем падает уровень тепловыделения и снижается температура.
Парциальное .давление кислорода воздуха в нормальных условиях равно 228,72 кПа, а в зоне реакции горения - 0, поэтому в результате разности парциальных давлений кислород из окружающего воздуха диффундирует (фильтруется, просачивается") через слой продуктов сгорания к зоне реакции. Поступление же в зону реакции горения горючих компонентов практически ничем не ограничивается. Таким образом, скорость реакции горения при развившемся процессе зависит в основном только от количества кислорода, поступающего в зону реакции, т.е. от скорости его диффузии. В случае горения неоднородной среды проникновению кислорода в зону реакции также препятствуют продукты сгорания, выделяющиеся в пространство, примыкающее к зоне реакции.
Отсутствие достаточного количества кислорода в зоне реакции горения тормозит скорость ее протекания. Если бы этого торможения не происходило, то все реакции горения, происходящие в атмосфере, протекали бы с постоянно возрастающей скоростью и заканчивались взрывом реагирующих веществ.
Процессы горения, как и все химические процессы, протекают с различными скоростями, зависящими от условий, в которых они протекают, от природы реагирующих веществ, от их агрегатного состояния. Например, взрывчатые вещества разлагаются в тысячные доли секунды, а химические процессы в земной коре длятся сотни и тысячи лет. Взаимодействие веществ в газовой и паровой фазах протекают значительно быстрее, чем в жидком, а тем более твердом состоянии. Так, разлитое авиационное топливо ТС-1 сгорает относительно медленно, образуя коптящее пламя (неполное сгорание), а подготовленная паровоздушная смесь этого топлива с воздухом сгорает со взрывом. Скорость взаимодействия твердых веществ и материалов с окислителем резко изменяется в зависимости от степени их измельченности. Например, алюминий и титан, медленно горящие в слитках, при наличии особых условий могут образовывать в пылевидном состоянии взрывоопасные пылевоздушные смеси, развивающие при горении давления взрыва соответственно в 0,62 и 0,49 МПа.
Горение как химический процесс во всех случаях происходит одинаково. Однако как физический процесс оно отличается по характеру протекания реакции горения, поэтому процессы горения в начальной стадии делятся на следующие виды: самовозгорание, воспламенение и самовоспламенение.
Самовозгорание. Отдельные вещества (материалы, смеси) при хранении и в процессе эксплуатации технологического оборудования способны самовозгораться. Самовозгорание - это явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества в отсутствии источника загорания. К веществам, способным самовозгораться, относятся растительные и жирные масла, тряпки и ветошь, смоченные растительными маслами, сульфиды железа и другие индивидуальные химические вещества. Растительные и жирные масла (подсолнечное, льняное, конопляное, кукурузное, животные жиры и т.п.) относятся к классу жиров и представляют собой смесь глицеридов высокомолекулярных жирных кислот. Молекулы этих кислот имеют ненасыщенные (двойные) связи, способствующие при определенных условиях самовозгоранию данных веществ. Согласно перекисной теории А.Н. Баха окисление может происходить за счет присоединения кислорода к метиленовой группе, находящейся в a-положении по отношению к двойной связи, с образованием гидроперекиси. Как известно, все перекиси и гидроперекиси - нестойкие химические соединения. При их распаде образуются свободные радикалы, полимеризующиеся в более крупные органические молекулы. При полимеризации всегда выделяется определенное количество тепла, что в конечном результате может привести к самовозгоранию окисляющегося органического вещества. Самовозгорание органических веществ возникает при определенных условиях. К ним относятся: содержание в масле или жире глицеридов высокомолекулярных карбоновых кислот не ниже определенного минимального количества; наличие большой поверхности контакта с окислителем и малой теплоотдачи; определенное соотношение жиров и масел и пропитанного ими пористого или волокнистого материала.
Сульфиды железа FeS, Fe2S3 могут образовываться в технологическом оборудовании складов службы ГСМ авиапредприятий. Они способны самовозгораться на воздухе, особенно в присутствии горючих паров и газов. Рассмотрим механизм соединения сульфидов железа с кислородом воздуха на примере реакции окисления природного соединения пирита FeS2:
FeS2 + 2О2 = FeS + 2SO2 + 222,3 кДж.
Помимо сульфидов железа могут самовозгораться такие материалы, как бурый уголь, торф, продукты растительного происхождения: сено, солома, силосная масса и др.
Наиболее опасным является самовозгорание индивидуальных химических веществ при их неправильном хранении, поскольку этот процесс может привести к пожару по объекте, где хранятся данные вещества. Эти вещества по своим химическим свойствам делятся на три группы: самовозгорающиеся при контакте с воздухом, с водой и друг с другом.
Вещества, относящиеся к первой группе, мы не рассматриваем, поскольку они практически не встречаются в технологии авиапредприятий.
Ко второй группе относится ряд веществ, из которых наибольший интерес представляют карбид кальция СаС2 и окись кальция СаО. При взаимодействии с водой карбида кальция происходит выделение ацетилена, являющегося горючим газом, и значительного количества тепла. При относительно малом количестве воды система карбид кальция - вода может разгореться до 920 К, что может вызвать взрыв ацетиленовоздушной смеси:
СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са(ОН)2+127 кДж.
Помимо карбида кальция, способностью разогреваться до температуры свечения при попадании на нее небольших количеств воды обладает окись кальция СаО, что также может привести к загоранию тары и сгораемых конструктивных элементов помещения склада:
СаО + Н2О = Са(ОН)5 + 64,5 кДж.
К третьей группе относятся сильные окислители, индивидуальные химические вещества, а также органические вещества и материалы. Например, нельзя совместно хранить такие вещества, как перманганат калия и глицерин; концентрированную азотную кислоту со скипидаром, этиловым спиртом и сероводородом; галогены с горючими газами и легковоспламеняющимися жидкостями; серную кислоту с селитрами, хлоратами, перхлоратами, так как в этом случае между ними возможна химическая реакция, идущая с выделением большого количества тепла.
Воспламенение. Помимо самовозгорания возможно просто возгорание, т.е. возникновение горения под воздействием источника зажигания. Возгорание, сопровождающееся появлением пламени, называется воспламенением. При этом происходит нагрев объема, прилегающего к точке теплового воздействия. В результате повышения температуры в указанном объеме происходит распространение тепла на граничащие с ним участки (объемы) горючей среды. Чем большее количество горючего вещества (материала, смеси) вовлекается в процесс горения, тем больше тепла выделяется в окружающее пространство. Таким образом, процесс горения развивается самопроизвольно. Источник зажигания в данном случае первоначально нагревает только малый объем горючей смеси, в то время как температура всего объема горючей среды может оставаться неизменной.
Процесс воспламенения различается по своему характеру в зависимости от вида горючей смеси. Наиболее опасными являются газовоздушные смеси. Однако и для них минимальная энергия источника воспламенения зависит от многих параметров, основными из которых являются процентный состав смеси, вид горючего вещества, давление смеси, поскольку от этих величин зависят температура воспламенения, нормальная скорость распространения пламени и температура горения. Помимо этого на минимальную температуру источника воспламенения оказывает влияние продолжительность его контакта с горючей средой.
Воспламенение жидкостей возможно лишь в том случае, если температура окружающей среды или самой жидкости достаточна для испарения такого количества паров, которое необходимо для возникновения устойчивого горения. Для различных горючих жидкостей эта температура неодинакова. При температурах ниже температуры воспламенения горение невозможно, так как скорость испарения той или иной жидкости в данном случае слишком мала. С ростом температуры наружного воздуха или самой горючей жидкости при прочих равных условиях испаряемость жидкостей растет и количество паров становится достаточным для возникновения устойчивого горения.
Самовоспламенение. Им называется самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени. Помимо процессов самовозгорания и воспламенения в практике встречается также процесс самовоспламенения различных горючих сред. По своей химической природе все эти три процесса не отличаются друг от друга. Разница между ними лежит и физической сущности процесса горения, так как в отличие от процессов самовозгорания и воспламенения процесс самовоспламенения идет сразу во всем объеме реагирующей горючей среды. С точки зрения физики, это кинетический процесс горения уже перемешанной и подготовленной смеси, идущий с высокими скоростями распространения пламени. При горении паро-, пыле- и газовоздушных смесей это, как правило, скорости взрыва. Для возникновения процесса самовоспламенения необходимо, чтобы весь объем горючей смеси имел температуру самовоспламенения данной смеси.
Под температурой самовоспламенения понимают самую низкую температуру вещества (материала, смеси), при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения. Температура самовоспламенения горючего вещества не является постоянной величиной. Она зависит от скоростей тепловыделения и теплоотвода, которые в свою очередь зависят от объема смеси, концентрации, давления и других факторов. Температура самовоспламенения смесей горючих паров и газов с воздухом изменяется в зависимости от их процентного состава. Самая низкая температура самовоспламенения у стехиометрической смеси или смесей, близких к ней по концентрациям реагирующих веществ. Температура самовоспламенения твердых веществ или материалов находится в обратной зависимости от степени их измельчения: чем выше степень измельченности вещества, тем ниже его температура самовоспламенения. Это связано с тем, что с измельчением веществ и материалов резко возрастает площадь контактной поверхности этих горючих компонентов и окислителя.
2.2. ПОЖАР И ЕГО РАЗВИТИЕ
Классификация пожаров. Пожаром называется неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальной ущерб. Неконтролируемое горение вне специального очага, не причинившее ущерба, называется загоранием. Основным фактором, определяющим материальный ущерб, наносимый пожаром, является стоимость сгоревших или пришедших в негодность конструкций зданий и сооружений, конструктивных элементов воздушных судов, оборудования и т.п. Иногда пожары приводят к гибели людей в результате их отравления дымом, содержащим высокотоксичные продукты термического разложения пластмасс и продуктов неполного сгорания, а также воздействия высокой температуры пожара, высокого уровня теплового излучения пламени и других причин.
Пожары классифицируются:
по внешним признакам - на наружные и внутренние, одновременно наружные и внутренние, открытые и скрытые, одновременно открытые и скрытые;
по месту возникновения - на воздушных судах, в зданиях, на открытых площадках, на лесных массивах и т.д.;
по времени введения сил и средств - на незапущенные и запущенные.
Все пожары отличаются друг от друга своими параметрами. Невозможно отыскать даже двух пожаров, абсолютно идентичных по параметрам развития. Однако для всех пожаров характерно наличие определенных явлений, без знания и учета которых невозможна организация борьбы с пожарами. К этим явлениям относятся:
взаимодействие в слое пламени горючего вещества с кислородом воздуха иди другим окислителем;
выделение в зоне горения тепла и продуктов сгорания;
передача тепла и распространение продуктов сгорания;
при горении в замкнутых объемах термическое разложение горючих материалов и веществ с выделением в воздушный объем высокотоксичных веществ - продуктов неполного сгорания.
Помимо этого, пожары могут сопровождаться обрушением конструктивных элементов зданий и сооружений, интерьера пассажирских салонов, деформацией и разрушением планера воздушного судна, взрывами крыльевых и центропланных топливных баков воздушных судов, образованием взрывоопасных смесей продуктов неполного сгорания с кислородом воздуха и т.п.
Зоны пожара. Пространство, в котором происходят пожар и сопровождающие его явления, делится на три зоны: горения, теплового воздействия и задымления.
Зона горения представляет собой часть пространства, в которой происходят подготовка горючих веществ и материалов к горению (расплавление, испарение, разложение) и их непосредственное горение. Она включает в себя объем паров и газов, ограниченный тонким слоем пламени и поверхностью горящих веществ, с которой пары и газы поступают в объем зоны и пламя.
Зона теплового воздействия представляет собой часть пространства, окружающего зону горения. Тепловое воздействие приводит к заметному изменению состояния вещества и материала и делает невозможным пребывание в этой зоне людей без средств тепловой защиты. При наличии в зоне горючих веществ и материалов происходит их термическая подготовка к горению и создается реальная угроза дальнейшего распространения пожара. При пожарах внутри помещений тепловое воздействие ограничено конструктивными элементами, тепло передается главным образом конвекцией и теплопроводностью. При наружных пожарах тепловое воздействие в виде теплового излучения распространяется во все стороны полусферы, не экранируемые конструкциями зданий, планером воздушного судна или другими сооружениями и оборудованием.
Зона задымления представляет собой часть пространства, примыкающую к зоне горения и заполненную дымовыми газами и продуктами термического разложения в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровья людей и затрудняющих действия пожарно-спасательных подразделений по проведению аварийно-спасательных работ.
Все перечисленные зоны на каждом пожары различны как по размерам и форме, так и по характеру протекания процессов.
Параметры пожара. Они не постоянны и изменяются во времени. Изменение их от начала возникновения горения до его прекращения называется развитием пожара. Условия развития пожара характеризуются следующими основными параметрами: линейной скоростью распространения огня по поверхности горючих веществ и материалов, удельной теплотой пожара, количеством горючих веществ и материалов в зоне горения, размерами пламени, скоростью выгорания горючих веществ и материалов, скоростью прогрева и задымления воздушного объема при внутриобъемных пожарах.
Линейная скорость распространения огня (фронта пламени) по поверхности горючих веществ и материалов характеризует начальную стадию развивающегося пожара и зависит от многих параметров: вида горючих веществ и материалов, их химического состава и агрегатного состояния, температуры наружного воздуха при горении жидкостей, температуры зоны горения, метеоусловий и т.п. От линейной скорости зависит время протекания начальной стадии пожара, когда идет рост его площади. Этот параметр является решающим при определении продолжительности введения средств тушения и их суммарной подачи. Линейная скорость распространения огня может составлять в среднем для авиатоплива ТС-1 от 1,2 до 1,4. м/с, а для декоративно-отделочных материалов пассажирских салонов от 0,8 до 1,2 м/мин.
Удельная теплота сгорания при пожаре (МВт/м2) представляет собой количество теплоты, выделяющееся при пожаре с единицы площади в единицу времени:
,
где b- коэффициент химического недожога, равный 0,8-0,9;
- низшая удельная теплота сгорания горючего материала, МДж/кг;
vт - удельная массовая скорость выгорания материала, кг/(м2×с).
Площадь выгорания жидкостей при расчетах относят к площади зеркала жидкости в спокойном состоянии. Анализ протекания процесса пожара авиатоплива ТС-1 показывает, что начальная стадия развития пожара, характеризующаяся постоянным увеличением теплового потока, в зависимости от различных условий может длиться от 1 до 4 мин.
Общая теплота сгорания при пожаре (МВт), от которой зависит характер теплового воздействия пожара,
q = q0p(vit)2 = q0Еп,
где vi - линейная скорость распространения огня, м/с;
t - свободное время горения, с;
Еп - максимальная площадь пожара, м2.
Продолжительность, скоротечность, размеры пожара, а следовательно, время и результаты воздействия его факторов на элементы зданий, сооружений, воздушных судов, а также на людей, находящихся в его зонах, во многом определяются размерами и характером горючей загрузки. Под ней понимается количество (масса) всех сгораемых и трудносгораемых веществ, материалов и конструктивных элементов, находящихся в помещении или на открытой площадке, отнесенное к единице площади пола помещения или открытой площадки. При пожарах на ВС горючая загрузка может достигать больших значений. Например, для самолета Ил-62 она равна ~ 200 кг/м2, из которых при полной топливной загрузке 130 кг/м2 составляет авиационное топливо ТС-1, являющееся легковоспламеняющейся жидкостью III разряда.
Пламя. Это внешнее проявление горения газа, пара или взвеси. Пламя образуется тонким газовым слоем (оболочкой), в котором и происходит собственно горение. Этот газовый слой обычно имеет высокую температуру, развивающуюся за счет тепла, выделяющегося в результате горения. Горение всех веществ и материалов, применяющихся в самолетостроении и при эксплуатации воздушных судов (авиатоплива, гидрожидкости, спиртов, декоративно-отделочных материалов, магниевых сплавов), сопровождается пламенем. Образование пламени обусловлено тем, что практически все горючие материалы под воздействием тепла источника воспламенения выделяют горючие пары и газы. Отдельные металлы (титан, алюминий) могут гореть на поверхности детали или слитка.
Пламя всегда излучает тепло. Это излучение при послеаварийных пожарах во время авиационных происшествий может иметь самое различное значение (от 135 кВт/м2 при горении авиатоплива и пластмасс до 6180 кВт/м2 при горении магниевых или титановых сплавов). Характер пламени во многом зависит от количества кислорода, содержащегося непосредственно в горящем веществе. Если в состав вещества входит 50% и более кислорода, то пламя несветящееся. Если содержание кислорода 50%, то пламя становится светящимся. При содержании углерода более 80% вещества и материалы горят светящимся пламенем, в котором содержится большое количество сажи (коптящее пламя). Коптящим пламенем горят практически все материалы, находящиеся на борту воздушного судна. Исключение составляют пламени спиртов и металлов, последние при горении выделяют плотный белый дым.
Основным горючим материалом при наземных послеаварийных пожарах на воздушных судах служит авиатопливо, вытекающее из разрушенной топливной системы потерпевшего аварию самолета и покрывающее некоторую площадь. В случае его воспламенения образуется пламя различных размеров как по площади, так и по высоте. Площади, занимаемые разлитыми авиатопливами, могут быть весьма значительными (для воздушных судов 8-й категории УТПЗ расчетная площадь возможного пожара равна 1320 м2). Принимая во внимание максимально возможную высоту пламени, можно представить себе хотя бы приближенно объем зоны горения. Для воздушных судов 8-й категории УТПЗ этот объем может составлять около 20000 м3.
Поскольку пламя, представляющее истинную поверхность горения, является турбулентным и постоянно изменяет свои геометрические размеры и очертания, для удобства расчетов за поверхность горения принимается поверхность жидкости или твердых материалов, с которой пары и газы поступают в зону горения.
Скорость выгорания. Различные горючие вещества и материалы имеют разные скорости выгорания. За скорость выгорания принимается изменение массовых или геометрических параметров горючего вещества или материала во времени в процессе его горения. Скорости выгорания могут быть массовыми, объемными или линейными и соответственно иметь следующие размерности: кг/(м2×с), мм/мин, см/ч. Например, для авиатоплива ТС-1 эти скорости равны: массовая 4,8×10-3 кг/(м2×с) и линейная 3,6 мм/мин (по высоте столба жидкости).
Скорость выгорания зависит от ряда параметров, основными из которых являются химический состав и агрегатное состояние вещества или материала. Наибольшими скоростями выгорания обладают вещества и материалы, имеющие высокую степень раздробленности, т.е. газы, пары и пыли. Гораздо меньшие скорости выгорания имеют жидкости и относительно невысокими скоростями выгорания обладают твердые горючие вещества и материалы. Причем, чем тверже и тяжелее вещество или материал, тем меньше его скорость выгорания.
Знание скорости выгорания того или иного горючего материала необходимо при проведении расчетов для организации работы пожарно-спасательных подразделений и обеспечения тепловой защиты людей, техники и конструктивных элементов объектов в случае возникновения пожара.
При горении различных по своему составу веществ и материалов выделяются неодинаковые количества тепла. Количество тепла, выделившееся при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества, называется теплотой сгорания. Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшей удельной теплотой сгорания Qв называется количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей удельной теплотой сгорания называется количество тепла, выделяемое при сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарения влаги, содержащейся в горючем веществе или материале.
В расчетах принимают низшую удельную теплоту сгорания. Так, низшая удельная теплота сгорания отдельных материалов, которые могут гореть при пожаре, сопровождающем авиационное происшествие, равна: авиационного топлива ТС-1 - 42,91 МДж/кг; поролона (пенополиуретана) - 24,28 МДж/кг; органического стекла - 27,72 МДж/кг.
Основные виды теплопередачи. При пожарах все тепло, выделившееся в результате сгорания различных веществ и материалов, передается в окружающую среду посредством теплопередачи. Теплопередача - это самопроизвольные необратимые процессы передачи тепла от одного тела к другому и распространения тепла в физических телах. Тепло всегда передается от более нагретого к менее нагретому телу. Перенос тепла может осуществляться тремя путями: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. На практике передача тепла осуществляется, как правило, комбинированным способом.
Теплопроводность - это процесс, при котором передача тепла происходит между соприкасающимися телами, имеющими разную степень нагрева, т.е. разную температуру. Этот процесс осуществляется за счет движения микрочастиц тел. Например, прогрев конструктивных элементов внутри ВС при горении разлитого авиатоплива происходит в результате передачи тепла от обшивки планера, контактирующей с пламенем горящего топлива, к внутренним конструкциям и декоративно-отделочным материалам.
Конвекция - это процесс переноса тепла, происходящий в жидкой и газообразной среде с неоднородным распределением температур и скоростей, за счет перемещения и перемешивания микрочастиц среды. При конвекции всегда имеет место и теплопроводность, поэтому совместный процесс называют конвективным теплообменом. Примером может служить прогрев воздушного объема пассажирских салонов во время внутриобъемного пожара или наружного пожара разлитого авиатоплива. Здесь, как и в большинстве пожаров, имеет место свободная конвекция; при которой движение газовых масс происходит при наличии разности плотностей среды в объеме кабин.
Тепловое излучение - это перенос тепла излучением вследствие электромагнитных колебаний, испускаемых нагретым теплом. Лучистая энергия, испускаемая одним из тел, встречая на своем пути другие тела, частично поглощается (при этом она снова переходит во внутреннюю энергию тела), частично отражается и частично проходит сквозь тела. Лучи, называемые тепловыми, в наибольшей мере обладают свойствами поглощения и перехода их энергии во внутреннюю энергию тел. Они имеют длины волн в диапазоне от 0,4 до 40 мкм. У твердых тел количество излучаемой энергии зависит от их состава и состояния поверхности. Для всех тел характерно увеличение излучения с повышением температуры тела, а для газов - также и с увеличением газового слоя и давления в нем. Согласно закону Вина тепловое излучение пламени горящего авиатоплива ТС-1 в диапазоне температур от 1050 до 1250 °С имеет длины волн от 2,19 до 1,9 мкм, а тепловое излучение пламени магниевых сплавов из-за гораздо большей температуры может иметь длину волн, равную 0,885 мкм. Таким образом, при горении авиатоплива для тепловой защиты достаточно иметь любую одежду и прозрачное защитное стекло, а при горении магниевых сплавов необходимо использовать затемненное защитное стекло, чтобы не получить ожога сетчатки глаз, так как в этом случае тепловое излучение сдвигается в видимый спектр излучения электромагнитных волн.
Температурный режим пожара. Им называется изменение температуры в процессе развития пожара. Температурные показатели являются одними из основных параметров, в обязательном порядке учитываемых при работе пожарно-спасательных подразделений на пожаре. При этом необходимо различать температуры наружного и внутреннего пожара.
При наружном пожаре за его температуру принимается среднеповерхностная температура пламени. На эту температуру оказывает влияние ряд факторов, основными из которых являются: вид горючего вещества или материала, его агрегатное состояние, температура наружного воздуха и др. Поскольку каждое из горючих веществ обладает определенной теплотой сгорания, то и температура пламени будет выше у того вещества, при сгорании которого выделяется большее количество тепла.
Агрегатное состояние вещества или материала оказывает значительное влияние на температуру горения. Чем выше дисперсность вещества, тем лучше оно перемешивается с окислителем, тем выше скорость горения и полнота сгорания, а значит, и температура горения. Так, горение толуола при испарении его со свободной поверхности сопровождается температурой пламени, не превышающей 1300 °С. При горении паров толуола, предварительно перемешанных с воздухом, процесс происходит со взрывом при температуре около 2860 °С. Соответствующим образом меняются значения температур, если горючим материалом является авиатопливо ТС-1.
Температура окружающей среды оказывает определенное влияние на процесс развития пожара и его температурный режим. Это происходит потому, что воздух, попадая в пространство, примыкающее к зоне реакции (пламени), охлаждает его. Так, при температуре окружающей среды - 38 °С среднеповерхностная температура пламени горящего авиатоплива ТС-1 составила 950 °С, в то время как при температуре окружающей среды 18 °С она была равна 1070 °С.
При внутриобъемных пожарах за их температуру принимается среднеобъемная температура помещения, в котором происходит пожар. Поэтому эти пожары по сравнению с наружными иногда называют низкотемпературными. Максимальная температура при этих пожарах находится в зоне горения и над ней. Минимальная температура - в наиболее удаленной от места горения зоне и по полу помещения. На температуру внутреннего пожара оказывают влияние следующие факторы: скорость развития пожара, прогрев окружающего оборудования и ограждающих конструктивных элементов, уровень газообмена и т.п.
Особенностью распределения температур при внутренних пожарах является то, что нарастание температуры по высоте помещения происходит весьма резко. Это наиболее заметно в помещениях, имеющих незначительную высоту. К ним можно отнести пассажирские салоны и багажные отсеки ВС, туннели, подвалы и т.п.
При пожарах в закрытом объеме (загерметизированные пассажирские салоны, багажные отсеки ВС) газообмен происходит за счет конвективных потоков газовоздушной смеси и диффузии кислорода в зону горения (пламя). В этом случае на развитие пожара основное влияние оказывает количество воздуха, находящегося в объеме помещения, где происходит пожар.
Для горения любого горючего вещества или материала необходимо определенное количество воздуха. Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы или объема горючего вещества, называется теоретически необходимым. Например, для сгорания 1 кг авиатоплива ТС-1 требуется 14,85 кг, или 11,5 м воздуха, а для сухой древесины соответственно 5,4 кг, или 4,18 м3. Такая значительная разница обусловливается разностью химического строения материалов: в молекулах древесины присутствует кислород, участвующий в процессе горения, в химический состав авиатоплива кислород не входит. Помимо химического состава на необходимое количество воздуха оказывает влияние и агрегатное состояние горючих материалов. Для основной массы рыхлых и пористых материалов воздуха на горение требуется меньше, чем для более плотных.
Практически при горении во время пожара воздуха расходуется значительно больше теоретически необходимого количества. Разность между количествами воздуха, практически расходуемого на горение и теоретически необходимого, называется избытком воздуха. Отношение количества воздуха, практически расходуемого на горение Wв.пр., к теоретически необходимому Wв называется коэффициентом избытка воздуха 
. В условиях наружных пожаров, когда горение протекает с естественным притоком воздуха, а значительно больше единицы и его значение может колебаться в широких пределах.
Продукты сгорания. Ими являются газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего материала с окислителем. В условиях пожара этим окислителем служит, как правило, кислород воздуха. Состав продуктов сгорания зависит от химического состава горючих материалов и условий горения. При пожарах чаще всего горят органические вещества и материалы (древесина, ткани, авиатоплива, резина, декоративно-отделочные материалы пассажирских салонов), в состав которых входят углерод, водород, кислород, азот и другие вещества. При их полном сгорании образуются следующие газообразные продукты сгорания: углекислый газ, окись углерода, вода, молекулярный азот, окислы азота и т.п. При коэффициенте избытка воздуха, близком к единице, происходит неполное сгорание горючих веществ и материалов, в результате чего в воздушный объем помещений или в зону задымления могут поступать различные недоокислившиеся вещества, являющиеся в большинстве своем высокотоксичными веществами, например синильная кислота, окись углерода, акрилонитрил, акролеин, фосген, хлористый и фтористый водород и т.п.
Помимо газо- и парообразных продуктов сгорания могут образовываться и твердые вещества в виде шлаков и мелких дисперсных частиц, состоящих из сажи и твердых окислов. Эти частицы из-за своего малого объема и массы находятся во взвешенном состоянии и увлекаются из зоны горения конвективными потоками, за счет чего и образуется дым. Диаметр частиц дыма весьма незначителен, и его размеры могут составлять от 0,01 до 1,00 мкм. Более крупные частицы с относительно большей массой выпадают из конвективного потока.
Объем дыма, образующегося при сгорании какого-либо горючего материала при коэффициенте избытка воздуха, равном единице, зависит от химического состава горючего вещества и может составлять: для бумаги и хлопчатобумажных тканей 4,8 м3; для резины 10,8 м3; для авиатоплива ТС-1 12,8 м3.
Цвет дыма зависит от его состава. Так, дым, содержащий сажу, имеет черный цвет, а содержащий окислы магния или значительное количество паров воды - более светлый цвет, доходящий до серого.