Czasem mniej znaczy więcej (cz. 2)

W ostatnim numerze PP opisałem przygotowania do ćwiczeń w pozyskanym budynku, przeznaczonym do wyburzenia. W tej części przybliżę przebieg scenariusza oraz naszych działań, podzielę się również garścią przemyśleń, które nasunęły się nam po zrealizowaniu tego przedsięwzięcia.

Było to pierwsze tego typu przedsięwzięcie w naszym wykonaniu. Scenariusz mógł wystartować dopiero, gdy ustaliliśmy wszystkie szczegóły, a tych nie brakowało.

Termopary

Przy pomocy około 20 ml rozpałki do grilla w płynie zapoczątkowany został proces spalania, a pierwszy płomień znajdował się przy samej podłodze. Rozpoczęliśmy pomiar czasu oraz rejestrację odczytów z termopar (rys 1). Punkty pomiarowe zostały rozmieszczone:

• T1 - około 30 cm od sufitu, przesunięty około 2 m w poziomie względem osi pionowej kolumny konwekcyjnej ognia (KKO),
• T2 - poniżej T1 w pionie, około 120 cm nad poziomem podłogi,
• T3 - poniżej T1 oraz T2 w pionie, około 30 cm nad poziomem podłogi,
• T4 - około 30 cm od sufitu, przesunięty około 2 m w poziomie względem osi pionowej KKO. Ten punkt różnił się jednak od punktu T1. Znajdował się w innym miejscu, termopara została bowiem wsunięta przez otwór wywiercony w dachu. Punkt pomiaru znajdował się więc w pobliżu płomienia z KKO zakrzywiającego się na suficie i wędrującego w stronę, z której napływało powietrze (drzwi do pomieszczenia), stąd zarejestrowane tu temperatury były nieco wyższe niż w T1. Dla ułatwienia na wykresie został opisany jako KKO,
• T5 - około 30 cm od sufitu w sąsiadującym pomieszczeniu.

Rys. 1. Przebieg pomiarów i rozmieszczenie termopar: T1 - w pobliżu KKO, 30 cm pod sufitem, T2 - 120 cm nad podłogą pod T1, T3 - 30 cm nad podłogą, pod T2, T4 - pod sufitem w pobliżu KKO, T5 - pod sufitem w innym pomieszczeniu

 Wystarczyły niespełna dwie minuty, by zaczęła powstawać warstwa podsufitowa, a dym rozpływał się po obiekcie. Termopary zaczęły rejestrować powolne podnoszenie się temperatur. Największa dynamika wzrostu wystąpiła oczywiście w miejscach pomiaru położonych najwyżej oraz najbliżej źródła pożaru, czyli w punktach T1 i T4. Po niespełna czterech minutach temperatura wynosiła już powyżej 200°C. W piątej minucie temperatura pokazywana przez termoparę T2, a zatem na wysokości około 120 cm od podłogi, również przekroczyła 200°C. Jest to umowna przybliżona temperatura rozkładu termicznego większości paliw stałych. Oznacza to, że gdyby istniał dopływ powietrza do strefy spalania, to dosyć szybko doszłoby do zjawiska rozgorzenia. Warto zauważyć, że dostęp powietrza mógłby być zapewniony przez okno wypadające od temperatury lub… przez straż pożarną. Podkreślmy raz jeszcze: wybijanie (otwieranie) okien w celu oddymiania pomieszczeń powinno być zawsze traktowane jako czynność z zakresu wentylacji taktycznej [1]. Dotyczy to szczególnie pomieszczeń usytuowanych w pobliżu ogniska pożaru, wykazujących oznaki pożaru nieodwietrzonego (duża ilość turbulentnego i ciemnego dymu). Doprowadzanie powietrza w jakikolwiek sposób (w tym otwarcie drzwi) bez natychmiastowego podjęcia działań gaśniczych zawsze zintensyfikuje spalanie.

W pomieszczeniu, w którym trwał pożar, znajdowało się palne wykończenie - płyty i drewno na całej powierzchni wszystkich ścian oraz sufitu. Dodatkowo była tam częściowo zerwana wykładzina, odsłaniająca pas drewnianej podłogi. Jak się później okazało, to znaczne nagromadzenie paliwa (w połączeniu z przygotowanym wsadem paliwowym, opisanym w pierwszej części artykułu) doprowadziło - paradoksalnie - do swoistej stabilizacji sytuacji pożarowej we wczesnej fazie rozwoju. Ze względu na szczelność okien na pierwszym piętrze dym zbierał się w strefie podsufitowej, której wysokość od sufitu rosła (płaszczyzna neutralna obniżała się). Dostęp powietrza był możliwy jedynie przez klatkę schodową z poziomu niżej. Stosunkowo szybki rozwój pożaru w pierwszej fazie (swobodny napływ tlenu z piętra poniżej) oraz osiągnięcie temperatur przekraczających 200°C doprowadziły do tego, że paliwo zaczęło intensywnie odgazowywać (przechodzić proces rozkładu termicznego i pirolizy, produkując gazy pożarowe). Duża dynamika produkcji gazów pożarowych i dymu spowodowała obniżenie warstwy zadymienia praktycznie do poziomu podłogi i zmniejszenie dynamiki dotleniania ogniska pożaru, co można zaobserwować na wykresie temperatur.

Łyk teorii

Ponownie należy podkreślić, że stworzenie możliwości odpływu dymu w wysokim punkcie, przy jednoczesnym doprowadzaniu powietrza poniżej, z czasem doprowadziłoby do znacznej intensyfikacji procesu spalania, jeśli szybkość wydzielania się ciepła (ang. heat release rate) nie zostałaby zmniejszona (co w praktyce oznacza podanie środka gaśniczego na ognisko pożaru). Patrząc na wykres, moment tego wyhamowania dynamiki pożaru można zauważyć po około 5 min pożaru (300 s). Mniejsza ilość powietrza (tlenu) zaczyna dopływać do strefy spalania, co oznacza zmniejszenie szybkości wydzielania ciepła (reguła Thorntona). Jednocześnie stężenie gazów palnych jest tak wysokie (bogata mieszanina), że nie ma fizycznych warunków do występowania płomieni. Przypomnijmy, że płomień jest przestrzenią gazową, w której wnętrzu znajduje się paliwo, na zewnątrz występuje tlen, a na styku obu tych obszarów tworzy się strefa reakcji. Im większy płomień, tym większa jego powierzchnia powoduje emisję promieniowania cieplnego, a z drugiej strony potrzebuje on większego dostępu powietrza. Jeśli dostęp ten zostaje zmniejszony, zmniejsza się powierzchnia (wysokość) płomienia oraz wartość promieniowania cieplnego w nim generowanego, przekładającego się na temperaturę osiąganą przez otoczenie.

W ten oto sposób charakterystyka paliwa w połączeniu z warunkami wymiany gazowej doprowadziła do przejścia pożaru w stan niedowietrzenia i zmniejszenia jego intensywności. Jak wspomniałem w pierwszej części artykułu, wysokie stężenie gazów pożarowych pochodzących z procesu pirolizy i rozkładu termicznego oraz utrzymywanie się podwyższonej temperatury, a także obecność skutecznego źródła zapłonu wewnątrz obiektu stanowią główne czynniki ryzyka zaistnienia zjawiska wstecznego ciągu płomienia (backdraft), stwarzają również możliwość wystąpienia wybuchu dymu. Właśnie dlatego należy w takich okolicznościach rozważyć podanie mgły wodnej bez doprowadzania dodatkowego powietrza [2]. Od dekad, w różnych częściach świata, stosuje się w tym celu lance mgłowe. Można więc z satysfakcją powiedzieć, że nasz pomysł na scenariusz się sprawdził, a praktyczna realizacja założeń doprowadziła do stworzenia idealnych warunków do wypróbowania założonej techniki i taktyki działania.

Wracając do pożaru

Przez kilka kolejnych minut, które upłynęły od zainicjowania pożaru do przybycia sił pierwszego rzutu na miejsce zdarzenia, temperatury w górnych warstwach zaczęły spadać, natomiast termopary położone niżej odnotowywały powolny, ale stabilny wzrost. Oznacza to, że płomień nie wędrował już po suficie, jednak mimo tak ograniczających warunków pożar nadal trwał i generował ciepło, kumulujące się w obiekcie. Znalazł swoje equilibrium, swój stan równowagi. Wcześniej turbulentne przepływy się ustabilizowały, co pozwoliło na wytworzenie niewielkiego, stabilnego kanału napływu powietrza do strefy spalania i dalszy powolny rozwój pożaru.

Słowo o gazach

Po raz kolejny warto nie przegapić pewnej lekcji - do której zresztą jeszcze wrócimy. Jak powszechnie wiadomo, zgodnie z prawem gazu doskonałego (pV = nRT) każdy ogrzewany gaz zwiększa swoją objętość, a każdy gaz chłodzony ją zmniejsza. Przykładem może być zjawisko pułapki wodnej - im wyższa temperatura gazów pożarowych, tym więcej pary powstanie z 1 l wody. Dlatego zawsze chłodzimy gazy pożarowe, wykorzystując prądy o niskiej wydajności i ostrożnie aplikując wodę małymi porcjami (V = nRT/p). W momencie intensywnego rozwoju pożaru i wzrostu temperatury produkcja gazów pożarowych wraz z podwyższonym ciśnieniem (p = nRT/V) powoduje rozprzestrzenianie się gazów, bo układ, jak wszystko inne w naturze, dąży do stanu równowagi. W momencie zmniejszenia intensywności spalania dochodzi do obniżenia temperatury, a zatem zmniejsza się nieznacznie objętość wyprodukowanych już gazów pożarowych. Dzięki temu powietrze może znaleźć sobie ponownie drogę do ogniska pożaru, tym bardziej że przepływy (gazów na zewnątrz i powietrza do środka) są mniej turbulentne, a zatem nie zakłócają się wzajemnie tak silnie. Do tego trzeba jeszcze dodać, że w pożarze temperatury różnią się miejscowo (doskonale pokazuje to nasz wykres) i może zaistnieć sytuacja, w której temperatura w strefie podsufitowej maleje wraz z jednoczesnym wzrostem temperatury w niższych warstwach. Mechanika płynów (gazów) zapewnia pełną płynność zmian takiego układu. Przechodząc do dalszej analizy przebiegu naszego scenariusza, miejmy na uwadze zachowanie gazów wynikające z prawa gazu doskonałego, czyli zmiany objętości pod wpływem zmian temperatury.

Działania gaśnicze

Po upływnie 10 min (600 s) od zapłonu rozpoczęliśmy działania gaśnicze. Ten czas został przyjęty na podstawie odległości naszej lokalizacji od najbliższej jednostki (JRG 1 KM PSP w Olsztynie), z uwzględnieniem sugerowanego czasu dojazdu wskazanego przez system nawigacji drogowej.

Mieliśmy określone założenia taktyczne. Dowódca po przyjeździe na miejsce zleca przygotowanie wstępnego rozwinięcia, a sam udaje się na „rozpoznanie 360” (obejście obiektu z kamerą termowizyjną i zlokalizowanie gorących punktów). Po rozpoznaniu decyduje o wykorzystaniu mgły wodnej.

Rota przystawia drabinę do okna pomieszczenia, w którym stwierdzono rozwój pożaru i wykonuje przewiert. Warto tu dodać, że używaliśmy wiertarki dedykowanej do pracy z lancą. O koncepcji tzw. wiertarki ratowniczej pisałem już wcześniej (patrz: Lanca mgłowa w nowej odsłonie, PP 7/2016). Ze względu na późną dostawę nie dysponowaliśmy wiertłem do drewna (normalnie w myśl starej strażackiej zasady uderzylibyśmy w najsłabszy punkt, czyli we framugę), jednak nasza maszyna jest tak potężna, że w kilkanaście sekund przewierciliśmy się przez mur. Normalnie trwa to krócej, ale do pokonania mieliśmy jeszcze ostatnią warstwę - sklejki będącej wykończeniem wnętrz. Wiertło, którym dysponujemy, o wiele lepiej pracuje z materiałem kruszącym się, a materiały drewnopodobne, ulegające skrawaniu, wymagają więcej czasu na przewiercenie. Wybór miejsca przewiertu może dziwić, jednak - paradoksalnie - o wiele łatwiej było nam tym razem wiercić w ścianie niż we framudze. Zazwyczaj przewiert wykonywany byłby we framudze, również ze względu na łatwiejszy ewentualny remont popożarowy takiego obiektu.

Po wykonaniu przewiertu do wnętrza została wprowadzona szpila mgłowa (fognail), przyłączona do linii szybkiego natarcia za pomocą szybkozłączki. Bardzo ciekawym rozwiązaniem - wartym zasugerowania - jest wyposażenie końca linii szybkiego natarcia w szybkozłączki przeznaczone do pracy z wysokim ciśnieniem. Wówczas można błyskawicznie zmieniać urządzenia (armaturę) przyłączane do końca linii i płynnie przechodzić np. między lancą a prądownicą. Aby uzyskać pełną operacyjność, należy jedynie dodać zawór przed szybkozłączką - pozwoli to uniknąć konieczności zatrzymywania wody na pompie przy zmianie narzędzia pracy. Jeden z przykładów takiego rozwiązania udostępniłem na swoim kanale w serwisie YouTube (MistTech - prądownica i lanca mgłowa na wysokie ciśnienie (HP), kanał „Szymon Kokot-Góra”) [3].

Fot. 2a, b. Wyposażenie końca linii szybkiego natarcia w zawór oraz szybkozłączkę może znacznie zwiększyć możliwości taktyczne modułu wysokiego ciśnienia. Na zdjęciu kadr z nagrania demonstrującego system polskiej produkcji Mist-Tech (YouTube)

Po wprowadzeniu szpili została podana mgła wodna. Ciśnienie na pompie ustawiono na 40 barów, szacowana wartość ciśnienia na wylocie to około 22 barów (przyjmując 3 bary straty na każde 10 m linii o średnicy wewnętrznej 19 mm, czyli 6 x 3 = 18 barów strat), wydajność około 80 l/min [4].

Mgła wodna była aplikowana przez około 4 min, co dało w przybliżeniu zużycie wody równe 320 l. Efekt był natychmiastowy - w ciągu niespełna 2 min wartości temperatur spadają o połowę. Mając możliwość podglądu temperatur, zdecydowaliśmy o podawaniu wody do momentu wyraźnego spadku temperatur poniżej progu 200°C. De facto najwyższa temperatura w momencie przerwania aplikacji mgły wynosiła 165°C w punkcie T1. Podając mgłę wodną, nie zauważyliśmy intensywnego wydobywania się dymu i gazów przez nieszczelności. Jest to potwierdzeniem przytoczonej wcześniej zasady, mówiącej o tym, że chłodzone gazy się kurczą. Wydaje się to sprzeczne z logiką, bo przecież podając wodę w pożarach, nieraz czuliśmy parę wodną na uszach. Wyjaśnijmy więc ten fenomen.

Po pierwsze należy rozróżnić dwie sytuacje - odparowanie wody w gazach pożarowych i odparowanie wody w kontakcie z palącym się paliwem (ciałem stałym). W drugim przypadku para wodna produkowana jest w wyniku pochłonięcia ciepła (schłodzenia) z nagrzanego ciała stałego. Oznacza to, że woda, zamieniając się w parę, zwiększy znacznie swą objętość (z jednego litra powstanie: przy 100°C - 1700 l pary, przy 200°C - 2160 l, przy 300°C - 2610 l, przy 400°C - 3070 l, przy 500°C - 3520 l, przy 600°C - 3980 l pary itd.) [3]. Chłodzenie gazów pożarowych jest wówczas znikome, dlatego ogólna objętość gazów w pomieszczeniu (objętość gazów pożarowych i dymu oraz pary wodnej) wzrasta, a strażak odczuwa zwiększenie temperatury poprzez poziomy lub pionowy ruch gazów z parą wodną.

Zupełnie inna sytuacja ma miejsce, kiedy woda podawana jest tak, aby mgła wodna odparowywała w gazach. Wówczas - przy odpowiednich wielkościach kropelek i dobrej technice podawania - większość wody odparowuje w gazach pożarowych. Wracając do teorii gazu doskonałego, nastąpi znaczne zmniejszenie objętości gazów (V = nRT/p). Pamiętajmy, że skuteczne chłodzenie gazów pożarowych może obniżyć ich temperaturę nawet o kilkaset stopni. Efekt skurczenia jest wówczas tak potężny, że przewyższa znacznie efekt przyrostu objętości powodowany przejściem wody do pary. Ale jak już wielokrotnie podkreślałem - wymaga to świadomego działania, dobrego doboru sprzętu i wyćwiczonej techniki aplikacji. Konkluzja jest natomiast taka, że przy założeniu spełnienia powyższych warunków chłodzenie gazów pożarowych działa i przynosi zadowalające efekty, a pułapka wodna przestaje być zagrożeniem.

Jak zawsze, klucz leży w stopniu wyszkolenia teoretycznego i praktycznego. Zainteresowanych zjawiskiem odsyłam ponownie do kanału YouTube, gdzie można obejrzeć spektakularny efekt kurczenia gazów pożarowych w zamkniętym pomieszczeniu - włącznie z wyrwaniem drzwi z framugi i wciągnięciem ich do pomieszczenia (Lanca gaśnicze Mist-er Kiler - skuteczność chłodzenia mgły wodnej) [6].

Po zakończeniu aplikacji mgły wodnej rota przystąpiła do natarcia. Mogę podzielić się wrażeniami z pierwszej ręki, gdyż po krótkiej chwili przejąłem prądownicę od kolegi i występowałem w roli przodownika roty. Po wejściu do obiektu i dotarciu na piętro rota zetknęła się z poziomą „ścianą” dymu i pary wodnej występującą już przy podłodze na I piętrze. Wchodząc po schodach i zanurzając głowę w dymie, można było odczuć nagłą zmianę warunków i pewien dyskomfort. Widoczność była praktycznie zerowa. W związku z tym otworzyłem okno (OKNO 1 na wykresie) w tylnej części budynku (pomieszczenie z punktem pomiarowym T5), przejąłem prądownicę i poprosiłem o wentylację nadciśnieniową. Po jej rozpoczęciu udało się wyczyścić podejście z dymu i pary i zbliżyć się do progu pomieszczenia objętego pożarem. Było jednak całe silnie zadymione, toteż gaszenie niewielkimi ilościami wody następowało z progu. Po kilku chwilach oddymiony był niemal cały obiekt, a palące się pomieszczenie nadal pozostawało zadymione.

Po kilku minutach działań w takich warunkach zdecydowaliśmy się na otworzenie okna w płonącym pomieszczeniu (OKNO 2). Było ono jednak zamknięte od wewnątrz, musieliśmy je wybić, co nastąpiło w 21. min (1260 s). Pomieszczenie natychmiast się oczyściło, a działania stały się skuteczniejsze.

 Kolejny etap działań polegał na gaszeniu z progu pomieszczenia płonących elementów wyposażenia. Oszczędne operowanie prądem pozwoliło na przygaszenie ogniska. W głębi stosu spalanie nadal trwało, gdyż prąd wodny nie miał możliwości dotarcia do głębiej położonych warstw. Na tym etapie staraliśmy się pamiętać o ważnej zasadzie wentylacji nadciśnieniowej, tzn. unikaniu pozostawania w przewężeniach (framugi), co zdecydowanie pogarsza skuteczność wymiany gazowej. Jak widać na wykresie, po rozpoczęciu wentylacji nadciśnieniowej temperatury zaczęły dynamicznie wzrastać. Jest to normalny i spodziewany efekt, a naturalną odpowiedzią strażaków decydujących się na tego typu natarcie jest szybkie podanie wody na pożar. Tak też uczyniliśmy. Około 19. min trwania scenariusza (1115 s) rozpoczęliśmy skuteczne natarcie na palące się wyposażenie wnętrza, co spowodowało dosyć dynamiczny spadek temperatur. Po niespełna 2 min. wskazanie T4 spadło z powyżej 300°C do poniżej 100°C. Dogaszanie pożaru wymagało przerzucenia palących się elementów. Ze względu na obawę przed osłabioną konstrukcją podłogi użyliśmy zdjętych z zawiasów drzwi wewnętrznych, które położyliśmy na niej, aby móc się po nich przemieszczać - dzięki temu ciężar był rozłożony na większej powierzchni.

Jak się później okazało, pożar trawił palne wykończenie wnętrz, a po przepaleniu względnie cienkiej warstwy sufitu zaczął się przedostawać do pustej przestrzeni nad palącym się pomieszczeniem. Obawa przed niekontrolowanym rozprzestrzenianiem się pożaru zawsze towarzyszy stosowaniu wentylacji nadciśnieniowej. Chciałbym jednak uspokoić - rozprzestrzenianie nastąpi jedynie wtedy, kiedy występować będzie przepływ [7]. Do tego potrzebny jest wylot, a takiego w tym przypadku nie było. Praktyka potwierdziła powyższą tezę, gdyż poza żarzeniem się przepalonych elementów stropu nie odnotowano rozprzestrzeniania się pożaru w części dachowej. Warto dodać, że gdyby nastąpiło opóźnienie z podaniu wody po rozpoczęciu wejścia, a szczególnie po rozpoczęciu wentylacji nadciśnieniowej, mogłoby dojść do znacznie poważniejszego rozwoju sytuacji pożarowej (przepalenie dachu = wylot gazów).

Analiza

Analizując przebieg naszego ćwiczenia, dostrzegliśmy szereg drobnych niedociągnięć. Spowodowane były one natłokiem działań niezbędnych dla powodzenia przedsięwzięcia, a czasem koniecznością doraźnego podejmowania decyzji. Z pewnością była to również nauka, jak prowadzić w przyszłości podobne przedsięwzięcia. Jedną z uwag wartych odnotowania może być nieco za duży kąt natarcia, powodujący kierowanie części stożka mgły wodnej wprost na powierzchnię sufitu. Dlaczego to dla nas ważne? Ponieważ chcemy, by woda odparowywała w jak największym stopniu w gazach, a nie na powierzchniach w tej fazie natarcia przed wejściem do obiektu. Według badań [8] wystarczy, jeżeli około 30% wody odparuje w gazach, aby nie doszło do przyrostu łącznej objętości gazów i pary w pomieszczeniu. Niemniej jednak w obliczu tylu zmiennych i piętrzących się przeszkód chcemy dążyć do doskonałości, aby końcowy efekt był zawsze możliwie najlepszy.

***

Głównym naszym przesłaniem jest „szybka woda”, jako priorytet taktyczny. Czy można podać wodę na pożar przed wejściem do pomieszczenia? Twierdzę, że jeśli tylko to możliwe - zawsze warto. Niezależnie od tego, w jaki sposób (por. Kombinacja olsztyńska, Michał Osięgłowski, PP 6/2016).

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

Literatura

[1] P. Grimwood, Fog Attack, FMJ International Publications, Ltd, UK 1992
[2] P. Grimwood, E. Hartin, J. McDonough, S. Raffel, 3D Firefighting, Training, Techniques & Tactics. 2005.
[3] youtube.com/watch?v=44rWMLxgMDs.
[4] Durchfluss Druckverlust Tabelle, Rosenbauer International Aktiengesellschaft.
[5] J. McDonough, K. Lambert, Przemyślane szkolenie. Skuteczne techniki gaśnicze, PP 7/2014.
[6] youtube.com/watch?v=ztrmC8o2UhU.
[7] K. Garcia, R. Kauffmann, R. Shelble, Positive pressure attack for ventilation and firefighting, Fire Engineering Books & Videos, USA 2006.
[8] S. Särdqvist, Water and other extinguishing agents, SRSA, 2002.

listopad 2016