Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Национальные стандарты на пенообразователи: методы испытаний и эффективность пожаротушения

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Национальные стандарты на пенообразователи: методы испытаний и эффективность пожаротушения

Государственный стандарт – это, конечно, закон. Только в отличие от законов природы сочиняют его люди – отсюда и возникает большинство проблем…
Игорь Безродный
Заместитель генерального директора
по исследованиям и развитию ООО
"Завод "Спецхимпродукт", к.т.н.

Главным объектом нашего анализа является ГОСТ Р 50588–2012 "Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний". Говоря об огнетушащей эффективности пены, нельзя обойти вниманием еще один стандарт – ГОСТ Р 53280.2–2010 "Установки пожаротушения автоматические. Огнетушащие вещества. Часть 2. Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования и методы испытаний".

ГОСТ Р 53280.2–2010 интересует нас в гораздо меньшей степени, поскольку является фактически приложением к первому, основному стандарту – ГОСТ Р 50588–2012. К сожалению, попытки оценить огнетушащую эффективность пены при подслойной подаче по тем параметрам, которые содержит стандарт, безрезультатны. И не только потому, что моделирование процесса тушения выполнено без должного обоснования и отсутствуют критерии применимости используемой физической модели. Существенным недостатком является то, что не учитывается температура вспышки горючего. Очевидно, что при подслойной подаче пена осуществляет барботирование горючего в резервуаре, то есть происходит перемешивание холодных нижних слоев горючего с нагретым поверхностным слоем, и холодные потоки охлаждают поверхностный слой! Для жидкостей с температурой вспышки примерно 50 °С и выше тушение наступит гораздо раньше, чем свободная поверхность будет покрыта слоем пены!

Еще один вопрос по области применения стандарта: как быть, если установка подслойной подачи пены не является автоматической? А такой она непременно должна быть по элементарной логике, если резервуар имеет плавающую крышу или понтон. Этот стандарт не распространяется на установки пожаротушения с ручным пуском или с использованием передвижной пожарной техники. Это по логике, но у нас, даже в различных экспертных организациях логика часто пасует или прикрывается отсутствием знаний у конкретного эксперта по конкретному вопросу.

Задача: выбрать эффективный пенообразователь

В практическом плане для целей пожаротушения нам нужен эффективный пенообразователь – абсолютно очевидное, даже банальное требование. Конечно, необходима еще техника для доставки пены в зону пожара, но об этом уже было кое-что сказано ранее (см. каталог "Пожарная безопасность-2012", стр. 54–60), а снова и более подробно – в другой раз.

Без сомнения, качество различных марок одного типа у различных производителей различается. Однако на страницах печатного издания мы не проводим какие-либо испытания, поэтому остается воспользоваться информацией производителя и заявляемыми параметрами. На помощь приходит указанный выше стандарт и технические условия (ТУ) на изделие. Сразу возникает вопрос: если в стандарте и технических условиях приводятся одни и те же параметры, то зачем вообще нам нужны технические условия? Ведь все испытания по проверке качества, включая сертификационные, проводятся в соответствии со стандартом! Именно по этой причине численные значения параметров в ТУ в точности соответствуют требованиям стандарта! Еще один аргумент в пользу отказа от ТУ – предъявления ТУ на всех этапах сертификации и применения не требуется от иностранного производителя. Это относится не только к пенообразователям. Получается, что российского производителя подвергают дискриминации, требуя от него дополнительных документов на выпускаемую продукцию!

В ГОСТ Р дается не очень сложная, но не совсем привычная на первый взгляд классификация пенообразователей. Она принята международным сообществом, и к ней легко привыкнуть. На самом деле, вначале мы должны решить, будем ли заполнять пеной весь объем защищаемого помещения или ограничимся поверхностным тушением, придется нам бороться с горением обычных углеводородов или полярных жидкостей, будут пузырьки пены наполняться чистым воздухом или продуктами горения, которые в некоторых случаях могут содержать галогены, а точнее, хлорсодержащие соединения.

При так называемом поверхностном тушении конечным результатом воздействия на зону пожара будет покрытие свободной поверхности горючего сплошным слоем пены. Это может быть "шапка" из пены средней кратности, получаемой обычно из синтетических углеводородных пенообразователей, либо довольно тонкий слой пены низкой кратности, местами переходящий во всего лишь тонкую пленку на поверхности горючего. Во втором случае для получения пены используется водный раствор пленкообразующего пенообразователя. При этом функцию "шапки" выполняет пленка раствора, истекающего из пены. Такая пленка может удерживаться на поверхности жидкого горючего за счет сил межфазного натяжения, а пена выполняет роль поплавков, способствующих удержанию пленки на поверхности, поскольку для покрытия сколь-нибудь существенной площади одних только сил межфазного натяжения будет недостаточно.

Таким образом, из всей палитры предлагаемых на современном рынке пенообразователей без серьезной ошибки можно выделить две группы:

  • синтетические углеводородные пенообразователи;
  • фторсинтетические пленкообразующие (AFFF) пенообразователи.

Анализ основных показателей

Внешний вид
Однородность прозрачной жидкости позволяет надеяться на то, что действительно все компоненты в составе пенообразователя находятся в состоянии, пригодном для получения водного раствора. Соответствие этому показателю не гарантирует правильного дозирования и не может служить критерием, позволяющим оценить преимущества одной марки продукта над другой.

Плотность
Является ли плотность показателем, характеризующим какие-либо существенные свойства пенообразователя, выделяющие его среди других? Очевидно, нет. Невозможно установить какую-либо корреляцию между огнетушащей эффективностью пены и изменением плотности пенообразователя в достаточно широких пределах. Существует, правда, один аспект, для которого плотность важна: это цена пенообразователя, которая может быть установлена за единицу массы или за единицу объема. При больших объемах продаж кто-то сможет на этом аспекте неплохо заработать!

Вязкость
Важный параметр, в первую очередь если речь идет о дозировании, то есть получении рабочего водного раствора нужной концентрации. Важно как само значение вязкости при определенной температуре, так и ее зависимость от температуры. Каждому ясно, что при любом способе дозирования для продуктов с более высокой вязкостью получить требуемую концентрацию в растворе труднее. Конечно, многое зависит от конструкции дозирующей системы или самого дозатора. По этой причине в некоторых странах не сертифицируют отдельно систему дозирования, а "привязывают" ее способность правильно функционировать к конкретной марке или маркам пенообразователя.

Говоря о получении раствора пенообразователя с использованием концентрата, следует помнить еще об одном показателе, ответственном за получение раствора, – растворимости. Так же как не может мгновенно раствориться в чае или кофе сахар, не может мгновенно раствориться и концентрат пенообразователя в воде. К сожалению, данный показатель до сих пор никак не контролируется в ходе каких-либо испытаний, что является одним из обнаруженных нами свидетельств моральной ветхости действующих нормативных документов, регламентирующих свойства пенообразователей. В давние времена, в 1960–1970-е гг., раствор пенообразователя готовили заранее и хранили в системах стационарного пожаротушения до полной потери им своих свойств или до пожара. Для заранее приготовленного раствора не важен показатель "растворимость". С появлением современных систем хранения и дозирования рабочий раствор готовится непосредственно во время пожара и тут же поступает на пеногенерирующую аппаратуру, а значит качество раствора "быстрого приготовления" зависит от растворимости. Косвенным подтверждением важности этого параметра, также зависящего от температуры, является тот факт, что практически при любых испытаниях, включая сертификационные, водный раствор пенообразователя приготавливается заранее, при этом тщательно перемешивается.

Показатель Рн
Данный показатель постоянно присутствует среди свойств, характеризующих пенообразователи. Какие эксплуатационные характеристики зависят от численного значения водородного показателя и насколько сильно? Ответ на данный вопрос невозможно получить ни от постоянных пользователей пенообразователей, ни от разработчиков рецептуры.

Температура застывания
Говоря о температуре застывания (замерзания), следует помнить, что это не та минимальная температура, при которой возможно получение пены. Температура замерзания любого пенообразователя отрицательна, то есть при этой температуре вода уже замерзла и, следовательно, говорить о пеногенерировании бессмысленно. Ранее, когда мы использовали довольно простые по составу углеводородные пенообразователи, все производители заявляли: после замораживания и последующего оттаивания пенообразователь полностью восстанавливает свои свойства. Это действительно так и одновременно не так:

  • утверждение справедливо лишь для некоторых углеводородных пенообразователей;
  • утверждение справедливо для лабораторных условий "быстрого" замерзания и оттаивания.

Когда мы имеем дело с современными фторсинтетическими пленкообразующими пенообразователями, представляющими собой довольно сложные многокомпонентные жидкости, процессы замерзания-оттаивания приводят к расслоению таких смесей на компоненты. Восстановить свойства пенообразователя в этом случае теоретически возможно, если выделить компоненты как самостоятельные вещества и повторить процесс приготовления (смешения) снова. К сожалению, такой рецепт восстановления свойств пригоден не для всех пенообразователей и требует слишком высоких затрат. Поэтому многие идут по пути снижения температуры замерзания (читай – расслоения) до - 30 или даже - 45 °С. При этом получается несколько иной раствор с несколько худшими свойствами по сравнению с "базовой моделью", но удовлетворяющий по своим параметрам требованиям российского ГОСТ Р.

Кратность пены
1. Низкая кратность – не слишком существенный показатель почти для всех типов пенообразователей. Когда речь идет о низкократной пене, то подразумевается поверхностное тушение. Применение пены низкой кратности на основе углеводородных пенообразователей для пожара серьезного масштаба затруднительно из-за необходимости обеспечить высокую интенсивность (расход). Для пены из фторсинтетических пленкообразующих пенообразователей не существенно, в 10 или всего лишь в 2 раза меньше плотности горючего будет плотность пены. Величина кратности важна только как показатель, свидетельствующий о способности пены заполнять определенный объем. В соответствии с современными тенденциями развития пожарной техники и технологий пожаротушения в конечном итоге должны остаться лишь пена низкой и высокой кратности для поверхностного и объемного тушения соответственно.

2. Средняя кратность при поверхностном тушении важна только для углеводородных, не образующих пленку пенообразователей. Пена средней кратности из-за сопротивления воздуха не может быть заброшена на большое расстояние или на значительную высоту. А это уже существенное снижение тактико-технических возможностей оборудования или подразделения. Там, где не требуется дальность подачи пены, например в установках типа ГПСС на резервуарах, можно смело заменять углеводородный пенообразователь на пленкообразующий, что приведет к повышению эффективности установки пожаротушения. Сложность состоит в том, что инспектор ГПН в этом случае формально имеет право требовать, чтобы кратность пены была средней.

3. Способность раствора образовывать пену высокой кратности свидетельствует о том, что пенообразователь пригоден для объемного тушения, то есть для заполнения защищаемого объема пеной, разделения объема на не сообщающиеся между собой участки (секции). При этом ликвидация пламенного горения возможна без непосредственного контакта пены и горючего. Величина кратности 400 является нижним разумным пределом, поскольку без газообразных продуктов горения нормальное значение кратности для большинства "хороших" пеногенераторов составляет 600–700 и более. К сожалению, параметр определяется в так называемых холодных испытаниях. На практике пузырьки высокократной пены заполняются газообразными веществами, образующимися в результате горения и поднимающимися к потолку или крыше помещения, где установлены пеногенераторы (рис. 1).


Проблемы возникают тогда, когда молекулы горючего содержат галогены, а чаще всего хлор, присутствующий, например, в наиболее распространенном изоляционном материале, называемом "поливинилхлорид". Генерирование пены высокой и даже средней кратности для большинства известных пенообразователей становится невозможным. Высокократная пена в атмосфере продуктов горения веществ, содержащих хлор, не образуется, заполнения объема и тушения тоже не будет.

Предсказать способность пенообразователя генерировать пену высокой кратности в таких условиях без испытаний нельзя. Имеются сведения о некоторых углеводородных пенообразователях, ведущих себя несколько лучше других в указанных условиях. Однако большинство пенообразователей, в том числе для установок объемного пожаротушения HOT FOAM, непригодны для заполнения объема пеной.

Еще одним методическим недостатком или ошибкой является использование для получения высокой кратности пеногенератора с наддувом, осуществляемым независимым вентилятором с электроприводом. Такая конструкция известна уже почти 100 лет и использовалась горноспасателями для заполнения пеной шахтных объемов. Подобные пеногенераторы позволяют из самых непригодных пенообразователей получать пену необходимой кратности. Изделие, краткое описание которого содержится в ГОСТ Р, является древним аналогом генератора фирмы SVENSKA SKUM. Претензий к этому генератору может быть как минимум две:

  1. Модель устаревшая, сегодня сплошь и рядом используются эжекционные генераторы, для которых далеко не каждый пенообразователь оказывается пригодным.
  2. Описание в тексте стандарта настолько поверхностное, что после изготовления образца необходима его настройка фактически под конкретный пенообразователь! Так что говорить об объективности и достоверности результатов испытаний различных пенообразователей просто недопустимо!

Этот же генератор используется в полигонных огневых испытаниях (рис. 2). Мало того, что генерирование происходит с применением чистого воздуха, так еще и тушение осуществляется не объемное, а поверхностное (сравни с рис. 1), что искажает саму суть механизма объемного пожаротушения пеной.


Устойчивость пены
Этот показатель для всех трех величин кратности в новом ГОСТ Р не нормируется, и это правильно, поскольку выделение раствора отнюдь не всегда коррелирует с разрушением самой пенной структуры и совершенно непонятным образом связано с ее огнетушащей эффективностью.

Показатель "устойчивость пены" кочует из одного документа в другой в течение примерно 70 лет. Вспомним: пена после "рождения" сразу начинает разрушаться. С одной стороны, с некоторой скоростью разрушается сама структура пены – пленки пузырьков, с другой – эти пленки обезвоживаются: раствор стекает вниз, пленки становятся тоньше, но не всегда это приводит к их разрушению, то есть к разрушению структуры пены. Если пена разрушается плохо – это хорошая пена. Эта истина была бы аксиомой, если можно было бы установить корреляцию между действительным разрушением пенной структуры и скоростью выделения из объема пены раствора пенообразователя. Поскольку такой корреляции нет, то нет и смысла проводить испытания.

Величина времени выделения определенного количества раствора зависит от размера пузырьков в пене. Этот размер никак не связан с величиной кратности. Применительно к пене низкой кратности для пленкообразующих пенообразователей пленкообразующий механизм тушения заключается в образовании пленки, которая формируется благодаря истечению раствора пенообразователя из пены. Чем быстрее происходит выделение раствора, тем быстрее сформируется пленка. Быстрее происходит ее растекание по поверхности горючего, быстрее достигается эффект тушения! Это противоречит устоявшемуся мнению, что медленное обезвоживание – признак высокой эффективности. Теперь этот показатель не нормируется, но зачем тогда он присутствует в стандарте?

Для высокократной пены скорость выделения раствора не может служить характеристикой устойчивости самой объемной пенной структуры, то есть не несет никакой информации об эффективности пенообразователя.

Время тушения н-гептана
Результаты этих испытаний – единственные реальные сведения об огнетушащей способности пенообразователей, и эти данные можно использовать для сравнительной оценки эффективности различных продуктов. В огневых лабораторных испытаниях используется мини-пеногенератор, на базе которого изготавливается установка "Пена". Если с горелками все более или менее ясно: они точно не соответствуют условиям реального пожара, то про пеногенератор ничего сказать нельзя.

Многократно подтверждено, что полученная на мини-генераторе пена имеет совсем другую кратность и размер пузырьков, чем пена из генератора ГПС! Причиной тому ошибки при решении задачи физического моделирования процесса пенообразования.

Необходимым условием моделирования является равенство в объекте и его модели так называемых критериев подобия, представляющих собой определенные комбинации различных физических величин, оказывающих влияние на параметры объекта и модели. При создании мини-пеногенератора никакие критерии подобия не рассматривались и не использовались. Именно по этой причине мини-генератор проявляет собственные свойства вследствие несоответствия критериев подобия объекта (генератор ГПС) и модели. Создание просто уменьшенной геометрической копии пеногенератора не является моделированием в научно-техническом смысле.

Схожие претензии можно предъявить к "стволу пожарному пены средней кратности", который используется в полигонных огневых испытаниях (раздел 5.6.1. ГОСТ Р 50588–2012): примитивное описание конструкции, отсутствие требований к распылителю и сетке, также обоснования других параметров устройства. Величина рабочего давления в пределах 0,4–0,6 МПа выбрана как слепое подражание величине рабочего давления для известных генераторов серии ГПС. Изначально ясно, что свойства пены из экспериментального генератора не будут соответствовать свойствам пены серийных ГПС. В то же время плотность теплового излучения факела пламени соответствует масштабам реального пожара – именно этим определяется диаметр очага горения 1480 и 1900 мм, что уже больше предельного минимального значения по теории горения, равного примерно 1300 мм. Таким образом, если очаг в точности соответствует реальным условиям, следуя элементарной логике, им должны соответствовать и свойства пены.

Некоторая странность обнаруживается при анализе величин интенсивностей подачи пены в огневых испытаниях и их сравнении с нормативными значениями при практическом пожаротушении. Согласно ГОСТ Р этих величин две: (0,032±0,002) и (0,059±0,002) дм/³(м²с). Если первая практически соответствует критической интенсивности тушения гептана, то вторая немного не дотягивает до нормативной. В обоих испытаниях масштаб очага горения выбран соответствующим реальным условиям. Чем вызваны различия в значениях интенсивности – объяснить не удается. Скорее всего, корни уходят в прошлое, а компиляция сведений от различных исследователей осуществлялась не очень компетентными специалистами.

Специалисты нашего предприятия (Е.С. Лисненко, Н.В. Чижова) провели за последние два года огромное количество огневых экспериментов и обнаружили еще одно интересное явление: время тушения низкократной пеной, при прочих равных условиях, зависит от величины кратности. Если сравнить текучесть пен кратностью, например, 4, 8, 12 и 16, то с увеличением кратности текучесть пены пропорционально снижается, что в несколько раз увеличивает время тушения при подаче в центр круглого очага горения. В этих условиях скорость растекания снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от центра уже в силу геометрии. В результате достаточно вязкая пена доходит до разогретого борта очага совершенно обезвоженной и быстро разрушается даже маломощным пламенем или разогретой стенкой. При кратности 12 или 16 эффект тушения вообще может не достигаться.

Анализируя процедуры полигонных огневых испытаний, нельзя обойти стороной определение времени повторного воспламенения. Здесь мы снова сталкиваемся с логическим несоответствием: если эффект тушения достигнут довольно быстро, как этого требует ГОСТ Р, то значит пенообразователь – точнее пена на его основе – эффективен. Откуда берется новый очаг? Значит тушение за установленное время не было достигнуто? Какая разница, за чуть большее или чуть меньшее время мы получим новый полномасштабный пожар? Какие вообще свойства пены мы контролируем, проводя такое испытание? Если речь идет о стойкости пены по отношению к тепловому воздействию факела пламени, то такое воздействие мы уже имитировали, выбрав соответствующий реальному масштаб факела (пожара).

Рис. 3 иллюстрирует процесс развития пожара при повторном воспламенении.


Здесь наблюдается несколько явлений:

  • разрушение пены у нагретого борта резервуара;
  • диффузия паров горючего через слой пены;
  • адсорбция паров горючего на пленках пены.

Если бы мы могли воздействовать на пену исключительно факелом пламени, результат, вероятно, сильно отличался бы от того, который мы имеем при нагретых металлических стенках очага и тигля с горючим.

Очевидные выводы

1. По численным значениям параметров стандартов ГОСТ Р либо технических условий на пенообразователи невозможно сравнить их огнетушащую эффективность. Реальная оценка эффективности пенообразователей возможна сегодня только в условиях, соответствующих реальному пожару и реальным образцам пеногенерирующей техники.

2. Обоснованные методики моделирования процесса пенного тушения и оценки огнетушащей эффективности по результатам лабораторных испытаний действующими российскими стандартами не предусмотрены и не используются.

3. Сравнение эффективности низкократных пен из пленкообразующих пенообразователей по величине времени тушения возможно по результатам полигонных испытаний согласно ГОСТ Р 50588—2012, однако только при условии близких значений величины кратности.

Опубликовано: Каталог "Пожарная безопасность"-2014
Посещений: 11230


  Автор
Безродный И. Ф.

Безродный И. Ф.

Научный консультант ООО
«Завод Спецхимпродукт»,
к.т.н., с.н.с., академик ВАНКБ,
федеральный эксперт
научно-технической сферы

Всего статей:  3

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций