Результаты экспериментальных исследований в области раннего и сверхраннего обнаружения пожара в судовых помещениях

С.В. Ковальчук1, М.В. Марковский2, А.А. Райков1, С.В. Шедько1

1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

2 Военно-морской политехнический институт ВУНЦ ВМФ «ВМА», Санкт-Петербург

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РАННЕГО И СВЕРХРАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА В СУДОВЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Объект и цель научной работы. Рассматриваются перспективные системы пожарной сигнализации. Цель научного исследования - определение эффективных способов выявления пожарной и предпожарной ситуации на основе новых физических принципов.

Материалы и методы. Исследования проводились на модельных очагах пожара с использованием горючей нагрузки, характерной для судовых помещений. В дополнение к традиционным датчикам пожарной сигнализации, основанным на фиксации температуры, дыма и пламени, исследовались также химический, электроиндукционный и оптико-электронный каналы обнаружения пожарной ситуации, а также фоновые значения аэрозольных и тепловых полей в корабельных помещениях.

Основные результаты. Выявлены конструкционные недостатки типовых аэрозольных датчиков представленных отечественной промышленностью, а также сформулирован проект технических требований Военно-Морского Флота к предприятиям-изготовителям аэрозольных датчиков.

Заключение. Данные, полученные при проведении исследований, могут быть использованы при проектировании перспективных систем пожарной сигнализации с возможностью сверхраннего обнаружения пожара.

Ключевые слова: пожар, пожарная безопасность, пожарные испытания, датчики пожарной сигнализации, модельные очаги пожара, исследование пожара.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Ковальчук С.В., Марковский М.В., Райков А.А., Шедько С.В. Результаты экспериментальных исследований в области раннего и сверхраннего обнаружения пожара в судовых помещениях. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 3(381): 68-74.

УДК 614.841.48:529.5 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-68-74

S.V. Kovalchuk1, M.V. Markovsky2, A.A. Raykov1, S.V. Shedko1

1 Krylov State Research Centre, Moskovskoe shosse 44, St. Petersburg, Russia

2 Naval Polytechnical Institute of the Naval Academy, Ushakovskaya nab. 17/1, St. Petersburg, Russia

EARLY AND VERY EARLY DETECTION OF FIRE

IN SHIP ROOMS: RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES

Object and purpose of research. The paper discusses promising fire alarm systems. The purpose of this study is to identify efficient ways for detecting fires and fire-likely situations based on new physical principles.

Materials and methods. The studies were performed on model seats of fire with the fire load typical for ship spaces. In addition to conventional fire detectors monitoring temperature, smoke and flames, the study also covered chemical, electric induction-based and optoelectronic detection channels for fire situation, as well as background values of aerosol and heat signatures in full-scale ship spaces.

Main results. The studies have identified the drawbacks in the designs of standard aerosol detectors manufactured in Russia, as well as formulated the draft technical requirements of the Navy to the manufacturers of aerosol detectors.

Conclusion. The data obtained during the studies can be used in design of advanced fire alarm systems with the capability of very early fire detection.

Keywords: fire, fire safety, fire tests, fire detectors, model fire seats, fire study. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Kovalchuk S.V., Markovsky M.V., Raykov A.A., Shedko S.V. Early and very early detection of fire in ship rooms: results of experimental studies. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 3(381): 68-74 (in Russian).

УДК 614.841.48:529.5 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-68-74

В настоящее время используется три основных инструментальных способа обнаружения пожара: с помощью температурных датчиков, дымовых датчиков и датчиков пламени, а также датчиков комбинированного типа. Температурные и дымовые датчики обеспечивают обнаружение пожара либо при сильном повышении температуры, либо при такой задымленности, при которых вести противопожарные действия без спецодежды и средств защиты органов дыхания практически невозможно. Датчики пламени реагируют на появление открытого огня, когда уже присутствует пламенное горение.

Для достижения как можно более раннего обнаружения поражающих факторов пожара делались попытки повышения чувствительности датчиков, но при этом увеличивалось число ложных срабатываний.

Указанные обстоятельства привели к развертыванию работ по созданию новых типов датчиков, таких как оптико-электронный, аэрозольный, химический.

Результаты исследования новых типов датчиков

Investigation results for the new types of detectors

Исследования новых типов датчиков проводились на экспериментальном огневом стенде ФГУП «Крылов-ский государственный научный центр» с привлечением организаций-разработчиков новых типов датчиков. Целью исследований являлось выявление наиболее эффективных способов обнаружения пред-пожарной ситуации. Здесь и далее под предпожар-ной ситуацией понимается нештатная ситуация, которая ведет к повышению температуры горючего материала до момента его самовоспламенения.

Исследования проводились в помещении объемом 43,75 м3 (5,0x3,5x2,5 м), имитирующем судовое служебное помещение.

В качестве горючих материалов были выбраны:

древесина (сосновые бруски) размером 50x50x150 мм;

резина размером 150x150x50 мм;

комплект постельных принадлежностей 1 (хлопчатобумажная ткань 5 слоев, сшитая) размером 150x150 мм;

комплект постельных принадлежностей 2 (простыня, одеяло, матрас, подушка) размером 150x150 мм;

ветошь (промасленная хлопчатобумажная ткань) размером 150x150 мм, 5 слоев;

кабель судовой с изоляцией ПХВ марки КМПЭВЭ;

кабель судовой негорючий с резиновой изоляцией КНРГ;

кабель судовой с резиновой изоляцией марки КНР;

масло подсолнечное рафинированное, поддон площадью 0,025 м2.

В качестве модельных очагов использовались:

для всех материалов - нагревательная панель с регулируемой мощностью тепловыделения (модельный очаг «Плитка», рис. 1, см. вклейку);

дополнительно для постельных принадлежностей - «электронная сигарета» с температурой нагревательной нити 600 °С (рис. 2, см. вклейку);

дополнительно для кабелей - два модельных очага, которые имитируют короткое замыкание и перегрузку (рис. 3-4, см. вклейку).

Для моделирования короткого замыкания разработан модельный очаг, который позволяет нагревать образец электрического кабеля до заданной температуры, после чего инициировать у его поверхности электрическую дугу, имитирующую короткое замыкание (рис. 3).

Для моделирования потери сопротивления изоляции из-за перегрузки использовался модельный очаг (рис. 4), позволяющий пропускать через испытуемый кабель ток перегрузки (60-100 А). С помощью автотрансформатора регулировался подаваемый ток. Таким образом, можно было регулировать мощность, а следовательно, и нагрев кабеля. Исследования проводились в два этапа. На первом этапе эксперименты проходили со всеми вышеперечисленными горючими материалами (кроме масла и комплекта постельных принадлежностей 2) на модельном очаге «Плитка». Затеснен-ность помещения не моделировалась.

На втором использовались очаги «Плитка», «Короткое замыкание», «Электронная сигарета» и «Перегрузка». При этом для каждого типа очага обустраивалось помещение, характерное для появления в нем соответствующего очага. Очаг «Перегрузка» испытывался в пустом помещении (без затеснения), для очага «Короткое замыкание »было сымитировано помещение главного распределительного щита, для эксперимента с постельными принадлежностями на модельном очаге «Электронная сигарета» - каюта с имитацией кроватей.

В процессе проведения экспериментов фиксировалось время достижения порогового уровня срабатывания датчиков по каждому из контролируе-

мых параметров. Список регистрируемых каналов В процессе проведения экспериментов модель-

представлен в табл. 1 и табл. 2. ный очаг перемещался с целью выявления наихуд-

Схемы размещения датчиков и модельных оча- шей точки, при которой определение предпожарной

гов представлены на рис. 5-6. ситуации происходило позже. Было установлено, что

Таблица 1. Состав регистрирующих каналов на первом этапе Table 1. Components of the recording channels at the first stage

Регистрирующий канал Диапазон измерения Пороговый уровень срабатывания Разработчик датчиков

Температурный 20-100 °С 70 °С

Оптической плотности среды 0-50 %* 7 %*

Концентрации оксида углерода (СО) 20-100 ррт 60 ppm НПФ «Меридиан»

Концентрации диоксида углерода (СО2) 0-2500 ррт 1300 ppm

Концентрации метана (СН4) 0-5 % 2 %

Оптико-электронный канал Тепловизор: 650-1000°С Дым: изменения в видимом диапазоне 700 °C Алгоритм визуального определения задымления СКБ «Энергия»

Концентрации аэрозольных частиц (ЭИДА) 0-2,5 мг/м3 0,1 мг/м3 НПО «Прибор»

* ослабления светового потока на измерительной базе 1 метр.

Таблица 2. Состав регистрирующих каналов на втором этапе Table 2. Components of the recording channels at the second stage

Регистрирующий канал Диапазон измерения Пороговый уровень срабатывания Разработчик

Дымовой 0-50 %* 25-40 %*

Тепловой 20-100 °С 60 °С

Пламени - Горение площадью 0,1 м2 на расстоянии 10 м НПФ «Меридиан»

Комбинированный Тепловой + дымовой 60 °С 25-40 %*

Концентрация аэрозольных частиц (ИП-213) 0,01-2 мг/м3 Адаптивный «Радар ММС»

Барк-Эксперт T 0-120 0С Дым: 0-10 %* CO: 0-100 ppm Пламени Мультикритериальный алгоритм срабатывания НПО «Пожарная Автоматика Сервис»

Барк-Термометр Т: 0-120 °С Дым: 0-10 %* Мультикритериальный алгоритм срабатывания НПО «Пожарная Автоматика Сервис»

Армада Т: 0-120 °С Дым: 0-10 %* CO: 0-100 ppm Мультикритериальный алгоритм срабатывания НПО «Пожарная Автоматика Сервис»

ослабления светового потока на измерительной базе 1 метр. 70 Труды Крыловского государственного научного центра, 3(381)/2017

точка установки модельного очага должна находится вне зоны видимости оптико-электронного канала (на рис. 5 обозначены как «видеокамеры»), иначе при первых же признаках дыма канал срабатывал. Оптимальной точкой была выбрана точка под датчиком С02.

На рис. 7-8 (см. вклейку) представлены сводные результаты проведенных экспериментов. По оси абсцисс на этих рисунках отмечены порядковые номера опытов, по оси ординат - относительное время обнаружения контролируемого параметра к общей продолжительности опыта до момента воспламенения испытуемого образца (%).

На первом этапе проведения экспериментов наименьшее время срабатывания продемонстрировал аэрозольный датчик. Он же оказался наиболее результативным - реагирование на модельный очаг отмечено в 96 % опытов.

Во втором этапе наименьшее время срабатывания у датчика СО. Аэрозольный датчик показал второй результат. Но датчик СО «обнаружил» модельный очаг за регистрируемый интервал времени только в 50 % опытов, в то время как аэрозольный датчик дал результат 94 %.

Дымовые датчики надежно срабатывали в большинстве экспериментов, уступая во времени обнаружения аэрозольным и газовым датчикам.

Ввиду малых размеров модельных очагов, датчики пламени обнаруживали очаг только в 33 % опытов.

Видеокамеры Q

О ° ОО

Аэрозоли СО

О о

Т

о О О

оСОг Д СН4

О - точки расположения модельного очага

Рис. 5. Схема размещение датчиков и модельного очага на первом этапе экспериментов

Fig. 5. Layout of detectors and model fire seat at the first stage of experiments

Оптико-электронный канал реагировал на открытое пламя и нагретые поверхности с температурой выше 650 °С безошибочно. Восходящие потоки дыма и общее задымление помещения фиксировались только при включенном равномерном освещении помещения. В случае, когда источник дыма находится в зоне видимости камеры, она реагировала практически одновременно с датчиком аэрозолей. Когда источник дыма находится вне зоны ви-

а)

) Барк-Эксперт Барк-термометр Армада

Барк-Эксперт Барк-Эксперт О

Армада 2 Барк-Эксперт Барк-термометр

Дымовой ') Пламени

Тепловой

О

Комбинированный

Комбинированный Пламени

О

Тепловой

о ©0

О Аэрозольный Дымовой

О

О - точки расположения модельных очагов Рис. 6. Схемы размещения датчиков в огневом стенде:

а) размещение датчиков НПО «Пожарная Автоматика Сервис»; б) размещение датчиков НПФ «Меридиан» и НПП «Радар ММС»; 1 - «Короткое замыкание» с имитацией главного распределительного щита; 2 - «Электронная сигарета» с имитацией кроватей; 3 - «Перегрузка» и «Плитка»

Fig. 6. Layouts of the detectors in the fire test rig:

a) locations of the detectors manufactured by NPO Pozharnaya Avtomatika Servis;

b) locations of the detectors manufactured by JSC Meridian Research & Production Firm and by JSC Radar-MMS

димости камеры, она фиксировала задымленность позже датчика аэрозолей, но раньше дымового.

Температурный датчик ожидаемо не реагировал на малые очаги (только одно срабатывание во второй серии опытов).

Исследование фоновых значений концентраций аэрозолей и тепловых полей работающего оборудования в корабельных помещениях

Investigation of background concentrations for aerosols and heat signatures of operating equipment in ship spaces

Эффективность системы пожарной сигнализации в значительной степени зависит от фоновой обстановки на объекте, где эта система устанавливается. Применительно к объектам морской техники системные исследования по данному вопросу отсутствуют. В связи с этим в августе-сентябре 2015 года были выполнены исследования по определению концентрации аэрозоля в различных отсеках корабля при различных режимах работы механизмов, систем, электрооборудования, а также других источников аэрозоля. Целью проводимых исследований являлась проверка целесообразности установки аэрозольных извещателей (АИ) в корабельных условиях.

Результаты исследований наглядно продемонстрировали, что аэродисперсная картина в отсеках неустойчива, в ней постоянно протекают процессы переноса воздушных масс, дисперсионные и конденсационные процессы, возникают вихревые потоки ввиду сложной и разветвленной системы вентиляции.

Замеры средней фоновой концентрации аэрозолей проводились как во время стоянки у пирса, так и во время выхода в море. На рис. 9

представлены данные (в условных единицах) по распределению концентраций аэрозолей по корабельным помещениям.

Уровень концентрации аэрозолей колебался от 5 до 200 условных единиц. В ходе проведения испытаний были выявлены факторы, не имеющие отношения ни к работе механизмов и систем, ни к развитию пожара или аварийной ситуации на корабле, но существенно влияющие на процесс формирования аэрозольных полей. К таким факторам относятся аэрозоли, попадающие в помещения корабля через открытые внешние двери и/или систему вентиляции при проведении стрельб и выбросе продуктов горения из дымовых труб. Так, во время проведения стрельб из головной артустановки пороховой дым (рис. 10, см. вклейку), попавший через систему вентиляции, являлся фактором роста концентрации аэрозолей, а также ложного срабатывания установленной на корабле системы пожарной сигнализации «Гамма-01Ф».

На рис. 11 представлена динамика роста концентрации во время стрельб и нормализация фона по окончании. После устранения источника аэрозолей происходит плавное изменение фракционных концентраций и восстановление спектра распределения частиц до исходного состояния. Аэродисперсная система в отсеках стремится к восстановлению своего первоначального состояния. Время восстановления зависит от объема отсека, его геометрических параметров, наличия вентиляции и интенсивности ее работы. В среднем это занимает от 30 минут до 1 часа.

Выявлены факторы, влияющие как на средний концентрационный фон, так и на динамику его изменения:

тип отсека (энергетический, агрегатный, кладовая,

хранилища, жилой, санитарно-гигиенический);

i?3sag и»« июда lin» iï4(» тшоп чг«ен» i?*?ng <ï«oj iïîsco iîso« >?ясю lîïi» 1гям

Рис. 11. Динамика изменения концентрации аэрозолей в каюте Fig. 11. Aerosol concentration inside the cabin: time history

герметичность (да, нет);

связь с открытым воздухом;

тип вентиляции (приточно-вытяжная, приточная, вытяжная, отсутствует);

наличие личного состава (постоянно, только во время вахты, периодически, отсутствует). Проведенные натурные замеры показали, что

концентрация аэрозолей в отсеках корабля позволяет устанавливать в них АИ с соответствующими условиями и ограничениями. Извещатель хорошо фиксирует изменение скорости изменения интенсивности выделения аэрозолей с изменением температуры кабеля, а также режимов работы систем и механизмов, что позволяет оперативно распознавать предпожарные ситуации. В то же время аэрозольный извещатель не способен выделять аэрозоли от различных источников пожара на корабле из общего фона, связанного с факторами жизнедеятельности экипажа и повседневной эксплуатацией технических средств, а также идентифицировать конкретное оборудование по продуктам термодеструкции.

Параллельно с замерами аэрозольного фона проходили замеры тепловых полей работающего оборудования в корабельных помещениях (рис. 1218, см. вклейку).

Проведенные замеры тепловых полей работающего оборудования продемонстрировали следующее:

применение тепловизионных датчиков в энергетических отсеках нецелесообразно ввиду локальных перегревов отдельных элементов оборудования в процессе их работы под нагрузкой;

применение тепловизионных датчиков в корабельных помещениях в качестве стационарных в целом неэффективно ввиду сильной затеснен-ности этих помещений, при котором потенциальный очаг пожара заслоняется от тепловизи-онного датчика другим оборудованием. Вместе с тем переносные (ручные) теплови-

зионные камеры могут быть очень эффективны при поиске и выявлении источников локального перегрева (рис. 15) при срабатывании системы пожарной сигнализации или при обнаружении признаков аварийной/предаварийной ситуации другим способом (запах гари, сбои в работе оборудования).

Они также могут быть эффективны для поиска людей в задымленном помещении (рис. 17), а также при тушении очага горения ручными средствами в условиях ограниченной видимости (рис. 18).

Заключение

Conclusion

Впервые проведенные натурные испытания показали эффективность новых технических средств обнаружения нештатных ситуаций. Вместе с тем были выявлены недостатки и ограничения в использовании.

Использование тепловизионного оборудования эффективно в качестве переносного средства для поиска локальных источников перегрева, а также в процессе борьбы с пожаром аварийными партиями.

Комбинированные пожарные извещатели совместно с многокритериальным алгоритмом определения пожароопасной ситуации имеют преимущество по сравнению с традиционными извещателями.

Специалистами ООО «Пожарная автоматика сервис» предложен один из вариантов многокритериального алгоритма обнаружения пожарной опасности, в котором используется датчик с несколькими разнородными каналами (до 4-х). Повышенная чувствительность каналов и уменьшение порогов срабатывания дает возможность раньше отреагировать на пожарную ситуацию, а срабатывание при достижении «плавающих» порогов как минимум 2-х каналов одного датчика позволяет исключить ложные срабатывания. При достижении порога по одному из каналов система переходит в режим «повышенной готовности», в котором остальные каналы рассматриваются совместно с уже сработавшим по специальной функции.

Специалисты НПФ «Меридиан» предлагают немного другой подход: в качестве устройства, принимающего решение, выступает не датчик, а центральный прибор обработки информации. Датчики при этом располагаются в помещениях в соответствии с правилами их размещения.

Химический канал показал средние результаты, однако это обусловлено скудным набором датчиков (CH4, CO, CO2). Данный способ обнаружения пред-пожарной ситуации требует дальнейшего изучения.

Наиболее эффективным средством обнаружения нештатной ситуации показал себя электроиндукционный датчик аэрозолей. Вместе с тем высокая чувствительность датчика не позволяет использовать его во всех корабельных помещениях. Также аэрозольный датчик требует регулярного обслуживания (промывки индукционной камеры и замены фильтров).

Результаты проведенных испытаний позволили выявить конструкционные недостатки типовых аэрозольных датчиков, представленных оте-

чественной промышленностью, а также сформулировать проект технических требований Военно-Морского Флота к предприятиям-изготовителям аэрозольных датчиков. Данные, полученные при проведении исследований, могут быть использованы при проектировании перспективных систем пожарной сигнализации с возможностью сверхраннего обнаружения пожара.

Сведения об авторах

Ковальчук Сергей Викторович, начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 386-69-64. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. Марковский Михаил Владимирович, капитан-лейтенант, доцент Военно-морского политехнического института ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Адрес: 197045, Санкт-Петербург, Ушаковская набережная, д. 17/1. Телефон: 8 (812) 465-27-00. E-mail: vunc-vmf.mil.ru. Райков Антон Александрович, инженер ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-48-93. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Шедько Сергей Владимирович, начальник отдела ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-49-27. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

About the authors

Kovalchuk, Sergey V., Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 386-69-64. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Markovsky, Mikhail V., Captain Lieutenant, Associate Professor, Naval Polytechnical Institute of the Naval Academy. Address 17/1, Ushakovskaya nab., St. Petersburg, Russia, post code 197045. Tel.: 8 (812) 465-27-00. E-mail: vunc-vmf.mil.ru.

Raykov, Anton A., Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-48-93. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Shedko, Sergey V., Head of Department, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-49-27. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Поступила / Received: 12.04.17 Принята в печать / Accepted: 28.04.17 © Коллектив авторов, 2017