Глава 3. Самовозгорание

Самовозгорание присуще всем твердым горючим веществам и материалам.

Самовозгорание – это явление резкого увеличения скорости внутренних (экзотермических) реакций в веществе, приводящее к горению при отсутствии источника зажигания. Если при самовозгорании образуется пламя, то это явление называется самовоспламенением.

Самовозгорание происходит из-за того, что тепловыделение в ходе реакций больше теплоотвода в окружающую среду. Начало самовозгорания характеризуется температурой самонагревания (Т_сн), представляющей собой минимальную температуру, при которой обнаруживается тепловыделение.

При достижении в процессе самонагревания определённой температуры, называемой температурой самовозгорания (Т_своз.), возникает горение материала, проявляющееся либо тлением, либо пламенным горением. В последнем случае Т_своз. адекватна температуре самовоспламенения (Т_св.), под которым понимают возникновение горения газов и жидкостей при нагревании до некоторой критической температуры. В принципе самовозгорание и самовоспламенение по физической сущности сходны и различаются лишь видом горения, самовоспламенение возникает только в виде пламенного горения.

В случае самовоспламенения самонагревание развивается в пределах всего нескольких градусов и поэтому не учитывается при оценке пожаровзрывоопасности газов и жидкостей. При самовозгорании область самонагревания может достигать нескольких сотен градусов (например, для торфа от 70 до 225 °С). Вследствие этого явление самонагревания должно учитываться при определении склонности твёрдых веществ к самовозгоранию.

Самовозгорание изучают путём термостатирования исследуемого материала при заданной температуре и установления зависимости между температурой, при которой возникает горение, размерами образца и временем его нагрева в термостате. Процессы, происходящие при самовозгорании образцов горючего материала, изображены на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Процессы самовозгорания

Возможность самовозгорания материала, находящегося в потенциально пожароопасной области, устанавливают с помощью уравнений:

lg T_окр. = А₁ – n₁ lgℓ, (3.1)

lg T_окр. = А₂ – n₂ lgτ, (3.2)

где Т_окр. − температура окружающей среды, °С; ℓ − определяющий размер (обычно толщина) материала; τ − время, в течение которого может произойти самовозгорание; А₁, п₁ и А₂, п₂ − коэффициенты, определяемые для каждого материала по опытным данным (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1

Параметры уравнений, характеризующих самовозгорание

По уравнению (3.1) при заданном ℓ находят Т_окр., при которой может возникнуть самовозгорание данного материала, по уравнению (3.2) при известной Т_окр. − величину τ.

При температуре, ниже вычисленной Т_окр., или при τ, меньшем, чем время, рассчитанное по уравнению (3.2), происходит самовозгорание.

В зависимости от природы первоначального процесса, вызвавшего самонагревание материала, и значений Т_сн., различают химическое, микробиологическое и тепловое самовозгорание.

Тепло обыкновенного трубопровода горячей воды или пара (Т = 100÷150 ºС) может явиться тем источником тепла, которого достаточно для самовозгорания изделий из ткани, бумаги или древесины. Поэтому трубопроводы горячей воды или пара необходимо ограждать только экранами из негорючих материалов. В общественных зданиях допускаются декоративные решетки, но и в первом и во втором случаях расстояние от трубопроводов до экранов, а равно и до любого сгораемого материала (занавески, например) должно быть не менее 100 мм. В производственных условиях самовозгораются каменный уголь, торф, опилки, некоторые горючие жидкости, обычно в виде тонких пленок, получающихся при нанесении жидкости на ворсистые поверхности (хлопок, вата и т. п.). К этим жидкостям относятся растительные масла, скипидар. На предприятиях имеются случаи самовозгорания обтирочных материалов, промасленной спецодежды, поэтому спецодежду необходимо развешивать так, чтобы обеспечить доступ воздуха, для отвода тепла промасленные обтирочные материалы собираются в несгораемую тару с крышками и ежесменно удаляются, сжигаются или уничтожаются. Известны случаи тления и горения угля в кучах, торфа и хлопка, неоднократно отмечены случаи самовозгорания толи в рулонах, целлофана и целлулоида, бумаги, а также материалов.

Общее требование пожарной безопасности для случаев теплового самовозгорания формулируется довольно просто: безопасной температурой длительного нагрева вещества считается температура, не превышающая 90 % температуры самонагревания.

Химическое самовозгорание связано со способностью веществ и материалов вступать в химическую реакцию с воздухом или другими окислителями при нормальных условиях с выделением теплоты, достаточной для их возгорания (например, при попадании кондиционированной азотной кислоты на бумагу, древесные опилки и др.). Наиболее характерными примерами являются случаи самовозгорания промасленной ветоши или фосфора на воздухе, легковоспламеняющихся жидкостей при контакте с марганцовкой, древесных опилок с кислотами и пр. Особенно опасны масла, содержащие соединения с ненасыщенными химическими связями и характеризующиеся высоким йодным числом (хлопковое, подсолнечное, джутовое и т. д.).

Другой вид химических реакций веществ связан с взаимодействием воды или влаги. При этом также выделяется достаточная для самовозгорания веществ и материалов температура. Примерами могут служить такие вещества, как калий, натрий, карбид кальция, негашеная известь и др. Особенностью щелочно-земельных металлов является их способность гореть и без доступа кислорода. Необходимый для реакции кислород они добывают сами, расщепляя под действием высокой температуры влагу воздуха на водород и кислород. Вот почему тушение водой таких веществ приводит к взрыву образующегося водорода. Для предупреждения химического самовозгорания порядок совместного хранения горючих веществ и материалов строго регламентирован.

Склонностью к микробиологическому самовозгоранию обладают горючие материалы, особенно увлажненные, служащие питательной средой для микроорганизмов, жизнедеятельность которых связана с выделением теплоты (торф, древесные опилки и др.). По этой причине большое число пожаров и взрывов происходит при хранении сельскохозяйственных продуктов (например, силос, увлажненное сено) в элеваторах. Для микробиологического и химического самовозгорания характерно то, что Т_сн. не превышает обычных значений Т_окр. и может быть отрицательной. Материалы, имеющие Т_сн. выше комнатной температуры, способны к тепловому самовозгоранию.

Склонностью ко всем видам самовозгорания обладают многие твердые материалы с развитой поверхностью (например, волокнистые), а также некоторые жидкие и плавящиеся вещества, содержащие в своем составе непредельные соединения, нанесённые на развитую (в том числе негорючую) поверхность. Все виды самовозгорания имеют чисто условное деление и для большинства горючих веществ процесс самовозгорания представляет собой совокупность тепловой, химической и микробиологической реакции.