Общие принципы и особенности разработки различных видов специальной защитой одежды пожарных

Представлен метод комплексной оценки качества специальной защитной одежды пожарных, включающий в себя методики проведения теоретических и экспериментальных исследований различных элементов спецодежды по всем параметрам, определяющим технический уровень изделий. Приведено описание критериев оценки получаемых результатов. Рассмотрены особенности исследований различных типов спецодежды пожарных. Обосновано деление спецодежды на типы в зависимости от степени защиты при тепловом воздействии.

Работа пожарных сопряжена с воздействием на них опасных и вредных производственных факторов: физических (тепловые и механические воздействия, различные виды излучений и т. п.), химических (агрессивные среды, ядовитые вещества в виде газов, пылей, аэрозолей и т. п.), биологических, психофизиологических и др. Поэтому для обеспечения безопасности пожарных применяется специальная защитная одежда (СЗО), которая по степени защиты (прежде всего тепловой), условиям эксплуатации, техническим параметрам, оперативно-тактическому назначению подразделяется на три вида:

-боевая одежда пожарных;

-специальная одежда для защиты от повышенных тепловых воздействий (СЗО ПТВ);

-специальная защитная одежда изолирующего типа (СЗО ИТ).

Кроме того, в этот перечень входят средства защиты рук, ног, головы.

В свою очередь каждый из перечисленных видов можно разделить на типы в зависимости от степени тепловой защиты.

Классификация СЗО пожарных по степени защиты от тепловых воздействий принята в качестве базовой по следующим соображениям. Во-первых, тепловые воздействия относятся к числу основных характеристик обстановки при пожарах и являются одним из главных воздействующих на пожарного опасных факторов. Во-вторых, тепловые факторы пожара - одна из наиболее частых причин травматизма и гибели пожарных. В-третьих, степенью тепловой защиты СЗО определяются оперативно-тактические возможности личного состава при тушении пожаров. И наконец, обеспечивая хорошую защиту от тепловых воздействий, СЗО пожарного, как правило, в достаточной степени ограждает его и от влияния неблагоприятных климатических факторов. Кроме того, тепловые воздействия относительно легко смоделировать и контролировать при проведении различных исследований.

Тепловые воздействия обусловлены, прежде всего, лучистым тепловым потоком, высокой температурой окружающей газовоздушной среды, открытым пламенем, контактом с нагретыми твердыми поверхностями.

Невозможно создать хорошую защитную одежду, обеспечивающую безопасные условия работы, не имея научно обоснованных технических требований к ней, а также методов оценки ее качества на всех стадиях единого процесса «НИОКР - серийное производство - эксплуатация».

До последнего времени в нашей стране не было документов, определяющих в комплексе технические требования к СЗО пожарных и методы ее испытаний. Отсутствовали также требования к материалам и тканям, используемым для изготовления СЗО, ее конструктивному исполнению, что значительно затрудняло применение или доработку существующих методик. Отсутствовали методики проведения полигонных и эксплуатационных испытаний, являющихся важными этапами проверки качества СЗО.

Задача состояла в создании общих принципов конструирования СЗО пожарных на основе разработки метода комплексной оценки всех параметров, определяющих ее качество.

Комплексность оценки заключается в том, что при ее проведении используются комплексные показатели, характеризующие сразу несколько свойств, связанных между собой и зависящих друг от друга. Так, свойства и показатели назначения, т. е. защитные свойства одежды, - это технические свойства и показатели, от которых зависит выполнение эргономических требований и, следовательно, безопасность человека. Например, масса СЗО увеличивает работу мышц человека и является эргономическим показателем. Вместе с тем масса определяется особенностями конструкции спецодежды и видами материалов и тканей, т. е. характеризует технические особенности СЗО. Комплексными также являются и показатели надежности.

Комплексный подход к оценке качества СЗО пожарных проявляется и при объединении результатов частных оценок отдельных показателей и свойств. Достаточно невыполнения одного какого-либо требования из всего их комплекса для заключения о непригодности СЗО. Можно считать безопасной только такую СЗО, которая обеспечивает выполнение всех относящихся к ней требований безопасности.

Метод комплексной оценки (см. рисунок) включает в себя экспериментальную проверку материалов и тканей, теплозащитных пакетов, а также комплектов защитной одежды в целом при различных тепловых воздействиях и теоретические исследования с помощью математической модели, описывающей сложный нестационарный теплообмен в системе «человек - СЗО - окружающая рабочая среда при пожаре».

В экспериментальную проверку входят лабораторные, полигонные и эксплуатационные испытания. Опыт разработки различных видов СЗО пожарных показывает, что эти испытания, взаимно дополняя друг друга, позволяют проводить оценку спецодежды по всем характеризующим изделие параметрам.

Теоретическая модель позволяет проводить исследования при различных значениях тепловых воздействий, дополняя и объясняя экспериментальную часть в тех случаях, когда физически не удается смоделировать те или иные условия работы из-за сложности, значительных затрат средств и времени либо соображений безопасности.

Исследования проводятся при различном моделировании теплового воздействия. При этом учитываются принятая классификация СЗО пожарных по степени тепловой защиты, а также деление на зоны с различными тепловыми воздействиями.

Оценка качества специальной защитной одежды пожарных

В процессе создания метода комплексной оценки были разработаны и обоснованы четыре критерия, по которым можно оценивать СЗО при теоретических исследованиях и экспериментальной проверке. С их помощью определяется эффективность отдельных материалов и тканей, теплозащитных пакетов и уровень качества спецодежды в целом.

Первый критерий - предельно допустимая температура ТПД на внутренней стороне материала, теплозащитного пакета или в подкостюмном пространстве спецодежды и время ее достижения τПДТ Проведенные исследования позволили определить, что предельно допустимым локальным значением температуры при контакте с кожей человека для материалов с низкой теплопроводностью является величина 50 °С.

Второй критерий - изменение показателей назначения материалов и тканей, входящих в состав теплозащитного пакета, за время τПД как при однократном использовании СЗО, так и за весь срок эксплуатации. Для боевой одежды, СЗО ПТВ - это прежде всего физико-механические показатели (разрывная нагрузка, сопротивление раздиранию, термическая усадка, потеря отражательных свойств металлизированного покрытия и т. д.). Для СЗО ИТ помимо перечисленных важны такие показатели, как коэффициент ослабления ионизирующего излучения, устойчивость к химическим воздействиям, газонепроницаемость.

Третий критерий - термическое разрушение материалов, тканей, фурнитуры, соединений деталей в швах, характеризующееся температурой ТТР и временем τТР начала термических разрушений. При этом оцениваются размеры термических разрушений (прогар, обугливание, оплавление и т. п.), глубина и места их появления на СЗО.

Четвертый критерий - изменение физиологических параметров пожарного при работе в СЗО. Значения этих параметров зависят от типа СЗО, видов выполняемых работ, опасных факторов производственной среды и также влияют на допустимое время работы в СЗО. Данные параметры тесно связаны с эргономическими и физиолого-гигиеническими показателями спецодежды.

В зависимости от величины теплового воздействия допустимое время τЭ работы в СЗО определяется либо временем достижения предельно допустимой температуры τПДТ, либо временем начала термического разрушения τТР.

Исходя из теории теплоустойчивости системы при пожаре, тепловая экспозиция τЭ на СЗО должна быть равна либо меньше времени достижения предельно допустимых параметров в подкостюмном пространстве или в организме человека.

Таким образом, показатель безопасности, который является параметром теплоустойчивости системы при пожаре, применительно с СЗО пожарных вычисляется по формуле Кδτ=τЭ/τПДТ 3 К); СK = скρk; ρ = 0; 1; 2 - соответственно для плоского, цилиндрического и сферического слоя; qvk - объемная плотность источника (стока) теплоты, Вт/м 3 . В общем случае на внешних поверхностях 1-го и к-го слоя могут быть заданы граничные условия

где Тp - температура поверхности, К; αp(τ,Тp) - коэффициент теплоотдачи на поверхности, Вт/(м 2 К); Тcp, (τ) - температура среды, омывающей поверхность, К; qлр - лучистый внешний поток, Вт/м 2 ; εp(Тp) - степень черноты поверхности; σo - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м 2 К).

Из (2) как частные случаи можно получить выражения для граничных условий I, II, III рода.

На границах между слоями при Х + k = Х - k+1 задаются граничные условия IV рода

где qs - поверхностная плотность источника (стока) теплоты, Вт/м 2 .

Поверхностный источник (сток) теплоты в (4) может иметь различную природу. Для поверхностей, образующих воздушную прослойку, он обусловлен теплообменом излучения

где εпр - приведенная степень черноты.

Для одномерных полостей, образованных большими плоскими, длинными цилиндрическими и сферическими поверхностями, приведенная степень черноты вычисляется по формуле.

где p = 0; 1; 2 - соответственно для плоского, цилиндрического и сферического слоя.

В начальный момент распределение температуры в конструкции задано в виде

Соотношения (1), (2), (7) с учетом (3)-(6), дополненные соответствующими функциональными зависимостями для параметров, входящих в них и зависящих от времени и температуры, представляют собой математическую формулировку задачи нестационарного радиационно-кондуктивного теплообмена в многослойной конструкции СЗО.

Как уже отмечалось, СЗО является барьером между организмом человека и окружающей средой. И роль окружающей среды в этом случае для организма выполняет тепловой режим подкостюмного пространства. Динамика изменения теплосодержания организма при работе в СЗО определяется на основании уравнения теплового баланса, связывающего теплопродукцию организма вследствие метаболизма и теплопотери

где ΔQ - изменение во времени теплосодержания тела, Вт; Q - метаболическое тепло, выделяющееся в организме, Вт; QП - потери тепла в окружающую среду (подкостюмное пространство), Вт.

Метаболическое тепло, зависящее от тяжести работы, считаем заданной величиной. Потери тепла из-за особенностей работы в СЗО определяются как конвективные и лучистые.

В результате получаем дифференциальное уравнение, связывающее температуру тела с параметрами подкостюмного пространства:

где М - масса тела, М = 70 кг; ТПР - температура воздуха в прослойке, К; εпр - приведенная степень черноты в прослойке; σ0- постоянная Стефана-Больцмана, σ0 = 5,67x10 -8 Вт/(м 2 К 4 ); Т - температура внутренней поверхности СЗО, К; F - площадь тела, F= 1,8 м 2 .

В качестве начального условия для (9) принимаем при t = 0

Решение уравнения (9) с начальным условием (10) конечно-разностным методом Эйлера выполняется с решением задачи (1), (7).

Следует отметить, что рассмотренный тепловой режим не учитывает теплоотдачу испарением влаги с поверхности тела, поскольку ее значение уменьшает использование воздухе- и влагонепроницаемых материалов. Этот режим не учитывает также отвод тепла при дыхании из-за сложности и малоизученности этого процесса при работе в СЗО (тем более с дыхательным аппаратом).

Разработанный метод комплексной оценки качества СЗО пожарных определяет основные единые принципы разработки и определения технического уровня изделий. При этом в рамках этого метода существуют свои особенности для каждого вида спецодежды.

Особенности разработки боевой одежды диктует то обстоятельство, что она является наиболее широко применяемым видом СЗО пожарных. Боевая одежда используется либо в качестве средства защиты на всех пожарах, либо как самостоятельное изделие, либо в комплекте с другими видами СЗО. Поэтому при испытаниях боевой одежды оцениваются:

- возможность сохранения необходимого уровня защитных показателей в течение длительного периода эксплуатации;

- возможность восстановительного ремонта;

- совместимость с другими видами СЗО;

- возможность многократной очистки от производственных загрязнений;

- защита от неблагоприятных климатических факторов.

Исходя из этого огромную роль при оценке качества боевой одежды играют эксплуатационные или заменяющие их испытания (например, методы искусственного старения). Для проведения эксплуатационных испытаний боевой одежды разработана специальная методика.

Боевая одежда пожарных для северных регионов должна обеспечивать защиту человека от температуры окружающего воздуха минус 50 °С и ниже.

Учитывая, что при эксплуатации в районах с резко континентальным климатом максимум летних температур достигает плюс 40 °С, диапазон рабочих температур, обусловленный климатическими воздействиями на боевую одежду этого типа, составляет примерно 100 °С.

Для оценки качества боевой одежды для северных регионов разработана методика климатических камерных испытаний с участием испытателей-добровольцев. В климатической камере создаются условия, соответствующие предельным рабочим температурам, на которые рассчитана боевая одежда.

Особенности исследований боевой одежды для северных регионов методами математического моделирования связаны с необходимостью учитывать:

цикличность воздействия на пожарного повышенных и пониженных температур;

широкий диапазон значений коэффициента теплоотдачи в зависимости от температуры окружающего воздуха и скорости обтекания им наружной поверхности боевой одежды;

потери тепла при дыхании и испарении при рассмотрении теплообмена между телом человека и боевой одеждой. Эти потери желательно принимать во внимание при расчетах, так как боевая одежда не является изолирующим средством защиты.

Специальная одежда для защиты от повышенных тепловых воздействий является сложным в эксплуатации изделием, используемым, как правило, при тушении крупных и длительных пожаров, сопряженных с воздействием на человека тепловых потоков большой интенсивности и связанных с высоким риском получения производственных травм. Поэтому наиболее важными при разработке СЗО ПТВ являются огневые полигонные испытания, когда в условиях, максимально приближенных к реальным, решаются следующие задачи:

- подтверждаются защитные, эргономические и физиолого-гигиенические показатели изделия;

- отрабатываются тактические приемы использования СЗО ПТВ;

-анализируется полученная информация для включения в ремонтную и эксплуатационную документацию;

- ведется сбор и обработка статистических данных для определения показателей надежности изделия.

С учетом жестких условий эксплуатации надежность изделий, относящихся к СЗО ПТВ, выходит на первый план.

Особенности требований к материалам и конструктивному исполнению специальной защитной одежды изолирующего типа обусловлены ее назначением и условиями эксплуатации. Основной частью СЗО ИТ является изолирующий скафандр, изготавливаемый из газонепроницаемых пленочных материалов с герметизацией швов и применением специальной фурнитуры, что позволяет поддерживать избыточное давление воздуха в подкостюмном пространстве. Поэтому при разработке, испытаниях различных типов СЗО ИТ большое место занимает проверка изолирующих свойств спецодежды и выполнения специальных требований (защита от химического и радиоактивного поражения).

На основе метода комплексной оценки СЗО проведены исследования и разработаны различные по своему назначению и техническим параметрам виды СЗО.

Существует несколько принципов конструирования специальной защитной одежды для различных категорий работающих в зависимости от номенклатуры, условий эксплуатации, применяемых материалов. В настоящее время одним из основных методов разработки специальной защитной одежды пожарных является создание конструктивно-унифицированного ряда изделий на основе базовой модели. Задача создания такого ряда решается двумя путями:

1. В начале разрабатывается простая модель и затем постепенным усложнением конструкции создается весь базовый ряд;

2. Работа начинается с создания наиболее сложной модели.

Путь от простой модели к более сложным в ряде случаев не позволяет сразу разработать модель, которая учитывала бы все требования к конструктивному исполнению различных типов СЗО одного назначения. Этот метод можно использовать при конструировании относительно простых моделей, например, боевой одежды.

При создании более сложной по конструктивному исполнению защитной одежды (СЗО ПТВ, СЗО ИТ) целесообразно идти вторым путем.

Используются, как правило, два варианта конструктивного исполнения:

- в первом варианте СЗО состоит из отдельных элементов: куртки, брюк (полукомбинезона);

- основой второго варианта является комбинезон. Оба варианта имеют свои преимущества и недостатки.

Важным моментом создания СЗО пожарных является разработка объемных конструкций, что обеспечивает постоянные воздушные зазоры, улучшает защитные и физиолого-гигиенические свойства изделия.

1. Разработанный метод комплексной оценки качества специальной защитной одежды пожарных включает в себя взаимосвязанные методики теоретических и экспериментальных исследований как отдельных элементов, так и СЗО в целом по всем параметрам, характеризующим ее технический уровень.

2. Метод комплексной оценки позволяет отслеживать и соответственно влиять на качество СЗО пожарных на всем протяжении единого цикла «НИОКР - серийное производство - эксплуатация».

3. Выбранные единые критерии оценки

предельная температура подкостюмного пространства и время ее достижения, изменение показателей назначения материалов и тканей, входящих в теплозащитный пакет, термическое разрушение элементов СЗО, физиологические параметры пожарного -достаточно наглядны, легко проверяются, применимы для всех видов СЗО и на всех стадиях исследований.

4. Разработанная система экспериментальных проверок (лабораторные, огневые полигонные и эксплуатационные испытания) при выбранных дискретных значениях теплового воздействия позволяет проверять любой вид спецодежды по показателям защиты, эргономики, надежности, физиолога-гигиены.

5. Используя математическую модель нестационарного теплообмена в системе «человек - СЗО -окружающая рабочая среда при пожаре», можно проводить теоретические исследования, дополняя

экспериментальные проверки в тех случаях, когда не удается физически смоделировать предполагаемые условия работы.

6. Учет особенностей разработки и испытаний различных видов СЗО пожарных позволяет гибко использовать метод комплексной оценки, проводя в его рамках более тщательные и детальные исследования специальных технических параметров с учетом конкретных режимов эксплуатации СЗО.

7. Разработка СЗО пожарных по принципу создания конструктивно-унифицированного ряда изделий снижает трудоемкость разработки, ее стоимость и общее время создания изделий.

По материалам научно-технического журнала "Пoжарная безопасность" №5 2002 года.