7. Пожарная безопасность

7.1. Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности

В связи с развитием и совершенствованием технологических процессов принятую категорию помещения необходимо обосновывать нормативными требованиями и расчетами.

Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности принимаются в соответствии с табл. 7.1.

Примеры производств, размещенных в помещениях категорий А, Б, В1-В4, Г и Д, приводятся ниже.

Категория А: пункты и насосные станции по перекачке легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ); депо промывки и дегазации цистерн из-под легковоспламеняющихся жидкостей (бензина, бензола, сырой нефти и т.д.); склады бензина и баллонов для горючих газов; помещения стационарных кислотных и щелочных аккумуляторных установок; водородные станции; малярные цехи и кладовки, в которых применяются нитрокраски, лаки и растворители из легковоспламеняющихся жидкостей с температурой вспышки паров 28 ⁰С и ниже; станции по производству ацетилена.

Категория Б: цехи вагонных, локомотивных депо и заводов с производством малярных работ с применением лаков и красок с температурой вспышки паров от 28 ⁰ до 61 ⁰С; склады указанных лаков и красок, дизельного топлива; насосные и сливные эстакады по перекачке и сливу дизельного топлива; участки по изготовлению и ремонту деталей из пластических масс и стеклопластика; отделения и участки мойки и обтирки узлов и деталей с применением бензина и керосина; промывочно-пропарочные станции цистерн и другой тары из-под мазута и других жидкостей с температурой вспышки паров от 28 ⁰ до 61 ⁰С, аммиачные холодильные установки; мазутное хозяйство электростанций; цехи приготовления и транспортирования угольной пыли, древесной муки, сахарной пудры и др.

Категория В1-В4: лесопильные и деревообрабатывающие цехи; цехи текстильной и бумажной промышленности; швейные и текстильные фабрики; склады масла и масляное хозяйство электростанций; трансформаторные подстанции; смазочное хозяйство заводов; асфальтовые заводы; склады и кладовые масляных красок; малярные цехи, в которых применяются краски и растворители с температурой вспышки выше 61 ⁰С; автомобильные гаражи; гардеробные помещения; архивы; библиотеки; угольные эстакады; склады торфа.

Категория Г: литейные, плавильные, кузнечные и сварочные цехи; цехи горячей прокатки металлов; котельные; главные корпуса электростанций; цехи горячей штамповки, обжига кирпичных, цементных и известковообжигательных заводов; отделения ремонта двигателей внутреннего сгорания.

Категория Д: механические цехи холодной обработки металлов; воздуходувные и компрессорные станции воздуха и других негорючих газов; депо электрокаров и др.

Исходя из категории помещений, регламентируется этажность и степень огнестойкости зданий, а также площадь этажа между противопожарными стенами.

В некоторых случаях, когда в цехе размещаются аппараты, связанные с использованием в них разных по взрывопожарным свойствам веществ, требуется определить, будет ли относиться к данной категории производства все помещение или только определенная зона в нем, непосредственно вблизи аппарата. Для такой оценки проводится специальный расчет [7.3] или взрывоопасная зона принимается равной 5 м по горизонтали от аппарата, содержащего взрывоопасное вещество.

Таблица 7.1

Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности

Категория помещения	Характеристика веществ и материалов, находящихся в помещении
А взрывопожаро- опасная	Горючие газы, ЛВЖ с температурой вспышки не более 28 0С в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа Вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа
Б взрывопожаро- опасная	Горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28 0С, горючие жидкости (ГЖ) в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа
В1–В4 пожароопасные	Горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или обращаются, не относятся к категориям А или Б
Г невзрывопожароопасная	Негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива
Д непожароопасная	Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии

Вопрос Как определить избыточное давление взрыва для горючих газов, паров, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей?

Ответ Основными расчетными параметрами при определении категории помещений являются объем взрывоопасной смеси и избыточное давление взрыва, которые определяются исходя из следующих предпосылок:

1) все содержимое аппарата поступает в помещение;

2) происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов, питающих аппарат по прямому и обратному потоку в течение времени, необходимого для их отключения: при автоматическом отключении 120 с, при ручном – 300 с;

3) происходит испарение с поверхности разлившейся жидкости, площадь испарения которой определяется исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается на площади 0,5 м², а остальных жидкостей – на 1 м² пола помещения;

4) происходит также испарение жидкости из емкостей, эксплуатируемых с открытым зеркалом жидкости, и со свежеокрашенных поверхностей;

5) длительность испарения жидкости Т принимается равной времени ее полного испарения по расчету, но не более 3600 с.

Избыточное давление взрыва  Р для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, N, Cl, Br, F, определяется по формуле, кПа:

(7.1)

где Р_max – максимальное давление взрыва газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, определяемое экспериментально или по справочным данным. При отсутствии данных допускается принимать Р_max равным 900 кПа;

Р₀ – начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);

m – масса горючего газа (ГГ) или паров ЛВЖ и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате расчетной аварии в помещение, вычисляемая для ГГ по формуле (7.4), а для паров ЛВЖ и ГЖ по формуле (7.5), кг;

V_св – свободный объем помещения, м³, который определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием. Если свободный объем помещения определить невозможно, то его допускается принимать равным 80 % геометрического объема;

Z – коэффициент участия горючего во взрыве, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения согласно [7.3]. Допускается принимать Z по табл. 7.2;

Таблица 7.2

Коэффициент участия горючего во взрыве

Вид горючего вещества	Значение Z
Водород Горючие газы (кроме водорода) Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки и выше Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при наличии образования аэрозоля Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при отсутствии образования аэрозоля	1,0 0,5 0,3 0,3 0

 _гп – плотность газа или пара при расчетной температуре t_р, кг м^-3, вычисляемая по формуле

 _гп=М / V₀(1+0,00367t_р), (7.2)

где М – молярная масса, кг кмоль^-1;

V₀ – мольный объем, равный 22,413 м^3 кмоль^-1;

t_р – расчетная температура,  С, которую допускается принимать равной 61  С;

С_ст – стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ, % (об), принимается по справочным данным или вычисляется по формуле

С_ст=100 / (1+4,84 ), (7.3)

где  = n_c + – – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;

n_c, n_н, n_x, n₀ – число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего.

К_и – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения; допускается принимать равным 3.

Масса m, кг поступившего в помещение при расчетной аварии газа определяется по формуле

m=(V_a+V_т)  _г, (7.4)

где V_a – объем газа, вышедшего из аппарата, м³;

V_т – объем газа, вышедшего из трубопроводов, м³.

При этом V_a = 0,01 Р_1 V,

где Р₁ – давление в аппарате, кПа;

V – объем аппарата, м³;

V_т = V_1т + V_2т,

где V_1т – объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м³;

V_2т – объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м³.

V_1т=q Т',

где q – расход газа, определяемый в соответствии с технологическим процессом, м³/с;

Т' – время, необходимое для отключения аппарата (см. выше).

V_2т=0,0314 Р_z (r₁^2 L₁+…+r_n^2 L_n),

где Р_z – максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа;

r – внутренний радиус трубопроводов, м;

L – длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

Масса паров жидкости m, поступивших в помещение определяется из выражения

m = m_p + m_емк + m_св.окр., (7.5)

где m_p – масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг;

m_емк – масса жидкости, испарившейся с поверхностей открытых емкостей, кг;

m_св.окр. – масса жидкости, испарившейся с поверхностей, на которые нанесен применяемый состав, кг.

При этом каждое из слагаемых в формуле (7.5) определяется по формуле

m = W F_n T , (7.6)

где W – интенсивность испарения, кг с^-1 м^-2;

F_n – площадь испарения, м².

Интенсивность испарения W определяется по справочным или экспериментальным данным или по формуле

W=10^{-6  }  Р_н , (7.7)

где  – коэффициент, принимаемый по табл. 7.3 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения;

Р_н – давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости t_р, определяемое по справочным данным, кПа.

Таблица 7.3

Скорость воздушного потока в помещении, м с-1	Значение коэффициента  при температуре t ( С) воздуха в помещении
	10	15	20	30	35
0 0,1 0,2 0,5 1,0	1,0 3,0 4,6 6,6 10,0	1,0 2,6 2,8 5,7 8,7	1,0 2,4 3,5 5,4 7,7	1,0 1,8 2,4 3,6 5,6	1,0 1,6 2,3 3,2 4,6

При расчете массы горючих газов или паров ЛВЖ или ГЖ при наличии аварийной вентиляции с автоматическим пуском следует массу m разделить на коэффициент К, определяемый по формуле

К=А Т+1, (7.8)

где А – кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, с^-1.

Если  Р будет по расчету более 5 кПа, то помещение относится к взрывопожароопасному, если менее 5 кПа – к невзрывопожароопасному.

Задача Определить категорию помещения, в котором размещается технологический процесс с использованием ацетона.

Ацетон находится в аппарате объемом V_ап=0,07 м³. Длина напорного и обводящего трубопроводов d=0,05 м равна соответственно 3 и 10 м. Производительность насоса q=0,01 м^3 мин^-1. Отключение насоса автоматическое. Объем помещения составляет 10000 м³ (48х24х8,7). Основные строительные конструкции здания железобетонные ( Р_доп = 25 кПа). Кратность аварийной вентиляции А=10 ч^-1. Скорость воздушного потока в помещении при работе аварийной вентиляции равна 1,0 м с^-1. Температура ацетона равна температуре воздуха и составляет 293 К. Плотность ацетона  =792 кг м^-3.

Решение

1. Объем ацетона, вышедшего из трубопроводов при времени автоматического отключения в 2 мин, составляет

V_тр=q +( ) L₁=0,01 2+( ) 13=0,046 м³.

2. Объем поступившего ацетона в помещение

V_п=V_тр+V_ап= 0,046+0,07=0,116 м³.

2. Площадь разлива ацетона S принимается равной 116 м².

3. Масса разлившегося ацетона

m_п=V_{п } =0,116 792=91,9 кг,

где  – плотность ацетона.

2. Интенсивность испарения равна

W=10^{-6 }  Р_н=10^-6 7,7  24,54=1,44 10^-3 кг с^-1 м^-2.

2. Время испарения ацетона с поверхности 116 м² составляет

Т=m/(W S)=91,9 / (1,44 10^-3 116)=550 с=0,153 ч.

2. Плотность паров при расчетной температуре t_р

 _гп=М / V₀(1+0,00367t_р) = 58,08 / (22,413(1+0,00367 61)) =

= 2,117 кг/м³.

2. Стехиометрическая концентрация паров ацетона при  =4

С_ст=100 / (1+4,84 4)=4,91 % об.

2. Свободный объем помещения

V_св=0,8V_пом=0,8 10000=8000 м³.

2. Масса паров ацетона, образующихся при аварийном разливе и работе аварийной вентиляции

m=W F_п T К^-1=1,44 10^-3 116 550 2,53^-1=36,3 кг,

где К=А Т+1=10 0,153+1=2,53.

2. Избыточное давление взрыва  Р при аварийной ситуации

Поскольку  Р (3,48 кПа)  5 кПа, то помещение в целом относится к невзрывопожароопасным.

Взрывоопасная зона в соответствии с [7.4] будет в пределах 5 м по вертикали и горизонтали от аппарата, из которого выделяется горючее вещество.

Вопрос Как определить категории помещений В1-В4 по пожарной опасности?

Ответ Определение пожароопасной категории помещения осуществляется путем сравнения максимального значения удельной пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки, приведенной в таблице 7.4.

Таблица 7.4

Удельная пожарная нагрузка на участке

Категория помещения	Удельная пожарная нагрузка g на участке, МДж м-2	Способ размещения пожарной нагрузки
В1	Более 2200	не нормируется
В2	1401– 2200	см. ниже
В3	181–1400	см. ниже
В4	1–180	на любом участке пола помещения площадью 10 м2, способ размещения участков пожарной нагрузки рассмотрен ниже

В помещениях категорий В1-В4 допускается наличие нескольких участков с пожарной нагрузкой, не превышающей значений табл. 7.4.

В помещениях категории В4 расстояния между этими участками должны быть больше предельных. В табл. 7.5 приведены рекомендуемые значения предельных расстояний l_пр в зависимости от величины критической плотности падающих лучистых потоков q_кр, кВт м^-2 для пожарной нагрузки, состоящей из твердых горючих и трудногорючих материалов.

Таблица 7.5

_{Рекомендуемые значения предельных расстояний lпр в зависимости от величины критической плотности падающих лучистых потоков q}кр

qкр, кВт м-2	5	10	15	20	25	30	40	50
lпр, м	12	8	6	5	4	3,8	3,2	2,8

Величины l_пр, приведенные в табл. 7.5, рекомендуются при условии Н>11 м; если Н<11 м, то предельное расстояние определяется как

l=l_пр+(11-Н),

где l_пр – определяется из табл. 7.5;

Н – минимальное расстояние от поверхности пожарной нагрузки до нижнего пояса ферм перекрытия, м.

Значение q_кр берется из справочной литературы. Для материалов пожарной нагрузки с неизвестными значениями q_кр значения предельных расстояний l_пр>12 м.

Для пожарной нагрузки, состоящей из ЛВЖ и ГЖ, рекомендуемое расстояние l_пр между соседними участками размещения (разлива) пожарной нагрузки определяется по формулам

l_пр>15 м при Н>11 м,

l_пр>26-Н при Н<11 м.

Если при определении категорий В2 или В3 количество пожарной нагрузки Q, определенное по формуле 7.9, превышает или равно Q > 0,64 g Н², то помещение будет относиться к категориям В1 или В2 соответственно.

При пожарной нагрузке, включающей в себя различные сочетания горючих, трудногорючих жидкостей, твердых горючих и трудногорючих веществ и материалов в пределах пожарного участка, пожарная нагрузка Q, МДж определяется из соотношения

, (7.9)

где Y_i – количество i-го материала пожарной нагрузки, кг;

Q – низшая теплота сгорания i-го материала пожарной нагрузки, МДж кг^-1, определяется по табл. 7.6.

Таблица 7.6

Низшая теплота сгорания некоторых материалов

Горючий материал	Теплота сгорания, МДж кг-1	Горючий материал	Теплота сгорания, МДж кг-1
Бумага разрыхленная	13,4	Фенопласты	11,3
Волокно штапельное	13,8	Хлопок разрыхленный	15,7
Древесина в изделиях	16,6	Амиловый спирт	39,0
Карболитовые изделия	24,9	Ацетон	20,0
Каучук синтетический	40,2	Бензол	40,9
Органическое стекло	25,1	Бензин	41,9
Полистирол	39,0	Бутиловый спирт	36,2
Полипропилен	45,6	Дизельное топливо	43,0
Полиэтилен	47,1	Керосин	43,5
Резинотехнические изделия	33,5	Мазут	39,8
Нефть	41,9	Этиловый спирт	27,2

Удельная пожарная нагрузка q, МДж м^-2 определяется из соотношения , где S – площадь размещения пожарной нагрузки, м², (но не менее 10 м²).

Задача Определить категорию помещения по пожарной опасности площадью S=84 м².

В помещении находится: 12 столов из деревостружечного материала массой по 16 кг; 4 стенда из деревостружечного материала массой по 10 кг; 12 скамеек из ДСП по 12 кг; 3 хлопчатобумажные шторы по 5 кг; доска из стеклопластика массой 25 кг; линолеум массой 70 кг.

Решение

1. Определяется низшая теплота сгорания материалов, находящихся в помещении (табл. 7.6):

Q =16,6 МДж/кг – для столов, скамеек и стендов;

Q =15,7 МДж/кг – для штор;

Q =33,5 МДж/кг – для линолеума;

Q =25,1 МДж/кг – для доски из стеклопластика.

2. По формуле 7.9 определяется суммарная пожарная нагрузка в помещении

3. Определяется удельная пожарная нагрузка q

Сравнивая полученные значения q=112,5 с приведенными в таблице 7.4 данными, помещение по пожарной опасности относим к категории В4.