週四,三月24 2011 18:15

基本概念

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火的化學和物理

火災是不受控制的燃燒的表現。 它涉及在我們生活、工作和娛樂的建築物中發現的可燃材料,以及在工業和商業中遇到的各種氣體、液體和固體。 它們通常是碳基的,可以統稱為 燃料 在這次討論的背景下。 儘管這些燃料的化學和物理狀態各不相同,但在火中它們具有共同的特徵。 在引發火災的難易程度方面存在差異(點火), 火災發展的速度 (火焰蔓延), 以及可以產生的功率 (放熱率),但隨著我們對火災科學理解的提高,我們能夠更好地量化和預測火災行為,並將我們的知識應用於一般的消防安全。 本節的目的是回顧一些基本原則並為理解火災過程提供指導。

基本概念

我們周圍到處都是易燃材料。 在適當的情況下,可以使它們燃燒 火源 能夠引發自持反應。 在這個過程中,“燃料”與空氣中的氧氣反應釋放能量(熱量),同時轉化為燃燒產物,其中一些可能是有害的。 需要清楚地了解點火和燃燒的機制。

大多數日常火災都涉及固體材料(例如木材、木製品和合成聚合物),儘管氣態和液態燃料並不少見。 在討論一些基本概念之前,最好簡要回顧一下氣體和液體的燃燒。

擴散和預混火焰

易燃氣體(例如丙烷、C3H8) 可以以兩種方式燃燒:來自管道的氣流或氣流(參見進氣口關閉的簡單本生燈)可以被點燃,並且會像 擴散火焰 其中燃燒發生在氣態燃料和空氣通過擴散過程混合的那些區域。 這種火焰具有特有的黃色亮度,表明存在由於不完全燃燒而形成的微小煙灰顆粒。 其中一些會在火焰中燃燒,但另一些會從火焰尖端冒出來形成 吸煙.

如果氣體和空氣在點火前緊密混合,那麼預混燃燒就會發生,前提是氣體/空氣混合物位於由下限和上限限定的濃度範圍內 可燃極限 (見表 1)。 在這些限制之外,混合物是不可燃的。 (注意一個 預混火焰 當進氣口打開時,它穩定在本生燈的嘴部。)如果混合物是易燃的,那麼它可以被小火源點燃,例如電火花。 這 化學計量的 混合物是最容易點燃的,其中存在的氧氣量以正確的比例將所有燃料燃燒成二氧化碳和水(參見下面的附帶方程式,其中可以看出氮氣的存在比例與在空氣中但不參與反應)。 丙烷(C3H8) 是該反應中的可燃物質:

C3H8 + 5O2 + 18.8牛頓2 = 3CO2 + 4H2O + 18.8N2

在所示反應中,小至 0.3 mJ 的放電足以點燃化學計量的丙烷/空氣混合物。 這表示幾乎無法察覺的靜電火花,就像走過合成地毯並觸摸接地物體的人所經歷的那樣。 某些反應性氣體(例如氫氣、乙烯和乙炔)需要的能量甚至更少。 在純氧中(如上述反應,但不存在作為稀釋劑的氮氣),甚至更低的能量就足夠了。

表 1. 空氣中的可燃性下限和上限

 

較低的可燃性 
限度(體積百分比)

上層可燃性 
限度(體積百分比)

一氧化碳

12.5

74

甲烷

5.0

15

丙烷

2.1

9.5

n-己烷

1.2

7.4

n-癸烷

0.75

5.6

甲醇

6.7

36

乙醇

3.3

19

丙酮

2.6

13

1.3

7.9

 

與氣體燃料流相關的擴散火焰舉例說明了當液體或固體燃料進行有焰燃燒時觀察到的燃燒模式。 然而,在這種情況下,火焰是由凝聚相表面產生的燃料蒸汽供給的。 這些蒸氣的供應速率與它們在擴散火焰中的燃燒速率有關。 能量從火焰轉移到表面,從而提供產生蒸汽所需的能量。 對於液體燃料,這是一個簡單的蒸發過程,但對於固體,必須提供足夠的能量來引起燃料的化學分解,將大的聚合物分子分解成更小的碎片,這些碎片可以蒸發並從表面逸出。 這種熱反饋對於維持蒸汽流動至關重要,從而支持擴散火焰(圖 1)。 可以通過多種方式乾擾此過程來熄滅火焰(見下文)。

圖 1. 顯示傳熱傳質過程的燃燒表面示意圖。

冷杉010F1

傳播熱量

了解熱(或能量)傳遞是了解火災行為和火災過程的關鍵。 這個主題值得仔細研究。 有許多優秀的文本可供參考(Welty、Wilson 和 Wicks 1976 年;DiNenno 1988 年),但就目前的目的而言,只需關註三種機制:傳導、對流和輻射。 穩態傳熱 () 的基本方程為:

傳導:   

對流:    

輻射:      

傳導與通過固體的熱傳遞有關; (k 是一種稱為熱導率 (kW/mK) 的材料特性,並且 l 是溫度下降的距離 (m) T1T2 (以開爾文度為單位)。 在這種情況下,對流是指熱量從流體(在本例中為空氣、火焰或火災產品)傳遞到表面(固體或液體); h 是對流傳熱係數 kW/m2K) 並取決於表面的構造和流過該表面的流體的性質。 輻射類似於可見光(但波長更長)並且不需要中間介質(它可以穿過真空); e 是發射率(表面可以輻射的效率),s 是 Stefan-Boltzman 常數 ()。 熱輻射以光速傳播 (3 x 108 m/s) 和中間的固體物體將投射陰影。

燃燒率和放熱率

從火焰到冷凝燃料(液體和固體)表面的熱傳遞涉及對流和輻射的混合,儘管當火的有效直徑超過 1 m 時後者占主導地位。 燃燒速率(,(g/s))可用下式表示:

是從火焰到表面的熱通量 (kW/m2); 是表面的熱損失(例如,通過輻射和通過固體的傳導)表示為通量(kW/m2); A燃料 是燃料的表面積(m2); 和 Lv 是氣化熱(相當於液體的蒸發潛熱)(kJ/g)。 如果密閉空間發生火災,從火中升起的熱煙氣(由浮力驅動)會在天花板下方偏轉,從而加熱上表面。 由此產生的煙霧層和熱表面向下輻射到外殼的下部,特別是燃料表面,從而增加燃燒速度:

哪裡 是外殼上部輻射提供的額外熱量 (kW/m2). 這種額外的反饋會導致燃燒率大大提高,並在空氣供應充足和燃料充足的封閉空間內產生閃燃現象 (Drysdale 1985)。

燃燒速率由值的大小緩和 Lv, 氣化熱。 這對於液體來說往往較低,而對於固體則相對較高。 因此,固體往往比液體燃燒得慢得多。

有人認為,決定材料(或材料組合)防火性能的最重要的單一參數是 放熱率 (RHR) 通過方程與燃燒速率耦合:

其中 是燃料的有效燃燒熱 (kJ/g)。 現在可以使用新技術來測量不同熱通量下的 RHR(例如,錐形量熱儀),現在可以測量大型物品的 RHR,例如使用耗氧量的大型熱量計中的軟墊家具和牆襯測量以確定熱釋放率(Babrauskas 和 Grayson 1992)。

應該注意的是,隨著火災規模的擴大,不僅放熱率增加,“火災產物”的生產率也會增加。 它們含有有毒和有害物質以及微粒煙霧,當建築物圍護結構內發生火災時通風不良時,煙霧的產生量會增加。

點火

液體或固體的點燃涉及升高表面溫度,直到蒸汽以足以在蒸汽被點燃後支持火焰的速率放出。 液體燃料可按其性質分類 熱點,表面存在易燃蒸氣/空氣混合物的最低溫度(即,蒸氣壓對應於可燃性下限)。 這些可以使用標准設備進行測量,表 2 中給出了典型示例。需要稍高的溫度才能產生足夠的蒸汽流來支持擴散火焰。 這被稱為 火點. 對於可燃固體,相同的概念是有效的,但由於涉及化學分解,因此需要更高的溫度。 燃點通常超過 300 °C,具體取決於燃料。 一般來說,阻燃材料的燃點要高得多(見表 2)。

表 2. 液體和固體燃料的閃點和著火點

 

閉杯閃點1 (°C)

火點2 (°C)

汽油(100 辛烷值)(l)

- 38

-

n-癸烷 (l)

46

61.5

n-十二烷 (l)

74

103

聚甲基丙烯酸甲酯

-

310

阻燃聚甲基丙烯酸甲酯

-

377

聚丙烯

-

330

阻燃聚丙烯

-

397

聚苯乙烯

-

367

阻燃聚苯乙烯

-

445

l = 液體; s = 固體。
1 通過 Pensky-Martens 閉杯裝置。
2 液體:通過 Cleveland 開杯裝置。 固體:Drysdale 和 Thomson (1994)。
(請注意,阻燃物質的結果指的是 37 kW/m 的熱通量2).

 

因此,固體材料的易燃性取決於其表面溫度升高到燃點的難易程度,例如,通過暴露於輻射熱或熱氣流。 這與其說取決於分解過程的化學性質,不如說取決於固體的厚度和物理性質,即它的 導熱係數 (k), 密度 (r) and 熱容量 (c). 薄的固體,如木屑(和所有薄的部分),可以很容易地被點燃,因為它們具有低熱質量,也就是說,將溫度升高到火點所需的熱量相對較少。 然而,當熱量傳遞到厚固體的表面時,一些熱量將從表面傳導到固體主體,從而緩和表面的溫升。 從理論上可以證明,表面溫度的上升速率由 熱慣性 材料,即產品 韓國鐵路公司. 這在實踐中得到證實,因為具有高熱慣性的厚材料(例如橡木、固體聚氨酯)在給定的熱通量下需要很長時間才能點燃,而在相同條件下具有低熱慣性的厚材料(例如,纖維絕緣板、聚氨酯泡沫)會迅速點燃(Drysdale 1985)。

點火源

點火如圖 2 所示(先導點火). 為了成功點火,一個 火源 不僅必須能夠將表面溫度升高到燃點或更高,而且還必須能夠點燃蒸汽。 撞擊火焰會以這兩種能力發揮作用,但來自遠程源的強加輻射通量可能會導致在高於火點的溫度下產生蒸汽,而蒸汽不會點燃。 然而,如果放出的蒸汽足夠熱(這需要表面溫度遠高於燃點),它們可能會在與空氣混合時自燃。 這個過程被稱為 自燃.

圖 2. 引燃點火場景。

冷杉010F2

可以識別出大量點火源,但它們有一個共同點,即它們是某種形式的粗心或不作為的結果。 一個典型的清單包括明火、“吸煙材料”、摩擦加熱、電氣設備(加熱器、熨斗、炊具等)等。 在 Cote (1991) 中可以找到一個很好的調查。 其中一些總結在表 3 中。

 


表 3. 點火源

 

 


包機成本結構範例

 

電動設備

電暖器、吹風機、電熱毯等

明火源

火柴、點煙器、噴燈等

燃氣設備

煤氣爐、空間加熱器、炊具等

其他燃料設備

木爐等

點燃的煙草產品

雪茄、煙斗等

熱物

熱管、機械火花等

暴露於加熱

相鄰火災等

自熱

亞麻油浸過的抹布、煤堆等。

化學反應

稀有-例如,高錳酸鉀與甘油

 


 

應該注意的是,悶燒香煙不能直接引發火焰燃燒(即使是普通氣體燃料),但會導致 陰燃 在有發生這種燃燒傾向的材料中。 這僅在加熱時會燒焦的材料中觀察到。 陰燃涉及炭的表面氧化,它會在局部產生足夠的熱量,以從相鄰的未燃燒燃料中產生新鮮的炭。 這是一個非常緩慢的過程,但最終可能會過渡到燃燒。 此後,火勢將非常迅速地發展。

有悶燒傾向的材料也會表現出自熱現象(Bowes 1984)。 當這種材料大量儲存時,表面緩慢氧化產生的熱量無法逸出,導致物質內部溫度升高,就會出現這種情況。 如果條件合適,這可能會導致失控過程,最終發展成材料深處的陰燃反應。

火焰蔓延

任何火災增長的一個主要因素是火焰在相鄰可燃表面蔓延的速度。 火焰蔓延可以建模為前進的點火前沿,其中火焰的前緣充當尚未燃燒的燃料的點火源。 擴散率部分取決於控制著火難易程度的相同材料特性,部分取決於現有火焰與前端表面之間的相互作用。 向上,垂直傳播是最快的,因為浮力確保火焰向上流動,暴露燃燒區域上方的表面以直接從火焰傳遞熱量。 當燃燒區域的火焰遠離表面垂直上升時,這應該與在水平表面上蔓延形成對比。 事實上,通常的經驗是垂直蔓延是最危險的(例如,火焰蔓延到窗簾和窗簾以及寬鬆的衣服,如連衣裙和睡衣)。

擴散率也受到施加的輻射熱通量的影響。 在房間內著火的過程中,隨著火勢的發展,在不斷增加的輻射水平的作用下,著火面積將更快地擴大。 這將有助於加速作為閃絡特徵的火勢增長。

滅火理論

火災的滅火和滅火可參照上述火災理論大綱進行考察。 氣相燃燒過程(即火焰反應)對化學抑製劑非常敏感。 一些 阻燃劑 用於改善材料“防火性能”的方法依賴於這樣一個事實,即隨燃料蒸氣釋放的少量抑製劑會抑制火焰的形成。 阻燃劑的存在不能使可燃材料變得不可燃,但它可以使點火更加困難——如果點火源很小,可能會完全阻止點火。 然而,如果阻燃材料捲入現有的火中,它就會燃燒,因為高熱通量壓倒了阻燃劑的作用。

滅火可以通過多種方式實現:

1.停止供應燃料蒸汽

2.用化學滅火器熄滅火焰(抑制)

3. 去除對火的空氣(氧氣)供應(窒息)

4.“井噴”。

控制燃料蒸氣的流動

第一種方法,即停止燃料蒸汽的供應,顯然適用於可以簡單地關閉燃料供應的氣體噴射火。 然而,它也是撲滅涉及冷凝燃料的火災的最常見和最安全的方法。 在涉及固體的火災的情況下,當蒸汽流量變得太小而無法支撐火焰時,這需要將燃料表面冷卻到火點以下。 這是通過手動或通過自動系統(灑水器、噴水等)施水最有效地實現的。 一般來說,液體火災不能這樣處理:低火點的液體燃料根本無法充分冷卻,而高火點燃料的情況下,當水與高溫液體接觸時會劇烈蒸發。表面會導致燃燒的燃料從容器中噴出。 這會對救火人員造成非常嚴重的後果。 (在某些特殊情況下,可能會設計自動高壓噴水系統來應對後一種火災,但這並不常見。)

液體火災通常使用滅火泡沫來撲滅 (Cote 1991)。 這是通過將泡沫濃縮液吸入水流中而產生的,然後通過一個特殊的噴嘴將水流引向火焰,該噴嘴允許空氣被夾帶到水流中。 這會產生漂浮在液體頂部的泡沫,通過阻塞效應和通過保護表面免受火焰的熱傳遞來降低燃料蒸汽的供應速率。 必須小心地塗抹泡沫以形成逐漸增大的“筏”以覆蓋液體表面。 隨著筏子的長大,火焰的大小會減小,同時泡沫會逐漸分解,釋放出有助於表面冷卻的水。 該機制實際上很複雜,儘管最終結果是控制蒸汽的流動。

有多種泡沫濃縮液可供選擇,重要的是選擇一種與要保護的液體兼容的泡沫濃縮液。 最初的“蛋白質泡沫”是為碳氫化合物液體火災開發的,但如果與水溶性液體燃料接觸會迅速分解。 已經開發出一系列“合成泡沫”來應對可能遇到的各種液體火災。 其中之一,水性成膜泡沫 (AFFF),是一種多用途泡沫,它還在液體燃料表面產生一層水膜,從而提高其有效性。

熄滅火焰

這種方法利用化學抑製劑來熄滅火焰。 火焰中發生的反應涉及自由基,這是一種高度反應性的物質,它僅存在短暫但通過支鏈過程不斷再生,該過程保持足夠高的濃度以允許整個反應(例如,R1 型反應)進行以很快的速度。 應用足量的化學抑製劑會導致這些自由基的濃度急劇下降,從而有效地熄滅火焰。 以這種方式運作的最常見的藥劑是哈龍和乾粉。

哈龍在火焰中反應生成其他中間物質,火焰自由基優先與之反應。 撲滅火只需要相對少量的哈龍,因此傳統上認為它們非常可取; 滅火濃度是“可呼吸的”(儘管通過火焰時產生的產物是有毒的)。 乾粉以類似的方式起作用,但在某些情況下更有效。 細顆粒分散到火焰中並導致自由基鏈終止。 重要的是顆粒小且數量多。 這是由許多專有品牌乾粉的製造商通過選擇一種“爆裂”的粉末來實現的,也就是說,當它們暴露在火焰的高溫下時,顆粒會碎裂成更小的顆粒。

對於衣服著火的人,乾粉滅火器被認為是控制火焰和保護該人的最佳方法。 快速乾預可以快速“擊倒”,從而最大限度地減少傷害。 然而,火焰必須完全熄滅,因為顆粒會迅速落到地面上,任何殘留的火焰都會迅速恢復。 同樣,哈龍只有在保持當地濃度的情況下才會保持有效。 如果在戶外使用,哈龍蒸氣會迅速消散,如果有任何殘餘火焰,火勢將再次迅速重新點燃。 更重要的是,如果表面溫度足夠高,抑製劑的損失將伴隨著燃料的重新點燃。 哈龍和乾粉對燃料表面都沒有任何明顯的冷卻效果。

移除空氣供應

以下描述是該過程的過度簡化。 雖然“切斷空氣供應”肯定會使火熄滅,但要做到這一點,只需將氧氣濃度降低到臨界水平以下即可。 眾所周知的“氧指數測試”根據剛好支持燃燒的氧/氮混合物中的最低氧濃度對可燃材料進行分類。 在環境溫度(約 14°C)和沒有任何強加熱傳遞的情況下,許多常見材料會在氧氣濃度低至約 20% 的情況下燃燒。 臨界濃度取決於溫度,隨溫度升高而降低。 因此,已經燃燒了一段時間的火能夠支持濃度可能低至 7% 的火焰。 如果通過關閉門窗來限制氧氣供應,房間內的火災可能會得到控制,甚至可能會自行熄滅。 燃燒可能會停止,但陰燃會在非常低的氧氣濃度下繼續。 在房間充分冷卻之前通過打開門或打破窗戶讓空氣進入可能會導致劇烈的火災爆發,稱為 回流, 或者 爆燃.

“除氣”是很難做到的。 但是,通過不支持燃燒的氣體(例如氮氣、二氧化碳或來自燃燒過程(例如船舶發動機)的氧氣含量低和高在二氧化碳中。 該技術只能用於封閉空間,因為必須保持“惰性氣體”的所需濃度,直到火完全熄滅或可以開始滅火操作。 全淹沒有特殊的應用,例如船艙和圖書館的珍本藏書。 所需惰性氣體的最低濃度如表 4 所示。這些是基於以下假設:在早期階段檢測到火災,並且在空間中積聚過多熱量之前進行注水。

表 4:惰化所需的不同氣體濃度比較

經紀人

最低濃度(% 體積)

哈龍1301

8.0

哈龍1211

8.1

二氧化碳

 

通過局部使用滅火器中的抑製劑,可以在小火附近實現“去除空氣”。 二氧化碳是唯一以這種方式使用的氣體。 然而,由於這種氣體會迅速消散,因此在滅火過程中必須熄滅所有火焰; 否則,燃燒將重新建立。 重新點燃也是可能的,因為二氧化碳幾乎沒有任何冷卻效果。 值得注意的是,由於水滴蒸發(冷卻燃燒區)和水蒸氣稀釋降低氧氣濃度(作用相同如二氧化碳)。 細水噴霧和薄霧被認為是哈龍的可能替代品。

在這裡應該提一下,除非可以立即停止氣流,否則不宜熄滅氣體火焰。 否則,可能會積聚大量易燃氣體並隨後點燃,從而可能造成嚴重後果。

吹熄

為了完整起見,此處包含此方法。 通過將火焰附近的空氣速度增加到高於臨界值,可以很容易地吹滅火柴火焰。 該機構通過破壞燃料附近的火焰來運行。 原則上,可以用相同的方式控制較大的火災,但通常需要炸藥才能產生足夠的速度。 油井火災可以用這種方式撲滅。

最後,需要強調的一個共同特徵是,隨著火勢的擴大,滅火的難易程度會迅速下降。 早期檢測允許用最少量的抑製劑滅絕,減少損失。 在選擇滅火系統時,應考慮火災發展的潛在速度以及可用的探測系統類型。

爆炸

爆炸的特徵是突然釋放能量,產生衝擊波或衝擊波,可能造成遠程損壞。 有兩種截然不同的來源,即高能炸藥和壓力爆破。 烈性炸藥以三硝基甲苯(TNT)和環三亞甲基三硝胺(RDX)等化合物為代表。 這些化合物是高度放熱的物質,分解釋放大量能量。 儘管熱穩定(儘管有些不那麼穩定並且需要脫敏以使其安全處理),但它們可以被誘導引爆,分解,以聲速通過固體傳播。 如果釋放的能量足夠高,爆炸波將從源頭傳播,並有可能在遠處造成重大破壞。

通過評估遠程損壞,可以根據“TNT 當量”(通常以公噸為單位)來估算爆炸的規模。 該技術依賴於收集到的大量關於 TNT 潛在破壞力的數據(其中大部分是在戰時),並使用從已知數量的 TNT 造成的破壞研究中得出的經驗比例定律。

在和平時期,烈性炸藥用於各種活動,包括採礦、採石和大型土木工程。 它們出現在一個地點代表了一種特殊的危害,需要進行專門的管理。 然而,“爆炸”的另一個來源也可能同樣具有破壞性,尤其是在危險尚未被認識到的情況下。 導致壓力爆發的超壓可能是工廠內的化學過程或純物理效應的結果,如容器在外部加熱時會發生,導致超壓。 期限 布列夫 (沸騰液體膨脹蒸汽爆炸)起源於此,原指蒸汽鍋爐發生故障。 它現在也常用於描述裝有液化氣體如LPG(液化石油氣)的壓力容器在火災中發生故障,釋放出易燃物質,然後點燃產生“火球”的事件。

另一方面,超壓可能是由化學過程在內部引起的。 在過程工業中,自熱會導致失控反應,產生能夠導致壓力爆裂的高溫和高壓。 然而,最常見的爆炸類型是由易燃氣體/空氣混合物點燃引起的,這種混合物被限制在工廠的一個項目內,或者實際上是在任何限制結構或外殼內。 先決條件是易燃混合物的形成,這種情況應該通過良好的設計和管理來避免。 如果發生意外洩漏,只要氣體(或蒸氣)的濃度介於可燃性下限和上限之間,就會存在易燃氣氛(表 1)。 如果將點火源引入這些區域之一,預混火焰將從該源快速傳播,將燃料/空氣混合物在高溫下轉化為燃燒產物。 這可能高達 2,100 K,表明在初始溫度為 300 K 的完全封閉系統中,可能會出現高達 7 巴的超壓。 只有專門設計的壓力容器才能承受這種超壓。 除非有洩壓板或爆破片或抑爆系統保護,否則普通建築物會倒塌。 如果建築物內形成易燃混合物,隨後的爆炸可能會造成嚴重的結構損壞——可能是徹底破壞——除非爆炸可以通過爆炸早期產生的開口(例如,窗戶的破損)排放到外面。

這種類型的爆炸還與空氣中懸浮粉塵的點燃有關(Palmer 1973)。 當大量“易爆”粉塵從建築物內的架子、椽子和壁架上脫落形成雲,然後暴露於火源(例如麵粉廠、穀物升降機等)時,就會遇到這些情況.). 粉塵必須(顯然)是可燃的,但並非所有可燃粉塵在環境溫度下都會爆炸。 已設計標準測試以確定粉塵是否易爆。 這些也可以用來說明易爆粉塵表現出“爆炸極限”,在概念上類似於氣體和蒸氣的“可燃極限”。 一般來說,粉塵爆炸有可能造成很大的破壞,因為最初的事件可能會導致更多的粉塵脫落,形成更大的粉塵雲,這將不可避免地點燃,從而產生更大的爆炸。

洩爆, 或者 爆炸緩解,只有在爆炸發展速度相對較慢的情況下才能成功運行,例如與預混火焰通過靜止的易燃混合物或爆炸性粉塵雲傳播有關。 如果涉及爆炸,則洩爆是沒有用的。 這樣做的原因是洩壓口必須在事件的早期壓力仍然相對較低時創建。 如果發生爆炸,壓力上升太快而無法有效釋放,並且封閉的容器或工廠的物品會承受非常高的內部壓力,這將導致大規模破壞。 可燃氣體混合物的爆炸 如果混合物包含在長管道或管道中,就會發生。 在某些條件下,預混合火焰的傳播將以增加湍流的速率將未燃燒氣體推到火焰前鋒的前面,這反過來將增加傳播速率。 這提供了一個反饋迴路,它會導致火焰加速,直到形成衝擊波。 這與燃燒過程相結合,是一種爆轟波,其傳播速度可以超過 1,000 m/s。 這可以與 基本燃燒速度 0.45 m/s 的化學計量丙烷/空氣混合物。 (這是火焰通過靜止(即非湍流)丙烷/空氣混合物傳播的速率。)

湍流對這類爆炸發展的重要性不可低估。 防爆系統的成功運行依賴於早期洩壓或早期抑制。 如果爆炸的發展速度太快,則保護系統將不起作用,並且會產生不可接受的超壓。

爆炸洩壓的替代方法是 爆炸抑制. 這種類型的保護要求在非常早的階段檢測到爆炸,盡可能接近點火。 該檢測器用於啟動抑製劑快速釋放到傳播火焰的路徑中,從而在壓力增加到威脅封閉邊界完整性的程度之前有效地阻止爆炸。 哈龍通常用於此目的,但隨著它們逐漸被淘汰,現在人們開始注意使用高壓噴水系統。 這種類型的保護非常昂貴並且應用有限,因為它只能用於相對較小的體積,其中抑製劑可以快速均勻地分佈(例如,輸送易燃蒸氣或易爆粉塵的管道)。

消防信息分析

一般而言,消防科學直到最近才發展到能夠提供知識基礎的階段,在此基礎上可以做出有關工程設計(包括安全問題)的合理決策。 傳統上,消防安全是在一個 特設 在此基礎上,通過實施法規或其他限制措施有效應對事件,確保事件不再發生。 可以舉出很多例子。 例如,1666 年的倫敦大火適時導致了第一部建築法規(或規範)的製定和火災保險的發展。 最近發生的事件,例如 1972 年和 1974 年巴西聖保羅的高層辦公大樓火災,引發了對建築規範的修改,以防止未來發生類似的多人死亡火災。 其他問題也以類似的方式得到解決。 在美國加利福尼亞州,人們認識到與某些類型的現代軟墊家具(尤其是那些含有標準聚氨酯泡沫的家具)相關的危害,並最終出台了嚴格的法規來控制其可用性。

這些都是簡單的案例,在這些案例中,對火災後果的觀察導致了一套規則的實施,旨在在發生火災時提高個人和社區的安全。 對任何問題採取行動的決定都必須基於對我們對火災事件的了解的分析來證明其合理性。 有必要證明問題是真實存在的。 在某些情況下——比如聖保羅大火——這種做法是學術性的,但在其他情況下,比如“證明”現代家具是一個問題,有必要確保明智地花費相關成本。 這需要一個可靠的火災事件數據庫,該數據庫能夠顯示多年來火災數量、死亡人數、特定類型點火發生率等方面的趨勢。然後可以使用統計技術檢查是否趨勢或變化是顯著的,並且採取了適當的措施。

在一些國家/地區,消防隊必須就每場發生的火災提交一份報告。 在英國和美國,主管官員填寫一份報告表,然後提交給中央組織(英國內政部,美國國家消防協會,NFPA),然後編碼並以規定的方式處理數據。 這些數據隨後可供政府機構和其他相關方檢查。 這些數據庫在突出(例如)主要點火源和首先點燃的物品方面非常寶貴。 對死亡發生率及其與火源等的關係的調查表明,死於吸煙者材料引起的火災的人數與以此方式引發的火災人數明顯不成比例。

這些數據庫的可靠性取決於消防人員進行火災調查的技能。 火災調查不是一件容易的事,需要相當的能力和知識——尤其是火災科學知識。 英國的消防局有法定義務為每場火災提交一份火災報告表,這給負責人員帶來了相當大的責任。 表格的構建至關重要,因為它必須足夠詳細地引出所需的信息。 NFPA 推薦的“基本事故報告表”顯示在 消防手冊 (科特 1991)。

這些數據可用於兩種方式,一種是識別火災問題,另一種是提供必要的合理論據來證明可能需要公共或私人支出的特定行動方案的合理性。 一個長期建立的數據庫可以用來顯示所採取行動的效果。 從 1980 年到 1989 年期間的 NFPA 統計數據中收集了以下十點(Cote 1991):

1. 家用煙霧探測器被廣泛使用並且非常有效(但探測器策略仍然存在重大差距)。

2. 自動灑水器大大減少了生命和財產損失。 便攜式和區域供暖設備的使用增加導致涉及供暖設備的家庭火災急劇增加。

3. 燃燒和可疑火災從 1970 年代的高峰期開始持續下降,但相關財產損失停止下降。

4. 很大一部分消防員死亡是由於心髒病發作和遠離火場的活動造成的。

5.農村地區火災死亡率最高。

6. 點燃軟墊家具、床墊或床上用品的吸煙材料會產生最致命的住宅火災場景。

7. 美國和加拿大的火災死亡率是所有發達國家中最高的。

8. 美國舊南部各州的火災死亡率最高。

9. 老年人死於火災的風險特別高。

 

當然,這樣的結論是針對特定國家的,儘管有一些共同的趨勢。 謹慎使用此類數據可以為製定有關社區消防安全的合理政策提供手段。 但是,必須記住,這些不可避免地是“被動的”,而不是“主動的”。 只有在詳細的火災隱患評估之後才能採取主動措施。 這樣的行動方針已經逐步引入,從核工業開始,然後進入化學、石化和近海工業,這些行業的風險比其他行業更容易定義。 它們在旅館和公共建築中的應用通常要困難得多,並且需要應用火災建模技術來預測火災的過程以及火災產物將如何通過建築物蔓延以影響居住者。 此類建模已取得重大進展,但必須說,要自信地使用這些技術還有很長的路要走。 在廣泛使用可靠的火災危險評估工具之前,消防安全工程仍然需要在消防安全科學方面進行大量基礎研究。

 

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