Czasem mniej znaczy więcej (cz. 1)

Wraz z kolegami z Ośrodka Szkolenia KW PSP w Olsztynie szukamy okazji do rozwoju i testowania technik ratowniczych. Taka sposobność pojawiła się, kiedy w okolicy nowo budowanej drogi przeznaczono dom do rozbiórki. Nota bene był to dom strażaka, który przez wiele lat pracował w naszym ośrodku.

Trzeba było zacząć od przygotowania formalności - te ustaliliśmy z przedstawicielami wykonawcy drogi. Później potrzebny był pomysł na całe przedsięwzięcie. Co prawda ćwiczeń poświęconych podstawowym zagadnieniom nigdy za wiele, ale tym razem nie chcieliśmy już powielać utartych schematów szkoleniowych. Ostatecznie postanowiliśmy się przyjrzeć możliwościom i ograniczeniom mgły wodnej, szczególnie podawanej pod wysokim ciśnieniem. Ten pomysł podsunął mi kiedyś mój kolega Roy Reyes, instruktor CFBT ze Szwecji.
Aby nasze ćwiczenia mogły mieć walory edukacyjno-badawcze, potrzebne był stosowne udokumentowanie ćwiczeń. Wykorzystaliśmy zatem zestaw termopar z wyświetlaczem, zdemontowany z naszego trenażera ogniowego. Obok obiektu ustawiliśmy wyświetlacz czasu, na co dzień służący do pomiarów podczas zawodów w sporcie pożarniczym. Przebieg całych ćwiczeń nagrywaliśmy z kilku kamer: stacjonarnej (pokazującej prowadzone działania, wskazania termopar i czas), hełmowej - poruszającej się po terenie akcji, zamontowanej na dronie unoszącym się ponad terenem ćwiczenia oraz termowizyjnej z opcją nagrywania obrazu.
W czasie zaplanowanych przez nas ćwiczeń w Ośrodku trwało szkolenie uzupełniające strażaka jednostki ochrony przeciwpożarowej. Dzięki temu mieliśmy zapewnione zabezpieczenie w postaci dwóch GBA i GCBA z pełnymi obsadami. Dodatkowo wykorzystaliśmy zbiornik przenośny o pojemności 16 m³.
Ćwiczenia obserwowali m.in. warmińsko-mazurski komendant wojewódzki PSP wraz z zastępcą oraz funkcjonariusze z KW PSP w Olsztynie, KM PSP w Olsztynie i Zakładowej Straży Pożarnej Michelin SA. Z różnych zakątków kraju przybyło grono strażaków współtworzących inicjatywę cfbt.pl oraz przedstawiciele firm dostarczających sprzęt przeznaczony do testowania. Wsparcia w czuwaniu nad stroną merytoryczną udzielił nam bryg. dr hab. inż. Jerzy Gałaj, prof. SGSP - kierownik zakładu hydromechaniki i przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę w katedrze techniki pożarniczej Wydziału Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego SGSP. Na bieżąco ustalaliśmy z panem profesorem szczegóły przebiegu ćwiczenia, bo podczas przygotowań pojawiało się coraz więcej istotnych kwestii wymagających rozważenia.

Obiekt ćwiczeń

Obiekt wykonany był z otynkowanych cegieł, nie miał podpiwniczenia. Drewniana konstrukcja dachu była pokryta dachówką ceramiczną i miała szereg pustych przestrzeni, pełniących funkcję izolacyjną. W większości pomieszczeń na ścianach i suficie znajdowała się boazeria lub panele z płyty pilśniowej z elementami drewna. Palne wykończenie znacznie wpływało na dynamikę rozwoju pożaru, a to z kolei determinowało scenariusz ćwiczeń.

W trakcie przygotowań udało się nam zgromadzić paliwo, które podzieliliśmy na wsady paliwowe podobnej wielkości. Każdy z nich składał się z kanapy tapicerowanej, kilku krzeseł i desek drewnianych oraz pewnej ilości sklejki - łącznie około 1 m³ drewna i produktów drewnopochodnych (fot. 2.). Taka ilość paliwa, w połączeniu z palnym wykończeniem wnętrz zapewniała wydzielanie się w pożarze ciepła mogącego doprowadzić do rozgorzenia [1]. Średnia wartość szczytowa mocy pożaru (Heat Release Rate - szybkość wydzielania się ciepła) dla kanapy tapicerowanej wynosi około 2500-4000 kW. Dla drewna będzie to około 2000 kW, dla różnych rodzajów sklejki nawet do 5000 kW. Taka moc pożaru może z powodzeniem doprowadzić do zjawiska rozgorzenia w średniej wielkości pokoju, jeśli powietrze dostarczane jest przez otwarte drzwi [2, 3].

W obiekcie rozmieściliśmy łącznie pięć termopar. Pokazywały one na tablicy umieszczonej na zewnątrz budynku wyniki pomiaru temperatur w interesujących nas miejscach w podpalanym pomieszczeniu:

1. temperaturę ponad pożarem w odległości ok. 30 cm od sufitu, ponad kolumną konwekcyjną ognia - KKO2) temperaturę poniżej termopary nr 1, na wysokości około 120 cm od podłogi (powyżej czubka głowy strażaka poruszającego się przy ziemi na kolanach),
2. temperatura poniżej termopary nr 2, na wysokości około 30 cm od podłogi (miejsce znajdowania się nieprzytomnych osób poszkodowanych),
3. temperaturę w odległości ok. 30 cm od sufitu, termopara w miejscu spadzistego dachu (po lewej stronie na fot. 2),
4. temperaturę pod sufitem w drugim pomieszczeniu na tej samej kondygnacji - w pomieszczeniu, którego okno zostało użyte do odprowadzenia dymu podczas natarcia.

Miejsca rozmieszczenia termopar zostały oznaczone na rysunkach (rys. 1 i rys. 2).

Scenariusz zakładał, że po rozpaleniu pożar będzie się rozwijał swobodnie przez 10 min, czyli w ciągu przybliżonego czasu alarmowania, dojazdu strażaków oraz rozwinięcia linii głównej i gaśniczych linii zasilających. z najbliższej jednostki (JRG nr 1 KM PSP w Olsztynie).
Nasze przedsięwzięcie miało zbadać przydatność mgły wodnej. Należało zatem wypracować scenariusz działania uwzględniający użycie odpowiedniego sprzętu we właściwy sposób i w stosownym czasie. Ze względu na odległość, czas dojazdu jednostki PSP oraz czas swobodnego rozwoju pożaru w momencie przybycia strażaków pożar znajdowałby się w stadium pożaru kontrolowanego przez wentylację (dostęp powietrza), z dużym prawdopodobieństwem wystąpienia tzw. pożaru nieodwietrzonego. Jest to skrajny przypadek pożaru kontrolowanego przez wentylację, gdy duża ilość skumulowanego ciepła powoduje powstanie bogatej mieszaniny palnych gazów pożarowych, a do zamknięcia trójkąta spalania brakuje jedynie tlenu. Taki pożar stanowi zagrożenie głównie z uwagi na to, że gorący dym może się spalać, wydzielając duże ilości ciepła po wykonaniu dostępu powietrza (np. otwarciu drzwi). Sprzyja również występowaniu zjawiska backdraftu (wstecznego ciągu płomieni). W takich przypadkach zaleceniem taktycznym jest wstępne schłodzenie gazów pożarowych we wnętrzu, w miarę możliwości połączone z odprowadzaniem dymu przez usytuowane wysoko otwory (okna na piętrze, wycinkę w dachu, klapy oddymiające itd.). Odprowadzanie dymu „w wysokim punkcie” powoduje spadek stężenia palnych gazów we wnętrzu, a także redukcję energii cieplnej uwięzionej w obiekcie przy jednoczesnym braku możliwości doprowadzenia tlenu do wnętrza z uwagi na zjawisko konwekcji (przepływ gorących gazów w górę wynikający z mniejszej gęstości i większego ciśnienia - cały otwór staje się wylotem). Należy wówczas pamiętać, że jednoczesne otwarcie drzwi czy okna w niższej części wytworzy silny przepływ (tzw. cug - jak w piecu), w krótkim czasie intensyfikujący proces spalania. W związku z tym należy to czynić dopiero gdy istnieje możliwość podawania wody i gotowość do przeprowadzenia zdecydowanego natarcia na ognisko pożaru.
W naszym scenariuszu zdecydowaliśmy się na pominięcie wstępnej wentylacji w wysokim punkcie. Bardzo strony dach utrudniał prowadzenie szybkiej wycinki dachowej. Drugim powodem była chęć wykorzystania budynku do prowadzenia kolejnych scenariuszy zakładających wykorzystanie mgły wodnej. Nasz plan zakładał sprawdzenie trzech różnych urządzeń do podawania mgły wodnej przy wysokim lub ultrawysokim ciśnieniu. Jak dotąd nie zdefiniowano precyzyjnie klasyfikacji wartości ciśnienia, niemniej jednak często podział ten wygląda następująco:

• normalne - do 35 bar,
• wysokie - od 35 bar do 70 bar,
• ultrawysokie - powyżej 70 bar.

Właściwości wody

Wartość ciśnienia w urządzeniach generujących mgłę ma wpływ na dwie istotne rzeczy. Pierwszą z nich jest wielkość kropelek. Podawanie wody za pomocą prądownicy typu turbo pozwala na osiągnięcie kropli o wielkości około 700-1000 mikronów (tysięcznych części milimetra). Wykorzystując ultrawysokie ciśnienie, możemy uzyskać krople wielkości około 150 mikronów. Systemy pracujące z wysokim ciśnieniem plasują się gdzieś pomiędzy. Oznacza to, że podając tę samą ilość wody z różnych systemów, uzyskujemy różną powierzchnię styku wody z gorącym środowiskiem. Największa jest w systemach tworzących mniejsze kropelki z danej ilości wody aplikowanej w jednostce czasu. Pozwala to na lepsze odparowanie i znacznie skuteczniejsze chłodzenie. Z drugiej strony wyższe ciśnienia powodują znacznie większe straty wynikające z przepływu przez odcinki. Stąd zazwyczaj im wyższe ciśnienie danego systemu (urządzenia) podającego mgłę wodną, tym niższa wydajność (l/min). Mniejsza ilość wody podawana w danym czasie kompensowana jest większą skutecznością chłodzenia. Wysokie ciśnienie i wysoka wydajność jednocześnie generują tak duże siły reakcji (odrzutu) na prądownicy, że przekraczają one możliwości fizyczne człowieka i powodują zbędne zagrożenia. Dlatego właśnie - nawiązując do tytułu - czasem mniej znaczy więcej.
Drugim ważnym aspektem jest prędkość przemieszczania się kropelek. Jej wpływ na skuteczność gaśniczą powiązany jest z pierwszym omówionym parametrem, czyli wielkością kropli.
Prędkość przemieszczania się kropli wpłynie na energię kinetyczną oraz pęd pojedynczej cząsteczki (pęd to iloczyn masy i prędkości), a to z kolei zdefiniuje zdolność tej kropli do przemieszczania się. W teorii gaszenia za pomocą wody ważne jest, aby przy chłodzeniu gazów pożarowych kropelki wody z jednej strony pokonywały pewną wymaganą odległość (zasięg gaszenia płomienia lub chłodzenia dymu), a z drugiej strony na odpowiedni czas „zawisły” w powietrzu czy dymie, aby odparowanie było jak najpełniejsze. Jak wiadomo, woda chłodzi najskuteczniej podczas odparowania. Wartość utajonego ciepła przemiany fazowej wody (ilość energii cieplnej potrzebna na odparowanie jednostki masy wody bez zmiany jej temperatury, czyli w 100°C) jest kilkukrotnie większa od wartości ciepła właściwego wody (ilości energii potrzebnej do ogrzania jednostki masy wody o nawet kilkadziesiąt stopni) [4, 5].
Można w uproszczeniu powiedzieć, że woda, która nie odparowała w pożarze i znalazła się na podłodze, osiąga skuteczność chłodzenia maksymalnie na poziomie 14% w stosunku do swojego potencjału. To oczywiście pewien skrót myślowy, ale zwraca uwagę na kwestię świadomego wykorzystania wody poprzez dobór urządzeń, technik oraz taktyki działania.
Jak widać z powyższych rozważań, skuteczność gaśnicza wybranych systemów jest wypadkową wielu elementów składowych. Do tego dochodzą cechy materiałów, np. wnętrza odcinków wykorzystanych do przesyłu wody, definiujące tarcie i wynikające z niego straty, stan urządzeń, zanieczyszczenia w wodzie używanej do celów gaśniczych itd.
Wypada w tym miejscu oczywiście dodać, że chłodzenie fazy gazowej, doskonale realizowane za pomocą mgły wodnej, to jedynie część problemu w pożarach - pozostają jeszcze nagrzane paliwa. Jeśli w wyniku oddziaływania płomienia (promieniowania ze strefy spalania lub gazów pożarowych - od nagrzanej warstwy zadymienia lub opływania przez gorące gazy) powierzchnie ciał stałych nagrzeją się do temperatury przekraczającej około 200°C, to rozpoczyna się ich rozkład termiczny, powodujący produkcję gazowych paliw, czyli tzw. odgazowywanie. Podana tu wartość jest uśrednieniem, zakres temperatur odgazowywania paliw jest nieco szerszy (około 150-350°C), jednakże przy około 200°C większość ciał stałych będzie intensywnie odgazowywać. Produkowane wówczas gazy pożarowe są bardzo groźne, ponieważ nie uległy jeszcze spaleniu, a zatem potencjalnie mają w sobie dużo energii cieplnej do uwolnienia w procesie spalania. Dodatkowo, jak udowadniają badania, owe gazy związane są z mechanizmem powstawania groźnych zjawisk pożarowych, jak wybuch dymu czy wsteczny ciąg płomienia [6].

Scenariusz

Powyższe fakty i wnioski doprowadziły do powstania zarysu scenariusza naszych działań. Po przyjeździe i dokonaniu rozpoznania 360 (obejście obiektu lub w miarę możliwości obejrzenie w celu rozpoznania wszystkich jego stron) strażacy mieli przygotować się do natarcia wewnętrznego, a jednocześnie wprowadzić do wnętrza obiektu mgłę wodną, aby zneutralizować zagrożenia ze strony gazów pożarowych. Wprowadzanie mgły miało być wykonane bez dotleniania strefy spalania. W tym celu używaliśmy bardzo mocnej wiertarki akumulatorowej, która stanowi doskonałe uzupełnienie lancy (pisałem o tym w artykule w PP 7/2106). Z uwagi na brak wierteł do drewna i chęć zachowania nienaruszonych szyb do kolejnych prób przewiert wykonaliśmy w ścianie, co przy posiadanym sprzęcie paradoksalnie okazało się znacznie łatwiejsze i szybsze niż w drewnianej framudze. Po wprowadzeniu pewnej ilości mgły wodnej strażacy mieli przeprowadzić natarcie wewnętrzne i wspierając się wentylacją nadciśnieniową, dogasić pozostałe zarzewia ognia za pomocą prądownic wodnych. Następnie obiekt miał zostać przewietrzony i ponownie zbadany za pomocą kamer termowizyjnych na obecność pożarów ukrytych.

W pierwszym scenariuszu zdecydowaliśmy się na użycie tzw. szpili mgłowej (fognail), czyli małej lancy mocowanej za pomocą szybkozłączki na końcu linii szybkiego natarcia. W kolejce czekały też inne systemy, jednak z uwagi na szereg trudności organizacyjnych udało się nam dostatecznie udokumentować jedynie działania z wykorzystaniem tego rozwiązania, a inne jedynie sprawdzić w boju. Niemniej jednak warto wrócić do pozostałych systemów i poświęcić im nieco więcej uwagi [7].

Systemowe gaszenie

Poniżej przedstawiona zostanie krótka charakterystyka systemów, którymi dysponowaliśmy:

1. Szpila gaśnicza fognail (wykorzystana w pierwszym scenariuszu), czyli niewielka lanca występująca w dwóch wariantach: natarcie (stożek mgły wodnej) oraz obrona (parasol mgły wodnej). Wersja do natarcia osiąga całkiem niezły zasięg - około 8 m, przy ciśnieniu na pompie 40 bar i szacowanej wydajności około 80 l/min.
2. System Oertzen HDL 250 - agregat gaśniczy ultrawysokiego ciśnienia, składający się z silnika, pompy i - opcjonalnie - zbiornika oraz różnorodnej armatury. System generuje ciśnienie rzędu 250 bar, podając mgłę wodną z wydajnością 23 l/min (wydajność wodna). Osiąga podobny zasięg, jak opisana wcześniej szpila gaśnicza. Szeroki asortyment armatury pozwala na dosyć dużą uniwersalność, a jednym z ciekawszych rozwiązań jest podawanie piany sprężonej. Strumień mgły można regulować między stożkiem a strumieniem zwartym mgły wodnej.
3. System Rot-Fire - agregat gaśniczy ultrawysokiego ciśnienia, o budowie podobnej do opisanego powyżej poprzednim punkcie. System generuje ciśnienie rzędu 150 bar, podając mgłę wodną z wydajnością 32 l/min (wydajność wodna). Osiąga podobne zasięgi, jak poprzednie systemy. Również tu dostępny jest szeroki asortyment armatury i podobne możliwości zastosowania. Strumień mgły można regulować między stożkiem a strumieniem zwartym mgły wodnej.

Zdjęcia i rysunki obrazują szczegóły naszych testów. W kolejnej części artykułu przedstawione zostaną udokumentowane wyniki pomiarów oraz ich interpretacja, a także wnioski, które nasunęły się po realizacji ćwiczeń.

Nasze badania pokazały szereg trudności, które można napotkać w tego typu przedsięwzięciach. Na pewno sporo się nauczyliśmy i będziemy mądrzejsi o te doświadczenia podczas kolejnych prób.

Literatura:

[1] Fire Investigator. Principles and practices to NFPA 921 and NFPA 1033, 3rd Edition, National Fire Protection Association, Quincy, MA.
[2] Heat Release Rates of Burning Items in Fires, Hyeong-Jin Kim, David G. Lilley, Lilley & Associates, Stillwater, OK, 38th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit lo-13 January 2000 / Reno, NV.
[3] Changing Severity of Home Fires Workshop Report, U.S. Fire Administration/National Fire Data Center.
[4] O pożarach wewnętrznych po nowemu, S. Kokot-Góra, 2013.
[5] Techniki operowania prądami gaśniczymi, S. Kokot-Góra, AirPress, 2015.
[6] Quantitative Backdraft Experiments, C.M. Fleischmann, P.J. Pagni, R.B. Williamson, 1994.
[7] Filmy z testów dostępne w serwisie Youtube na kanale „Szymon Kokot-Góra”.

mł. bryg. Szymon Kokot-Góra jest starszym oficerem ds. szkolenia w CERN Fire Brigade, współautorem programu szkolenia z pożarów wewnętrznych, członkiem IFIW

październik 2016