Ryzyko pożaru jest jednym z głównych niebezpieczeństw związanych z eksploatacją obiektów, w których prowadzona jest działalność produkcyjna lub magazynowa. Zagrożenie jest tym większe, im wyższe jest prawdopodobieństwo zapłonu zgromadzonych materiałów oraz trudniejsze ich skuteczne gaszenie. Substancjami stanowiącymi duże wyzwanie są ciecze palne. Systemy przeciwpożarowe przeznaczone do walki z ich pożarami muszą używać odpowiednich środków gaśniczych.
Co to są ciecze palne?
Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów, określenie ciecze palne stosuje się do cieczy, których temperatura zapłonu nie przekracza 100°C. A czym jest temperatura zapłonu? Zgodnie z definicją stosowaną przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej w standardzie CNBOP-PIB-BW03P:2016, jest to najniższa temperatura próbki analitycznej (cieczy palnej), skorygowana dla ciśnienia atmosferycznego 101,3 kPa, w której przyłożenie źródła zapłonu spowoduje chwilowe zapalenie par nad powierzchnią badanej cieczy. Innymi słowy jest to minimalna temperatura cieczy, przy której ilość par wydzielana przez nią przy ciśnieniu atmosferycznym 1013 hPa jest wystarczająca, aby w połączeniu z powietrzem stworzyć mieszaninę, która zapali się pod wpływem znormalizowanego źródła energii. Tym źródłem może być niewielki płomień lub iskra. Spalaniu ulegają tylko pary cieczy palnej, a część wytworzonego ciepła podgrzewa ciecz podtrzymując lub nawet przyśpieszając parowanie i spalanie. Im łatwiej dana ciecz przechodzi w stan gazowy (ma wyższą tzw. prężność par), tym łatwiej wytwarza palne mieszaniny z powietrzem. Zatem ciecze palne najpierw odparowują, a po osiągnięciu odpowiedniej dla ciągłości reakcji temperatury zapłonu oraz prężności par spalają się powierzchniowo.
Temperatura zapłonu charakteryzuje zdolność cieczy do tworzenia mieszanin palnych zarówno w zależności od stanu cieplnego cieczy, jak i otoczenia. Z uwagi na to, że to temperatura cieczy palnej ma wpływ na prężność jej par (im wyższa temperatura cieczy tym wyższa prężność par i większe ich stężenie w powietrzu), parametr ten ma zasadniczy wpływ na granice wybuchowości. Ciecze palne o temperaturze zapłonu niższej niż temperatura otoczenia są bardziej niebezpieczne pod względem zagrożenia wybuchem.
W normie PN-EN 15794, oprócz funkcjonującego parametru temperatury zapłonu, wprowadzony został jeszcze jeden parametr charakteryzujący ciecze palne: punkt wybuchowości (explosion point). Definiowany jest on jako temperatura cieczy palnej, w której stężenie pary nasyconej w powietrzu znajduje się w granicach wybuchowości. Okazuje się bowiem, że niektóre ciecze palne już w temperaturze niższej niż temperatura zapłonu mogą dać stężenie par w powietrzu w granicach wybuchowości.
Klasyfikacja cieczy palnych
Temperatura zapłonu jest parametrem najczęściej używanym do klasyfikacji cieczy palnych. W przytoczonym wcześniej rozporządzeniu MSWiA z dnia 7 czerwca 2010 r. wyróżnia się 3 kategorie cieczy palnych:
- ciecze o temperaturze zapłonu do 21°C, do których zaliczają się m.in. aceton, alkohol metylowy i etylowy, benzyna samochodowa, cyjanowodór;
- ciecze o temperaturze zapłonu od 21°C do 55°C, w tym m.in. terpentyna, trójchloroetylen;
- ciecze o temperaturze zapłonu od 55°C do 100°C, jak np. anilina, nitrobenzen, olej napędowy.
Przy czym ciecze palne o temperaturze zapłonu do 55°C zostały dodatkowo sklasyfikowane jako materiały niebezpieczne pożarowo. Oczywiście ciecze o temperaturze zapłonu pomiędzy 55°C a 100°C również są palne, ale aby doszło do ich zapłonu muszą zwykle zostać poddane dodatkowej obróbce termicznej.
W amerykańskim standardzie NFPA 30 również zastosowano podział cieczy palnych na 3 kategorie (klasy), ale przyjęto inne zakresy temperatury zapłonu:
- Klasa I – ciecze o temperaturze zapłonu poniżej 37,8°C (100°F), określone dodatkowo jako łatwopalne, z podklasami:
- IA – ciecze o temp. zapłonu do 22,8°C i temp. wrzenia poniżej 37,8°C, jak chlorek metylu czy pentan,
- IB – ciecze o temp. zapłonu do 22,8°C i temp. wrzenia równej lub wyższej niż 37,8°C, jak benzyna, aceton czy etanol,
- IC – ciecze o temp. zapłonu między 22,8°C a 37,8°C, jak terpentyna czy styren;
- Klasa II – ciecze o temperaturze zapłonu równej lub wyższej niż 37,8°C (100°F), ale nieprzekraczającej 60°C (140°F)
- Klasa III – ciecze o temperaturze zapłonu równej lub wyższej niż 60°C (140°F), z podklasami:
- IIIA – ciecze o temp. zapłonu od 60°C do 92,9°C, jak kwas mrówkowy czy formaldehyd,
- IIIB – ciecze o temp. zapłonu 93°C lub wyższej, jak olej rycynowy czy olej kokosowy.
Zaznaczono przy tym, że temperatury zapłonu odnoszą się do metody oznaczania z użyciem tygla zamkniętego (closed-cup flash point), które są zazwyczaj o kilka stopni niższe niż temperatury zapłonu uzyskiwane metodą tygla otwartego. Warto również zwrócić uwagę, że standard NFPA nie określa wartości temperatury zapłonu, po przekroczeniu której ciecz przestaje być klasyfikowana jako palna.
Jak już wspomnieliśmy, temperatura zapłonu to najczęściej używany parametr do klasyfikacji cieczy palnych, ale nie jedyny. Z punktu widzenia doboru odpowiednich środków gaśniczych istotna jest również wiedza o polarności danej cieczy. Ciecze polarne to ciecze zawierające cząsteczki polarne, doświadczające momentów dipolowych. W ten sposób na jednym biegunie cząsteczki występuje ładunek dodatni, a na drugim ujemy. Bieguny o przeciwnych ładunkach przyciągają się, dzięki czemu ciecze polarne mogą w mniejszym lub większym stopniu mieszać się ze sobą. Przykładem cieczy polarnej jest woda, która może być używana do rozcieńczania innych cieczy polarnych, takich jak etanol czy amoniak. Z kolei oleje roślinne, benzyna i toluen są cieczami niepolarnymi, które nie rozpuszczają się w wodzie, dlatego woda ani piana gaśnicza lekka nie mogą być stosowane do ich gaszenia. Amerykański ubezpieczyciel FM Global w swoich wytycznych stosuje podział wybranych cieczy palnych mieszających się z wodą (m.in. kwas octowy, alkohole, aceton czy glikol etylenowy) na 5 grup, w zależności od procentowego udziału cieczy palnej w mieszaninie.
Ponadto warto pamiętać, że dla zapewnienia bezpieczeństwa pożarowego istotna jest nie tylko wiedza o temperaturze zapłonu i polarności danej cieczy, ale również o granicach wybuchowości jej par. Wybuchy par są bowiem bardzo groźnym zjawiskiem o dużej sile niszczącej.
Czym można gasić ciecze palne?
Zgodnie z podziałem pożarów wynikającym z Polskiej Normy: PN-EN 2:1998 (ze zmianą PN-EN 2:1996/A1:2006), pożary cieczy palnych zaliczane są do grupy pożarów B. Zatem do ich gaszenia mogą być stosowane wszystkie środki gaśnicze przeznaczone do gaszenia pożarów tej grupy. Które z nich są najpopularniejsze?
Do gaszenia cieczy palnych najczęściej stosowane są piany gaśnicze. Powstają one zazwyczaj w wyniku napowietrzenia mieszaniny środka pianotwórczego i wody. Zawartość środka pianotwórczego w roztworze wynosi zwykle od 1% do 6%. W skład środków pianotwórczych wchodzą najczęściej mieszanki detergentów i innych związków powierzchniowo czynnych. Często stosowanymi detergentami są sole oraz alkohole (jak np. butanol), które poprzez obniżenie napięcia powierzchniowego ułatwiają szybkie wytwarzanie trwałej piany. Wymagania dotyczące środków pianotwórczych do wytwarzania pian gaśniczych określają szczegółowo m.in. norma PN-EN 1568 (1-4) czy wytyczne VdS 3141 (Leaflet: Foam concetrates in fire extinguishing systems).
Głównym zadaniem piany gaśniczej jest oddzielenie powierzchni cieczy od płomienia i powietrza oraz zabezpieczenie jej przed nagrzewaniem się, a tym samym ograniczenie ilości wytwarzanych par. Piana tworzy warstwę izolacyjną, która odgradza powierzchnię cieczy od dostępu powietrza i uniemożliwia przedostanie się powstałych palnych par do strefy spalania. Użycie piany gaśniczej pozwala również schłodzić strefę pożaru – właściwości te posiada stopniowo uwalniana z piany woda. Dodatkową korzyścią jest rozcieńczenie strefy spalania parą wodną w obszarze granicznym, gdzie piana styka się z płomieniami, a także – w przypadku cieczy rozpuszczalnych w wodzie, jak np. alkohol – rozcieńczenie tej cieczy przez wodę zawartą w pianie i obniżenie ciśnienia par.
W zależności od stopnia spienienia, a więc stosunku objętości wytworzonej piany do objętości wodnego roztworu środka gaśniczego użytego do jej wytworzenia, pianę gaśniczą dzielimy na:
- pianę ciężką – to piana o liczbie spienienia poniżej 20. Jej działanie gaśnicze polega na tłumieniu i chłodzeniu. Piana ciężka tworzy trwałą i stabilną powłokę na gaszonych powierzchniach, skutecznie odcinając dopływ tlenu. Może być podawana na duże odległości, szybko się rozpływa i nie jest podatna na powiewy wiatru;
- pianę średnią o liczbie spienienia między 21 a 200. Piana średnia również gasi poprzez tłumienie ognia i chłodzenie gaszonych powierzchni. Posiada jednak większy stopień płynności w stosunku do piany ciężkiej i ma mniejszy zasięg. Dzięki większej średnicy pęcherzyków umożliwia natomiast szybsze pokrycie powierzchni pożaru lub wypełnienie przestrzeni objętej pożarem. Może być również stosowana na otwartej przestrzeni;
- pianę lekką, dla której liczba spienienia przekracza 200. Jej działanie gaśnicze polega przede wszystkim na tłumieniu. W stosunkowo krótkim czasie, przy użyciu relatywnie niewielkiej ilości wody i środka pianotwórczego, możliwe jest wytworzenie znacznej ilości tej piany. Piana lekka wykazuje niewielką odporność na warunki atmosferyczne, głównie wiatr.
Standard VdS 2108 doprecyzowuje te kategorie, określając minimalną liczbę spienienia dla piany ciężkiej na poziomie powyżej 4 i maksymalną liczbę spienienia dla piany lekkiej na poziomie nieprzekraczającym 1000.
Do gaszenia pożarów cieczy palnych, takich jak benzyna, olej, rozpuszczalniki czy alkohole, najczęściej stosowane są piany ciężka i średnia. Piana lekka używana jest gdy zachodzi konieczność szybkiego wypełnienia pianą całych pomieszczeń zamkniętych, jak zakłady produkcyjne, hangary lotnicze czy magazyny. Nie jest jednak odpowiednia do zabezpieczania zagrożeń związanych z magazynowaniem cieczy polarnych.
Piany gaśnicze nie mogą być stosowane do gaszenia pożarów cieczy palnych, których pary wchodzą w reakcje chemiczne z wodą, prowadzące do wytworzenia gazów palnych lub substancji żrących. W takich przypadkach skutecznym środkiem gaśniczym mogą okazać się proszki gaśnicze ABC lub BC, które odgradzają powierzchnię cieczy od płomienia i powietrza. W obiektach zamkniętych sprawdzą się również gazy obojętne oraz CO2, które gaszą poprzez wyparcie tlenu z gaszonym przestrzeni. Dwutlenek węgla ma dodatkowo właściwości mocno schładzające gaszone przestrzenie, co znacznie przyspiesza akcję gaśniczą.
W sytuacjach, gdy wymagane jest przede wszystkim szybkie obniżenie temperatury w rozległym obiekcie, w którym doszło do pożaru cieczy palnej, skutecznym rozwiązaniem może okazać się użycie samej wody. A jeśli doszło do pożaru cieczy palnej dobrze rozpuszczającej się w wodzie, np. alkoholu etylowego, wówczas dodanie wody może ją rozcieńczyć do tego stopnia, że powstała mieszanina utraci właściwości palne. Należy jednak pamiętać, że rozwiązania te są dopuszczalne tylko w przypadku pożarów cieczy, których pary nie są wrażliwe na działanie wody. Woda nie powinna być również używana do gaszenia cieczy nierozpuszczalnych w wodzie lub pływających na wodzie, jak olej napędowy czy benzyna – ciecze te będą palić się dalej, unosząc się na wodzie.
SUG – systemy pianowe, wodne i gazowe, a może… proszkowe?
Najskuteczniejszym sposobem walki z pożarami są Stałe Urządzenia Gaśnicze, które mogą rozpocząć proces gaszenia automatycznie po wykryciu zagrożenia, jeszcze przed przybyciem jednostek straży pożarnej. Do zabezpieczania obiektów, w których są magazynowane lub przetwarzane ciecze palne, najczęściej stosowane są instalacje gaszenia pianą. Systemy te wyposażone są w pompownię ze zbiornikiem zapasu wody oraz zbiornik zapasu koncentratu środka pianotwórczego. W momencie uruchomienia akcji gaśniczej następuje zmieszanie wody i środka pianotwórczego w zadanych proporcjach. Powstały roztwór jest dystrybuowany siecią rurociągów do urządzeń wytwarzających pianę, w których następuje jego mechaniczne napowietrzenie i uwolnienie w postaci piany na źródło pożaru.
W zależności od wymaganego stopnia spienienia piany gaśniczej, stosowane są różne rodzaje urządzeń do jej wytwarzania. Piana ciężka powstaje przy użyciu prądownic pianowych, tryskaczy i zraszaczy tradycyjnych lub spieniających, działek (monitorów) pianowych czy garnków pianowych. Piana średnia otrzymywana jest przy użyciu wytwornic pianowych. Z kolei piana lekka powstaje przy użyciu generatorów piany lekkiej.
W przypadkach, gdy wymagane jest szybkie schłodzenie obiektu, sprawdzą się standardowe instalacje zraszaczowe wykorzystujące samą wodę. W tym celu stosowane są jako zabezpieczenie przeciwpożarowe m.in. zbiorników cieczy łatwopalnych z dachem stałym czy niewielkich frontów rozładunkowych autocystern. Z kolei w magazynach o niewielkiej kubaturze, w których istnieje ryzyko pożaru cieczy palnych, sprawdzą się instalacje mgły wodnej nisko- lub wysokociśnieniowej.
Jak wspomnieliśmy wcześniej, nie wszystkie ciecze palne mogą być gaszone pianą gaśniczą, a jeszcze mniej samą wodą. Nie powinno się jej używać również w pobliżu urządzeń elektrycznych lub innych materiałów wrażliwych na działanie wody. Ponadto większość pian gaśniczych ma negatywny wpływ na środowisko. W celu ograniczenia do minimum ich emisji do gleby czy wód gruntowych stosuje się szereg rozwiązań i procedur, w ramach których m.in. obiekty gaszone pianą gaśnicza muszą być wyposażone w systemy retencyjne czy systemy odpowiedzialne za oczyszczenie i odprowadzenie mieszaniny powstałej z piany i gaszonej cieczy. Alternatywnym rozwiązaniem może być stosowanie biodegradowalnych pian gaśniczych, które zyskują na popularności.
W przypadku braku możliwości użycia piany gaśniczej lub wody, skutecznym rozwiązaniem do gaszenia cieczy palnych mogą być Stałe Urządzenia Gaśnicze gazowe, wykorzystujące gazy obojętne. Ich głównym zadaniem jest wyparcie tlenu ze strefy objętej pożarem, stąd dla skuteczności działania wymagają osiągnięcia minimalnego poziomu stężenia gazu gaśniczego w atmosferze. Dlatego najlepiej sprawdzą się do ochrony obiektów zamkniętych (np. magazynów farb czy lakierów) lub jako systemy gaszenia lokalnego.
W sytuacji, gdy z różnych względów nie może zostać użyta piana gaśnicza, alternatywą dla Stałych Urządzeń Gaśniczych gazowych mogą być systemy gaszenia wykorzystujące proszek gaśniczy. Mogą być one skuteczne również w gaszeniu pożarów cieczy palnych w obiektach z ograniczoną szczelnością czy w przestrzeniach półotwartych. Należy jednak mieć na uwadze, że proszek gaśniczy nie jest odporny na gwałtowne ruchy powietrza, dlatego podmuchy wiatru mogą mocno ograniczyć skuteczność akcji gaśniczej.
Podsumowanie
Pożary cieczy palnych stanowią duże wyzwanie. Zaprojektowanie skutecznego systemu gaśniczego wymaga nie tylko uwzględnienia konstrukcji chronionego obiektu, ale przede wszystkim właściwości fizyko-chemicznych zgromadzonych lub przetwarzanych w nim cieczy palnych. Od ich charakterystyki zależy wybór odpowiedniego środka gaśniczego, a tym samym rodzaju projektowanej instalacji. Pożary niektórych cieczy palnych, w rezultacie ich parowania i łączenia się tych par z powietrzem, mogą spowodować powstanie mieszanki wybuchowej. Wówczas należy dodatkowo przewidzieć elementy zabezpieczenia przewidziane dla stref EX, czyli obszarów zagrożonych wybuchem. Przykładem są obszary magazynowania, przeładunku czy przerobu produktów przemysłu naftowego, które wymagają zastosowania szczególnych zabezpieczeń przeciwpożarowych.
Aktualnie obowiązujące wytyczne (np. VdS czy FM Global), dotyczące stosowania piany gaśniczej do gaszenia pożarów cieczy palnych, pochodzą z doświadczeń i przeprowadzonych testów pożarowych. Brak jest uniwersalnej podstawy teoretycznej, określającej jednoznacznie rodzaj i ilość piany gaśniczej wymaganej do użycia w konkretnym przypadku. Również projektowanie systemów gaszenia gazami obojętnymi wymaga dużej wiedzy i doświadczenia – różnice pomiędzy poszczególnymi gazami w zakresie wymaganego minimalnego stężenia są szczególnie znaczące właśnie w przypadku gaszenia pożarów cieczy palnych. Dlatego projektowanie systemów gaśniczych skutecznie zabezpieczających przed skutkami pożarów cieczy palnych należy powierzyć wyspecjalizowanym firmom, które przeanalizują występujące na obiekcie ryzyka pożarowe i zastosują optymalne rozwiązanie, uwzględniając przy tym wymagania inwestora i ubezpieczyciela, koszty inwestycji i późniejszej eksploatacji oraz obowiązujące przepisy prawa. Tylko wówczas można mieć pewność, że zastosowane zabezpieczenie będzie niezawodne i pozwoli zredukować do minimum skutki ewentualnego pożaru, które szczególnie w przypadku pożarów cieczy palnych mogą osiągać katastrofalne rozmiary i być tragiczne dla ludzi, mienia i środowiska.
