г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
УДК 614.842.61 Общая техника тушения. Огнегасящие средства. Методы тушения
Предприятия судостроительной и судоремонтной отрасли в Российской Федерации представляют собой не просто производственные площадки, а стратегические объекты национальной безопасности. Их устойчивое функционирование напрямую влияет на обороноспособность и технологический суверенитет страны. Судостроительные и судоремонтные процессы сопровождаются рядом специфических особенностей, которые включают в себя большое количество огневых работ (в том числе в замкнутых объёмах), а также хранение большого количества различных горючих и взрывопожароопасных материалов. Поэтому рабочий процесс на таких предприятиях сопряжён с уникальными вызовами в сфере обеспечения пожарной безопасности. Специфика конструктивных особенностей цехов, а также самих судов формирует комплекс факторов, существенно повышающих вероятность возникновения пожара и сложность его ликвидации. Данная статья посвящена выявлению закономерностей влияния реагентной и безреагентной модификации огнетушащих веществ (ОТВ), а также супрамолекулярных преобразований воды, на характеристики средств пенного пожаротушения. Цель исследования заключается в повышении огнетушащей способности и характеристик пен, для тушения пожаров класса «А», «В». Исследование выявило критическую зависимость работоспособности стандартных способов пожаротушения (водяное, воздушно-пенное, пожаротушение компрессионными пенами) от температурного режима. Реализация этих мер позволит достичь качественно нового уровня пожарной безопасности.
судостроительная отрасль, пожарная безопасность, водяное пожаротушение, пенное пожаротушение, средства обеспечения пожарной безопасности, кратность пены, устойчивость пены, электрофизическая обработка.
Коллоидно-химические аспекты супрамолекулярных преобразований воды в огнетушащих веществах пенного пожаротушения
Введение
Производственный процесс судостроительной и судоремонтной отрасли сопряжен с необходимостью решения комплекса технических и эксплуатационных проблем. Одной из наиболее критических среди них является обеспечение пожарной безопасности [1,2,3]. Отличительной особенностью таких объектов является нахождение большого количества пожарной нагрузки на ограниченном пространстве, также частой причиной возникновения пожара является разлив топлив, масел или других легковоспламеняющихся и горючих жидкостей [7,8,9]. Эффективными средствами пожаротушения класса пожара «А» и «В» являются воздушно-механические и компрессионные пены. С точки зрения физико-химических свойств пен, недостатком является температура замерзания, неоднородная структура, низкая адгезионная способность и быстрая деградация. Актуальность работы заключается в поиске путей, позволяющих улучшить физико-химические свойства состава, а также снизить расход ОТВ.
Методы исследования
Для достижения поставленных задач использовался эмпирический экспериментальный метод, включающий лабораторные испытания. Ключевые характеристики пен, на которые необходимо обратить внимание – высокая электропроводность, низкая морозостойкость, неоднородная структура и недостаточная адгезия.
Научная гипотеза заключается в том, что комплексная модификация дисперсионной среды (H2O) ОТВ с использованием электрофизической обработки (ЭФО) и минерализации гидрофильным маршалитом (SiO2) позволит получить минерализованную компрессионную пену, способную преодолеть ключевые недостатки.
Результаты исследования и их обсуждение
Экспериментальная часть исследования кристаллизации воды при ЭФО и при стандартных условиях. ЭФО воды представляет собой нехимический метод модификации её физико-химических свойств путём воздействия переменным частотно-модулируемым сигналом (ПЧМС) [3,10]. В ходе такой обработки изменяется кластерная структура водной среды, снижается поверхностное натяжение, а также корректируется кислотные свойства раствора [4,5,6].
Для эксперимента были подготовлены лабораторные стаканы цилиндрической формы, каждый из которых содержал 100 мл воды (Рис.1). Начальная температура всех образцов была приведена к равновесному значению (+23°C), что соответствовало комнатной температуре. Далее лабораторные стаканы помещались в лабораторную морозильную камеру с установленной температурой (-9°C), что соответствует среднемесячной температуре января в климатических условиях г. Северодвинска (город приравнен к территориям Крайнего Севера). Данный режим выбран для моделирования естественного процесса ледообразования в условиях умеренного холода.
Рис.1. Визуализация проводимого эксперимента
После помещения образцов в морозильную камеру за ними проводился непрерывный визуальный мониторинг с фиксацией момента первичной нуклеации льда (появления на поверхности воды тонкой сплошной кристаллической корки). Температуру фиксировали каждые 15 минут, измерения прекращались после формирования на поверхности образца ледяной корки. Для определения среднего значения времени изменения физической фазы образцов, эксперименты проходили трёхкратную повторяемость. На втором этапе эксперимента была использована вода, предварительно прошедшая ЭФО на протяжении 30 минут. Процедура мониторинга и извлечения повторялась, аналогично эксперименту с обычной водой (Табл.1).
Табл.1. Экспериментальные данные
|
Время в минутах |
0 |
15 |
30 |
45 |
60 |
75 |
|
H2O, °С |
23 |
14,5 |
8,5 |
3,6 |
0 (*) |
- |
|
H2O (ЭФО), °С |
23 |
15,9 |
11,3 |
6,4 |
1,9 |
0 (*) |
Примечание: (*) – обозначение температуры, при которой на поверхности воды образовалась ледяная корка
Полученные данные для обеих образцов были структурированы. Анализ графиков и их математический анализ позволяет определить скорость изменения температуры и произвести сравнение показателей.
При построении аппроксимации и проведении линии тренда, были получены следующие уравнения (1-5) и коэффициент детерминации (Рис.2) для Н2О и Н2О (ЭФО).
Изменение температуры образца Н2О:
| y = 0,0041x2 - 0,6214x + 23,039 | (1) |
| y¢ = 0,0082x - 0,6214 | (2) |
Изменение температуры образца Н2О (ЭФО):
| y = 0,0021x2 - 0,4655x + 22,886 | (3) |
| y¢ = 0,0042x - 0,4655 | (4) |
Рис.2. Зависимость изменения температуры жидкости от времени воздействия на них отрицательной температуры
При сравнении коэффициентов, было установлено изменение скорости замерзания обычной воды и воды (ЭФО). На основании полученных данных, можно сделать вывод о более медленном замерзании воды, прошедшей ЭФО:
| 0,0042 < 0,0082 | (5) |
При проведении аналогичного эксперимента с растворенными NaCl и C₆H₁₂O₆ в воде, обычной и ЭФО, были получены результаты представленные в Табл.2.
Табл.2. Экспериментальные данные
|
Масс. % |
Время вминутах |
H2O, °С |
H2O (ЭФО), °С |
||
|
NaCl |
C₆H₁₂O₆ |
NaCl |
C₆H₁₂O₆ |
||
|
1% |
0 |
23 |
23 |
23 |
23 |
|
15 |
12,5 |
14 |
15,8 |
15,9 |
|
|
30 |
8,5 |
7,4 |
11,3 |
11,5 |
|
|
45 |
3,3 |
3,5 |
6,6 |
6,9 |
|
|
60 |
2 |
0,7 |
2,0 |
1,8 |
|
|
75 |
0 (*) |
0 (*) |
0,1 |
0 (*) |
|
|
90 |
- |
- |
0 (*) |
- |
|
|
3% |
0 |
23 |
23 |
23 |
23 |
|
15 |
13,1 |
13,3 |
15,3 |
15,2 |
|
|
30 |
8 |
7,9 |
8,9 |
9,6 |
|
|
45 |
3,2 |
3,2 |
6,1 |
6,8 |
|
|
60 |
-0,5 |
0,6 |
1,3 |
1,7 |
|
|
75 |
-2,5 (*) |
-0,5 (*) |
-1,2 |
-0,2 (*) |
|
|
90 |
- |
- |
-1,4 (*) |
- |
|
|
6% |
0 |
23 |
23 |
23 |
23 |
|
15 |
11,0 |
11,7 |
11,2 |
11,6 |
|
|
30 |
6 |
7,1 |
4,9 |
5 |
|
|
45 |
1,9 |
2,1 |
2,4 |
2,6 |
|
|
60 |
0 |
0 |
0,4 |
0,3 |
|
|
75 |
-0,7 |
-0,11 |
-3,4 |
-0,6 |
|
|
90 |
-2,6 (*) |
-0,56(*) |
-3,5 (*) |
-0,65 (*) |
|
Примечание: (*) – обозначение температуры, при которой на поверхности воды образовалась ледяная корка
Рис.3. Зависимость изменения температуры жидкости (Н2О + NaCl 1% масс.) от времени воздействия отрицательной температуры
Рис.4. Зависимость изменения температуры жидкости ((Н2О + C₆H₁₂O₆ 1% масс.) от времени воздействия отрицательной температуры
Рис.5. Зависимость изменения температуры жидкости (Н2О + NaCl 3% масс.) от временивоздействия отрицательной температуры
Рис.6. Зависимость изменения температуры жидкости (Н2О + C₆H₁₂O₆ 3% масс.) от временивоздействия отрицательной температуры
Рис.7. Зависимость изменения температуры жидкости (Н2О + NaCl 6% масс.) от времени воздействия отрицательной температуры
Рис.8. Зависимость изменения температуры жидкости (Н2О + C₆H₁₂O₆ 6% масс.) от времени воздействия отрицательной температуры
Табл.3. Производная первого порядка
|
Масс. % |
H2O, °С |
H2O (ЭФО), °С |
||
|
NaCl |
C₆H₁₂O₆ |
NaCl |
C₆H₁₂O₆ |
|
|
1% |
у=0,0074х-0,574 |
у=0,0082х-0,6121 |
у=0,0052х-0,4931 |
у=0,005х-0,4893 |
|
3% |
у=0,0072х-0,5967 |
у=0,0086х-0,628 |
у=0,0056х-0,5233 |
у=0,005х-0,4909 |
|
6% |
у=0,0076х-0,6124 |
у=0,0088х-0,6343 |
у=0,008х-0,6167 |
у=0,009х-0,6451 |
Проанализировав данные таблицы, можно сделать вывод о преимуществе образца H2O(ЭФО). Вода, подвергшаяся ЭФО, медленнее изменяет свою изначальную температуру, в условиях отрицательных температур. В результате ей необходимо больше времени для образования ледяной корки.
Для обычной воды в качестве присадки лучше использовать NaCl. По сравнению с раствором (H2O + C₆H₁₂O₆), раствор (H2O + NaCl) замерзает медленнее. При общем сравнении всех изменений самым эффективным оказались растворы: (H2O + 1% масс.C₆H₁₂O₆), (H2O + 3% масс.C₆H₁₂O₆, с водой ЭФО).
Таким образом делаем вывод о преимуществах использования воды с ЭФО. Этот способ экономически целесообразен и экологичен.
Следующим этапом стала сборка электрической цепи (Рис.9), благодаря которой были произведены замеры (Табл.4 и 5), на мультиметре 𝜇A = 200, на протяжении всего эксперимента (трёхкратного повторения).
Рис.9. Схема с мультиметром
Для определения зависимости содержания сульфанола в объеме воды от прохождения эклектического тока применялись растворы сульфанола с обычной водой, а также с водой прошедшей ЭФО на протяжении 30 минут (Табл.4).
Табл.4. Зависимость содержания сульфанола в объёме воды от проходящего тока
|
|
сульфанол, %, масс. |
0 |
0,005 |
0,01 |
0,015 |
0,02 |
0,025 |
0,03 |
0,035 |
0,04 |
|
H2O |
I, 𝜇A |
6 |
3 |
2 |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
|
H2O(ЭФО) |
I, 𝜇A |
6,2 |
4,6 |
4,1 |
3,5 |
3,2 |
3,2 |
3,2 |
3,2 |
3,2 |
В целях достижения поставленной цели в лабораторный стакан с этими концентрациями помещались две параллельно закрепленные металлические пластинки и производились замеры. Данные приведенные в Табл.4 показывают, что для обычной воды переход в плато происходит начиная с концентрации 0,015% масс. сульфанола, при этом ток стабилизируется при значениях 1,5 𝜇A. Для воды с ЭФО переход в плато происходит начиная с концентрации 0,020% масс. сульфанола, а ток стабилизируется при значениях 3,2 𝜇A.
Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) – концентрация поверхностно-активного вещества в растворе, при которой образуются устойчивые мицеллы. Таким образом концентрации 0,015% масс; 0,020% масс сульфанола является критической концентрацией мицеллообразования (ККМ) для воды и воды с ЭФО, соответственно.
При низких концентрациях в воде поверхностно-активных веществ (ПАВ) поверхностное натяжение снижается [3]. Существует пороговая концентрация ККМ – при которой молекулы ПАВ самопроизвольно собираются в мицеллы. Стоит отметить, что выше порогового значения ККМ – раствор обладает моющими свойствами. Такой раствор может применяться для стирки боевой одежды пожарного (БОП), который эффективно будет избавлять БОП от загрязнений. Экспериментально была выявлена ККМ для сульфанола в обычной воде и воде с ЭФО.
Для оценки влияния ЭФО дисперсной среды и минерализации пен были проведены эксперименты, результаты которых представлены в Табл.5. Ранее подобные исследования уже проводились [4], опираясь на предложенную методику, проведенные исследования были расширены и уточнены.
В качестве пенообразователя использовались: ПО-6 и МОРПЕН. В качестве минерализатора - SiO2, использовали активированные угли марки ОУ-А и ОУ-Б (кислый) [4,5,6]. Объём Н2О = 0,0001 м3, объём ПО-6 и МОРПЕН = 0,000006 м3, V(SiO2) = 0,0015 кг, V(ОУ-А) = 0,0015 кг, V(ОУ-Б(кислый)) = 0,0015
кг. Оценивались кратность и время разрушения пены.
Табл.5. Экспериментальные данные (1- Н2О; 2- Н2О (ЭФО))
|
|
Состав |
||||||||
|
Н2О |
|||||||||
|
Н2О |
Н2О + NaCl (морская) |
||||||||
|
ПО-6 |
МОРПЕН |
||||||||
|
- |
SiO2 |
ОУ-А |
ОУ-Б |
- |
SiO2 |
ОУ-А |
ОУ-Б |
||
|
1 |
V(получ. пены), м3 |
0,000330 |
0,000500 |
0,000325 |
0,0004 |
0,000450 |
0,000540 |
0,000330 |
0,00042 |
|
Кратность пены |
3,3 |
5 |
3,25 |
4 |
4,5 |
5,4 |
3,3 |
4,2 |
|
|
Время жизни, с |
4500 |
5500 |
1000 |
4600 |
5000 |
5500 |
1200 |
4800 |
|
|
2 |
V(получ. пены), м3 |
0,000500 |
0,000550 |
0,00040 |
0,00055 |
0,000650 |
0,000600 |
0,00040 |
0,00060 |
|
Кратность пены |
5 |
5,5 |
4 |
5,5 |
6,5 |
6 |
4 |
6 |
|
|
Время жизни, с |
2700 |
5100 |
600 |
3400 |
3500 |
5100 |
650 |
3500 |
|
Таким образом, результаты проведённых экспериментов (Табл.5), показывают зависимость влияния ЭФО на дисперсную среду (H2O) в ОТВ пенного пожаротушения. Во всех представленных экспериментах ЭФО оказала влияние на увеличение кратности пены, однако время разрушения пены сократилось. Минерализаторы пены были выбраны двух типов: гидрофильные (маршалит – SiO2 и уголь марки ОУ-Б (кислый)) и гидрофобные (уголь марки ОУ-А). ЭФО оказала влияние на увеличение кратности пены, при этом время разрушения сократилось.
Вывод
Экспериментально выявлены значения ККМ для сульфанола, а также выявлен механизм изменения этого значения.
1. Использование раствора с значениями выше ККМ, для пожаротушения является экономически нецелесообразным. Кратное превышение ККМ не даёт пропорционального роста эффективности и приводит к перерасходу средств.
2. Экспериментальным путём установлено влияние гидрофильных и гидрофобных минерализаторов в составе огнетушащей пены на её кратность и время разрушения. Определено положительное влияние ЭФО на увеличение кратности пены и снижение скорости замерзания воды.
3. Предложены методики реагентного (нанохимического) и безреагентного (ЭФО) модифицирования дисперсной среды ОТВ пенного пожаротушения.
1. Макаров В. Г. Взрывы и пожары на танкерах в результате возникновения статического электричества //Записки горного института. – 2008. – Т. С 95-101.
2. Справочник «Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов и средств их тушения», под редакцией коллектива авторов, включая А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук, 1990 год издание № 1.
3. Техносферная безопасность. Организация пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ : учебное пособие / А. П. Решетов, В. В. Клюй, С. А. Турсенев [и др.]. – Санкт-Петербургский УГПС МЧС имени Героя Российской Федерации генерала армии Е.Н. Зиничева, 2023. – 112 с. – ISBN 978-5-907724-21-1. – EDN QVQSQZ.
4. Арзаев Н.А., Ивахнюк Г.К. Влияние реагентной и безреагентной модификации дисперсной среды и химических свойств поверхности минерализаторов на пожарно-технические характеристики воздушно-механических пен // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2025. № 4. С. 14–22. DOI:https://doi.org/10.61260/2218-13Х-2025-4-14-22. DOI: https://doi.org/10.61260/2218-130X-2025-4-14-22; EDN: https://elibrary.ru/MLGUOG
5. Волик А.С., Квашнин А.В., Ивахнюк Г.К. Влияние электрического поля на огнетушащие свойства воздушно-механической пены // Проблемы управления рисками в техносфере. 2020. № 3 (55). С. 103–107. EDN BZSSAC.
6. Алексеик Е.Б., Савенкова А.Е., Гемиш З. Влияние переменных электрических полей на процессы создания и стабилизации воздушно-механических пен // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2013. № 4. С. 44–48. EDN RSMACZ.
7. Пешакова, В. А. Трудновоспламеняемые сертификационные ткани, применяемые в кораблестроении / В. А. Пешакова, Н. В. Каменецкая // Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов XVIII Международной научно-практической конференции, Иваново, 23 ноября 2023 года. – Иваново: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ивановская пожарно-спасательная академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий», 2023. – С. 821-825. – EDN GGQSQF.
8. Пешакова, В. А. Показатель пожарного риска, как важный фактор обеспеченности пожарной безопасности объекта / В. А. Пешакова // Естественные науки и пожаробезопасность: проблемы и перспективы исследований: Сборник материалов II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Иваново, 27 февраля 2025 года. – Иваново: Ивановская пожарно-спасательная академия Государственной противопожарной службы МЧС РФ, 2025. – С. 166-170. – EDN QMHWXB.
9. Оценка, прогнозирование надежности и уровня пожарной и промышленной безопасности при хранении и транспортировке нефтепродуктов / Л. А. Королева, А. А. Климантов, М. А. Марченко, Г. К. Ивахнюк. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий имени Героя Российской Федерации генерала армии Е.Н. Зиничева, 2022. – 184 с. – ISBN 978-5-907489-87-5. – EDN TUNNBK.
10. Рамзани, М. С. Влияние переменного частотно-модулированного потенциала на электризацию жидких углеводородов при сливо-наливных операциях / М. С. Рамзани, Г. К. Ивахнюк // Неделя науки-2021 (с международным участием) : Сборник тезисов XI научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в рамках мероприятий по проведению в Российской Федерации Года науки и технологий в 2021 году, Санкт-Петербург, 07–09 апреля 2021 года. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 2021. – С. 317. – EDN ETCDOD.
