Исследование работоспособности спринклерных установок пожаротушения и перспективы повышения надежности

Аннотация. В работе рассмотрена проблема обеспечения работоспособности спринклерных установок пожаротушения на стадии эксплуатации и ее влияние на эффективность противодействия пожарам. Отмечено, что установки водяного и пенного пожаротушения составляют значительную долю применяемых АУПТ, что определяет актуальность повышения надежности именно данного класса систем. Выполнен анализ статистических данных и результатов исследований по отказам и эффективности спринклерных установок в РФ и за рубежом, включая выделение доминирующих организационно-эксплуатационных причин отказов (в том числе отключение системы и нарушения обслуживания/качества испытаний). Показано, что при исправном техническом состоянии вероятность успешного срабатывания высока (порядка 86–90 %), тогда как фактическая результативность в реальных условиях снижается из-за недостаточного контроля технического состояния и формализованного подхода к испытаниям. Сформулированы перспективные направления повышения надежности, связанные с развитием методов контроля, технического обслуживания, включая автоматизацию процедур и использование современных подходов к инспекции и испытаниям, отраженных в отраслевой практике (например, NFPA 25).

Введение

Пожарная безопасность является важнейшей частью защиты жилых и производственных объектов. Система обеспечения пожарной безопасности включает системы противопожарной защиты, одними из которых являются автоматические установки пожаротушения (далее – АУП). Данные технические устройства играют важную роль в обеспечении пожарной безопасности. Их целью является автоматическое обнаружение пожара на ранней стадии и обеспечение подачи огнетушащего вещества (далее – ОТВ) в защищаемую зону для локализации и/или тушения пожара с нормативной эффективностью, одновременно формируя управляющие сигналы на системы оповещения и управления эвакуацией и (при необходимости) на другие системы противопожарной защиты, чтобы минимизировать угрозу жизни людей, ограничить распространение пожара и снизить фактический или потенциальный материальный ущерб. Одним из актуальных направлений в совершенствовании этих систем является повышение эффективности процессов контроля, технического обслуживания и испытаний.

Спринклерные установки пожаротушения (далее – АУСПТ) являются неотъемлемой частью большинства современных зданий. Применяются в объектах различного назначения – жилых, общественных, складских и производственных. АУСПТ представляют собой вид АУП, оборудованные спринклерными оросителями. Спринклерный ороситель – устройство для разбрызгивания или распыливания ОТВ, снабженное запорным устройством выходного отверстия, вскрывающимся при срабатывании теплового замка. Под тепловым замком понимается запорный термочувствительный элемент, открывающийся при определенном значении температуры.

Наибольшее распространение во всем мире получили установки водяного и пенного пожаротушения, на долю которых приходится до 80 % от общего количества автоматических систем пожаротушения [1]. На рис. 1 представлена схема АУСПТ. На рис. 2 представлена схема спринклерного оросителя.

Однако, несмотря на значительные успехи в конструктивном совершенстве и доступности таких установок, системы продолжают работать с большой долей участия человека в процессе контроля их работоспособности и испытаний, что влияет на надежность установок на протяжении всего срока службы. Используются традиционные методы тестирования, требующие физических измерений параметров работы систем, реализация которых в современных условиях хозяйственной деятельности становится проблематичной. Это создает трудности при регулярных проверках и техническом обслуживании систем в эксплуатируемых зданиях, что в итоге влияет на эффективность работы систем.

В рамках данного исследования рассматриваются статистические данные работоспособности АУСПТ и перспективы повышения их надежности в процессе эксплуатации.

Термины и определения

В настоящей статье применяются основные общепринятые термины и определения надежности технических объектов в соответствии с ГОСТ Р 27.102–2021 «Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения» [2], а также аббревиатуры компонентов, систем противопожарной защиты, законов и нормативных документов:

Статистические данные

Для исследования вопроса функционирования спринклерных установок пожаротушения при пожарах выполнен анализ данных из открытых источников в Российской Федерации (далее – РФ), США и других стран.

Анализ данных по эффективности и причинам отказов автоматических спринклерных установок пожаротушения за 2000–2013 годы демонстрирует существенную роль организационных и эксплуатационных факторов. В табл. 1 приведены усредненные показатели по основным выявленным причинам отказов установок согласно данным из исследований Л.М. Мешмана и соавторов [3].

Таблица 1

Причины отказов автоматических установок пожаротушения

Причина отказа	Доля случаев, %
Отключение системы	49–79
Ненадлежащее техническое обслуживание	< 17
Повреждение компонентов и трубопроводов	6–13
Некорректный подбор типа системы	5–12

Обобщенная статистика эффективности ликвидации пожаров с помощью АУСПТ демонстрирует, что успешное срабатывание исправных систем происходит в 86–90 % случаев. Полученные значения подтверждают, что основным негативным фактором, снижающим эффективность, является недостаточное внимание к реальному состоянию установки, формализованный подход к испытаниям и слабый контроль ключевых элементов системы.

В табл. 2 и 3 представлены данные о результатах работы пожарной автоматики за период с 2013 по 2026 годы в РФ. Случаи успешной работы вне зависимости от результата выполнения задачи приняты как группа событий работоспособного состояния. Случаи несрабатывания пожарной автоматики или нахождения в выключенном состоянии приняты как группа событий неработоспособного состояния [3–5].

Таблица 2

Эффективность работы пожарной автоматики при пожарах в России за 2013–2016 гг.

Год	Всего	Сработала, задачу выполнила	Сработала, задачу не выполнила	Не включена
2013	63	29	30	4
2014	74	37	24	13
2015	87	43	36	8
2016	68	35	29	4

Таблица 3

Эффективность работы пожарной автоматики при пожарах в России за 2017–2024 гг.

Результаты работы (состояние) пожарной автоматики	2017	2018	2019	2020	2021	2023	2024	Всего
Всего	69	82	94	100	152	141	248	887
Работоспособна: сработала, задачу выполнила	32	43	50	52	62	85	126	450
Работоспособна: сработала, задачу не выполнила	23	25	34	31	38	46	112	309
Неработоспособна: не сработала	7	10	6	10	12	7	7	59
Неработоспособна: не включена	7	4	4	7	40	3	4	69
Погибло*	0	0	0	0	17	0	0	17
Травмировано*	0	0	4	4	0	1	7	16
Прямой ущерб, тыс. руб. *	56229	60087	2421	887849	13268	0	100205	1120059
*– только для случаев неработоспособности

За период с 2017 по 2024 годы эффективность пожарной автоматики в РФ возросла, что подтверждается ростом успешных срабатываний и сокращением числа отказов. Тем не менее, остается значительное количество случаев неполного выполнения задачи и случаев неработоспособного состояния систем. На долю неработоспособной автоматики приходится существенный вклад в человеческие жертвы: 17 погибших и 16 травмированных. Материальный ущерб по причине неработоспособности систем в момент возникновения пожара составил более 1,1 млрд руб. Данные факты формируют задачу – необходимость разработки способов снижения количества случаев нахождения установок в неработоспособном состоянии.

Рассмотрим зарубежную статистику работоспособности АУП. В период 2006–2010 годов, для пожаров, достаточно крупных для активации оросителей, АУСПТ запускались в 91 % случаев возгораний в защищенных помещениях. В табл. 4 представлены причины, по которым установки отказали (9 % случаев) в США за период с 2006 по 2010 гг. [6–9]. В табл. 5 представлены данные по причинам неэффективной работы АУСПТ в США за период с 2006 по 2010 гг. В табл. 6 представлены документированные причины отказов АУСПТ. В табл. 7 и 8 представлены статистические данные ВБР спринклерных оросителей. На рис. 3 и 4 представлены гистограммы среднегодовых значений причин отказов и неэффективной работы АУСПТ с 2017 по 2021 год.

Таблица 4

Причины отказа АУСПТ в США за период с 2006 по 2010 гг.

Причина отказа спринклерных систем	Доля, %
Отключение системы до возникновения пожара	63
Выход из строя вследствие ручного вмешательства	18
Неисправность отдельных компонентов	8
Ненадлежащее техническое обслуживание	6
Несоответствие системы характеру пожара	5

Таблица 5

Причины неэффективной работы АУСПТ в США за период с 2006 по 2010 гг.

Причина неэффективной работы спринклерных систем	Доля, %
Вода не достигла места возгорания	53
Подача недостаточного количества воды	18
Выход из строя вследствие ручного вмешательства	9
Неисправность отдельных компонентов	9
Ненадлежащее техническое обслуживание	8
Несоответствие системы характеру пожара	3

Таблица 6

Документированные причины отказов АУСПТ [8–12]

Источник	Годы исследования	Количество пожаров	Успешная работа, %	Система отключена, %	Неэффектив- ная работа, %	Ненадлежащее техническое обслуживание, %
Triron and MacKinnon (1969)	1925–1964	75290	96,2	63	15	15
Hall, J. R. (2006)	1999–2002	–	89,3	65	5	11
Hall, J. R. (2007)	2002–2004	–	90	66	10	10
Hall, J. R. (2010)	2003–2007	44310	91	53	20	15
Hall, J. R. (2012)	2006–2010	47520	88	63	5	6
U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) (2004)	1955–2003	251	98,8	33	33	–
Powers, R. (1979)	1969–1978	254	98,8	100	–	–
Powers, R. (1979)	1969–1978	1394	98,4	100	–	–
Powers, R. (1979)	1969–1978	4061	95,8	85	12	3
Marryatt, H. R. (1988)	1886–1986	9022	99,5	100	–	–
Среднее значение, х–	–	–	94,7	73	14	10
Стандартное отклонение	–	–	4,4	23	10	5

Таблица 7

Статистические данные ВБР спринклерных оросителей [13–15]

Описание отказа	Источник	Pmin(t)	Pavg(t) / Pmax(t)
Выпадение	Watanabe (1979)	–	3,0 · 10–6
Деформация	Watanabe (1979)	–	4,61 · 10–4
Утечка	Watanabe (1979)	–	3,36 · 10–4
Засорение (тепло и вода)	Watanabe (1979)	–	1,467 · 10–3
Перестановка перегородки	Watanabe (1979)	–	4,89 · 10–4
Покраска	Watanabe (1979)	–	6,5 · 10–5
Отказ	Moinuddin et al. (2009)	–	7,82 · 10–2
Датчик пожара отказывает	Moelling et al. (1980)	1,99 · 10–3	2,97 · 10–3 / 4,45 · 10–3
Отказ открытия	Меллинг и др. (1980)	–	1,00 · 10–6
Отказ	Rönty and Keski-Rahkonen (2004)	1,50 · 10–4	1,70 · 10–4 / 1,80 · 10–4
Установка спринклеров	Rönty and Keski-Rahkonen (2004)	8,0 · 10–3	1,1 · 10–2 / 1,4 · 10–2
Новый (опасный отказ)	Nash and Young (1991)	–	3,10 · 10–2
Старый (опасный отказ)	Nash and Young (1991)	–	5,10 · 10–2
Отказ подачи воды	Nash and Young (1991)	–	2,0 · 10–2
Вода подана неправильно	Nash and Young (1991)	–	8,0 · 10–2

Таблица 8

Статистические данные по результатам международных исследований ВБР спринклерных оросителей [16–20]

Страна	Период	Количество оросителей	P(t) новых	P(t) эксплуатируемых	P(t) совокупная по выборке
Великобритания	1960–1970	1967 новых / 175 старых	0,991	0,949	≥ 0,968
Япония	1970–1980	–	–	–	0,9972
Австралия	1992–2005	6350	–	0,921	≤ 0,921

Исходя из представленных данных по надежности спринклерных оросителей, можно сделать вывод, что вероятность отказа самих спринклерных оросителей чрезвычайно мала даже при длительном сроке эксплуатации. Согласно данным Nash и Young (Великобритания, 1960–1970 гг.), для новых оросителей P(t) вероятность полного засорения составила 0,009, частичного засорения – 0,023, а совокупная вероятность P(t) – не менее 0,968. Для оросителей на эксплуатируемых объектах вероятность P(t)х составила 0,949.

Исследование профессора Watanbe в Японии, основанное на данных со 100 пожаров, выявило, что Q(t) оросителя составляет лишь 0,0028. Причем данное значение относится не к отдельному оросителю, а к совокупности нескольких устройств, работающих в зоне пожара.

Работа Zhuiykov и Dowling (Австралия, 1992–2005 гг.) охватила 6350 оросителей, из которых вне спецификации оказались только 500, что соответствует вероятности отказа 7,9 %. Эти испытания проводились преимущественно для систем с более чем 24-летним сроком эксплуатации, часто расположенных в агрессивных средах с коррозией, высокими температурами либо механическими повреждениями, что дополнительно подтверждает высокий запас надежности оборудования.

Анализ представленных данных свидетельствует о наличии существенных проблем в обеспечении работоспособности и эффективности АУСПТ на различных этапах их эксплуатации. Наибольший вклад в отказы систем вносит отключение установки, доля которого составляет 61 % случаев за анализируемый период 2017–2021 гг. Такое положение обусловлено, прежде всего, человеческим фактором: системы часто остаются обесточенными или переведенными в нерабочий режим как в ходе плановых работ, так и вследствие организационных ошибок или отсутствия контроля. Второе по значимости место занимает вмешательство человека, составляющее 15 % всех отказов, что также обусловлено ошибочными или несанкционированными действиями персонала.

Сравнительный анализ данных о причинах неэффективности показывает, что в 48 % случаев ОТВ, выпущенное системой, не достигало очага возгорания, а еще в 30 % – количество выпущенного ОТВ было недостаточно для локализации пожара. Таким образом, даже при технически исправной системе существенную роль играют вопросы правильного проектирования, регулировки и настройки оборудования под реальные условия эксплуатации. Оставшиеся группы причин – повреждение компонентов (9 % для отказов, 6 % для неэффективности), недостаток обслуживания (9 и 4 % соответственно) и неподходящая система для типа пожара (6 и 10 %) – указывают на проблемы технического обслуживания, недостаточную адаптацию системы к специфике объектов и влияние старения компонентов.

Обобщенная диаграмма подтверждает, что отключение системы и ненадлежащее техническое обслуживание являются ведущими причинами потери функциональности АУСПТ. Значительная доля совмещенных отказов и неэффективности связаны с человеческим фактором, неправильной эксплуатацией, нерегулярными и формальными испытаниями, а также недостаточным техническим контролем состояния оборудования.

Выводы

Проведенный анализ мирового опыта по эксплуатации АУСПТ показал, что при исправном техническом состоянии установки демонстрируют высокую вероятность успешного срабатывания, тогда как снижение фактической эффективности в реальных пожарах в значительной степени обусловлено организационно-техническими причинами. Статистика за рассматриваемый период в РФ отражает позитивную динамику по доле успешных срабатываний, однако сохраняется заметная доля случаев работы систем без выполнения задачи, а также событий неработоспособного состояния, которые связаны с человеческими потерями и существенным материальным ущербом.

Сопоставление с зарубежными данными подтверждает, что доминирующие факторы отказов и неэффективности имеют сходную природу – отключение, ручное вмешательство, ненадлежащее техническое обслуживание, а среди причин неэффективности — недостижение ОТВ очага и недостаточная подача ОТВ, что указывает на важность корректного проектирования, настройки и контроля гидравлических параметров в эксплуатации. Приведенные сведения о надежности оросителей свидетельствуют, что причиной отказа установок чаще выступает не сам ороситель, а уровень обеспечения планово-предупредительного ремонта, эксплуатации и испытаний установки.

Практическим направлением повышения надежности и эффективности АУСПТ является развитие и внедрение автоматизированных процедур контроля технического состояния, испытаний, фиксации результатов, а также применение риск-ориентированного подхода к периодичности и глубине проверок. Дальнейшие исследования целесообразно сосредоточить на определении критериев работоспособности, разработке способа автоматизированного проведения испытаний, валидации предложенных подходов на пилотных объектах и оценке технико-экономического эффекта от внедрения автоматизированного контроля и испытаний в реальных условиях эксплуатации.

Полный текст статьи «Исследование работоспособности спринклерных установок пожаротушения и перспективы повышения надежности»

Перейти к содержимому PDF