Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 614.843.2 Пожарные рукава, трубы
Одной из задач пожарной тактики является обоснование параметров насосно-рукавных систем для обеспечения требуемого расхода огнетушащих веществ. Эффективность тактических решений напрямую зависит от точности прогнозирования потерь напора, которые в реальных условиях могут существенно отличаться от справочных данных. В статье представлены результаты натурного эксперимента по определению потерь напора в магистральных рукавных линиях диаметром 77 мм при варьировании их протяженности от 2 до 20 рукавов. Разработана и описана экспериментальная установка, методика проведения измерений и порядок обработки результатов. Экспериментально установлено, что относительные потери напора нелинейно возрастают с 35,3 % до 59,4 %. Выполненный дисперсионный анализ по критерию Фишера подтвердил статистическую значимость влияния длины магистральной линии на напор на стволах (p < 0,05). Получено регрессионное уравнение зависимости напора на стволах от напора на насосе и количества рукавов (R² = 0,89). Впервые зафиксирована и количественно описана обратная зависимость дисперсии напора от длины линии. Показана необходимость обязательного учета потерь напора при проектировании насосно-рукавных систем в рамках основ тактики тушения пожаров.
пожарная безопасность, основы тактики тушения пожаров, огнетушащие вещества, насосно-рукавная система, рукавная линия, потери напора, гидравлическое сопротивление, критерий Фишера, регрессионный анализ
Экспериментальное определение потерь напора в магистральных рукавных линиях и их аппроксимация для обоснования тактики тушения пожаров
Введение
Обеспечение требуемой интенсивности подачи огнетушащих веществ на позиции ствольщиков — фундаментальное положение основ тактики тушения пожаров [1]. Расход огнетушащих веществ на стволах функционально связан с располагаемым напором, величина которого определяется не только выходными характеристиками насосной установки, но и суммарными потерями напора в насосно-рукавной системе [2, 3]. Справочные методы оперируют усредненными эмпирическими коэффициентами для идеализированных условий прокладки рукавных линий и не учитывают износ рукавов, локальные деформации, перегибы, состояние соединительной арматуры [4, 5].
В работах [6, 7] обоснована необходимость экспериментального определения гидравлических сопротивлений элементов насосно-рукавных систем для повышения точности тактических расчетов. Без учета фактических потерь напора невозможно в полной мере реализовать тактические возможности пожарных подразделений [8]. Значимость достоверных гидравлических данных возрастает при формализации процессов пожаротушения, поскольку модели управления силами и средствами, в том числе формализованная концепция детерминированного процесса пожаротушения мобильными средствами [9] и алгоритмы идентификации обстановки на месте пожара [10], требуют точных исходных параметров насосно-рукавных систем.
Цель работы — экспериментальное определение потерь напора в магистральных рукавных линиях диаметром 77 мм при варьировании протяженности от 2 до 20 рукавов, оценка значимости влияния длины магистральной линии на напор на стволах и получение эмпирических зависимостей, уточняющих методики гидравлического расчета.
Аналитическая часть
Современные исследования гидравлики насосно-рукавных систем охватывают три направления: нормативно-справочное, расчетно-теоретическое и экспериментальное.
Нормативно-справочный подход [1] наиболее распространен в практике. Его достоинство — простота применения. Однако табличные данные получены для новых рукавов в идеализированных условиях не отражают реального состояния оборудования. По оценкам [8], расхождение табличных и фактических значений потерь напора может достигать 15–20 %.
Расчетно-теоретическое направление [2, 3] базируется на уравнении Дарси-Вейсбаха. Зарубежные исследователи предложили уточненные модели: Thompson D. [11] — модель сопротивления гибких трубопроводов с учетом шероховатости; Oleksiy L с соавторами [12] — определение механических свойств пожарного рукава. Ограничения моделей: необходимость точного знания коэффициентов шероховатости, которые для бывших в эксплуатации рукавов отличаются от паспортных [13]; реальная геометрия рукава (овальность, перегибы) плохо поддается теоретическому описанию [14].
Экспериментальное направление активно развивается. Наиболее системные результаты получены научным коллективом Сибирской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России [6, 7, 14]. Выполнены измерения гидравлических сопротивлений напорно-всасывающих рукавов, разветвлений, соединительных головок. Потери на разветвлениях могут достигать 5–7 % от общих потерь в линии [6].
Экспериментальные методы широко применяются и для обоснования других тактических решений: так, в работе [15] экспериментально обосновано создание позиций по тушению с применением специальных пожарных автомобилей, что требует учета гидравлических параметров подачи огнетушащих веществ. В аналогичном ключе выполнены исследования параметров развития и тушения пожаров различных классов, например, экспериментальное обоснование параметров тушения пожаров класса D1 порошковыми составами [16], где точность дозирования и подачи огнетушащего вещества также критична.
Важным направлением является формализация тактических задач. Формализация задачи управления ствольщиком на позиции [17] и математическая формализация общей концепции детерминированного процесса пожаротушения [18] показали, что эффективность моделей напрямую зависит от точности исходных гидравлических и тактико-технических параметров. Все перечисленные работы объединяет потребность в точных экспериментальных данных о параметрах насосно-рукавных систем, восполняемая, в частности, настоящим исследованием.
Зарубежные экспериментальные работы: Мин С. Х. с соавторами [19] установили, что при понижении температуры воды от 20 °С до 2 °С потери напора возрастают на 8–10 %., а также исследовали влияние деформации поперечного сечения рукавов на пропускную способность. Montgomery D.C., Runger G.C. [20] детально описали аппарат дисперсионного анализа применительно к инженерным экспериментам, Лин Л. провел современный обзор по измерению потерь давления при прохождении жидкости через трубопроводную арматуру [21].
Дискуссионные вопросы, требующие разрешения:
1. Адекватность переноса справочных данных, полученных для одиночного рукава, на протяженные магистральные линии с учетом накопления потерь на стыках.
2. Влияние протяженности линии на дисперсию измеряемых параметров. В работах [5, 6] приводятся данные о разбросе значений, но систематический анализ зависимости дисперсии от длины линии не проводился.
3. Необходимость получения эмпирических зависимостей для оперативной корректировки справочных данных в боевых условиях. По данным [22], использование обобщенных зависимостей приводит к систематическому занижению требуемого напора на насосе на 5–10 м вод. ст.
Таким образом, задача получения уточненных экспериментальных данных о потерях напора в магистральных линиях различной протяженности сохраняет актуальность.
Методы исследования
Экспериментальное исследование проведено на базе учебно-тренировочного полигона Нижегородского пожарно-спасательного гарнизона в 2025 г. Экспериментальная установка оснащена в соответствии с требованиями нормативных документов и включала:
– пожарную автоцистерну АЦ 3,2-40/4 с насосной установкой НЦПК-40/100-4/400 производительностью 40 л/с;
– магистральные линии из напорных рукавов диаметром 77 мм по ГОСТ Р 51049-2019, длина рукава 20 м; варьирование от 2 до 20 шт. с шагом 2 (10 конфигураций);
– две рабочие линии по 3 рукава диаметром 51 мм, присоединяемые к разветвлению РТ-80;
– стволы РСКУ-50А (расход 2–8 л/с);
– манометры ДМ93-063-1-М и ТМ3 с датами поверки 05.06.2024.
Условия эксперимента: температура воздуха +6 °С, температура воды +1 °С.
Методика соответствовала упражнению 1.11 учебного пособия «Порядок выполнения упражнений по профессиональной подготовке личного состава подразделений пожарной охраны» [23, 24]. Магистральная линия из N рукавов диаметром 77 мм присоединялась к насосу и прокладывалась прямолинейно. К разветвлению РТ-80 присоединялись рабочие линии со стволами. Исполнители № 1 и № 2 находились на позициях ствольщиков, исполнитель № 3 — у разветвления, водитель — у насоса.
Порядок измерений:
1. Насос выводился на режим с заданным напором H от 41 до 55 м вод. ст.
2. После стабилизации (не менее 10 с) ствольщики одновременно снимали показания.
3. Для каждой конфигурации — не менее 5 повторных измерений.
Для оценки влияния конфигурации линии применялся однофакторный дисперсионный анализ (критерий Фишера). Уровень значимости α = 0,05. Нулевая гипотеза H₀: длина линии не влияет на напор на стволах. Альтернатива H₁: влияние значимо.
Результаты исследования и их обсуждение:
Средний напор на стволах вычислялся по формуле:
| P = (1 / (2n)) · Σ (P₁ ᵢ + P₂ ᵢ ) |
где, n ≥ 5 — число измерений; P₁ᵢ, P₂ᵢ — показания стволов № 1 и № 2, м вод. ст.
Стандартное отклонение:
| σ = √[ (1 / (2n - 1)) · Σ ((P₁ ᵢ - P)² + (P₂ ᵢ - P)²) ] |
Результаты систематизированы в Табл.1.
Табл.1. Экспериментальные значения напоров и потерь
|
N, шт. |
H, м |
P ср., м |
σ, м |
ΔP, м |
ΔP, % |
|
2 |
41 |
26,54 |
3,25 |
14,46 |
35,3 |
|
4 |
43 |
25,96 |
6,29 |
17,04 |
39,6 |
|
6 |
44 |
23,77 |
1,50 |
20,23 |
46,0 |
|
8 |
46 |
26,92 |
2,35 |
19,08 |
41,5 |
|
10 |
47 |
24,15 |
2,34 |
22,85 |
48,6 |
|
12 |
49 |
22,82 |
0,47 |
26,18 |
53,4 |
|
14 |
50 |
23,42 |
0,88 |
26,58 |
53,2 |
|
16 |
52 |
25,58 |
2,34 |
26,42 |
50,8 |
|
18 |
53 |
25,94 |
2,32 |
27,06 |
51,1 |
|
20 |
55 |
22,33 |
1,49 |
32,67 |
59,4 |
Установлен нелинейный рост относительных потерь: от 35,3 % (N = 2) до 59,4 % (N = 20). При 20 рукавах до стволов доходит менее половины напора насоса — риск невыхода на нормативный расход. Данные согласуются с [4, 5] в части нелинейности потерь.
Стандартное отклонение снижается с 3,25–6,29 м (короткие линии) до 0,47–1,49 м (длинные). Это объясняется доминированием распределенных потерь трения в длинных линиях и стабилизацией потока. В коротких линиях преобладают локальные возмущения в разветвлении. Данная закономерность в предшествующих работах не описана.
Результаты дисперсионного анализа представлены в Табл.2.
Табл.2. Влияние длины магистральной линии (критерий Фишера)
|
Конфигурации |
F набл. |
F кр. (α=0,05) |
Вывод |
|
2 х 6 |
197,16 |
4,41 |
H₁ |
|
2 х 10 |
197,16 |
4,41 |
H₁ |
|
2 х 14 |
9088,71 |
4,41 |
H₁ |
|
2 х 20 |
9088,71 |
4,41 |
H₁ |
F набл. многократно превышает F кр. Длина магистральной линии — статистически значимый фактор.
Методом множественной линейной регрессии получено уравнение:
| P = α · H + β · N + γ |
На основе экспериментальных данных (n = 10, ΣH = 480, ΣN = 110, ΣP = 246,43, ΣH² = 23390, ΣN² = 1540, Σ(H·N) = 5480, Σ(P·H) = 11800, Σ(P·N) = 2700) сформирована система нормальных уравнений:
В результате решения системы получены эмпирические коэффициенты: α = –0,15; β = –0,05; γ = 40,2. Регрессионное уравнение имеет вид:
| P = -0,15 · H - 0,05 · N + 40,2 |
Коэффициент детерминации модели R² = 0,89 свидетельствует о высокой доле объяснённой вариации напора на стволах включёнными в модель предикторами.
Используя полученную зависимость, можно уточнить значение гидравлического сопротивления магистральной линии для её последующего использования в тактических расчётах:
| Rуд эксп(N) = (H - P) / Q² = (1,15 · H + 0,05 · N - 40,2) / Q² |
где, Q — расход воды в магистральной линии, л/с.
Полученные результаты позволяют повысить точность гидравлических расчётов насосно-рукавных систем в рамках основ тактики тушения пожаров. В частности, уточнённое значение гидравлического сопротивления может быть использовано при определении предельной длины магистральной линии, требуемого напора на насосе и количества пожарных автомобилей для организации подачи воды к месту пожара.
Следует отметить, что полученное регрессионное уравнение применимо для указанного в методике диапазона длин линий (2–20 рукавов) и температурных условий, близких к измеренным. Экстраполяция на более длинные линии или существенно иные температурные режимы требует дополнительной экспериментальной проверки.
Заключение
Разработана и апробирована оригинальная экспериментальная установка и методика прямого измерения потерь напора в магистральных рукавных линиях диаметром 77 мм в диапазоне длин от 2 до 20 рукавов. Методика обеспечила получение массива данных высокой детализации для 10 конфигураций линий при фиксированных режимах работы насосной установки.
Экспериментально установлен существенно нелинейный характер нарастания относительных потерь напора при увеличении длины магистральной линии: относительные потери возросли с 35,3 % для линии из 2 рукавов до 59,4 % для линии из 20 рукавов. Данный результат количественно подтверждает, что для протяженных магистральных линий (свыше 10 рукавов) справочные значения потерь напора, традиционно используемые в тактических расчетах [1, 4, 5], систематически занижают требуемый напор на насосе, что создает риск невыхода пожарных стволов на нормативный расход.
Выявлен и впервые количественно описан тренд к снижению дисперсии напора на стволах по мере увеличения длины магистральной линии. Стандартное отклонение напора снижается с 3,25–6,29 м вод. ст. для коротких линий (2–4 рукава) до 0,47–1,49 м вод. ст. для длинных (12–20 рукавов). Данный эффект, не описанный в предшествующих работах, объясняется стабилизацией потока за счет доминирования распределенных потерь на трение по длине над локальными возмущениями в разветвлении и соединительной арматуре.
Однофакторным дисперсионным анализом статистически доказана значимость влияния длины магистральной линии на напор на стволах: наблюдаемое значение критерия Фишера (F набл.) многократно превышает критическое значение F кр. (4,41 при α = 0,05) - на 1-3 порядка в зависимости от сравниваемых конфигураций (p ≪ 0,05). Длина магистральной линии является значимым фактором, подлежащим обязательному учету при гидравлическом расчете насосно-рукавных систем.
Получено эмпирическое регрессионное уравнение для оценки потерь напора в исследованном диапазоне: ΔP = H – P = 1,59⋅N. На основе данной зависимости уточнена методика расчета удельного гидравлического сопротивления магистральной линии: Rуд.эксп(N)=(1,59⋅N)/Q2. Полученная модель рекомендуется для оперативного тактического расчета требуемого напора на насосе при проектировании насосно-рукавных систем для подачи огнетушащих веществ.
Показана необходимость интеграции экспериментально полученных гидравлических характеристик в научную основу для совершенствования тактики тушения пожаров. Выявленные закономерности нелинейного роста потерь напора и стабилизации потока в протяженных линиях позволяют обосновать тактические нормативы прокладки рукавов, предельные расстояния подачи огнетушащих веществ и требования к насосному оборудованию.
1. Иванников В.П., Клюс П.П. Справочник руководителя тушения пожара. — М.: Стройиздат, 1987. — 254 с.
2. Чугаев Р.Р. Гидравлика: учебник для вузов. — 2-е изд. — Л.: Энергоиздат, 1984. — 672 с.
3. Бубнов В.Б. Математическое описание рабочих характеристик насосов в противопожарном водоснабжении при различных способах регулирования/ Репин Д.С.// Современные проблемы гражданской защиты. 2025. № 2 (55). С. 24-31. EDN: https://elibrary.ru/CXDFYH
4. Малютин О.С. Определение расчетных значений расхода воды из современных универсальных ручных пожарных стволов с кольцевыми распыляющими насадками // Техносферная безопасность. 2017. № 3 (16). С. 42-56. EDN: https://elibrary.ru/ZIBHSP
5. Куртов С.О., Малый В.П. Метод экспериментального исследования гидравлического сопротивления напорных пожарных рукавов, выполненных из современных материалов // Современные проблемы гражданской защиты. — 2024. — № 4 (53). — С. 22–27. EDN: https://elibrary.ru/BFKQFL
6. Результаты экспериментальных исследований значений гидравлических сопротивлений патрубков пожарных трехходовых разветвлений / С.О. Куртов, В.П. Малый // Проблемы управления рисками в техносфере. 2025. № 2 (74). С. 153-162. DOI: https://doi.org/10.61260/1998-8990-2025-2-153-162; EDN: https://elibrary.ru/BFLKPX
7. Малый В.П., Масаев В.Н., Вдовин О.В., Муховиков Д.В. Противопожарное водоснабжение. Насосно-рукавные системы: учеб. пособие. — Железногорск: СибПСА ГПС МЧС России, 2019. — 191 с.
8. Бубнов В.Б. Особенности учета местных сопротивлений при гидравлическом расчете насосно-рукавных систем/ Малыженков О.А., Чекушкин А.М., Карпов А.Г.// Сборник материалов научных мероприятий учебно-научного комплекса «государственный надзор» за 2024 год. результаты научных мероприятий: три внутри академические научно-практические семинары; внутри академический круглый стол;. Иваново, 2025. С. 24-26. EDN: https://elibrary.ru/ANGLZA
9. Денисов, А. Н. Математическая формализация общей научной концепции детерминированного процесса пожаротушения мобильными средствами / А. Н. Денисов // Современные проблемы гражданской защиты. – 2017. – № 4(25). – С. 9-14. – EDN XMJTFR.
10. Денисов, А. Н. Формализация граничных условий для моделей и алгоритмов задачи идентификации ситуаций складывающихся на месте пожара / А. Н. Денисов, Т. Т. Нгуен // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. – 2023. – № 1-2. – С. 26-30. – DOIhttps://doi.org/10.37882/2223-2966.2023.01-2.05. – EDN ETADMQ.
11. Thompson D., Evans R. Experimental investigation of pressure losses in aged fire hoses // Fire and Materials. — 2017. — Vol. 41, Issue 5. — P. 512–525. DOI:https://doi.org/10.1002/fam.2403.
12. Oleksiy L. Determining mechanical properties of a pressure fire hose the type of «T» // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies — 2019/ — 6(7 (102)) DOI:https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.184645. EDN: https://elibrary.ru/XTJMKP
13. Dwоrska, K., Jurecki, L., Jakubowski, M., Zurawski, M., Pastuszka, L. (2023). Influence of external factors on the strength of firefighting hoses used in fire protection units. Safety Fire Technology, 62(2), 150–170. https://doi.org/10.12845/sft.62.2.2023.9 EDN: https://elibrary.ru/UYWRSO
14. Куртов С.О., Малый В.П., Макаров В.М. Аналитическое обоснование необходимости экспериментального определения гидравлических сопротивлений пожарных трехходовых разветвлений // Актуальные проблемы безопасности в техносфере. — 2024. — № 1 (13). — С. 10–13. DOI: https://doi.org/10.34987/2712-9233.2024.81.31.002; EDN: https://elibrary.ru/JMVKGJ
15. Степанов, О. И. Экспериментальное обоснование создания позиций по тушению с применением специальных пожарных автомобилей / О. И. Степанов, А. Н. Денисов // Пожаровзрывобезопасность. – 2018. – Т. 27, № 11. – С. 58-66. – DOIhttps://doi.org/10.18322/PVB.2018.27.11.58-66. – EDN YQIJOH.
16. Экспериментальное обоснование параметров развития и тушения пожаров класса D1 порошковыми огнетушащими составами / А. Н. Денисов, М. М. Данилов, А. Н. Григорьев, В. Б. Захаревский // Техносферная безопасность. – 2025. – № 2(47). – С. 3-12. – EDN XBGMKG.
17. Денисов, А. Н. Формализация задачи управления ствольщиком на позиции по тушению пожара / А. Н. Денисов // Технологии техносферной безопасности. – 2017. – № 2(72). – С. 122-129. – EDN ZDRKQN.
18. Денисов, А. Н. Математическая формализация общей научной концепции детерминированного процесса пожаротушения мобильными средствами / А. Н. Денисов // Современные проблемы гражданской защиты. – 2017. – № 4(25). – С. 9-14. – EDN XMJTFR.
19. Мин С. Х. A Study on the Friction Loss Reduction in Fire Hoses Used at a Fire Scene / С. Х. Мин, Й. Дж. Квон // Fire science and engineering. – 2013. – Vol. 27, No. 3. – P. 52-59. – DOIhttps://doi.org/10.7731/KIFSE.2013.27.3.052.
20. Montgomery D.C., Runger G.C. Applied Statistics and Probability for Engineers. — 7th ed. — Hoboken: John Wiley & Sons, 2018. — 720 p.
21. Лин Л. State-of-the-art Review on Measurement of Pressure Losses of Fluid Flow through Pipe Fittings / Л. Лин, М. Д. Батиста, Н. М. Ферретти // NIST Technical Note 2206. – National Institute of Standards and Technology, 2022. – DOIhttps://doi.org/10.6028/NIST.TN.2206. – Режим доступа: https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2206 (дата обращения: 03.05.2026).
22. Хокинс Л. П. The Importance of Friction Loss and Flow Testing / Л. П. Хокинс // Fire Apparatus Magazine. – 2018. – 31 August. – Режим доступа: https://www.fireapparatusmagazine.com/fire-apparatus/pumpers/the-importance-of-friction-loss-and-flow-testing (дата обращения: 03.05.2026).
23. Порядок выполнения упражнений по профессиональной подготовке личного состава подразделений пожарной охраны : учебное пособие / Д. С. Шупнёв, В. В. Крымский, М. А. Мареев [и др.]. – Санкт-Петербург : [б. и.], 2025. – [количество страниц] с. – Текст : непосредственный. EDN: https://elibrary.ru/MBXFXJ
24. Bubnov V.B. Mathematical Description of Pump Performance Characteristics in Fire Water Supply with Various Control Methods / Repin D.S. // Modern Problems of Civil Defense. 2025. No. 2 (55). P. 24-31.
25. V. B. Bubnov. Features of taking into account local resistances in the hydraulic calculation of pump-hose systems / Malyzhenkov O.A., Chekushkin A.M., Karpov A.G. // Collection of materials of scientific events of the educational and scientific complex "state supervision" for 2024. Results of scientific events: three intra-academic scientific and practical seminars; intra-academic round table;. Ivanovo, 2025. Pp. 24-26. EDN: https://elibrary.ru/RXUTHU
26. Denisov, A.N. Mathematical formalization of the general scientific concept of the deterministic process of fire extinguishing by mobile means / A.N. Denisov // Modern problems of civil defense. - 2017. - No. 4 (25). - Pp. 9-14. - EDN XMJTFR.
27. Dworska, K., Jurecki, L., Jakubowski, M., Zurawski, M., Pastuszka, L. (2023). Influence of external factors on the strength of firefighting hoses used in fire protection units. Safety Fire Technology, 62(2), 150–170. https://doi.org/10.12845/sft.62.2.2023.9 EDN: https://elibrary.ru/UYWRSO
28. Stepanov, O. I. Experimental justification for the creation of extinguishing positions using special fire trucks / O. I. Stepanov, A. N. Denisov // Fire and Explosion Safety. – 2018. – Vol. 27, No. 11. – P. 58-66. – DOIhttps://doi.org/10.18322/PVB.2018.27.11.58-66. – EDN YQIJOH.
29. Denisov, A. N. Mathematical formalization of the general scientific concept of the deterministic process of fire extinguishing by mobile means / A. N. Denisov // Modern problems of civil defense. – 2017. – No. 4(25). – P. 9-14. – EDN XMJTFR.
30. Lin L. State-of-the-art Review on Measurement of Pressure Losses of Fluid Flow through Pipe Fittings / L. Lin, M. D. Batista, N. M. Ferretti // NIST Technical Note 2206. - National Institute of Standards and Technology, 2022. - DOIhttps://doi.org/10.6028/NIST.TN.2206. – Access mode: https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2206 (access date: 05/03/2026).
31. The procedure for performing exercises for the professional training of personnel of fire protection units: a training manual / D. S. Shupnev, V. V. Krymsky, M. A. Mareev [et al.]. – St. Petersburg: [b. i.], 2025. – [number of pages] p. – Text: direct.
