(полный текст)

И.Ф Безродный, научный консультант ООО «Завод Спецхимпродукт»,

к.т.н., с.н.с., академик ВАН КБ.

федеральный эксперт научно-технической сферы

Забытые имена - забытые знания.

или "Почему не тушит пена?"

Сегодня не редко можно услышать удивленные возгласы пожарных: "Пена не тушит!?". И сразу начинаются упреки в адрес производителей пенообразователей: сомнения в том, что качество современных пенообразователей не соответствует требованиям, что сертификаты "липовые" и т.п. В абсолютном большинстве случаев такие разговоры происходят при обсуждении результатов тушения с использованием углеводородных пенообразователей. Это и понятно, такой тип пенообразователей имеет наиболее широкое распространение в подразделениях пожарной охраны из-за относительной дешевизны.

А теперь стоит остановиться и оглядеться. Действительно пена порой не тушит, но именно пена, а не пенообразователь или его водный раствор. Давайте, прежде чем ругать производителей пенообразователей, обратим внимание на свойства этой самой пены, которая является продуктом не только пенообразователя, а и пеногенератора, или пенного ствола, или иного пеногенерирующего устройства.

Какие параметры характеризуют свойства пены? Многие скажут: кратность. Мало кто, или почти ни кто не вспомнит, как зависит огнетушащая эффективность (или нормативная\критическая интенсивность, или стойкость пены в условиях пожара -- все эти понятия взаимосвязаны!) от кратности пены. И уж совсем откровением будет для многих информация о зависимости этих параметров от среднего размера пузырька в пене. Хотя даже далекому от пенного пожаротушения человеку, даже ребенку, выдувающему мыльные пузыри, очевидно, что пена их крупных пузырей разрушается гораздо быстрее, чем пена из мелких. Ведь разрушаются пленки пены, и, чем их больше, чем пузыри мельче -- тем медленнее будет уменьшаться объем пены. А это значит, что виновником плохого качества пены может быть не пенообразователь, а пеногенератор!

Думаете, что это результаты новых исследований - вовсе нет! Откроем книгу выпуска 1972 г. уважаемых и, надеюсь, многим известных авторов А.А. Котова, И.И. Петрова и В.Ч. Реутта "Применение высокократной пены при тушении пожаров". Это в те годы известная нам сегодня пена средней кратности называлась высокократной, т.к. существовала только два типа пены: низкой и высокой кратности.

Рис.1. Зависимость времени тушения бензина от интенсивности подачи раствора при разной кратности пены. /Котов А.А., Петров И.И., Реутт В.Ч. Применение высокократной пены при тушении пожаров - М.: Издательство литературы по строительству, 1972, - 114 с./

На рисунке 1, как и некоторые другие, взятом непосредственно из этой книги, хорошо видно, что зависимость от кратности критической интенсивности очень сильная даже в диапазоне работы стволов низкократной пены, т.е. при изменении кратности от 4 до 10. Эти результаты в дальнейшем явились основным обоснованием перехода от низкой пены к пене кратностью 70 - 100.

Раз уж мы данной публикацией пытаемся решить просветительскую задачу, необходимо напомнить определение "критической интенсивности": это такая величина интенсивности подачи раствора пенообразователя, при которой эффект тушения не достигается бесконечно долго, но при увеличении интенсивности на любую бесконечно малую величину эффект тушения будет достигнут за конечный промежуток времени. Определение это сформулировано позднее по результатам исследования псевдостационарного процесса горения жидкостей, осложненного воздействием огнетушащей пены, но само понятие критической интенсивности, а также связь между нормативной и критической интенсивностями через коэффициент запаса, равный 2,3, равно как и понятия стойкости, синерезиса и ряд закономерностей тушения были установлены указанными выше авторами. Для понимания проще обратиться к рис. 2., также заимствованному из упомянутой книги. Вертикальная пунктирная асимптота в левой части рисунка пересекает ось абсцисс именно в точке, соответствующей численному значению "критической" интенсивности.

Рис. 2. Зависимость времени тушения от интенсивности подачи раствора. /Котов А.А., Петров И.И., Реутт В.Ч. Применение высокократной пены при тушении пожаров - М.: Издательство литературы по строительству, 1972, - 114 с./Конечно, численные значения интенсивности (рис. 1, 2 и 3) не должны восприниматься как абсолютные, поскольку не оговорены четко условия экспериментов. Однако относительное изменение эффективности (критической интенсивности) в границах рассматриваемого диапазона кратности указывает на пропорциональную зависимость интенсивности от кратности. Экстраполируя результаты на диапазон кратности современных пеногенераторов, приходим к очевидному выводу о необходимости увеличения нормативной интенсивности в несколько раз в тех случаях, когда по какой-либо причине кратность пены снижается с 70 до 30, а иногда и ниже. Это увеличение необходимо даже без учета изменения среднего размера пузырька в пене. Причины снижения кратности, изменения размера пузырьков будут рассмотрены нами ниже.В более поздней книге 1977 г. М.В. Казакова, И.И. Петрова и В.Ч. Реутта "Средства и способы тушения пламени горючих жидкостей" вновь подробно обсуждается влияние кратности на эффективность пены из углеводородных пенообразователей и обосновывается диапазон кратности в интервале 80 -- 150, когда пена наиболее эффективна (см. рис. 3). Здесь же обоснованы известные всем значения нормативной интенсивности 0, 05  и 0,08 л/м²с, привязанные к температуре вспышки горючего более или менее 28°С соответственно.

Рис.3. Зависимость критической интенсивности подачи раствора пенообразователя от кратности пены (заштрихована область тушения пламени). /Казаков М.В., Петров И.И., Реутт В.Ч. Средства и способы тушения пламени горючих жидкостей - М.: Стройиздат, 1977, - 114 с./

О том, что одной из важнейших характеристик структуры огнетушащей пены является средний размер пузырька, говорится уже на стр. 4-5 книги "Применение высокократной пены при тушении пожаров". При этом такие параметры пены, как средний диаметр пузырьков d, средняя толщина жидких пленок δ и кратность пены К связаны, для интересующего нас диапазона средней кратности, простым соотношением

d = 3К δ

Очевидно, что диаметр пузырька не определяется только кратностью пены, а зависит от условий пеногенерирования. Другими словами, для пеногенераторов эжекционного типа характеристики структуры пены будут определяться параметрами распылителя раствора, картой орошения каплями раствора пакета сеток и параметрами эжекции потоком капель внешнего воздуха, т.е. размерами капель и их скоростью.

Свои выводы авторы, как это всегда добросовестно делают классики, на этих же страницах подтверждают экспериментальными данными. В приведенных ссылках на источники от 40 -- 30-летней давности описано поведение и свойства пены, как в процессе тушения, так и без разрушающего воздействия факторов пожара. Например, описан процесс синерезиса -- выделения из пенной структуры раствора пенообразователя. Сегодня этот процесс используют для оценки "стойкости" пены, хотя он ни как не связан с процессом тушения, не приводит к разрушению самой пенной структуры, зависит от толщины пленок в пене, т.е. от размера пузырьков, а те, в свою очередь, от способа генерирования пены.

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 в низ, пленки становятся тоньше, но не всегда  это приводит к их разрушению, т.е. к разрушению структуры пены. Если пена разрушается плохо -- это хорошая пена. Это древняя истина была бы аксиомой, если бы можно было установить корреляцию между действительным разрушением пенной структуры и скоростью выделения из объема пены раствора пенообразователя. Поскольку такой корреляции нет, толкование получаемых при испытаниях значений целиком и полностью остается на совести испытателя.

Многие согласятся, что численное значение времени выделения определенного количества раствора зависит и от размера пузырьков в пенном объеме. Этот размер, строго говоря, никак не связан с величиной кратности. Но даже не это главное. Применительно к пене низкой кратности для пленкообразующих пенообразователей механизм тушащего воздействия заключается в образовании пленки, которая формируется благодаря истечению раствора пенообразователя из пены. Элементарная логика подсказывает, что чем быстрее будет осуществляться выделение из пены раствора, тем быстрее формируется пленка. Быстрее происходит ее растекание по поверхности горючего, быстрее достигается эффект тушения! Действующий ГОСТ Р на пенообразователи в редакции 1993 года утверждает иное: чем медленнее -- тем лучше. Это явное противоречие свидетельствует о недопустимо устаревшем подходе к оценке качества пенообразователей.

Что же происходит с пеной в реальности на пожаре? Ответ на этот вопрос тоже известен. Пена разрушается, но скорость разрушения, как и скорость обезвоживания, зависит от размера пузырька в пене. Если с разрушением, в результате теплового воздействия факела пламени, линейная зависимость достаточно очевидна, а интересные результаты обнаруживаются только при высокой степени покрытия очага горения пеной, (т.е. в режиме критической интенсивности, когда верхние пленки пены успевают обезводиться к моменту разрушения самой пленки), то разрушение на поверхности горючего -- более сложный процесс. Рис. 4 и 5 хорошо иллюстрируют, как саму зависимость, так и корреляцию расчетных и экспериментальных значений скорости разрушения. Теоретической основой модели разрушения пены на поверхности гидрофобных горючих жидкостей является сочетание процессов испарения углеводорода со свободной поверхности в полости нижнего слоя пузырьков и адсорбция этих паров на поверхности пленок с образованием неких мицеллярных комплексов, разрушающих пленки. Благодаря этому подходу удалось объяснить зависимость скорости разрушения пены от температуры горючего и научиться рассчитывать изменение стойкости пены в зависимости от условий в зоне пожара.

Рис. 4. Выделение раствора пенообразователя при разрушении пены на поверхности гептана с температурой 50°С. Условные обозначения экспериментальных точек для размера ячейки сетки пеногенератора: • - 0,5 мм; ∆ - 1,0 мм; Ͽ - 1,4 мм; + - 2,0 мм.

Рис. 5. Скорость выделения раствора (разрушения пены) на поверхности гептана (50°С) в зависимости от среднего размера пузырька в пене.

При более высоких температурах поверхности горючего, т.е. при температурах близких к температуре кипения горючей жидкости может наблюдаться явление прорыва паров через слой пены, как показано на рис. 6. Очевидно, что это непременно случится при тушении газового конденсата, его смеси с нефтью или просто при наличии в горючем достаточного количества легких фракций углеводородов, а также при длительном свободном горении жидкости, когда значительный ее объем нагрет до температуры близкой или равной температуре кипения.

Рис. 6. Схема прорыва паров жидкости через слой пены. а -- разрушение пленки пузырька пены, соприкасающегося с поверхностью жидкости; б -- увеличение объема пузырька пены; в -- прорыв паров горючего. /Казаков М.В., Петров И.И., Реутт В.Ч. Средства и способы тушения пламени горючих жидкостей - М.: Стройиздат, 1977, - 114 с./

Эффективность пенных средств пожаротушения существенно различна применительно к различным смесевым углеводородным жидкостям. Разработка в 90 -- х годах прошлого века обоснованных расчетных методов для определения нормативных параметров пенного пожаротушения многокомпонентных жидкостей, чем по сути являются нефть и нефтепродукты, стала естественным продолжением и развитием фундаментальных идей. Серия экспериментально-теоретических работ по изучению некоторых свойств смесей углеводородных жидкостей послужила основой для методических рекомендаций, позволяющих рассчитывать критические и нормативные интенсивности для новых месторождений или искусственно приготовленных смесей нефти и нефтепродуктов.

Работы в направлении дальнейшего изучения процессов диффузионного горения жидкостей, изменения теплового режима в зоне пожара и разработки эффективных приемов пенного пожаротушения, в частности тушения жидкостей, вскипающих при подаче пены, отвлекли внимание исследователей пенного пожаротушения от вопросов совершенствования пеногенерирующей аппаратуры и повышения огнетушащей эффективности пены за счет правильной организации процесса пеногенерирования.  Упомянутая здесь технология импульсной подачи наиболее полно для практиков пожаротушения описана в отмененном и забытом на сегодняшний день документе "Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Рекомендации". -- М.: ВНИИПО -- ГИПН МВД РСФСР, 1991. А процессы пеногенерирования, методики расчета параметров пеногенераторов, в первую очередь эжекционного типа, характеристики распылителей раствора в пеногенераторах и многие другие вопросы, основы которых прекрасно изложены классиками (М.В. Казаковым, И.И. Петровым и В.Ч. Реуттом) -- остались без должного развития, точнее разработка и постановка на производство генераторов пены средней кратности стали осуществляться без проверки огнетушащей эффективности получаемой из генератора пены. Точнее говоря, знание зависимости огнетушащей эффективности от кратности и размера пузырька  заставляло бы разработчиков-производителей генераторов контролировать не только расход раствора пенообразователя при определенном давлении на распылителе, не только однородность (качество) и дальность пенной струи, но и кратность получаемой пены, а главное (важно!) ее огнетушащую эффективность. Если с контролем кратности все обстояло довольно просто -- испытания не требовали существенных затрат -- то огнетушащая эффективность, зависящая от размера пузырька, проверялась обычно в ходе полигонных огневых испытаний. Такие испытания сводились к проверке потушит тот или иной пеногенератор модельный очаг горения ГЖ (ЛВЖ) или нет. Опытные специалисты, глядя на внешний вид получаемой пены, могли сразу сказать потушит или нет. Однородные мелкие пузырьки означали, что пена стойкая и будет плохо разрушаться в условиях пожара. Пена с крупными пузырями скорее всего быстро разрушится и не сможет накопиться на поверхности горючего. Конечно, можно было просто задаться дополнительным условием -- максимально возможным значением пузырька в пене. Но до 90-х годов прошлого века нам проще было сжечь тонны углеводородов, нежели разработать даже примитивную, но не огневую методику контроля качества. Да и чиновник от пожарной охраны всегда мог спросить: "А проводились ли огневые испытания?" -- другим знаниям у чиновника доверия нет. Позднее огневые испытания стали дорогим удовольствием и их решили просто не проводить. Поэтому за качество пены из современных пеногенераторов вряд ли может поручиться кто-либо из серьезных специалистов.

Итак, развитие пеногенераторной техники фактически остановилось примерно где-то в 1980 году, и никаких новых методик расчета пеногенераторов взамен или в развитие работ классиков не было создано. Одной из причин торможения стало появление на российском рынке импортных пленкообразующих пенообразователей. Для этих пенообразователей не требуется генерирование пены средней кратности, поскольку пленка раствора в сочетании с небольшим объемом пены или пенными поплавками быстро и эффективно покрывает свободную поверхность горючего и осуществляет тушение. Дополнительным существенным преимуществом является возможность "забрасывания" низкократной пены на расстояние более 100 м. По сути у таких пенообразователей лишь один недостаток -- высокая стоимость.

Одновременно была предпринята попытка создания лабораторного пеногенератора для того, чтобы малыми затратами в лабораторных условиях проводить различные, в первую очередь модельные огневые испытания. Поскольку речь шла об огневых испытаниях, например, об определении в лабораторных условиях величины критической интенсивности, то задача многократно усложнилась: надо было установить критерии подобия для слишком большого количества переменных параметров. Прикладной науке это явно было не по силам. В результате то, что было создано, представляло собой набор совпадающих чисел, причем совпадение было достигнуто примитивной подгонкой размеров лабораторных горелок, времени свободного горения и произвольного варьирования режима работы мини-пеногенератора, т.е. без какого-либо минимального контроля параметров режима пенообразования. Все это получило громкое название экспресс-метода определения эффективности пены.

Заманчивость доступных лабораторных испытаний уже в наше время подтолкнула группу специалистов к тиражированию так называемой установки "Пена" основой которой является мини-пеногенератор, разработанный в рамках создания экспресс-метода /Методика определения эффективности пены при тушении пожаров органических жидкостей экспресс-методом (№ 51-78). – М.: ВНИИПО, 1978. – 21 с./ и его модификаций.

Как это зачастую бывает, не разобравшись в обоснованности разработки или доверившись своим предшественникам, все забыли, что необходимым условием физического моделирования является равенство в объекте и его модели так называемых критериев подобия, представляющих собой определенные безразмерные комбинации различных физических величин, оказывающих влияние на параметры объекта и модели. При создании экспресс-метода и, впоследствии, установки "Пена" никакие критерии подобия не рассматривались и не использовались, что свидетельствует об отсутствии у разработчиков даже минимальных навыков проведения НИР. Именно по этой причине, говоря научным языком, модель, т.е. мини-генератор, проявляет собственные свойства вследствие несоответствия критериев подобия объекта (генератор ГПС) и модели. Создание просто уменьшенной копии пеногенератора не является моделированием в научно-техническом смысле. Это хорошо известно даже студентам. Из-за полного отсутствия надежных критериев достоверности масштабного перехода не возможна достоверная экстраполяция получаемых на модели результатов на другие масштабы, т.е. на реальные генераторы пены серии ГПС. Лабораторные установки несомненно нужны, но разработаны они должны быть грамотными специалистами-исследователями с соблюдением хотя бы элементарных законов моделирования.

Здесь уместно обратиться к принципу работы пеногенератора эжекционного типа. Принципиальная схема работы такого генератора представлена на рис.7.

Пена              Сетки                            Корпус пеногенератора                                 Эжектируемый воздух

▼                  ▼                                              ▼                                                                             ▼

Рис. 7. Принципиальная схема работы эжекционного пеногенератора. Лучи вдоль горизонтальной оси рисунка -- потоки распыленных капель раствора пенообразователя, эжектирующие воздух.

Перечислим основные параметры, определяющие качество и характеристики получаемой пены:

- параметры распылителя раствора пенообразователя, т.е. связь рабочего давления, расхода, карты орошения сетки (пакета сеток), размер и скорости капель распыла их способность эжектировать воздух из внешнего пространства;

- геометрические размеры корпуса пеногенератора, они должны оптимально соответствовать параметрам струи распылителя и обеспечивать подсос необходимого количества воздуха для наполнения пузырьков пены;

- геометрические размеры ячеек и форма сетки или пакета сеток -- должны соответствовать оптимальным образом набегающему капельно-воздушному потоку. В идеале весь раствор пенообразователя должен после сеток существовать только в виде пленок, а весь эжектированный воздух должен находиться внутри пузырьков пены.

Перечисленные выше условия практически соответствуют методикам расчета пеногенераторов, разработанным отечественными классиками. Но, как все эмпирические методики расчета, эти методы дают весьма приблизительные значения параметров, которые нуждаются в дальнейшем экспериментальном уточнении. Ситуация усложняется тем, что использование некоего нового пенообразователя может потребовать для качественного генерирования как минимум изменения режима работы пеногенератора (распылителя), а в некоторых случаях и изменения геометрических размеров элементов конструкции. По этой причине заманчивым кажется условие использования не отдельного пеногенератора, а тандема "генератор + пенообразователь".

Для пояснения взаимосвязи многих параметров и размеров пеногенератора проведем мысленный эксперимент, результаты которого станут сразу все очевидны. Выбираем генератор с фиксированными геометрическими размерами и известными оптимизированными (номинальными) параметрами работы, подаем на распылитель сначала маленькое давление раствора гораздо меньше номинального: распыл получается "слабый", капли раствора имеют маленькие скорости, едва долетают до пакета сеток, почти не эжектируют воздух -- результат: маленький расход раствора, низкая кратность пены, даже при небольшом размере пузырьков пена будет мало эффективна.

Поднимаем давление на распылителе ближе до номинального (для данного пенообразователя): скорость капель увеличивается, воздуха эжектируется больше, кратность приближается к норме, размер пузырьков не очень большой -- результат: хороший расход и однородная структура пены с мелкими для данных условий пузырьками, нормальная средняя кратность, т.е. получаем стойкую качественную пену, которая будет эффективно тушить.

Поднимаем давление на распылителе выше номинального: расход по раствору возрастает, существенно выше скорость капель раствора, из-за высокой скорости часть капель дробится на сетке или пролетает насквозь, не успевая превратиться в пленку и захватить эжектированный воздух, скорость потока воздуха тоже возрастает, но не может удержаться в пленках пузырьков -- результат: срыв пенообразования. Несмотря на возросший расход раствора кратность пены резко падает, пузырьки в пене увеличенного размера, т.е. для тушения пена будет не эффективна.

Аналогично изложенному примеру мы можем "испортить" наш пеногенератор изменив по своему усмотрению режим работы или геометрические размеры без корреляции остальных параметров. В некоторых случаях достаточно даже просто заменить марку используемого пенообразователя или рабочую концентрацию в растворе.

Не надо думать, что рассмотренными здесь исследованиями озабочены были только отечественные специалисты. Анализ отрасли говорит, с одной стороны об актуальности поднимаемых вопросов, с другой -- об имеющихся у наших специалистов широких экспериментально-теоретических знаниях и богатом практическом опыте.

Почему же тогда современные специалисты уже не проводят столь детальных экспериментальных и теоретических исследований? Это можно понять и даже объяснить, например, экономическими соображениями. Но почему оказались забыты и не используются сегодня добытые ранее уникальные по своей сути знания -- одна из загадок современного общества. И забыто это даже теми людьми, которые принимали непосредственное участие в представленных исследованиях, защищали по результатам работ диссертации, получали ученые звания, продвигались по службе…

Так почему же не тушит пена, если у вас качественный углеводородный пенообразователь? Ответ на этот вопрос может иметь несколько вариантов, а именно:

- скорее всего у вас "неправильный" пеногенератор или не правильно выбран режим работы генератора, т.е. пена слишком низкой кратности по сравнению с требуемой, например, в среднем не более 30 и (или) размер пузырьков в пене слишком крупный и она быстро разрушается -- потушить можно увеличив интенсивность (расход) минимум в три раза, но, естественно, не простым увеличением рабочего давления;

- если по предыдущему варианту все нормально, значит вы не учли тепловой режим в зоне пожара: слишком большое время свободного горения или высокая температура горючего еще до пожара, например, по условиям технологического процесса -- необходимо увеличить интенсивность;

- если и этот вариант не проходит – значит, вас просто дезинформировали и горит не тот продукт, о котором Вам сообщили. Остается пожелать удачи!