Відомо, що пожежна небезпека автомобілів пов’язана з наявністю великої кількості горючих речовин. Найбільшу небезпеку становлять легкозаймисті та горючі рідини, а це – паливо-мастильні, охолоджувальні і гальмівні рідини, які на початковому етапі пожежі підтримують горіння. У карбюраторних та інжекторних двигунах в якості рідкого пального використовують бензин, який являє собою суміш вуглеводнів і спеціальних присадок, які призначенні для покращення експлуатаційних характеристик. Вуглеводи, що знаходяться в бензині, википають при температурі від 35°С до 200°С. Бензини використовуються в двигунах з примусовим запаленням готової газоповітряної суміші від іскри. Вони є надзвичайно небезпечними з точки зору пожежної небезпеки.
Характеристики різних марок бензину наведені в табл. 1.2.
Таблиця 1.2 Показники пожежонебезпеки бензинів [11]
Марка бензину Температура спалахування, °С Температура само- спалахування, °С Концентраційні
межі розповсюдження
полум’я, %
Температурні межі поширення
полум’я, °С нижня верхня нижня верхня
А-72 -36 310 - - - -
А-76 -37 320 0,78 5,6 -35 -7
АИ-
93 -37 360 0,79 6,14 -37 -6
А-95 -39 370 0,76 5,16 -27 -8
На відміну від бензину, у склад дизельного палива входять важкі вуглеводи, що википають при температурі від 280°С до 360°С. У дизельних двигунах у циліндрах повітря сильно нагрівається в результаті його швидкого і сильного стискання поршнем. В момент максимального ступеня стиснення в циліндр впорскується під тиском дизпаливо, яке спалахує від розігрітого повітря. Характеристики різних марок дизельного палива наведені в табл. 1.3.
Таблиця 1.3 Показники пожежонебезпеки дизельного палива [11]
Марка дизельного
палива
Температура спалаху- вання, °С
Температура самоспала- хування, °С
Температурні межі поширення
полум’я, °С нижня Верхня
ДЗ 59 237 54 98
ДЛ 65 225 64 116
ДС 92 231 76 146
ДТ-1 110 370 99 135
ДТ-2 110 350 91 155
Разом з тим, за даними [18, 19], видобування нафти та кам’яного вугілля з роками зменшується, тому світ переходить на альтернативні, більш екологічно чисті та дешевші джерела енергії – природні гази. Як паливо, для двигунів внутрішнього згоряння використовують зріджені нафтові гази (ЗНГ) та стиснені природні гази (СПГ), які забезпечують високі техніко-економічні показники, мають хороші антидетонаційні якості, створюють сприятливі умови утворення горючої суміші та мають широкі межі займання суміші з повітрям.
Серед ЗНГ у автотранспорті в якості палива використовують етан, бутан та пропан, які зберігають у балонах при тиску 1,0..2,0 МПа. Комплект газового обладнання для ЗНГ разом з балоном важить в межах 40–60 кг.
Серед СПГ використовують водень та метан, останній є основною складовою частиною біогазу. Найбільш поширена система зберігання водню та метану на автомобілях – в стисненому вигляді. Проте ці гази мають низьку об’ємну концентрацію енергії (35,52-36,62 кДж/л), тому їх зберігають у композитних балонах при тиску 35 та 75 МПа [20, 21, 81].
Водень використовується в якості палива на КТЗ як в чистому вигляді, так і в суміші з вуглеводневим паливом, при цьому викид шкідливих речовин у навколишнє середовище значно зменшується. Завдяки високій фізико-хімічній активності водню невелика масова добавка (5-10%) до бензину дає змогу зменшити токсичність відпрацьованих газів на 65-75%, причому найменший вміст NOx в продуктах згоряння спостерігається при навантажені менше 50% від максимальної потужності двигуна, тобто при робочих параметрах, що властиве для експлуатації транспортних засобів в міських умовах [19]. Характеристики природних газів наведено в табл.
1.4.
Таблиця 1.4 Показники пожежонебезпеки газів
Параметри Бутан Метан Пропан Водень Температура
спалахування, °С
-69 87,8 -96 Температура
самоспалахування,
°С
405 537 470 510
Нижня/верхня концентраційна межа поширення полум’я, % об’єму
1,8/9,1 5,28/14,1 2,3/9,4 4,1/75
Мінімальна енергія запалення, МДж
0,25 0,28 0,25 0,017
Горіння палива відбувається у паровій або газовій фазах і характеризується концентраційними та температурними межами поширення полум’я. Пожежонебезпечні концентрації можуть утворитися в нішах двигуна і відсіках автомобіля, переважно у моторному відсіку. Оскільки в моторному відсіку відбувається повітрообмін з навколишнім середовищем через його нещільності, у ньому можливе утворення небезпечних концентрацій палива і за наявності джерела запалювання відбувається займання. Джерелами запалювання в моторному відсіку можуть бути нагріті деталі, іскри від обладнання, теплові прояви електричного струму при аварійній роботі електричного обладнання, занесене відкрите полум’я.
Аварійне потрапляння палива у моторний відсік можливе при розгерметизації паливної системи внаслідок її пошкодження. При цьому паливо може витікати струменем, каплями та у вигляді пароповітряної суміші. При русі автомобіля через систему охолодження відбувається нагнітання великої кількості повітря і пожежонебезпечна концентрація в таких випадках рідко досягається. Тому найбільш сприятливі умови для досягнення цих концентрацій виникають при зупинці автомобіля.
Мінімальна енергія іскри займання для метану 0,28 МДж, для бензину – 0,23..0,41 МДж, а для водню ця величина майже на порядок менша – 0,017 МДж. Енергії займання всіх трьох речовин достатньо малі, тому займання відбувається навіть в присутності слабких джерел займання, наприклад іскрових розрядів чи високонагрітих поверхонь.
Крім палива в автомобілі використовуються інші горючі рідини. До них відносяться моторні, трансмісійні масла, охолоджувальні рідини, гальмівні рідини та інше.
Характеристики цих рідин наведені в табл. 1.5.
Таблиця 1.5 Показники пожежонебезпеки деяких експлуатаційних
рідин [11]
Найменування
рідини Група горючості
Температура, °С спалаху спалахува-
ння
самоспала- хування
Мінеральне масло ГР 222 228 -
Синтетичне масло ГР 235 245 -
Консистентна
змазка ЛИТОЛ ГР 221 231 364
Консистентна
змазка ФИОЛ ГР 259 304 402
Трансмісійне масло TRANSELF
TYPE B 80W90
ГР 220 290 -
Охолоджуюча
рідина «Тосол-А» ГР 108 117 508
Охолоджуюча
рідина «Тосол» ГР 142 148 -
У моторному відсіку легкового автомобіля розташований силовий агрегат і деталі системи, що забезпечують роботу двигуна і автомобіля в цілому.
Матеріали з’єднувальних патрубків – метал, гума, пластмаса.
Для виготовлення розширювальних бачків системи двигуна використовують поліетилен та інші пластмаси. Велика кількість корпусних деталей моторного відсіку виготовлені з пластмаси та композитних матеріалів. Крім того у багатьох автомобілях знаходиться запасне колесо. Характеристики деяких горючих матеріалів, з яких виготовлені деталі автомобіля в моторному відсіку, наведені в табл. 1.6.
Таблиця 1.6.
Показники пожежонебезпеки деяких матеріалів [11,12]
Назва матеріалу
Група горючості
Температура, °С самоспала-
хування спалахуван-
ня Плавлен- ня
Поліетилен горючий 417 306 120
Поліпропі- лен
горючий 325-388 325-343 165
Вініпласт горючий 580 580 -
Полістирол горючий 486 343 -
Гума горючий 350 - -
ДВП горючий 345 222 -
Розглянемо основні горючі матеріали, що входять до складу елементів автомобіля та складають пожежне навантаження автомобіля.
Полімерні матеріали. Масштаби застосування пластмас при виготовленні та ремонті автомобілів зростають щороку.
Число пластмасових деталей на окремих автомобілях сягає 350, а їх загальна маса – 100 кг і більше. Це переважно дрібні деталі, що не несуть великих навантажень. Виготовляються пластмасові паливні баки; кабіни; і кузови із склопластику;
капоти, крила, окремі елементи кабіни – з армованих пластиків.
Термопласти мають високу енергопоглинальну здатність, що важливо з точки зору післяаварійної безпеки автомобілів. Енергія деформації в кілоджоулях на 1 кг маси матеріалу: сталевий лист – 15; сталева складова конструкція – 39; термопласти – 50.
Деталі автомобіля виготовляються з таких термопластів:
- бачки омивача вітрового скла, бензобаки – поліетилен;
- буфери – напівтвердий поліуретан;
- вентилятори і облицювання радіатора – поліпропілен, нейлонрезін;
- значки, ковпаки маточини колеса – металкрілікрезін;
- зубчасті колеса – нейлонрезін, поліацеталь;
- ізоляція проводів – полівінілхлорид;
- оббивка стійок кузова – поліпропілен;
- обід рульового колеса – жорсткий полівінілхлорид, поліпропілен, днище авто – жорсткий уретан;
- панелі приладів – полідіметилфеніленокид;
- попільнички – фенолрезін;
- підголовники – м'які полівінілхлорид і уретан;
- підлокітники жорсткий полівінілхлорид, поліетилен.
Вироби із пластмас представляють значну пожежну небезпеку. Пожежонебезпечні властивості пластмас характеризуються займистістю, інтенсивністю горіння, температурами займання і самозаймання, теплотою згоряння, здатністю до димоутворення і термічного розкладу з виділенням токсичних речовин.
Горючість пластмас залежить від співвідношення теплоти, що виділяється при згорянні продуктів деструкції, і теплоти, необхідної для їх утворення, і газифікації. Зменшення швидкості газифікації пластмас під дією теплоти і зниження кількості утворення горючих продуктів деструкції призводить до зниження горючості.
Вплив відкритого вогню, теплового випромінювання полум'я, іскор на гумотехнічні вироби (ГТВ) призводить до
втрати міцності та еластичних властивостей, термодеструкції поверхневого шару і запалювання продуктів термодеструкції.
Горіння ГТВ протікає аналогічно горінню пластмас, тому й методи захисту однакові: введення антипіренів та нанесення вогнезахисних покриттів. Однією з характеристик ГТВ є термостійкість, обумовлена гранично допустимою температурою експлуатації.
Лакофарбові покриття (ЛФП). Вони служать для створення на пофарбованій поверхні захисного шару, що оберігає матеріал від руйнівної дії зовнішнього середовища, і для декоративного оздоблення елементів. Пожежна небезпека визначається теплостійкістю, швидкостями випаровування та термодеструкцією складових ЛФП і їх токсичністю.
Термостійкість більшості органічних пігментів і наповнювачів ЛФП обмежується температурами 423 ... 473 К.
Термостійкість покриття на кремнійорганічній основі становить 523 ... 773 К.
Таким чином, в конструкції автомобіля, зокрема в моторному відсіку, використовується велика кількість горючих рідин та матеріалів. До них відносяться гума, пластмаси, деревина, тканини та інше. Крім того в ємностях та трубопроводах різних систем автомобіля знаходиться велика кількість палива, мастил та інших горючих рідин. Загальна маса горючих речовин в конструкції автомобіля становить від 10 % його загальної маси [35].
Оскільки майже кожна друга пожежа автотранспортних засобів пов’язана із електричним струмом, проаналізуємо фактори, що характеризують пожежну небезпеку бортових електромереж.
Пожежна небезпека автотранспортних засобів залежить від надійної роботи всієї системи електрообладнання, її вузлів
і агрегатів. Для виникнення пожежі необхідний досить потужний тепловий імпульс, який викличе нагрівання речовини або матеріалу та спричинить загоряння. Оцінка пожежної небезпеки електрообладнання повинна бути пов’язана з оцінкою теплового нагрівання окремих елементів.
Тому необхідно проаналізувати тепловий стан найбільш пожежонебезпечних елементів електрообладнання.
Система електрообладнання КТЗ дуже різноманітна за призначенням, типом, характеристиками і, що особливо важливо, місцем розміщення на борту автотранспортних засобів. Ці види електрообладнання являють собою в загальному вигляді поєднання контактів комутуючих елементів, (електродвигуни, конденсатори, котушки, дроселі і т.п.), електронагрівальних елементів (світлосигнальні прилади, системи обігріву сидінь, пристрої, призначенні для полегшення пуску дизельних двигунів, та інше) і, зрозуміло, електропроводів. Всі ці пристрої і вироби при проходженні по них електричного струму виділяють тепло, яке має розсіюватися в навколишнє середовище, щоб сам пристрій працював у нормальному для нього режимі, без аварійного перегріву. Тому для оцінки пожежної небезпеки електрообладнання автотранспортних засобів необхідно виходити з найбільш ймовірних теплових станів елементів цього електрообладнання у нормальному і аварійному режимах.
В нормальних режимах роботи КТЗ, коли температури двигуна та інших теплових вузлів і агрегатів не виходять за межі температур, передбачених умовами експлуатації, найбільш небезпечним з погляду можливості перегрівання і виникнення аварійних режимів в електрообладнанні є моторний відсік і місця з підвищеними температурами та
можливістю зіткнення елементів електрообладнання з агресивними середовищами, в першу чергу, з паливом та мастилами. Температура середовища в моторному відсіку може перевищувати температуру навколишнього середовища на 100 °С, а температура поверхні деяких деталей може сягати 500 °С і більше [12]. За таких умов не буде відбуватися нормального розсіювання тепла, що виділяється в струмопровідній жилі електропроводів або в іншому електрообладнанні КТЗ, що неминуче призведе до їх перегрівання і переходу в аварійний режим роботи.
Найбільш імовірним місцем виникнення аварійних режимів є електропроводи, оскільки, руйнування їх ізоляції можливе від механічних, хімічних впливів і високих температур. ПВХ-ізоляція автомобільних проводів здатна не втрачати фізико-механічних властивостей до 105 °С, хоча нормальною експлуатаційною температурою для автомобільних електропроводів є температура 70°С.
Враховуючи підвищену температуру в моторному відсіку (особливо у вантажних автотранспортних засобах), можна вважати, що ізоляція таких електропроводів працює фактично на межі своїх фізичних можливостей, і тому стає цілком зрозумілою ситуація з порівняно великим числом загорянь автотранспортних засобів саме через проблеми з електрообладнанням.
Нагрівання електропроводів КТЗ при штатних режимах роботи відбувається з різним ступенем, що визначається їх призначенням і технічними характеристиками. Наприклад, нагрівання силового електропроводу стартера двигуна автотранспортного засобу відбувається при тривалих за часом (затяжних) стартерних режимах, а також, якщо інтервали між багаторазовими повторними запусками малі. За таких
пускових режимів провідники можуть нагріватися, при цьому відбувається втрата міцності ізоляції, її пересихання, спучування.
Теплові стани електрообладнання автотранспортних засобів при аварійних режимах розглянемо для найбільш типових для нього пожежонебезпечних режимів [55]:
- коротке замикання;
- струмове перевантаження;
- великий (підвищений) перехідний опір.
Коротке замикання (КЗ) виникає в результаті зменшення опору, що може бути викликане виникненням нового електричного кола, яке утворилося внаслідок замикання при руйнуванні ізоляції проводу, електричного пробою через провуглену ізоляцію. КЗ може виникнути і при обриві електропроводу під напругою з наступним дотиканням його неізольованих струмопровідних частин з елементами, що мають іншу полярність. Найбільш типовий випадок – виникнення КЗ при руйнуванні електричної ізоляції, яке відбувається внаслідок механічних ушкоджень, експлуатаційного зносу, частих струмових перенавантажень, а також дії агресивних середовищ і вологи. Струм КЗ для електромереж автотранспортних засобів може становити від декількох десятків до декількох сотень ампер. Значне зростання тепловиділення при КЗ викликає швидке нагрівання горючих речовин і матеріалів аж до їх загоряння.
При КЗ температура в аварійній мережі рідко зростає більш ніж на 15 °С, якщо дане КЗ не відбулося внаслідок струмового перенавантаження. КЗ в електрообладнанні можуть бути металевими і дуговими. Безпосередньо в місцях металевого КЗ температура провідника може сягати 600-800 °С [13]. При дугових КЗ температура в місці дугового розряду може
становити 2000-4000 °С і від неї загоряються всі речовини і матеріали, що розташовані поблизу. При цьому також відбувається розбризкування розплавленого металу, температура частинок якого в вихідний момент понад 1000°С, а отже ці частинки здатні запалити горючі речовини і матеріали.
КЗ в бортовій мережі КТЗ нерідко виникає в результаті руйнування ізоляції при терті об гострі кромки елементів конструкції, чому сприяє вібрація електропроводів під час руху автотранспортного засобу.
Під час струмових перевантажень температура жили проводу може значно перевищити критичну (за термостійкістю) температуру ізоляції (105 °С) [12] і сягнути температури межі руйнування жили. Тому струмові перевантаження, послаблюючи захисні властивості ізоляційної оболонки електропроводів, нерідко є першим ступенем утворення КЗ, а також є причиною загоряння як ізоляції, так і інших горючих матеріалів, які безпосередньо стикаються з провідником, в якому проходить даний аварійний режим. Тривалі струмові перевантаження значно зменшують еластичність і міцність ізоляції провідника через нагрівання (100-130 °С) і в результаті її руйнування згодом нерідко призводять до КЗ [13].
Якщо ж струми перевантаження провідника проходять всередині джгута електропроводів, то через акумуляцію тепла в джгуті, руйнування ізоляції призводить до міжпровідникових КЗ, внаслідок чого уражуються кілька електричних кіл. Температурні умови виникнення такого КЗ можуть становити 200-300 °С, що залежить від різних факторів: способу прокладки проводів усередині джгута;
натягу джгута і окремих електропроводів в джгуті; вигину джгута; зовнішнього механічного впливу. Подальше
зростання струмового перевантаження може закінчитися загорянням електричного джгута [13, 85].
Основною причиною струмових перевантажень є використання нештатних, що перевищують (нерідко в кілька разів) допустимі за потужністю, споживачів електроенергії, використання нестандартних плавких вставок електрозапобіжників або інших апаратів захисту, також використання додаткових електричних споживачів, не передбачених заводом-виробником автотранспортного засобу, неграмотне їх підключення до електромережі автомобіля. Неправильний вибір перерізу і типу електропроводів при ремонті також може призвести до аварійних режимів в електромережі автотранспортного засобу [11].
Ознаки, характерні для струмових перевантажень:
• підвищена температура проводів;
• поверхня ізоляції з боку струмопровідної жили проводу часто має почорніння, обвуглювання;
• поява специфічного запаху розкладання ізоляції;
• потемніння на струмоведучих жилах;
• поява здуття, тріщин, поздовжніх складок на поверхні ізоляції;
• зміна кольору ізоляції;
• реагування на перевантаження контролюючих приладів;
• спрацювання апаратів електрозахисту;
Великий перехідний опір (режим "поганого контакту") виникає при ослабленні кріплення контактів, появі нещільностей в місцях контактів через дію агресивних середовищ (електроліту, води) і утворення окисних плівок на контактуючих поверхнях. Температура в місцях великих
перехідних опорів може сягати рівня в 400 °С залежно від стану контакту і сили струму, що протікає через нього.
Тривале існування режиму "поганого контакту" призводить до перегріву і пошкодження (розплавлення, обвуглення) ізоляції проводів в безпосередній близькості від місця контактного з'єднання, руйнування ізоляторів електроспоживачів, а також комутуючих пристроїв.
Великі перехідні опори часто призводять до металевого КЗ між жилами електропроводів внаслідок руйнування ізоляції. Висока температура, що виникла на великому перехідному опорі, може виявитися причиною загоряння ізоляції проводів, а також інших горючих речовин і матеріалів, що розташовані в безпосередній близькості від цього місця.
Саме у місцях перехідних опорів, перш за все і відбувається небезпечне нагрівання ізоляції, інших дотичних горючих речовин і матеріалів і навіть їх займання. При цьому апарати електрозахисту у вигляді запобіжників не здатні реагувати на "поганий" контакт. Великі перехідні опори виявляються в місцях з'єднань провідників, виготовлених з різних матеріалів. Особливо небезпечними є з'єднання багатожильних проводів, виконані без опресовки або пайки.
1.4. Аналіз технічних рішень та нормативної бази із