Для того чтобы возгорание в некотором месте (потенциальном очаге пожара) произошло, необходимо прежде всего наличие в этом месте веществ и материалов, способных к горению. Из практики известно немало случаев, когда некий аварийный режим имеется (например, в печи, электроприборе), но пожар не начинается, поскольку в зоне действия появляющихся источников зажигания просто нет горючих веществ. На этом принципе основаны многочисленные нормы противопожарной защиты. И эксперту об этом забывать не следует, поскольку эксперт должен знать, какой материал загорелся первым и в каких условиях.

Вид, природа и агрегатное состояние вещества определяют многие его пожароопасные характеристики, в числе которых способность к возгоранию под действием того или иного источника зажигания, форма горения (пламенное, беспламенное, дефлаграционное горение или детонация) и т.д. А от этого зависят и сама возможность возникновения пожара, и его динамика.

У газов (горючих газовых смесей) зажигание может возникать при их контакте с накаленным предметом, при появлении внутри смеси пламени или искры того или иного происхождения, после чего начинается прогрессирующий саморазогрев за счет тепловыделения в результате химических превращений. Увеличение размеров нагреваемой области сопровождается возрастанием суммарного количества выделившегося тепла и доли в нем энергии химической реакции. Воспламенение происходит, если энергия, выделившаяся в разряде, превысит некоторую величину, называемую минимальной энергией зажигания. Инициирование горения смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащих слоев, в которых также начинается химическое превращение с интенсивным разогревом сгорающей газовой смеси, формируется фронт пламени. Сгорание этих слоев влечет инициирование горения следующих и т.д. (до полного послойного выгорания смеси), т.е. происходит распространение пламени.

При воспламенении перемешанной горючей газовой или паровой смеси скорость распространения фронта пламени в спокойном режиме сравнительно невелика (например, для предельных углеводородов – всего 0,32–0,40 м/с, для водорода – 2,7 м/c), а повышения давления и образования ударной волны перед фронтом пламени не происходит. В реальных условиях вследствие действия различных факторов скорость распространения пламени может возрастать до десятков и сотен метров в секунду, что соответствует взрывному дефлаграционному горению. При аварийном выбросе облака горючего газа его сгорание происходит со скоростью 100–300 м/c, и при этом генерируются ударные волны с максимальным давлением 20–100 кПа.

В определенных условиях взрывное дефлаграционное горение облака может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает в несколько раз скорость звука. Горение в замкнутом объеме (например, внутри цистерны, технологического аппарата) имеет определенные особенности. При наличии достаточной концентрации горючего вещества распространение фронта пламени по всему объему может произойти достаточно быстро, взрывообразно – в виде так называемого хлопка. Вследствие образования высоконагретых продуктов горения внутри емкости повышается давление, чего не происходит при сгорании веществ в открытом пространстве, например, при аварийном выбросе горючих веществ в атмосферу. Для горючих газовых смесей давление внутри емкости может достигать 600–900 кПа с возможностью разрушения оболочки.

У жидкостей горят не они сами, а их пары. В результате испарения над поверхностью горючей жидкости образуется паровое облако, смешение и химическое взаимодействие которого с кислородом воздуха обеспечивает формирование зоны горения. Над емкостью с жидкостью в этом случае образуется область, ограниченная сверху тонким светящимся слоем газов – зоной горения, в которую снизу поступают пары горючего, а из воздуха диффундирует кислород. Для воспламенения от источника зажигания смеси и устойчивого горения паров горючей жидкости с окислителем необходимо, чтобы жидкость достигла температуры воспламенения – такой температуры, которая достаточна для поддержания нужной интенсивности испарения, т.е. нужной концентрации паров в смеси. Для горючих жидкостей помимо температуры воспламенения существует и такой параметр, как температура вспышки – это такая температура, при которой источник зажигания может вызвать вспышку (кратковременное горение) смеси паров жидкости с окислителем, но устойчивого горения не происходит, поскольку мала интенсивность испарения жидкости. Температура вспышки несколько ниже температуры воспламенения. Скорость выгорания жидкости после воспламенения не является константой для данного вещества, а зависит, помимо ее свойств, от условий тепломассопереноса (в частности, от размеров зеркала испарения и скорости движения воздуха), определяющего главным образом интенсивность перехода жидкости в газовую фазу.

Горение твердых веществ и материалов в большинстве случаев также происходит в газовой фазе и сопровождается образованием пламени (исключение представляют собой главным образом реакции гетерогенного окисления некоторых веществ с высокотемпературным разогревом их поверхности без образования пламени). Пламенное горение твердых веществ имеет многостадийный характер. При воздействии тепла извне происходит нагрев твердой фазы, сопровождающийся ее разложением и выделением газообразных продуктов, из которых значительную часть составляют горючие вещества. Термопластичные твердые вещества при нагревании способны расплавляться и выделять (в виде паров образующегося расплава) горючие соединения. Все образующиеся при термическом разложении твердых веществ газообразные горючие компоненты в смеси с окислителем способны воспламеняться от источника зажигания или самовоспламеняться и сгорать. Интенсивность и тепловой эффект реакций, протекающих в поверхностном слое конденсированной фазы, а также условия теплообмена факела пламени и газообразных продуктов горения с окружающей средой определяют режимы возникновения (самовоспламенение или принудительное зажигание) и протекания процессов горения.

Распространенный твердый горючий материал – древесина – не так уж хорошо горит, если предварительно его к этому не подготовить, измельчив и подогрев для облегчения процесса термического разложения. Для интенсификации горения древесины необходим приток воздуха, без которого горение, вероятнее всего, будет происходить в беспламенной форме (тления), что особенно характерно для скрытых, заглубленных балок и закладных деталей. Для облегчения и ускорения горения древесины необходим повышенный нагрев. Этому способствует, например, передача тепла через вбитые в древесину гвозди, крючья и другие металлические детали.

Локальные обгорания и сквозные прогары настилов полов и других деревянных конструкций представляют собой объективные свидетельства присутствия в этих местах посторонних веществ. Такие следы образуются при выгорании налитых на них горючих жидкостей, а также в тех случаях, когда такие жидкости или расплавившиеся в условиях пожара пластические массы просачиваются через настил пола в подполье, погреб, конструкции междуэтажных перекрытий.

Поскольку теплопроводность древесины вдоль волокон (с торца) в несколько раз выше, чем поперек волокон, соответственно более интенсивно происходит прогревание материала и, как следствие этого, более высока скорость прогорания древесины с торцевой поверхности. Интенсивнее, при прочих равных условиях, выгорает древесина с повышенной сухостью и на участках, пораженных гнилью.

Своеобразной характеристикой интенсивности и продолжительности горения древесины являются морфологические признаки обгоревшей поверхности: при медленном горении в условиях ограниченного воздухообмена на поверхности древесины наблюдается крупносетчатая структура угля, тогда как при быстром выгорании древесины сетка получается мелкой.

Механизм горения мелкодиспергированных твердых веществ (так называемых пылей) в некоторых аспектах отражает горение твердых веществ (поскольку в данном случае также необходимыми стадиями являются прогрев и газификация твердой фазы) и газовых смесей (в частности, из-за сходства механизма распространения пламени по горючей смеси пыли с окислителем). Отличительной особенностью горения пылей является высокая скорость газификации горючего вещества из-за малых размеров частиц. Образующееся при сгорании выделившихся продуктов газификации тепло обеспечивает быстрый прогрев ближайших слоев пылевого облака, их газификацию и переход на них фронта пламени, соответственно, способствуя быстрому распространению пламени по пылевоздушному облаку. Взвеси мелкодиспергированных твердых материалов широко используются человеком (например, пшеничная мука, угольная пыль, древесные опилки и др.), что при пренебрежении мерами безопасности может вызвать разрушительные взрывы (например, на элеваторах, шахтах и других производствах).

Если с пламенным горением картина более или менее ясна, то такое часто встречающееся при пожарах явление, как беспламенное горение (тление) нередко ставит экспертов в затруднительное положение. Нет полной определенности в источниках информации, какие вещества и материалы способны к тлению, а какие нет; а также в каких условиях, при каких воздействиях тление возникает. Рассмотрим, как можно преодолеть возникающие в практике ПТЭ в связи с этим проблемы.

Фактором, определяющим возможность возникновения тления некоторого материала, оказавшегося в контакте с непотушенным табачным изделием, частицей горящей древесины, раскаленной частицей металла и т.п., являются: во-первых, его природа и, во-вторых, возможность его тления при определенных условиях.

Например, горение не возникает от тлеющей сигареты, попавшей на слой отвердевшего битума, термопластичные материалы (полистирол, полиэтилен и др.), плавящиеся при нагревании, или на поверхность деревянного стола, пола (хотя древесные опилки к тлению склонны, как и сама древесина, достаточно прогретая в массе).

Устойчивому тлению подвержены только пористые материалы, образующие твердый углистый остаток при нагревании: мелкодисперсная древесина, бумага, целлюлозные, вискозные и шерстяные ткани, слоистые пластики, латексная резина, некоторые термореактивные пластмассы, включая пенопласты.

Тление может возникнуть в предрасположенном к этому материале при соприкосновении с тлеющей тканью (сигаретой, папиросой и др.) и в результате воздействия других, в том числе более мощных источников зажигания (например, раскаленных частиц, образующихся при электро- и газосварке; перегретой от трения поверхности металла или открытого пламени; раскаленной поверхности – при контактном воздействии и за счет теплового излучения). Иногда пламенное горение вещества по тем или иным причинам прекращается, и возникает тление, которое в дальнейшем может прекратиться либо, наоборот, вновь перейти в пламенную форму.

Таким образом, тление и, соответственно, его признаки возможны и без малокалорийного источника, который без тления (как промежуточного процесса перед пламенным горением) редко приводит к пожару подобных материалов. Особенностью тления в массе материала является то, что внешне этот процесс может быть достаточно долго не обнаружен, так как развиваемые температуры сравнительно невысоки (как правило, в зоне тления не выше 600 оС, что существенно меньше температуры пламени), а выделяющиеся дым и другие газообразные продукты большей частью адсорбируются на развитой внутренней поверхности пористого материала.

Для измельченных органических материалов (например, древесных опилок, пылей органических веществ, муки) существует некоторая минимальная толщина слоя, при которой может происходить тление. Например, для обычных сосновых опилок минимальная высота слоя, в котором идет тление, составляет около 2 мм. Эта величина будет своя для каждого вида материала (дисперсности частиц, влажности) в зависимости от условий воздухообмена в слое, которым и определяется скорость продвижения фронта тления по материалу. Механизм процесса определяется условиями накопления тепла, необходимыми для послойного прогрева материала, и интенсивностью притока окислителя. Скорость распространения тления вверх превосходит скорость распространения тления в горизонтальном и, тем более, в нисходящем направлениях, что обусловлено подъемом горючих газов и летучих продуктов деструкции. С увеличением влажности опилок скорость распространения тления снижается.

Хорошо тлеют кожа, изготовленная по методу хромового дубления, латексные резины. Эластичные пенополиуретаны, которые широко используются при изготовлении набивки мягкой мебели, и пенофенопласты способны к тлению при температурах меньших, чем развиваемые при тлении целлюлозных материалов. Тление жестких пенополиуретанов и полипеноизоциануратов происходит по поверхности и не уходит вглубь, пока не произойдет механическое разрушение пенопласта, обеспечивающее приток воздуха во внутренние слои материала.

Тлеющее горение может возникать и в случае, если прогревается пористый материал (ткань, опилки), пропитанный горючей жидкостью, которая, в свою очередь, способна к экзотермическому окислению на воздухе. Такие явления характерны, например, для теплоизоляции труб паропроводов и продуктопроводов на тепловых электростанциях, химических и нефтеперерабатывающих заводах при натекании на них горючей жидкости, постепенно распространяющейся по порам материала. Наличие большой свободной поверхности окисления жидкости в контакте с воздухом влечет выделение и накопление тепла, и в определенный момент начинается тление. Во всех случаях процесс сравнительно низкотемпературного тления может продолжаться многими часами, сутками и вообще не перейти в пламенное горение.

Итак, в ПТЭ прежде всего необходимо определиться с тем, были ли какие-либо горючие вещества и материалы в очаге пожара, и если были, то какие конкретно. Необходимо располагать следующими сведениями:

какие конкретно вещества и материалы находились на объекте пожара;

в каком виде они находились (в насыпь, в навал или в таре, упаковках определенных вида и размеров);

каково их количество и состояние (мелкодисперсное или в виде крупноразмерных кусков и т.п.);

возможно ли присутствие на веществах и материалах посторонних веществ (включая и загрязнения), каких конкретно;

каково пространственное расположение, размещение по площади объекта в целом и в зоне очага пожара – в частности.

Данные вопросы, как правило, выясняются следователем на этапе расследования, предшествующем назначению экспертизы, либо уже после ее назначения по ходатайству эксперта. От ответа на них зависит результат оценки экспертом возможности первичного возгорания в очаге пожара.

Если в распоряжение эксперта предоставлены остатки вещества из зоны очага пожара (со следами термического воздействия или без таковых), то проводится исследование с целью установления его вида. При этом используются различные методы (например, ИК- или УФ-спектрометрия, хроматография и др.). Подробное перечисление, и тем более изложение этих методов выходит за рамки настоящего пособия, они могут быть найдены в соответствующих научных работах³2.

После того как установлена природа вещества, по справочным данным могут быть определены его свойства и, в частности, показатели пожарной опасности. При наличии веществ (материалов) в качестве образцов для сравнительного исследования в достаточном количестве могут быть проведены исследования по методикам ГОСТа 12.1.044–89, позволяющие получить надежные данные о самых разнообразных пожароопасных свойствах веществ. Это важно для тех веществ, которые отсутствуют в справочной литературе. В испытаниях оказывается возможным учесть зависимость искомых характеристик веществ от присутствия в испытываемых веществах различного рода добавок, присадок и загрязнений.

Следует при этом отметить, что результаты, получаемые при таких исследованиях, а также указанные в справочных изданиях сведения о свойствах веществ и материалов относятся только к чистым их образцам и, что весьма важно, строго к тем условиям испытаний, которые предусмотрены в стандартах. Однако специалистам в области противопожарной защиты и исследования пожаров хорошо известно, что любая физическая величина и тем более – пожароопасная характеристика (например, температура воспламенения) строго зависит от условий, в которых она получена. Если изменить хотя бы частично условия проведения испытаний, то будет получено и иное значение того же самого параметра. По этой причине данные, приведенные в справочниках или полученные при проведении испытаний по стандартизованным методикам, можно использовать при решении экспертных задач лишь в качестве ориентировочных, поскольку на практике вещества и материалы оказываются в условиях, далеко не всегда соответствующих тем, которые предусмотрены в стандартах. Пожарная нагрузка представляет собой, как правило, сочетание или смесь веществ, наличие наслоений и загрязнений, характеризующихся повышенной пожарной опасностью и облегчающих возгорание в целом.

На разрешение эксперта иногда ставятся вопросы о пожароопасных свойствах веществ и материалов без прямой привязки к механизму возникновения и развития пожара, обстоятельства которого выясняются, например:

Возможно ли тление материала более 1 ч до его воспламенения?

К какой группе горючести относится материал полиэтиленовых трубок (клеенки, мебельной обивки...)?

При абстрактном (для определения классификационной группы по горючести, без привязки к конкретным условиям) решение этих вопросов осуществляется путем проведения испытаний по стандартам (например, по ГОСТу 12.1.044–89). При оценке пожарной опасности вещества (материала) под воздействием определенного по характеристикам источника зажигания проводятся испытания с использованием соответствующего источника (см. следующий раздел) и моделированием условий согласно заданным в постановлении следователя о назначении экспертизы.