Избыточное давление 5 кПа при категорировании помещений по взрывопожарной и пожарной опасности
Харламенков Александр Сергеевич — старший преподаватель кафедры специальной электротехники, автоматизированных систем и связи, Академия ГПС МЧС России.
Научно-технический журнал «Пожаровзрывобезопасность», том 29, № 3 (2020).
Аннотация. Рассмотрена историческая хронология развития категорирования помещений по взрывопожарной и пожарной опасности. Проведен анализ нормативной литературы и научных публикаций по данному направлению. Даны разъяснения о выборе величины избыточного давления взрыва в качестве критерия отнесения помещений и производств к взрывопожароопасным. Представлена обобщенная информация о типах повреждений промышленных зданий и травмировании людей в результате действия избыточного давления взрыва при аварийных ситуациях. Показаны иные опасные факторы пожара и взрыва, способные привести к гибели человека.
Ключевые слова: взрыв; авария; производственный риск; индивидуальный пожарный риск; технологические операции; охрана труда.
Больше полезной информации на онлайн-курсе «Категорирование помещений, зданий и наружных установок по пожарной и взрывопожарной опасности». Открыт набор в группу →
Вопрос
Большинству проектировщиков и специалистов в области обеспечения пожарной безопасности известно, что производственные и складские помещения (здания) делятся на категории А, Б, В1–В4, Г, Д. Такая классификация необходима для установления нормативных требований пожарной безопасности к объектам защиты, направленных на предотвращение возможности развития пожара и обеспечение противопожарной защиты людей и имущества в случае его возникновения. Реализация этих норм осуществляется путем выбора вариантов планировки и застройки, этажности, площадей, размещения помещений внутри здания, конструктивных решений и инженерного оборудования.
Особого внимания заслуживают помещения, относящиеся к категориям А и Б, где помимо риска возникновения пожара присутствует высокая вероятность взрыва. Поэтому и персонал, и конструктивные элементы таких зданий могут быть подвержены значительной опасности.
Важным критерием отнесения помещения к категории А или Б является расчетное избыточное давление взрыва ∆Р, превышающее 5 кПа, достижение которого возможно при аварии с максимальным значением величины G, равной произведению годовой частоты реализации этого варианта Qw и расчетного ∆Р.
На основании значения ∆Р проектировщик определяет категорию помещения (А или Б), а также последующие объемно-планировочные, конструктивные решения и производит выбор технических средств, позволяющих ограничить распространение пожара за пределы очага и обеспечить эвакуацию людей в безопасную зону.
Если же расчетное значение давления окажется меньше указанной выше величины, то помещение автоматически будет оцениваться с позиции угрозы возникновения пожара в зависимости от удельной пожарной нагрузки. В таком случае выбор будет происходить между категориями В1–В4, а это, в свою очередь, повлияет на все последующие проектно-изыскательские работы и стоимость строительства. В таких зданиях не исключена возможность возникновения взрыва в случае аварийной ситуации, но с меньшим избыточным давлением.
Из этого следует резонный вопрос: почему именно 5 кПа выбрано в качестве граничного значения, разделяющего категории взрывопожароопасных и пожароопасных помещений?
Ответ
Для ответа на данный вопрос потребуется выполнить анализ исторического развития самой классификации помещений по взрывопожароопасности и определить зоны влияния такого параметра, как избыточное давление взрыва.
Первый вариант категорирования помещений, а точнее производств, дошедший до нашего времени, был представлен в книге инженера П. Н. Иванова «Временные иллюстрированные строительно-противопожарные нормы для промышленных и складских сооружений» [1], изданной в 1936–1938 гг. в двух редакциях. Далее, с 1939 до 2009 г., основная классификация помещений претерпевала определенные изменения с учетом активно развивающейся промышленности. Наибольшие преобразования происходили именно с определением категорий А и Б, которые для удобства сведены в табл. 1.
Из данных табл. 1 видно, что категорирование промышленных помещений (производств) за 80-летний период (1939–2019 гг.) претерпело три значительных изменения. К 1951 г. изменились пределы температуры вспышки tвсп веществ, являющейся одним из основных критериев отнесения производств к взрывопожароопасным. С 1972 г. введены дополнительные критерии — «5 % объема помещения» и «время образования взрывоопасной смеси менее 1 ч.», которые сохранились в методике оценки классов взрывоопасных зон в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) и определении зоны класса 0 по Федеральному закону «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ2. И начиная с 1986 г. вышеприведенные критерии были заменены на новый критерий — «расчетное избыточное давление взрыва в помещении — 5 кПа», который вошел в СП 423.1325800.2018 «Электроустановки низковольтные зданий и сооружений. Правила проектирования во взрывоопасных зонах» (аналог гл. 7.3 ПУЭ). Поэтому величина ∆Р оказывает непосредственное влияние на оценку размеров взрывоопасных зон, а значит, и на выбор соответствующего взрывозащищенного электрооборудования.
На основании указанных фактов требуется достаточно рациональное объяснение выбора величины ∆Р = 5 кПа в качестве критерия, который напрямую влияет на конечную стоимость объекта.
Хотелось бы отметить, что существуют различные способы снижения ∆Р, которые позволяют расчетным путем снизить взрывопожароопасность производства, и сама по себе величина ∆Р > 5 кПа не является приговором. Ее можно уменьшить до приемлемых значений за счет ограничения массы выбрасываемых при расчетной аварий горючих газов (ГГ) или паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ), а также через определение (по прил. Д, а не по табл. А.1) коэффициента Z участия горючих газов и паров в горении.
Если есть возможность снижения величины ∆Р на данной стадии, можно воспользоваться инженерными решениями, позволяющими внести изменения в ход выполняемых расчетов. Например, применение аварийной вентиляции с требуемой кратностью, уменьшение объемов емкостей с горючим веществом, геометрических размеров помещений, установка бортиков, поддонов, приямков и другие меры для уменьшения площади испарения пролитой ЛВЖ или ГЖ.
При оценке категорий помещений также следует руководствоваться действующими перечнями, правилами и рекомендациями различных министерств и ведомств РФ. Данные документы обычно составляются на базе накопленного опыта и статистических данных, полученных в ходе эксплуатации промышленных зданий и сооружений.
Величина избыточного давления взрыва влияет на последующий анализ возможных разрушений зданий и сооружений, которые следует рассматривать как дополнительный фактор развития и распространения пожара. Примеры типичных предельно допустимых значений ∆Р с точки зрения повреждения зданий приводятся в табл. А.4 ГОСТ Р 12.3.047–2012 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» и табл. П 4.1 Методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах. Из этих документов можно сделать вывод о том, что значительные повреждения и разрушения зданий имеют место при величинах ∆Р > 12 кПа. До этого значения существует только угроза разрушения остекления. Исходя из данных показателей, не следует переживать за целостность структурных элементов здания при меньших давлениях, в том числе и при 5 кПа. Однако этот вывод не отражает реальную картину возможных последствий.
Например, в пособии указано следующее: «Из выполненных многочисленных расчетов по динамической несущей способности конструкций насосных и компрессорных следует, что снижение давления от внутреннего взрыва до уровня 5 кПа проблему взрывоопасности этих зданий не решает, так как при этом возможно разрушение практически всех несущих и ограждающих конструкций (рядовых панелей стен, плит покрытия, стропильных балок и пр.). При снижении давления внутри здания компрессорной конструкции до 3 кПа разрушаются только рядовые панели стен. Прочность же остальных рассмотренных выше конструкций и узлов их крепления достаточна для восприятия нагрузок от аварийного взрыва».
Аналогичный вывод можно сделать на основе изучения другой научной литературы. Обобщенные данные из различных источников [2–8] по видам воздействия ∆Р на структурные элементы здания сведены в табл. 2. Данные табл. 2 показывают, что при ∆Р = 5…10 кПа может происходить значительное повреждение стен, перегородок, панелей и плит помещений. Нарушение их целостности способно привести к обрыву поддерживающих конструкций электропроводки, трубопроводов и другого инженерного оборудования, создающего угрозу развития следующей за взрывом пожароопасной ситуации. Для исключения подобного сценария и ограничения давления ∆Р до величин 3…5 кПа следует предусмотреть установку предохранительных (легкосбрасываемых) конструкций. Обычно их роль выполняет остекление оконных проемов, площадь которого по СП 56.13330.2011 «Производственные здания» должна быть не менее 0,05 м2 на 1 м3 объема помещения категории А и не менее 0,03 м2 на 1 м3 помещения категории Б. Для разрушения оконного стекла размерами 1×1 м и толщиной 4 мм. необходимо давление ∆Р = 4,8 кПа, а толщиной 5 мм. — ∆Р = 6,2…7,6 кПа [3]. Этого вполне достаточно, чтобы исключить негативное воздействие избыточного давления на другие конструкции здания. Таким образом, принятое в нормах давление ∆Р > 5 кПа для категорирования помещений по взрывопожароопасности, с позиции ограничения распространения пожара и сохранения целостности здания, можно считать вполне обоснованным.
Еще в ГОСТ Р 12.3.047–2012 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» и Методике указана величина избыточного давления 5 кПа в качестве нижнего порога повреждения человека волной давления. При более тщательном изучении литературы и эта величина оказывается немного заниженной, и в большинстве случаев опасным считается ∆Р > 10 кПа [2–4]. Сводная табл. 3 по видам воздействия избыточного давления на организм человека представлена ниже.
Конечно, необходимо учитывать и другие факторы, увеличивающие или уменьшающие последствия взрыва на тело человека. К ним можно отнести: расстояние до места взрыва; наличие препятствий на пути прохождения волны давления; импульс волны давления; интенсивность теплового излучения; воздействие высокотемпературных продуктов сгорания газо- или паровоздушной смеси.
В большинстве случаев сочетание этих факторов позволяет определить реальную угрозу для людей с использованием пробит-функций Pr и последующего определения условной вероятности поражения человека при реализации j-го сценария развития аварии. Тем не менее при значениях ∆Р ≤ 10 кПа в большей степени можно говорить не о прямом, а о косвенном воздействии волны давления. Оно, в первую очередь, связано с летящими осколками стекла и других мелких элементов интерьера (болты, шурупы, гвозди и т. п.). Поэтому границу ∆Р = 5 кПа следует рассматривать с позиции косвенных повреждений, вызывающих легкие травмы, а не прямых, связанных с волной давления. При несвоевременном оказании человеку медицинской помощи и эвакуации с места пожара такие травмы могут привести к его гибели.
Оценка индивидуального пожарного риска на производственных объектах включает в себя построение сценариев, где в результате воздействия опасных факторов пожара на человека (в том числе от сопутствующих проявлений) может наступить летальный исход. Таким образом, учитывая опасность гибели людей от косвенного поражения волной давления, установленное нормами, значение ∆Р > 5 кПа можно считать обоснованным и принять за критерий оценки взрывопожароопасности помещений (производств).
