COMBUSTIBILITATEA SI PERICULOZITATEA MATERIALELOR SI SUBSTANTELOR – PARAMETRI FUNDAMENTALI IN EVALUAREA RISCULUI DE INCENDIU

COMBUSTIBILITATEA SI PERICULOZITATEA MATERIALELOR SI SUBSTANTELOR – PARAMETRI FUNDAMENTALI IN EVALUAREA RISCULUI DE INCENDIU

Introducere

Combustibilitatea si periculozitatea materialelor si substantelor constituie proprietatile esentiale si indispensabile producerii incendiilor.

Ca urmare, cunoasterea acestor proprietati, reflectate intr-un set de parametri si factori specifici fiecarei substante sau material, constituie o necesitate in activitatea de identificare si evaluare a riscului de incendiu.

Concepte cheie: capabilitatea de combustie; sarcina si densitatea termica de incendiu; clasele de combustibilitate; clasele de periculozitate; categoriile de pericol.

REZUMAT

1. Capabilitatea de combustie

Capabilitatea de combustie a materialelor si substantelor solide, lichide si gazoase, precum si amestecurilor dintre acestea pentru a genera incendii ori a produce explozii este data de proprietatile fizico-chimice ale acestora necesare initierii si dezvoltarii procesului de oxidarea rapida in prezenta comburantului.

In esenta, capabilitatea de combustie consta in:

Ø      predispozitia sau tendinta de aprinzibilitate;

Ø      disponibilitatea de a elibera cantitatea de energie termica necesara continuarii si dezvoltarii procesului de combustie.

2.Aprinzibilitatea

Predispozitia sau tendinta de aprinzibilitate, caracteristica intrinseca a multor materiale si substante, se manifesta prin procese de aprindere, adica de initiere a arderii.

Principalele procese de aprindere sunt :

Aprinderea - datorita prezentei unei surse de energie termica, externa sau interna si a oxigenului din aer sau din reactie .

Sursa de caldura trebuie sa incalzeasca materialele pana cand acestea ajung la temperatura de aprindere [T apr] specifica fiecarui material.

Exemple de T apr:

- hartie ziar 185°C

- polietlena   341°C

- polistiren spuma 340°C

poliuretan spuma 310°C

- sulf   250°C.

Cu cat un corp are inertia termica (λρc) mai mica cu atat se aprinde si arde mai repede, inclusiv prin ardere mocnita.

Inertia termica este produsul dintre conductivitate termica, densitate si caldura specifica.

Exemple de valori ale inertiei termice λρc :

- aluminiu 500.000

- beton   2.880

- lemn masiv   680

- hartie   150

- bumbac   6

Autoaprinderea - datorita autoincalzirii ca urmare a unei surse de energie termica interna,din masa materialelor sau substantelor.

Aprinderea poate fi de natura:

- chimica, exemple:

- pulberea de aluminiu in prezenta apei sau uleiului;

- azotatul de amoniu in contact cu uleiuri sau cu umezeala

- biologice, exemple :

- trifoi, lucerna, lolium multiflorum si alte furaje stocate in

cantitati mari si cu umezeala (neuscate suficient);

-rumegusul de brad depozitat in cantitati mari si umezit.

Inflamarea - amestecului de vapori-aer de la suprafata lichidelor combustibile in prezenta unei surse de caldura dupa atingerea temperaturii de inflamabilitate [T inf].

Exemple de T inf^o:

- acetatul de etil  2°C

- benzen -11°C

- gazolina -43°C

- oxid de propilena -37°C

- toluen 45°C

- acrilonitril 0°C

Autoinflamarea – amestecului de vapori-aer de la suprafata lichidelor combustibile, in lipsa unei surse de aprindere, exterioare dupa atingerea temperaturii de autoinflamare [Tainf] ;

Exemple de Tainf :

- acetona 538°C

- acrilonitril 370°C

- benzen 534°C

- benzina 220-300°C

- clorura de sulf 230°C

- etilen glicol 413°C

Expozia - amestecurilor explozive in prezenta unei surse de aprindere sau datorita unor reactii puternic exoterme. Procese particulare : deflagratia , detonatia si rabufnirea.

Amestecurile vapori-aer sau gaz-aer trebuie sa se afle in intervalul de explozie, adica intre limita inferioara de explozie si limita superioara de explozie .

Exemple de intervale de explozie:

- benzina: 1,10 - 8,00% ; 44-317g/mc

- gazolina:   1,40 – 7,60% ;

- metan:   5,00-16% ; 33-100g/mc

Exemple:

aluminiul praf cu oxigen sau aer;

azotat de amoniu cu acizi, pulberi metalice, lichide combustibile, clorati, azotati, sulfuri, produse combustibile organice in stare de pulbere;

clorura de calciu cu apa;

3. Energia minima de aprindere

Energia minima de aprindere se masoara in [mJ] .

Exemple pentru gaze si vapori de lichide combustibile :

acetilena   0,011

alcool etilic si metilic 0,14

Exemple pentru pulberi combustibile explozive:

- aluminiu   50

- carbune   40

- faina de lemn   20

- polietlena   80

- polistiren 40

- rasini poliesterice 120

- zirconiu   15

4. Viteza de ardere

Viteza de ardere a materialelor combustibile poate fi liniara, in raport cu masa sau volumul si cu starea acestora:

• pentru lichide    : Vl = h / t ard [mm/min], in care:

Vl – viteza liniara de ardere [mm/min]

h – grosimea stratului de lichid care arde [mm]

t ard – timpul de ardere [min]

Exemple :

- benzina Vl = 3,8 – 4,5

- pacura Vl = 2,2

- alcool etilic Vl =2,00 – 2,50

Se mai utilizeaza si viteza de ardere a lichidului pe suprafata libera a acestuia,

masurata in [kg/m² min].

Exemple:

- benzina 2,7 – 3,2

- pacura 2.1

- alcool etilic 1,6 – 2,0

Viteza de ardere a lichidelor este influentata de viteza de evaporare V_ev care depinde de presiunea de vapori, de curentii de aer si de caldura primita de la flacari.

V_ev = Ae ^{-0,051 Tinf} in care A este un coeficient experimental, iar V_ev se masoara in unitati arbitrare ;

Exemple :

- eter etilic 1000

- sulfura de carbon 555

- acetona 476

- benzen 333

- alcool etilic 120

• pentru materialele solide : V_vol = , in care :

V vol - viteza volumica de ardere [kg/m² min]

q comb – cantitatea de substanta combustibila arsa pe 1 mp [kg/m²]

Exemple :

pentru mobila de lemn in incapere V_vol = 0,65 -0,90

ze: V_vol. = in care:

V_vol - viteza volumica de ardere [m³/min;kg/h ; sau kg/min]

V – volumul total al gazului [m³ ]

T ard - timpul de ardere [h,min]

5. Temperatura incendiului

Temperatura de ardere pe timpul incendiului depinde de putere calorifica a materialelor care ard, de caldura ramasa in spatiul incendiat si de modul cum se produce arderea, complet sau partial, precum si de durata.

Exemplu : la un incendiu intr-o incapere cu qs =50 de Kg lemn/mp ar corespunde cresterea temperaturii astfel: dupa 29 de minute la aproximativ 800°C, dupa 40 de minute la 880°C si dupa o ora la 920°C

Temperaturi ale incendiului de diferite materiale in functie de masa acestora pe metrul patrat:

lemn rasinoase (in incaperi):

- 25 Kg/mp → 820-850°C

Kg/mp → 880-920°C

- 100 Kg/mp → 1000°C

lemn rasinoase (stivuit in aer liber): 600 Kg/mp → 1200°C

polistiren :

-25 Kg/mp → 1200°C

- 50 Kg/mp → 1350°C

Fumul rezultat in urma arderii se caracterizeaza prin culoare, miros, gust si nivel de toxicitate.

6. Emisia de caldura

Disponibilitatea de a elibera caldura, adica cantitatea de energie termica necesara continuarii si dezvoltarii procesului de ardere este materializata in zestrea de putere calorica pe care o au materialele si substantele combustibile.

Puterea calorifica – Q – reprezinta cantitatea de caldura dezvoltata prin ardere de o unitatea de masa in cazul materialelor solide si lichide, sau de o unitate de volum in cazul gazelor combustibile. Se determina conform STAS 8790-71, care a fost anulat prin SR EN 1716;2002 .Are doua valori : inferioara [Qs] si superioara [Qi] date prin STAS 10903/2-79. Se masoara in [MJ/kg] sau [MJ/m³ ] ori in submultipli.

Exemple de Qi:

acetilena : 56,15 kJ/mc ; 13400kcal / mc

gaz metan : 35,80 – 57,35 kJ/mc ; 8550-13700kcal/mc

lemn de foc :   19,95 MJ/kg ; 4290 kcal/kg

motorina :   40,80 - 42,50MJ/kg ; 9750-10150kcal/kg

spuma de poliuretan : 24,30MJ/kg ; 5800kcal/kg

Relatia de echivalenta: 1 kcal = 4,186J

Pentru lemn se considera in general in calcule Qi=4400kcal/kg

7. Sarcina termica

• Sarcina termica reprezinta cantitatea de caldura pe care o poate degaja, prin combustie completa, totalitatea materialelor combustibile fixe sau mobile, existente in spatiul aferent de incendiu. Relatia de calcul conform     STAS 10903/2 este:

QiMi [ MJ] in care,

Sarcinile termice sunt:

permanente, care nu variaza pe durata de viata a cladirii;

variabile, care sunt susceptibile sa se modifice pe durata de viata a cladirii, fara a depasi 80 % din timp,

specifice destinatiei;

aferente constructiei ( elemente de constructie, acoperiri, finisaje etc) ;

Sarcinile termice amplasate in incinte incombustibile proiectate pentru a rezista la expunerea la foc nu se iau in calcul, fiind considerate sarcini termice protejate.

Densitatea sarcinii termice caracteristice q_f,k pe unitatea de suprafata se calculeaza prin relatia:

q_f,k = Q_fi,k / A in [ MJ/m² ] in care: (5)

A – suprafata planseului ( A_f ) a compartimentului sau a spatiului de referinta, ori aria suprafetei interioare ( A_i ) a compartimentului, rezultand , dupa caz, q_f,k sau q_i,k.

Valoarea de calcul a densitatii sarcinii termice q_f,d se calculeaza conform Eurocodului 1 pe baza densitatii sarcinii termice caracteristice q_f,k prin urmatoarea relatie:

q_f,d = q_f,k • m • δ_q1 •δ_q2 •δ_{q n} in [ MJ/m² ] in care: (6)

q _fk - sarcina termica caracteristica – vezi Tabelul 1 din Anexa nr.

m - coeficientul de ardere – pentru materiale preponderent celulozice m = 0,8

δ_q1 – coeficient care tine seama de riscul de initiere a incendiului datorat marimii compartimetului – vezi Tabelul 2 din Anexa nr.

δ_q2 – coeficient care tine seama de riscul de initiere a incendiului in functie de destinatia spatiului – vezi Tabelul 2 din Anexa nr.

δ_n = Π δ_ni - coeficient care ia in considerare unele masuri active de aparare impotriva incendiului „ i” .Aceste

^{i = 1}

Masurile active sunt in general impuse din motive de securitate a vietii utilizatorilor.

Calculul sarcinii si densitatii termice este prezentat in Tema 14.

Densitatea sarcinii termice reflecta nivelul riscului de incendiu. Din acest punct de vedere nivelul poate fi ridicat (mare), mediu (mijlociu), sau redus (mic).

Pentru cladiri civile aceste nivele sunt:

ridicat qs > 840 MJ/mp

mediu qs = 420 – 840 MJ/mp

redus qs < 420 MJ/mp

Acest nivel de risc este limitat si determinat pentru anumite categorii de cladirii.

In cazul in care nivelul de risc este asociat cu pericolul de explozie, nivelul riscului de incendiu poate fi apreciat ca fiind foarte ridicat (foarte mare).

8. Clasele de combustibilitate

Combustibilitatea reprezinta proprietatea unui material de a se aprinde si de arde in prezenta aerului , contribuind la cresterea cantitatii de caldura dezvoltata de incendiu.

Materialele si elementele de constructii , conform STAS 11357, se impart in doua grupe de combustibilitate :

Incombustibile C0 - cele care sub actiunea focului sau a temperaturilor inalte nu se aprind, nu ard mocnit si nu se carbonizeaza ;

Combustibile – care se aprind si ard , clasificate in patru clase de combustibilitate:

Grupa materialelor se stabileste conform STAS 8558, iar clasa de combustibilitate potrivit metodelor din STAS 11575. Sunt si metode pentru : aprinzibilitate, emisie de fum, indice de oxigen.

Recent clasele de combustibilitate s-au inlocuit cu euroclasele de reactie la foc.

Vezi pct. 2.1 din Tema 13.

Pentru lichidele combustibile normativul P – 118 stabileste, in functie de temperatura de inflamabilitate [ T_inf °C], patru clase :

L II cu T_inf = 28-55°C

L III cu T_inf = 55-100°C

L IV cu T_inf > 100°C

9. Indicele de combustibilitate

Indicele de combustibilitate permite clasificarea materialelor si substantelor in 4 grupe:

> incombustibile: Ic < 0,1

> greu combustibile: 0,1 < Ic < 0,5

> greu inflamabile: 0,5 <Ic < 2,1

> combustibile: Ic > 2,1

10. Indicele de oxigen

Indicele de oxigen se calculeaza cu formula:

I_o = in care:

O₂ - concentratia volumetrica de oxigen

N₂ – concentratia volumetrica de azot in amestecul gazos.

Valori pentru:

-materiale naturale: 30>Io>20

-materiale sintetice: 15<Io<95

11. Clasele de periculozitate

Potrivit normativului P-118 materialele si substantele depozitate se clasifica in 5 clase de periculozitate :

>P1 – fara periculozitate

>P2 cu periculozitate redusa impartita in trei subclase (A,B siC)

>P3 cu periculozitate medie impartita in trei subclase (A,B siC)

>P4 cu periculozitate mare, impartita in 6 subclase (A -F)

>P5 cu periculozitate deosebit de mare, impartita in 8 subclase (A, -H)

Se tine seama si de periculozitatea ambalajelor.

Clasificarea in detaliu se face in functie de categoria de pericol de incendiu.

Vezi pct. 2 din Tema 2.

12.Categorii de pericol de incendiu

13. Intervalul de explozie

Intervalul de explozie este zona dintre limita inferioara de explozie si limita superioara de explozie.

Limitele de explozie ale amestecurilor explozive se calculeaza cu formula:

L = in care:

L – reprezinta concentratia (%)

a,b.n -continutul in procente de volum al fiecarui component din amestec

A,B,.N – limitele inferioare sau superioare de exploziei ale componentelor amestecului.

In cazul cresterii temperaturii (t) peste cea normala (20°C) limitele de eplozie se calculeaza cu relatiile:

L inf t = L inf 20 - x

L sup t = sup 20 + x

Transformarea concentratiilor se calculeaza cu formula:

C_vol = C_g x in care:

C _vol – concentratia in volum (%)

Cg – concentratia in masa (g/mc)

M – greutatea moleculara

p – presiunea atmosferica (mm col. Hg)

T – temperatura absoluta (K)

C_g = C_vol x

14. Presiunea de explozie

Presiunea de explozie se calculeaza cu formula:

P_ex = x in care:

P_ex – presiunea de explozie [N/mp]

P_o – presiunea initiala [N/mp]

T_ex – temperatura de explozie [⁰K]

T_o – temperatura initiala [⁰K]

m – numarul de volume molare dupa explozie

n – numarul de volume molare inainte de explozie

Temperaturile sunt in grade Kelvin.

In butelii presiunea creste in raport cu cresterea temperaturii , dupa relatiile:

P_t = P_o in care:

sau

P_t = P_o ( 1 +) in care :

P_t – presiunea corespunzatoare incalzirii buteliei pana la temperatura t in [°C]

P_o – presiunea la temperatura de O°C in [at.]

t – temperatura pana la care a fost incalzita butelia [°C]

15. Cantitatea de gaze rezultate din ardere

Cantitatea de gaze rezultate din arderea materialelor si substantelor depinde de puterea calorifica a acestora H_i in [kcal /mc N] si de starea acestor materiale:

> pentru combustibili solizi :

V_gmin = + 1,65 [mcN/kg]

> pentru combustibili lichizi :

V_gmin =

> pentru combustibili gazosi :

V_gmin = + 1 [mcN/kg]

16. Durata teoretica de ardere

Durata teoretica de ardere a incendiului raportata la regimul de temperatura standard T in [ minute] , este data de relatia :

T= :

A_i – suprafata incaperii incendiate [mp]

A_fr – suprafata ferestrelor [mp]

q – densitatea sarcinii termice [ MJ/mp]

n – coeficientul in functie de viteza de ardere a materialului [ Kg /mp/ h] ,

n = 56 Kg/mp/h

Raportul Ai / Afr are de regula valoarea in jur de 7.

In cazul unei sarcini termice mai mari se poate folosi relatia :

T stg = Th + ∆t [min] in care:

Tstg – durata stingerii incendiului, considerand ca se intrervine la stingere in scurt timp (de ordinul minutelor),

Ai – suprafata compartimentului incendiat [mp]

q spec – debitul specific

Tn – durata normata de stingere a incendiului pana la intrarea in actiune a mijloacelor de stingere (min)

∆ t – timpul de la inceputul incendiului pana la punerea in functiune a mijloacelor de stingere (min)

Q – debitul minim de apa folosit la stingere [l/min]

In cazul arderii libere, durata teoretica a incendiului se poate calcula cu formula:

T =

q – densitatea sarcinii termice [Mcal/mp]

At – suprafatta totala a peretilor din cladire [mp]

A – suprafata pardoselii [mp]

h – inaltimea incaperii [m]

Durata reala a incendiului depinde si de alti factori, cum sunt cei atmosferici (temperatura aerului, umiditate, vant, presiune atmosferica etc.).