О возможности использования пластиковых труб в спринклерных установках автоматического пожаротушения

Л. М. МЕШМАН, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России

А. Ю. СНЕГИРЕВ, д-р техн. наук, доцент, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Л. Т. ТАНКЛЕВСКИЙ, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой пожарной безопасности Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

А. А. ТАРАНЦЕВ, д-р техн. наук, профессор, профессор Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России

УДК 614.8

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛАСТИКОВЫХ ТРУБ В СПРИНКЛЕРНЫХ УСТАНОВКАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ

Ввиду широкого применения пластиковых труб, имеющих ряд эксплуатационных преимуществ, рассмотрена возможность их использования в автоматических установках водяного или пенного пожаротушения. Учитывая, что пластиковые трубы в отличие от металлических более чувствительны к повышенной температуре при пожаре, предложена модель теплового режима в местах расположения таких труб. Модель учитывает критический случай, когда отказывает спринклерный ороситель, ближайший к очагу пожара, а срабатывают один или несколько соседних оросителей. Выведены условия применимости пластиковых труб, учитывающие высоту защищаемого помещения, свойства пожарной нагрузки и допустимую температуру для пластиковой трубы. Приведены алгоритм оценки применимости пластиковых труб для защиты конкретного помещения спринклерной автоматической установкой водяного пожаротушения и пример расчета.

Ключевые слова: пластиковая труба; спринклерная автоматическая установка пожаротушения; ороситель; тепловая мощность пожара; горизонтальная скорость распространения пламени; номинальная температура и время срабатывания спринклерного оросителя; допустимая температура пластиковой трубы; коэффициент тепловой инерционности оросителя.

Введение

Автоматические установки пожаротушения (АУП), в том числе спринклерные, представляют собой действенное средство борьбы с пожарами класса А на ранней стадии их развития [1]. Одной из современных тенденций является широкое применение пластиковых труб* в подводящих, питающих и распределительных трубопроводах спринклерных АУП, что способствует повышению технологичности монтажа и снижению стоимости последних. Однако до настоящего времени отсутствуют инженерные расчетные методы оценки возможности применения пластиковых труб в АУП, вследствие чего прихо-

* См., например: http://www.polymery.ru; http://www.polibrass.ru; http://www.bona-plast.ru.

дится использовать достаточно сложные и весьма затратные экспериментальные методы.

Суть проблемы

Несмотря на широкое внедрение пластиковых труб и их очевидные достоинства, они в отличие от традиционных, металлических, имеют существенный недостаток—относительно невысокую допустимую температуру Гд, которую они способны выдерживать без потери эксплуатационных качеств. Для спринклерных АУП это критично в ситуации, когда происходит отказ спринклерного оросителя над очагом пожара, а соседний спринклерный ороситель не срабатывает до тех пор, пока температура его термочувствительной колбы не достигнет номинального значения Тн. В течение этого времени пластиковая труба над очагом пожара бесконтроль-

© Мешман Л. М., Снегирев А. Ю., Танклевский Л. Т., Таранцев А. А., 2014

но нагревается. Если при этом температура ее наиболее нагретого участка достигнет значения Тд, то прочностные характеристики могут ухудшиться настолько, что может произойти разрушение пластиковой трубы под действием избыточного давления находящегося в ней огнетушащего вещества, а это чревато отказом АУП в целом.

Исходя из возможности возникновения такой ситуации, необходимо определить такие условия, при которых в защищаемом помещении возможна установка спринклерной АУП с пластиковыми трубами без риска их разрушения высокотемпературными продуктами горения до срабатывания АУП.

Принцип оценки возможности использования пластиковых труб в спринклерных АУП с тепловой активацией

Для оценки возможности применения пластиковых труб в спринклерных АУП с тепловой активацией принимается условие, что до момента срабатывания АУП

Тд > Тг,

где Тг—температура продуктов горения над очагом пожара в месте расположения пластиковой трубы. Предполагается наихудший случай, когда по какой-либо причине не срабатывает (отказывает) спринклерный ороситель, под которым начался пожар, а смежный спринклерный ороситель, находящийся от него на расстоянии Ь (рис. 1), не активируется, пока температура его термочувствительной колбы не достигнет номинального значения Тн. Тогда наряду с условием (1) могут использоваться аналогичные условия:

^д — ta;

т > т

Тд > т н,

где tд — допустимое время воздействия на пластиковую трубу высокотемпературных продуктов горения;

ta

время активации соседнего оросителя.

Проверка выполнения условий (1) и (1а) проводится при следующих допущениях:

а) высота защищаемого помещения Н; спринк-лерные оросители установлены непосредственно под перекрытием; перекрытие защищаемого помещения горизонтальное;

б) пожарная нагрузка размещена в помещении равномерно; при возгорании с единицы площади пожара выделяется тепловой поток мощностью д; пламя распространяется по ее горизонтальной поверхности со скоростью V(значения д и Vмогут быть приняты по справочной литературе [2-4]); до активации оросителя не происходит полного выгорания пожарной нагрузки на какой-либо части площади тушения 5т;

К ; ! 4 / \ \

^"г......................\ 1 5 7

1 i ! н

•4 S

Рис. 1. Расчетная схема оценки возможности использования пластиковых труб: 1 — пожарная нагрузка; 2 — пламя; 3 — продукты горения; 4 — отказавший ороситель; 5 — активирующийся ороситель; 6 — перекрытие; 7 — пластиковый трубопровод

в) площадь пожара Sп на начальной его стадии имеет круговую форму и оценивается по выражению

= л

где t — время, отсчитываемое с момента начала пожара;

г) высота пламени h меньше высоты размещения пластиковых трубопроводов Í (в рамках принимаемых допущений высота размещения пластиковых трубопроводов практически совпадает с высотой Н):

h < H;

д) высота пламени h может оцениваться по эмпирическому выражению [5]:

h * 0,235Q0,4 - 2,04 S/л)0,5,

где Q — тепловая мощность очага пожара; Q = qSп;

е) продукты горения распространяются под перекрытием свободно и концентрически в горизонтальных направлениях и не накапливаются в при-потолочном слое; влияние бокового воздушного потока на конвективную колонку незначительно;

ж) температура продуктов горения Тг и скорость их распространения иг в припотолочном слое (см. рис. 1) определяются эмпирическими соотношениями Альперта [6]:

Тг= Т> + 16,9Q2/3H~5/3min

где r — расстояние от оси конвективной колонки до

оросителя;

Т0 — температура в защищаемом помещении до

пожара;

з) активация спринклерного оросителя происходит в момент времени tü, когда температура его термочувствительной колбы Тк достигает максимального значения номинальной температуры срабатывания Тн [7];

и) температура колбы Тк незначительно отличается от температуры корпуса оросителя и может быть найдена из уравнения теплового баланса [8,9]:

ёТк = и0,5(тг -тк); ¿1 К '

Тк(1 = 0) = Т0,

где К — коэффициент тепловой инерционности оросителя, (м-с)0'5 [7, 9, 10];

к) тепловой инерционностью стенки трубы пренебрегаем (тепловая инерционность стенки трубы идет в запас по времени разрушения трубы, так как без учета инерционности время разрушения трубы наступает несколько раньше).

Проверка выполнения условий (1) и (3) осуществляется в следующем порядке.

1. Полагая Тд = Тг и учитывая, что Q = д5п = = дя V)2 и г = 0, с использованием выражения (5) получаем формулу для определения времени ?д:

гя = 0,0677

2. Проводим проверку выполнения условия (1), для чего с учетом выражений (5) и (6) находим аналитическое решение [11] обыкновенного дифференциального уравнения 1-го порядка (7), из которого при г = Ь определяем динамику температуры колбы оросителя:

Тк = Т0 + кт [Х + ехр

где Х = 0,75kft4/3;

0,534 (qV2)1/6 ЯКЬ512)-1 при Н < 6,775Ь; Д186(^2/Я)V6К-1 при Н > 6,775Ь;

к; =

кТ =

28,76К(д)5/6 (Я1,25Ь0,25 )-1 при Н < 5,577Ь;

90,42К (д 0,5V )5/6 Я-2^12 Ь512

при 5,577Ь < Н < 6,775Ь;

40,76К (д )5/6 Я-1,5

при Н > 6,775Ь.

Полагая Тк = Тн и учитывая выражение (9), находим время активации оросителя ?а по уравнению

^а =

Для этого либо численными методами, либо по графику, приведенному на рис. 2, находим параметр Х. При (Тн - Т0)/кТ > 4 можно использовать упрощенное выражение для определения Х:

Х * 1+(Тн- Т0)/кт.

Если условие (1а) не выполняется, то не выполняется и условие (1). Это означает, что пластиковые трубы в такой АУП использовать нельзя: смежный спринклерный ороситель не успеет вскрыться до момента tд, когда температура продуктов горения в месте расположения пластиковой трубы достигнет опасного для нее значения Тд.

(Тв-Т0)/кт

Рис. 2. График для интерполяционного определения времени активации спринклерного оросителя ^ при термическом разрушении колбы: 1 — по выражению

Если же выполняется условие (1а), то условие (1) также выполняется: смежный спринклерный ороситель успеет вскрыться до момента tд, т. е. прежде чем температура продуктов горения в месте расположения пластиковой трубы достигнет опасного для нее значения Тд. После этого можно перейти к проверке выполнения условия (3).

3. Для проверки выполнения условия (3) находим высоту пламени к в месте нахождения пластиковой трубы на момент tа, используя выражения (2) и (4):

к * 0'371gо,4(Vtа)о,8-2'04Vt¡1

Если неравенство (3) имеет место, то пластиковые трубы можно использовать в спринклерной АУП, защищающей помещение высотой Н, в котором размещена пожарная нагрузка с параметрами д и V.

Пример расчета

Постановка задачи. Помещение, защищаемое спринклерной АУП с тепловой активацией оросителей, — выставочный зал (группа помещений 1 по СП 5.13130.2009 [12]), тепловая мощность пожара д= 213 кВт/м2, скорость распространения пламени по горизонтальной поверхности V = 0,008 м/с, расстояние между оросителями Ь = 4 м. Температура в помещении до пожара Т0 = 20 °С.

Для различных высот Н выставочного зала требуется оценить возможность применения пластиковых труб, выдерживающих Тд = 95 °С, если в АУП используются спринклерные оросители с параметрами: максимальное значение номинальной температуры срабатывания Тн = 60 °С; коэффициент тепловой инерционности К = 50 (м-с)0,5.

Решение. Для проверки выполнения условий (1) и (1а) с учетом исходных данных из выражения (8) находим:

t д =

0,0677(95 - 20)0,75 Н1,25 2130,5 • 0,008

14,778Н1,25 с.

Затем определяем время активации tа смежного оросителя, для чего подобным образом опреде-

ляем коэффициенты уравнения (9) для условия Н< 5,576-4 « 22,3 м:

кт =28,76 • 50 (213 • 0,64 • 10-4)5/6(Н1,2540,25)-1 « « 118,72 Н_1'25;

кг = 0,534 (213 • 0,64 • 10-4)1/6Н1/4(50 • 45/12)-1 « « 2,932Н0,25

Используя полученные коэффициенты, график на рис. 2 или выражение (11), определяем величину X из трансцендентного уравнения (9):

60 = 20+ 118,72 Н-1'25[Х + ехр (-X)- 1].

Далее по величине Xнаходим искомое время активации смежного оросителя, используя выражение (10). Результаты расчетов для различных значений Н сводим в таблицу.

Проверим выполнение условия (3), для чего по выражению (12) оценим высоту пламени Н на мо-

мент ia:

h « 6,664 • 10-\0,8 - 1,632 • 10-\.

Поскольку условие (3) выполняется во всем диапазоне высот Н, то пластиковые трубы в спринк-лерной АУП для защиты такого выставочного зала применять можно при условии, что его высота Н будет не менее 11м.

Выводы

Представленный алгоритм расчета температуры продуктов горения в месте расположения пласти-

Результаты расчетов для оценки вания пластиковых труб в АУП оросителей в выставочном зале

возможности использо-с тепловой активацией

Н, м 'д,с kf kT X S/ta), м2 h, м Вывод

16 473 5,86 3,71 11,78 372 27,9 1,52 Пластико-

15 436 5,77 4,02 10,94 357 25,6 1,52 вые трубы в АУП использовать

14 400 5,67 4,38 10,13 341 23,4 1,51

13 365 5,57 4,81 9,32 325 21,2 1,51 можно: 'а< 'д

12 330 5,46 5,32 8,53 308 19,1 1,50

11 296 5,34 5,93 7,75 292 17,1 1,49

10 263 5,21 6,68 6,99 275 15,2 1,47 Пластико-

9 230 5,08 7,62 6,25 258 13,4 1,45 вые трубы в АУП использовать

8 199 4,93 8,82 5,53 240 11,6 1,43

7 168 4,77 10,43 4,83 223 10,0 1,40 нельзя: 'а> (д

6 139 4,59 12,64 4,15 205 8,4 1,37

5 110 4,38 15,88 3,49 186 7,0 1,32

4 84 4,15 20,99 2,85 166 5,6 1,27

3 58 3,86 30,07 2,22 146 4,3 1,21

ковой трубы на момент активации спринклерного оросителя позволяет оценить возможность использования пластиковых труб в спринклерных АУП с тепловой активацией оросителей. Данный материал может быть положен в основу справочного приложения к СП 5.13130.2009 [12].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мешман Л. М., Былинкин В. А., Губин Р. Ю., РомановаЕ. Ю. Автоматические водяные и пенные установки пожаротушения. Проектирование : учебно-методическое пособие. — М.: ВНИИПО, 2009. — 572 с.

2. Пособие по определению расчетных величин пожарного риска для производственных объектов.

— М. : ВНИИПО, 2012. — 242 с.

3. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : учебное пособие.

— М. : Академия ГПС МВД России, 2000. — 118 с.

4. ПовзикЯ. С. Справочник РТП. — М. : ЗАО "Спецтехника", 2001. — 361 с.

5. Heskestad G. Fire plumes, flame height, and air entrainment / SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. — 3rd ed. — Quincy MA : NFPA, 2002. — P. 2-1-2-17.

6. AlpertR. L. Ceiling jet flows / SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. — 3rd ed. — Quincy MA : NFPA, 2002.—P. 2-18-2-31.

7. ГОСТ Р 51043-2002. Установки водяного и пенного пожаротушения автоматические. Оросители. Общие технические требования. Методы испытаний : постановление Госстандарта России от 25.07.2002 г. № 287-ст. — Введ. 01.07.2003 г. — М. : ИПК Изд-во стандартов, 2002.

8. Heskestad G., BillR. G., Jr. Quantification of thermal responsiveness of automatic sprinklers including conduction effects // Fire Safety Journal. — 1988. — Vol. 14, No. 1-2. — P. 113-125.

9. Fleming R. P. Automatic sprinkler system calculations / SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. — 3rd ed. — Quincy MA : NFPA, 2002. — P. 4-72-4-87.

10. Мешман Л. М., Цариченко С. Г., Былинкин В. А., Алешин В. В., Губин Р. Ю. Оросители водяных и пенных автоматических установок пожаротушения: учебно-методическое пособие. — М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2002. — 314 с.

11. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. — Изд. 6-е, стер. — СПб. : Изд-во "Лань", 2003. — 576 с.

12. СП 5.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования : приказ МЧС России от 25.03.2009 г. № 175; введ. 01.05.2009 г. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.

Материал поступил в редакцию 2 июня 2014 г.

= English

ON THE POSSIBILITY OF THE USE OF PLASTIC PIPES SPRINKLER AUTOMATIC FIRE EXTINGUISHING INSTALLATIONS

MESHMAN L. M., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher of All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia

SNEGIRYEV A. Yu., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of Saint-Petersburg State Polytechnic University

TANKLEVSKIY L. T., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Fire Safety Department of Saint-Petersburg State Polytechnic University

TARANTSEV A. A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Saint-Petersburg University of State Fire Service of Emercom of Russia

ABSTRACT

In view of the widespread use of plastic pipe with a number of operational advantages, consider the possibility of their use in automated installations of water or foam fire extinguishing. Given that the plastic tubes, unlike metal, are more sensitive to high temperatures in case of fire, the model thermal conditions at the locations of such pipes. The model takes into account the critical case where denies sprinkler closest to the fire, and deploy one or more adjacent sprinklers. We derive the conditions for the applicability of plastic pipes that take into account the height of the space to be protected, the properties of fire load and the permissible temperature for the plastic pipe. Presented an algorithm for estimating the applicability of plastic pipe to protect the particular room sprinkler automatic installation of fire extinguishing and an example.

Keywords: plastic pipe; sprinkler automatic fire-extinguishing systems; sprinkler; fire; thermal power horizontal flame spread rate; nominal temperature and response time of sprinkler water; plastic pipe; temperature coefficient of thermal inertia of the fill.

REFERENCES

1. Meshman L. M., Bylinkin V. A., Gubin R. Yu., Romanova E. Yu. Avtomaticheskiye vodyanyye ipennyye ustanovki pozharotusheniya [Automatic water and foam fire extinguishing. Design. Educational-methodical aid]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection Publ., 2009. 572 р.

2. Manual to determine the current values of fire riskfor production facilities. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection Publ., 2012. 242 p. (in Russian).

3. Koshmarov Yu. A. Prognozirovaniye opasnykh faktorov pozhara v pomechshenii. Uchebnoye poso-biye [Forecasting hazardous factors of fire in the premises. Tutorial]. Moscow, Academy of Russian Ministry of Internal Affairs, 2000. 118 p.

4. Povzik Ya. S. SpravochnikRTP [Directory of RTP]. Moscow, Joint-Stock Company "Special Equipment" Publ., 2001. 361 p.

5. Heskestad G. Fire plumes, flame height, and air entrainment. SFPE Handbook ofFire Protection Engineering. 3rd ed. Quincy MA, NFPA, 2002, pp. 2-1-2-17.

6. Alpert R. L. Ceiling jet flows. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 3rd ed. Quincy MA, NFPA, 2002, pp. 2-18-2-31.

7. State Standard 51043-2002. Water and foam fire extinguishing installation automatic. Sprinklers. General technical requirements. Test methods. Moscow, Izdatelstvo standartov, 2002 (in Russian).

8. Heskestad G., Bill R. G., Jr. Quantification ofthermal responsiveness of automatic sprinklers including conduction effects. Fire Safety Journal, 1988, vol. 14, no. 1-2, pp. 113-125.

9. Fleming R. P. Automatic sprinkler system calculations. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 3rd ed. Quincy MA, NFPA, 2002, pp. 4-72-4-87.

10. MeshmanL. M., Tsarichenko S. G., Bylinkin V. A., Aleshin V. V., GubinR. Yu. Orositeli vodyanykh i pennykh avtomaticheskikh ustanovokpozharotusheniya. Uchebno-metodicheskoyeposobiye [Sprinklers water and foam automatic fire extinguishing. Educational-methodical aid]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection Publ., 2002. 314 p.

11. Kamke E. Spravochnikpo obyknovennym differentsialnym uravneniyam [Handbook of ordinary differential equations. 6th ed.]. Saint Petersburg, Publishing House "Lan", 2003. 576 p.

12. Set of Rules 5.13130.2009. Systems of fire protection. Automatic fire-extinguishing and alarm systems. Designing and regulations rules. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection Publ., 2009 (in Russian).

Издательство «П0ЖНАУКА»

Предлагает вашему вниманию

Л. П. Пилюгин ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ВНУТРЕННИХ АВАРИЙНЫХ ВЗРЫВОВ

Настоящая книга посвящена проблеме прогнозирования последствий внутренних взрывов газо-, паро- и пылевоздушных горючих смесей (ГС), образующихся при аварийных ситуациях на взрывоопасных производствах. В книге материал излагается применительно к дефлаграционным взрывам, которые обычно имеют место при горении ГС на этих производствах.

В качестве основных показателей при прогнозировании последствий аварийных взрывов ГС рассматриваются ожидаемый характер и объем разрушений строительных конструкций в здании (сооружении), в котором происходит аварийный взрыв.

Книга продолжает исследования автора в области проектирования зданий взрывоопасных производств и оценки надежности строительных конструкций (на основе метода преобразования рядов распределения случайных величин).

С использованием методов теории вероятностей разработаны методики: определения характеристик взрывной нагрузки как случайной величины; оценки вероятностей разрушения конструкций, характера и объема разрушений в здании при внутреннем аварийном взрыве. Приведенные методики сопровождаются примерами расчетов для зданий различных объемно-планировочных решений.

тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru