Niekonwencjonalnie okiełznane

Zwalczanie pożarów metali stanowi dla strażaków poważne wyzwanie ze względu na bardzo wysoką temperaturę płomieni, wykluczającą użycie jako środka gaśniczego podawanej w klasyczny sposób wody. W praktyce ich działania ograniczają się zatem do zabezpieczenia otoczenia przed rozprzestrzenianiem się ognia i oczekiwania na samoistne wygaśnięcie lub wypalenie się paliwa. Dlatego każde, nawet z pozoru niezbyt sensownie wyglądające rozwiązanie, jeżeli może być skuteczne, jest warte uwagi. Jak się okazuje, czasami warto pomylić piasek z mieszaniną celulozy z domieszkami soli. Powszechnie bowiem wiadomo, że genialne odkrycia w większości dokonane zostały przez przypadek lub w wyniku błędu…

W Austrii opracowano nowatorską metodę gaszenia pożarów metali, która polega na kontrolowaniu ich przebiegu za pomocą dwuetapowego procesu. Najpierw do źródła ognia podaje się z odległości kilku metrów płatki celulozy zawierające ok. 30% soli nieorganicznych (do których wytworzenia użyto starych gazet). Ze względu na niską gęstość nasypową materiał płynnie osiada na palącej się powierzchni i natychmiast pokrywa płomienie, wytwarzając nieprzepuszczającą powietrza warstwę. Zanim zostanie ona przepalona przez płonący metal, podawana jest mgła wodna. Drobne krople mgły zwilżają górną warstwę płatków celulozy, które zwęglają się od dołu. Woda odparowuje z wnętrza warstwy płatków celulozy i pobiera ciepło.

Zaobserwowano, że podczas spalania nie wydziela się wodór i w związku z tym metoda ta umożliwia bezpieczne kontrolowanie pożarów. Ocenia się, że za pomocą 90 kg płatków można zabezpieczyć stos 75 kg płonącego magnezu. Stosując urządzenie do pneumatycznego podawania płatków, strażacy mogą skutecznie i wydajnie osłonić płomienie z bezpiecznej odległości. Wdrożenie tej taktyki wymaga doposażenia jednostek zarówno w systemy podawania płatków celulozowych, jak i w urządzenia generujące mgłę wodną. Tę nowatorską metodę można rekomendować zakładowym strażom pożarnym, jeśli w danym obiekcie istnieje zagrożenie tego typu pożarem, a także innym jednostkom ochrony przeciwpożarowej, których rejon działania obejmuje również takie zakłady.

Zainteresowanie zwalczaniem pożarów grupy D i wypracowywaniem nowej taktyki powinno szybko rosnąć wraz z gwałtownym wzrostem powszechności elementów wykonanych z metali lekkich oraz baterii litowo-jonowych - zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym.

Metale i ich pożary

W codziennym użyciu i w najbliższym otoczeniu człowieka znajdują się różnorakie palne materiały, takie jak polimery, tektura i drewno. Są dobrze znane z podatności na płomienie. Można je zabezpieczać ogniochronnie dodatkami lub powłokami, ale wiele z nich może mieć niepożądane skutki uboczne. Jak wiadomo, metale pod wpływem wysokiej temperatury mogą się nie tylko utleniać czy odkształcać, ale również zapalić. Pożary metali nie są zbyt częste, ponieważ występują one z reguły w dużych elementach, zajmując stosunkowo małą powierzchnię.

Do najważniejszych metali lekkich stosowanych na szeroką skalę w przemyśle należą glin (Al), magnez (Mg) i tytan (Ti). Tytan pozostaje trudny w obróbce, ale magnez jest jeszcze lżejszy niż aluminium, więc bardzo atrakcyjny, szczególnie w zastosowaniach mobilnych. Główną wadę magnezu stanowi jednak bezpośrednie ryzyko powstania pożaru podczas obróbki. Ten metal w postaci stopionej samoistnie zapala się w kontakcie z powietrzem. W związku z tym firmy zajmujące się odlewaniem ciśnieniowym magnezu stosują w procesie obróbki osłonę gazową (SO₂ lub SF₆).

Odporność magnezu na ogień można zwiększyć przez stopienie go z innymi metalami lub tlenkami metali, np. aluminium lub niewielkimi ilościami tlenku wapnia (CaO). Stosowanie takich stopów nie zawsze jest jednak możliwe, ponieważ znacząco pogarszają one np. właściwości mechaniczne magnezu.

Pyłu żelaza nie wolno mieszać z pyłem aluminiowym w warsztatach obróbki metali - chodzi o to, by uniknąć niebezpiecznej reakcji termitowej (aluminotermicznej). Jest ona silnie egzotermiczna, dochodzi do redukcji tlenku metalu glinem. Typowa reakcja termitowa przebiega niezwykle gwałtownie, czego efektem jest rozbryzgiwanie się płynnego metalu we wszystkich kierunkach. Wiadomo również, że akumulatory litowo-jonowe stanowią zagrożenie pożarowe.

Pożary metali wymagają szybkiej reakcji i specjalnych procedur, aby uzyskać nad nimi kontrolę. Ponieważ metale lekkie stają się coraz bardziej popularne, np. w transporcie, potrzebna jest większa świadomość ryzyka pożarowego w całym cyklu przetwórstwa, od wytopu przez produkcję aż do recyklingu. Ponadto walka z pożarami metali nie należy do rutynowych działań straży pożarnej, zatem wiedza i doświadczenie funkcjonariuszy PSP i druhów OSP w tym zakresie są zwykle mniejsze niż w przypadku tradycyjnych pożarów.

Ogień pochłaniający metal jest trudny do opanowania. Woda, ogólny środek gaśniczy, nie może być używana w gaszeniu metali, ponieważ wysokie temperatury nie tylko oznaczają długi czas chłodzenia, ale i prowadzą do ich rozkładu z wydzielaniem się tlenu i wodoru, co skutkuje zagrożeniem wybuchem.

Do skutecznych środków gaśniczych w przypadku tego rodzaju pożarów należą: dla magnezu - topnik odlewniczy (mieszanina chlorków i fluorków), BCl₃, BF₃; dla litu - ZrSiO₄, LiCl; dla sodu i potasu - NaCl, a środkiem uniwersalnym w tym przypadku jest SiO₂ (suchy piasek).

Niektóre metale reagują z azotem, gazy gaśnicze oparte na halonowcach są nieskuteczne, więc bezpiecznie mogą zostać użyte tylko gazy szlachetne (hel, neon lub argon).

Drobne palne cząstki magnezu niosą ze sobą ryzyko spowodowania wybuchu pyłu. Im drobniejsze są cząstki, tym większe niebezpieczeństwo. W przypadku sproszkowanego magnezu dolna granica wybuchowości osiągana jest przy zaledwie 40 g/m³.

Ograniczenia w stosowaniu środków gaśniczych

Standardy amerykańskie, np. NFPA 484, ze względu na niepożądane skutki wykluczają stosowanie nie tylko wody czy pian gaśniczych, ale również dwutlenku węgla czy gazów gaśniczych. Co ciekawe, eliminują też najbardziej powszechny (skuteczny) środek gaśniczy przy pożarach grupy D, czyli piasek.

Podobne rekomendacje zawiera dokument OSHA CFR 29 (ang. Occupational Safety and Health Standards, „Normy bezpieczeństwa i higieny pracy” - amerykańskie wytyczne dotyczące wielu obszarów związanych z bezpieczeństwem). Według niego liczba uniwersalnych środków gaśniczych dla pożarów grupy D jest mocno ograniczona. Wynika to z faktu, że mają one znacznie większą gęstość nasypową niż stopiony metal. Oznacza to, że gdy środek gaśniczy zostanie podany na palący się metal, „zatonie” i spowoduje rozpryski, zamiast ugasić ogień.

Aby te ograniczenia uwzględnić w praktyce, zaczęto szukać pomysłów na innowacyjne środki gaśnicze i nowe techniki gaszenia pożarów metali. Zanim podjęto próby polowe z użyciem płatków celulozowych i mgły wodnej, przetestowano to rozwiązanie w skali laboratoryjnej.

Badania eksperymentalne

Płatki czystego magnezu umieszczano na powierzchni ogniotrwałej i zapalano płomieniem. W pierwszych próbach w każdym eksperymencie użyto 2 g magnezu. Jak pokazano na fot. 1, użycie 5 g piasku jest w stanie pokryć i ugasić płomień. Analogicznie zadziałała taka sama ilość płatków celulozy - patrz fot. 1b.

Po upływie ok. 7-9 s eksperymentu (b) spod zwęglonej skorupy wyłoniły się płomienie. Podjęto decyzję o przebadaniu skuteczności gaśniczej przy zwiększeniu dodatku soli i optymalizacji mieszanki. Piasek na fot 1a przykrył i zdusił płomień. Po godzinie piasek został odsunięty na bok i znaleziono niespalone resztki Mg.

Fot. 1b pokazuje sedno nowatorskiego podejścia. Lekkie płatki celulozy są w stanie stłumić płomienie przez kilka sekund, zapobiegają przedostawaniu się świeżego tlenu do strefy reakcji i zaczynają się zwęglać (tlen poniżej warstwy celulozy szybko się wypala, a zwęglona warstwa okazuje się wystarczającą barierą do ograniczenia dostępu świeżego powietrza). Skorupa może pęknąć po pewnym czasie, w zależności od ilości palącego się metalu poniżej oraz grubości pokrywy. Wysokie obciążenie ogniowe powoduje, że płatki celulozy zareagują z powietrzem i będą się palić.

Materiał celulozowy był rozdarty na płatki o średnicy ok. 5-8 mm i miał strukturę włóknistą. Powstały pył nie został usunięty.

W przypadku gaszenia płatkami celulozy przeprowadzono kilka prób podobnych do przedstawionej na  fot. 1b. Nasączając płatki celulozowe różnymi materiałami trudnopalnymi, starano się uzyskać materiał optymalny do celów gaśniczych. Dodatki stanowiły wagowo od 1% do 50%. Stwierdzono, że sole nieorganiczne (NaCl, KCl, MgSO₄) i boraks (boran sodu) były skuteczne w całkowitym tłumieniu płomieni przez co najmniej kilka sekund.

Na podstawie wyników doświadczeń przyjęto hipotezę, że płatki celulozy w połączeniu z solami nieorganicznymi mogą skutecznie stłumić pożar magnezu. Płatki zatrzymują reakcję i rozpoczynają proces zwęglania, podczas gdy sole topią się i odcinają dopływ tlenu, a podawanie mgły wodnej skutecznie obniża temperaturę otoczenia.

W kolejnym kroku jako środka gaśniczego użyto czystych soli lub ich mieszanin w stosunku 10:1, czyli ok. 20 g soli (NaCl, KCl, Na₂[B₄O₅(OH)₄], H₃BO₃ i MgSO₄) na 2 g magnezu (fot. 2).

Za najbardziej obiecujące uznano dodatki z KCl i kwasu borowego.

W kolejnym etapie zastosowane zostały różne preparaty z suchych płatków celulozy (o średnicy 5-8 mm), mieszanych w różnych porcjach (od 10% do 30% masy) z NaCl, KCl, MgSO₄, kwasem borowym i boraksem.

Badania polowe

Po eksperymentach laboratoryjnych przeprowadzono próby terenowe, w których zwiększono ilość magnezu do 2 kg. Zapalono ją i poddano działaniu różnych mieszanin płatków celulozy z dodatkami soli. Po nasypaniu na płonący materiał mieszanin podano mgłę wodną. Nie stwierdzono rozkładu H₂O na czynniki pierwsze (nie doszło do powstania oksywodoru), nie pojawiło się też zagrożenie wybuchem, a zatem gaszenie mgłą wodną było bezpieczne. Doszło do szybkiego ochłodzenia pokrytych warstwą płatków celulozy i zabezpieczonych przez rozbryzgiem stosów magnezu. Ze względu na częściowo zwęglony i zestalony materiał celulozowy nacierający strumień wody nie usunął tej pokrywy z górnej części stosów magnezu. Woda nie przenikała również przez warstwę płatków celulozy, ponieważ odparowywała na powierzchni - nie miała zatem kontaktu z leżącym pod nią stopionym metalem.

Użycie samych płatków celulozowych nasączonych solami nie przyniosłoby spodziewanego efektu gaśniczego, ponieważ bez wody chłodzącej układ eksperymentalny płomienie ostatecznie przebiłyby się przez zwęgloną strukturę i nadal pozostałyby aktywne, co zostało potwierdzone w serii badań. Moc pożaru jednak spadała, ponieważ sole nieorganiczne ograniczały dopływ tlenu. Różnica polegała na tym, że większość zwęglonych płatków celulozy była spalana, jeśli nie podawano stale strumienia mgły. Chłodzenie strumieniem wody kontynuowano aż do znaczącego spadku temperatury płonącego materiału.

Nie użyto kamery termowizyjnej do wyraźnego określenia momentu ugaszenia pożarów magnezu. Podczas rozgarniania stosu można było jednak zauważyć, że nawet po 30 min chłodzenia nieprzereagowany magnez nadal zapalał się w kontakcie z powietrzem. Oznacza to, że chłodzenie musi być kontynuowane, dopóki ciepło nie zostanie całkowicie odprowadzone, a do kontroli tego procesu należy używać kamer termowizyjnych.

Kolejnym etapem eksperymentu była optymalizacja składu mieszaniny (fot. 3).

Na fot. 3 widać odwróconą skorupę z białym nalotem MgO na górze. Poniżej znajduje się zwęglona celuloza zmieszana w proporcjach 70% do 30% z solami .

Ostatnie badania w dużej skali obejmowały użycie do 150 kg płatków magnezu. Aby zastosować płatki celulozy do tak wysokoenergetycznych pożarów, trzeba bezwzględnie zachować bezpieczną odległość - a to wymóg trudny do spełnienia, jeśli używa się standardowego środka gaśniczego, takiego jak piasek (fot. 4).

Jak widać na fot. 4 (prawa część zdjęcia), płatki celulozy są lekkie, dzięki czemu mogą dotrzeć bez przeszkód do źródła pożaru.

Najlepszą proporcją okazało się wymieszanie płatków celulozy (70%) z KCl (15%) i boraksem (15%).

Po przeprowadzeniu kilku testów z płonącymi stosami magnezu wykonany został test z tym metalem w ograniczonej przestrzeni - 15 kg magnezu umieszczono w różnych częściach samochodu i zapalono (fot. 5). Płomienie mogły rozprzestrzenić się na plastikowe części samochodu, a następnie przeprowadzono aplikację płatków celulozowych z dodatkami soli nieorganicznych opisanymi wcześniej.

Jak pokazuje fot. 5 (po lewej stronie), płomienie miały ponad 3 m wysokości  - ze względu na nasilający się efekt spalania magnezu. Konfiguracja testowa miała naśladować spalanie części magnezowych, które mogłoby zaistnieć realnie, np. stanowiłyby one obudowy akumulatorów wewnątrz samochodu. Na fot. 5 (po prawej stronie) widać, że płomienie zniknęły, a płatki celulozy leżą na ziemi za samochodem. W następnym kroku strażak może zastosować mgłę wodną, aby schłodzić materiał. Jak pokazują fot. 5a i 5b, strażak może rozpocząć gaszenie z bezpiecznej odległości - użycie piasku lub innego materiału o większej gęstości wymuszałoby przybliżenie się do źródła płomieni, a zatem dłuższą ekspozycję na oddziaływanie pożaru.

Podsumowanie i wnioski

Stosując do opanowania płomieni niepowlekane płatki celulozy, potrzebujemy ich ok. 60% (wagowo) więcej niż palącego się magnezu. W przypadku płatków celulozy zawierających 30% soli nieorganicznych ilość ta zmniejsza się do ok. 20%. Aby skutecznie gasić taki pożar, należy wydmuchać jak najwięcej płatków celulozy na płomienie, najlepiej z prędkością ~50 kg/min lub wyższą, a następnie, gdy tylko ogień zostanie stłumiony, rozpocząć podawanie strumienia mgły.

Austriaccy naukowcy nie przeprowadzili badań wpływu wydajności podawania środka, ale stwierdzili, że potrzeba go więcej, gdy dostarczanie materiału celulozowego jest wolniejsze. Chociaż materiał może być częściowo zwęglony, podawanie mgły wodnej będzie bezpieczne i skuteczne tylko wtedy, gdy płonący magnez zostanie całkowicie pokryty płatkami celulozy. Efektywność tej metody gaśniczej została przebadana dla maksymalnie 120 kg magnezu przy w pełni rozwiniętym pożarze.

Badaniami, które warto byłoby przeprowadzić, są eksperymenty porównawcze użycie opisanej metody z zastosowaniem urządzeń gaśniczych zawierających AVD (ang. Aqueous Vermiculite Dispersion, wodna dyspersja wermikulitowa). Zostały one zaprojektowane do gaszenia akumulatorów trakcyjnych (używanych np. w elektrycznych wózkach widłowych i ciągnikach elektrycznych), a także metali lekkich. Dodatkowo można przeprowadzić bezpośrednie porównania ze skutecznością gaśniczą kompozytowego proszku gaśniczego, opracowanego na bazie węglanu sodu i grafitu modyfikowanego EG.