Toksyczne produkty spalania izolacji i powłok kabli elektroenergetycznych
Przykładowa konstrukcja bezhalogenowego LSZH kabla elektroenergetycznego
Rys. K. Kaczorek-Chrobak
Procesy dekompozycji termicznej towarzyszące spalaniu materiałów oraz obecność ognia powodują produkcję znacznej ilości gazowych produktów spalania. Ich rodzaj i ilość zależą od bardzo wielu czynników, głównie od budowy chemicznej materiału. Są to produkty wywołujące efekt duszący lub drażniący na organizm osoby narażonej na ich oddziaływanie. Podczas różnych faz pożaru, począwszy od zapłonu, poprzez rozgorzenie, w pełni rozwinięty pożar, aż do wygaszenia, a także podczas wystąpienia różnych typów pożarów, w zależności od poziomu wentylacji i temperatury spalania, można zaobserwować produkcję różnych produktów rozkładu i spalania w różnych stężeniach.
Zobacz także
Ela-compil sp. z o.o. Czy system wykrywania pożaru naprawdę chroni?
W systemach bezpieczeństwa pożarowego dwa pojęcia – sterowanie i nadzorowanie – są często używane zamiennie, co bywa mylące. W rzeczywistości pełnią one odmienne funkcje, mają różne cele i wpływają na...
W systemach bezpieczeństwa pożarowego dwa pojęcia – sterowanie i nadzorowanie – są często używane zamiennie, co bywa mylące. W rzeczywistości pełnią one odmienne funkcje, mają różne cele i wpływają na efektywność całej instalacji. Rozumienie tych różnic jest kluczowe, jeśli zależy nam na niezawodnej ochronie życia i mienia.
mgr inż. Piotr Wasiucionek Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m3 lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.
![Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m3 lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.](https://www.elektro.info.pl/media/cache/full/data/202402/pwp-fot1.jpg)
Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających...
Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m sześc. lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.*)
Redakcja Elektro.info.pl news Nasza jubileuszowa konferencja już za dwa dni – poznaj jej szczegółowy program
Zapraszamy do udziału w wyjątkowej, dwudniowej konferencji techniczno-szkoleniowej „Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych budynków zasilanych z odnawialnych źródeł energii”, organizowanej...
Zapraszamy do udziału w wyjątkowej, dwudniowej konferencji techniczno-szkoleniowej „Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych budynków zasilanych z odnawialnych źródeł energii”, organizowanej wspólnie przez redakcję „elektro.info” i Akademię Pożarniczą. Tegoroczna edycja ma szczególny charakter – odbywa się w roku 25-lecia „elektro.info” i będzie jednym z najważniejszych wydarzeń branżowych przygotowanych z tej okazji.
StreszczenieStatystyki wskazują, że większość ludzi umiera w pożarach z powodu zatrucia dymem i wydzielającymi się toksycznymi gazami. Rozwój cywilizacyjny i nowoczesne budownictwo związane są ze stosowaniem coraz większej liczby kabli elektroenergetycznych. W przypadku pożaru niemetaliczne materiały konstrukcyjne kabli wydzielają duże ilości ciepła, dymu i toksycznych gazów, a ich złożona budowa powoduje, iż dochodzi do wytworzenia dużych ilości dymu, czyli organicznych produktów niecałkowitego spalania (chlorowane i niechlorowane pochodne węglowodorów) oraz toksyczne gazy, takie jak HCl, HBr, HF, SO2, NOx i HCN. Do głównych produktów spalania należą CO i CO2 powstające w dużych stężeniach. Dokładny wpływ produktów spalania na organizm ludzki jest niemożliwy do oceny w sposób bezpośredni zarówno ze względów prawnych, jak i etycznych. Dlatego też niezbędna okazała się ocena toksycznych produktów spalania z zastosowaniem metod analizy chemicznej poprzez: pomiar stężenia gazów, oszacowanie wydajności produktów spalania, wyznaczenie wskaźników toksyczności, wartości FED, FEC oraz wskaźników LC50 i IC50. Konieczne jest prowadzenie badań laboratoryjnych i tworzenie baz danych na podstawie wyników w małej skali, które pozwolą na ocenę i możliwość przewidywania wpływu toksycznych produktów spalania na organizm człowieka w przypadku pożaru.AbstractToxic combustion products from insulating and sheathing materials of electric cablesStatistics indicate that most people die in fires due to smoke and toxic gases. Recently electric cables are used in increasing quantities together with the civilisation development and modern constructions. The non-metallic materials used in cable construction produce large quantities of heat, smoke and toxic gases in the event of fire. The complex composition of insulation and jacketing materials causes cable fires always generate a large amount of smoke particles - unburned organic particles (chlorinated and non-chlorinated hydrocarbons) and toxic gases, such as HCl, HF, HBr, SO2, NOx and HCN. It is found that main combustion products are CO and CO2 from burning cables. The effect of fire effluents on human life cannot be measured directly for legal and ethical reasons which resulted in assessing toxic product data from chemical analysis in various ways including, effluent gas concentrations, effluent gas yields, toxicity indices, Fractional Effective Dose (FED) values, Fractional Effective Concentration (FEC) values and LC50 and IC50 values. It is necessarily to provide the research and build up a data base of toxic gas yields allow the use of small scale fires assessments to predict the toxic product yields to people from real fires. |
Najczęściej występującymi toksycznymi produktami spalania są tlenek węgla, cyjanowodór, kwaśne gazy halogenowe, tlenki azotu, dwutlenek siarki, lotne węglowodory i ich pochodne. Przeprowadzenie badań nad oddziaływaniem produktów spalania na ludzi jest niemożliwe ze względów etycznych i prawnych. Wobec powyższego konieczne było wprowadzenie metod laboratoryjnych pozwalających na miarodajne oszacowanie wpływu parametrów toksykologicznych spalin na poziom zatruć i zgonów ofiar pożarów. Takimi parametrami są stężenia wydzielanych substancji, ich wydajności na jednostkę masy materiału, stężenia śmiertelnego LC50, dawki śmiertelnej FED (ang. Fractional Effective Dose) oraz stężenia śmiertelnego FEC (ang. Fractional Effective Concentration).
Ze światowych statystyk pożarowych wynika, iż do państw o bardzo wysokim wskaźniku śmiertelnych ofiar pożarów zaliczają się Białoruś, Rosja, Ukraina, Litwa, Łotwa i Estonia. Państwami, w których wskaźnik ten jest wysoki, są Rumunia, Polska, Bułgaria, Czechy, Węgry i Finlandia [1].
W 2013 roku w Polsce odnotowano 517 przypadków ofiar, które poniosły śmierć w ponad 126 tys. pożarach różnej wielkości. Podczas gdy w 2012 roku odnotowano 584 przypadki ofiar pożarów na prawie 184 tys. pożarów. Średnio od roku 2008 do 2012 w Polsce wystąpiły 162 430 pożary, z czego aż 29 145 w budynkach. W pożarach zginęło wówczas średnio 566 osób/rok [1].
Statystyki pożarowe w wybranych krajach europejskich
Statystyki wykazują, iż większość, bo ponad 80% ofiar pożarów, ginie na skutek zatrucia toksycznymi produktami spalania. Istotnym problemem, z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego, jest powszechne stosowanie coraz nowszych produktów, składających się z nowoczesnych materiałów syntetycznych lub z domieszką składników, które w warunkach pożaru wydzielają duże ilości związków toksycznych, drażniących lub duszących [5].
Kable elektroenergetyczne zasilające, telekomunikacyjne i sterownicze skonstruowane są z jednej lub wielu żył miedzianych lub aluminiowych o różnych przekrojach, aluminiowych ekranów półprzewodzących, pokrytych warstwą poli (tereftalanu etylenu), stalowych pancerzy oraz materiałów niemetalicznych mających istotny wpływ na właściwości ogniowe kabli. Z materiałów niemetalicznych zbudowane są izolacje żył, separatory, powłoki zewnętrzne i wewnętrzne.
Technologia pokrywania gotowych żył roboczych kabli elektroenergetycznych izolacją opiera się na procesie wytłaczania. Polimerami służącymi do produkcji izolacji żył są np. poli (chlorek winylu) – PVC oraz materiały bezhalogenowe LSZH (ang. Low Smoke Zero Halogen), np. kauczuk etylenowo-propylenowy – EPR, usieciowany polietylen – XLPE, specjalne mieszanki silikonowe. Wszystkie mieszanki ze względów ekonomicznych i technologicznych składają się, oprócz odpowiedniego polimeru, z wypełniaczy (np. węglanu wapnia), plastyfikatorów (np. ftalan diizooktylu – DiOP), stabilizatorów (np. fosforan ołowiu, mieszanina tlenku ołowiu z kwasem siarkowym), stabilizatorów termicznych (w przypadku kabli z PVC – np. związki cynoorganiczne), uniepalniaczy, antyutleniaczy (np. fenolowych) [2, 3, 4].
Wydzielanie toksycznych produktów spalania następuje na drodze procesów dekompozycji termicznej oraz degradacji termicznej. Warunki rozkładu zależą od stosunku równoważnikowego paliwo/powietrze, temperatury i tego, czy spalanie jest płomieniowe, czy też nie [5].
Dekompozycja termiczna jest zdefiniowana jako „proces rozległych zmian materiału spowodowany wzrostem temperatury”, natomiast degradacja termiczna jest to „proces, w którym pod wpływem podwyższonej temperatury materiały tracą swoje właściwości fizyczne, mechaniczne i/lub elektryczne” [5]. W przypadku pożaru istotnym procesem jest dekompozycja termiczna, podczas której ze spalanych materiałów powstają gazowe produkty, mogące również ulec spalaniu. Procesy chemiczne są odpowiedzialne za tworzenie się lotnych palnych substancji w wyniku zmian fizycznych, tj. topnienia (mięknienia) i zwęglania [5]. Czyste polimery rozpadają się na różne małe cząstki chemiczne. Lżejsze cząstki uwalniane są natychmiast po wytworzeniu, podczas gdy cięższe pozostają w fazie skondensowanej (stałej lub ciekłej), kontynuując rozpad na lżejsze fragmenty, które znacznie łatwiej uwalniane są do fazy lotnej. Po dekompozycji zawsze pozostają takie produkty stałe jak zwęglina i związki nieorganiczne [5].
Różnorodność procesów fizycznych zależy od natury materiału. Po wytworzeniu polimerów termoutwardzalnych, np. żywic poliestrowych, które są nietopliwe i nierozpuszczalne, w podwyższonych temperaturach nie są możliwe żadne proste przemiany fazowe. Natomiast polimery termoplastyczne początkowo miękną bez istotnych zmian w strukturze, pod warunkiem, że temperatura nie przekroczy ich temperatury dekompozycji. Po przekroczeniu tej temperatury następuje rozkład polimeru na związki o niższej masie cząsteczkowej. W przypadku wielu materiałów polimerowych, procesy dekompozycji są katalizowane za pomocą utleniaczy (tj. powietrza lub tlenu), w obecności których temperatura dekompozycji ulega zmniejszeniu i następuje powstawianie cząsteczek zawierających atomy tlenu w swoim składzie [5].
Istnieje szereg głównych mechanizmów istotnych dla dekompozycji termicznej materiałów polimerowych: rozerwanie łańcucha w losowo wybranym miejscu (ang. random-chain scission), oderwanie monomeru z końca łańcucha (ang. end-chain scission), odczepienie atomu lub grupy atomów niebędących częścią łańcucha głównego, lub łańcuchów bocznych (ang. chain-stripping) oraz utworzenie wiązań pomiędzy łańcuchami polimerowymi – sieciowanie (ang. cross-linking) [5].
Zachowanie się materiałów względem ognia i ilość toksycznych produktów spalania zależą od bardzo wielu czynników. Najważniejsze z nich to skład materiału, temperatura oraz stężenie tlenu. W związku z tym na różnych etapach pożaru może dochodzić do powstania różnych produktów spalania, począwszy od zapłonu, poprzez wzrost, rozgorzenie, rozwinięty pożar, aż do wygaszenia [6, 7, 8, 9].
Etap zapłonu jest to okres, podczas którego rozpoczyna się pożar. Ogień początkowo rozprzestrzenia się w zależności od dopływu paliwa do spalania i nie zależy od warunków spalania. Rozgorzenie jest to okres przejściowy między wzrostem pożaru a pożarem w pełni rozwiniętym, podczas którego powstają wszystkie możliwe produkty spalania [9].
Podczas w pełni rozwiniętego pożaru szybkość wzrostu ciepła jest największa. Tworzy się znacznie więcej paliwa na skutek procesu pirolizy. Paliwo to może być spalane w tlenie obecnym w otoczeniu. Na tym etapie wielkość pożaru jest zależna od wentylacji [9].
Samoistne wygaszenie pożaru następuje na skutek wyczerpania się paliwa (szybko rozwijające się pożary kończą się szybciej), jednocześnie szybkość wzrostu wydzielania ciepła zanika [9].
Pożary, ze względu na warunki, w których występują, dzieli się na następujące typy: bezpłomieniowe/tlenie, pożar w warunkach dobrej wentylacji oraz pożary małe/o słabej wentylacji [7, 8].
W procesie tlenia oraz bezpłomieniowej pirolizy utleniającej i pirolizy w warunkach beztlenowych (tab. 1.) nie występuje płomień, aczkolwiek podczas tlenia obserwuje się świecenie w postaci żaru. Tlenie jest procesem utleniania zwęgliny organicznej i jest wytwarzane poprzez produkowane ciepło lub inne zewnętrzne źródła ciepła. Piroliza utleniająca jest inicjowana i podtrzymywana przez zewnętrzne źródła ciepła. Produkty spalania powstałe w wyniku tych procesów to przeważnie bardzo drażniące dla układu oddechowego związki organiczne, kwasy nieorganiczne oraz tlenek węgla(II) (CO) [11].
Pożary w warunkach dobrej wentylacji występują tylko wtedy, gdy jest dobry dostęp powietrza. W wyniku powyższego spalanie jest bardziej efektywne i głównym jego produktem jest dwutlenek węgla, woda i ciepło, a ilość wydzielonych toksycznych produktów spalania jest raczej niska. Niebezpieczeństwo wynika jedynie z faktu, iż ogień rozprzestrzenia się raczej szybko, wytwarzając znaczną ilość ciepła i CO2, powodując znaczny ubytek tlenu [11].
Pożary w warunkach słabej wentylacji występują, gdy dopływ powietrza jest ograniczony w porównaniu do ilości paliwa. Wyróżnia się dwa typy pożarów w słabej wentylacji: przedrozgorzeniowy pożar w zamkniętych pomieszczeniach lub mocno rozwinięty pożar w warunkach porozgorzeniowych, gdy wszystkie powierzchnie uległy zapłonowi w wysokiej temperaturze (często przekraczającej 1000°C), pożar jest bardzo rozwinięty lub pomieszczenie jest wentylowane. Dlatego właśnie tego typu pożary są najbardziej niebezpieczne ze względu na toksyczność produktów spalania. Tworzą się m.in. znaczne ilości dymu, zawierającego niepomijalne ilości CO2 oraz toksycznych produktów, tj. tlenku węgla (CO), cyjanowodoru, różnych produktów organicznych, kwaśnych gazów nieorganicznych [11].
Poziom wentylacji może być opisany poprzez stosunek równoważnikowy paliwo-powietrze (ang. Equivalence Ratio f) i oparty na ilości tlenu potrzebnej do stechiometrycznej reakcji prowadzącej do wytworzenia tlenku węgla (IV) i wody [12]:
Gazowe produkty spalania dzieli się na dwa główne rodzaje: duszące (czyli wywołujące niedotlenienie, usypiające) oraz drażniące. Do pierwszej grupy należą między innymi tlenek węgla(II) (CO) oraz cyjanowodór (HCN). Efekt duszący może też wywołać znaczny spadek stężenia tlenu w otoczeniu (poniżej 15%) i duże stężenie CO2 (powyżej 5%) [15, 17]. CO2 nie jest toksyczny w stężeniach poniżej 5%, ale wywołuje hiperwentylację, a w rezultacie wdychanie do organizmu większej ilości innych toksycznych produktów spalania, skraca czas do ucieczki i w konsekwencji powoduje śmierć. Pozostałe gazy, tj. chlorowodór (HCl), bromowodór (HBr), fluorowodór (HF), tlenki azotu (NOx), tlenek siarki(IV) (SO2), akroleina, formaldehyd, fosgen, metanoraz inne węglowodory alifatyczne i cykliczne oraz ich pochodne są to gazy o działaniu drażniącym [14, 15, 16].
W przypadku palenia się kabli elektroenergetycznych, bez względu na ich konstrukcję, płomień rozprzestrzenia się zawsze wzdłuż kabli instalowanych w wiązkach lub osobno. Kable, ze względu na znaczną ilość materiałów niemetalicznych, zawsze generują ogromną ilość dymu, w skład którego wchodzą: cząstki organiczne – węglowodory zawierające lub niezawierające atomów chloru w swoim składzie, a także takie cząsteczki jak: HCl, HF, HBr, SO2, NOx lub HCN oraz oczywiście CO2 i CO.
CO powstaje na każdym etapie i w każdym typie pożaru z każdego materiału organicznego. HCN natomiast występuje jako produkt spalania materiałów zawierających azot w swoim składzie, w znacznych stężeniach w przypadku dużych pożarów na etapie porozgorzeniowym. Mechanizm zatrucia tymi dwoma związkami chemicznymi jest dość dobrze poznany. CO powoduje śmierć w wyniku tworzenia silnych wiązań z hemoglobiną we krwi, w wyniku których powstaje karboksyhemoglobina. Związek ten ogranicza transport tlenu z płuc do komórek w organizmie. CO i HCN wiążą enzymy zawierające metale (oksydazy cytochromu), co powoduje blokadę w dostarczeniu tlenu do komórek, a w konsekwencji śmierć komórki, tkanek, a nawet całego organizmu [8, 15].
Słabiej poznane są mechanizmy działania kwaśnych gazów organicznych i drażniących cząstek organicznych. W początkowej fazie cząstki, tj. izocyjaniany, kwaśne gazy, aldehydy, styren i fenol, stymulują receptory bólu w oczach i w górnych drogach oddechowych, powodując w rezultacie stan zapalny i wydzielanie płynu (ostre zapalenie oskrzeli) na skutek reakcji układu nerwowego na działanie drażniących kwaśnych i organicznych gazów. W ten sposób zostaje utrudnione oddychanie i zmniejsza się częstość oddechów do około 10% normalnej wartości. Kolejny krok występuje głęboko w płucach, gdzie dochodzi do wymiany gazowej, czyli tlen i CO2 przechodzą przez barierę krew – powietrze. Oddziaływanie cząstek organicznych w płucach związane jest w największym stopniu z wydzielaniem płynu i stanem zapalnym, uniemożliwiając wymianę gazową [8, 15].
Wpływ toksycznych substancji wydzielanych w procesach spalania na śmiertelność ludzi w pożarach nie może być szacowany bezpośrednio ze względów prawnych i etycznych. Dlatego stosuje się różne pośrednie metody, poprzez szacowanie: stężenia wydzielanych substancji, ich wydajności na jednostkę masy materiału, stężenia śmiertelnego LC50 (ang. Lethal Concentration, oznacza śmierć 50% populacji w ciągu 30 min ekspozycji na działanie dymu), dawki śmiertelnej z rozbiciem na składowe FED (ang. Fractional Effective Dose) oraz stężenia śmiertelnego z rozbiciem na składowe FEC (ang. Fractional Effective Concentration) [17, 18, 19].
FED jest określone jako stosunek dawki toksycznego produktu spalania otrzymanego w wyniku badań do dawki toksycznego produktu rozkładu i spalania powodującego zgon [7].
gdzie:
(czynnik oznaczający wzrastającą hiperwentylację CO2),
A – czynnik kwasowy,
Fractional Effective Dose – Model Pursera [20]:
Fractional Effective Dose – Model N-Gas [19].
W powyższych równaniach [CO], [HCl], [HCN] i inne oznaczają stężenie poszczególnych związków chemicznych. Wartości LC50 dla głównych toksycznych produktów spalania podane są w tabeli 2.
Jeżeli FED wyniesie 1, oznacza to, iż suma stężeń poszczególnych składników będzie dawką śmiertelną dla 50% populacji przez 30 min ekspozycji na działanie dymu [7].
FEC zdefiniowano jako stosunek stężeń toksycznego produktu spalania do stężeń tych samych toksycznego produktu spalania wywołujących zgon [7].
Fractional Effective Concentration [19].
Analiza chemiczna gazowych produktów spalania wymaga osobnej analizy każdego ze składników z zastosowaniem różnych technik. Analiza wszystkich występujących związków chemicznych nie ma sensu praktycznego, dlatego należy określać ilościowo jedynie te, które mają duże znaczenie toksykologiczne [7].
Podsumowanie
Obecność toksycznych produktów spalania jest głównym czynnikiem prowadzącym do śmierci w pożarach. Ogromna ilość syntetycznych materiałów stosowanych powszechnie w codziennym życiu wpływa na niebezpieczeństwo utraty życia w pożarze. Ważną i pilną kwestią jest opracowanie metodyki badań laboratoryjnych umożliwiających pełną ocenę zachowania różnych materiałów, nie tylko kabli elektroenergetycznych, względem ognia w skali rzeczywistej, czyli w przypadku wystąpienia prawdziwego pożaru. Metodą badawczą, która może być wykorzystana w tym celu, jest metoda z użyciem aparatury wg normy ISO 19700 wraz z odpowiednimi technikami pomiaru stężenia produktów spalania.
