Применение роботизированных установок пожаротушения для охлаждения строительных конструкций

Авторы:

Терёхин Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент,
профессор кафедры пожарной безопасности зданий
и автоматизированных систем пожаротушения,
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Немчинов Матвей Сергеевич,  начальник кабинета кафедры
пожарной безопасности зданий и автоматизированных систем пожаротушения,
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Туровский Аристарх Альбертович, главный специалист по НИОКР
ООО «Инженерный центр пожарной робототехники «ЭФЭР»

Аннотация. В данной статье рассматривается актуальность и необходимость применения роботизированных установок пожаротушения (РУП) на промышленных объектах с повышенными рисками возникновения чрезвычайных ситуаций – в машинных залах электростанций и объектах топливно-энергетического комплекса. Оценивается достаточность существующей нормативно-правовой базы в части требований к охлаждению металлических строительных конструкций при пожаре лафетными стволами и иными средствами пожаротушения, а также рассчитывается время их нагрева до критических температур, при которых теряется несущая способность. Определение времени прогрева до критической температуры металлической строительной конструкции осуществляется с помощью теплотехнического расчета, который зависит от коэффициента изменения предела текучести стали, соответствующий критической температуре нагрева растянутых элементов фермы. На основании полученных результатов делается вывод о поведении металлических строительных конструкций в условиях развивающегося пожара и достаточности требований нормативно-правовой базы в области обеспечения пожарной безопасности анализируемых объектов.

Ключевые слова: пожарные роботы, роботизированные установки пожаротушения, автоматические установки пожаротушения, охлаждение строительных конструкций, машинные залы.

Введение. В условиях научно-технического прогресса автоматизация и роботизация охватывает различные сферы. Роботизированные установки пожаротушения нашли свою нишу на рынке для защиты объектов от пожара, принцип работы РУП c определением координат очага возгорания рассмотрен в статье [1], для охлаждения конструкций в источнике [2]. В настоящее время более сотни объектов защищены РУП производства «ЭФЭР», из них более двадцати – с реализацией алгоритма охлаждения конструкций по сигналу от линейных тепловых извещателей. Примеры объектов, на которых РУП предназначены для охлаждения ферм, показаны на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 – Надеждинский металлургический завод

Рисунок 2 – Испытание РУП на Барнаульской ТЭЦ

РУП актуальна для замены привычных «традиционных» систем на промышленных объектах, где существует различное множество сценариев развития чрезвычайной ситуации. К таким объектам могут относиться: самолетные ангары, машинные залы тепловых электростанций, атомных электростанций, резервуарные парки хранения сжиженных углеводородов, различные предприятия со сложной техно-логической конфигурацией и другие. Их опасность обусловлена наличием значительной пожарной нагрузки, которая при возгорании способна привести к серьезным последствиям для человека и природы [3, 4].

Важнейшим направлением по обеспечению пожарной безопасности объекта защиты является определение наиболее опасных участков [5]. Определить это возможно исходя из специфики технологического оборудования, а также других особенностей здания или сооружения. Помимо этого, одним из способов определения зон, подвергнувшихся большему деструктивному воздействию опасных факторов пожара, является моделирование физических процессов с помощью специального программного обеспечения Fire Dynamics Simulator [6].

Таким образом, роботизированная установка пожаротушения способна аналитически и с использованием специального программного оборудования принимать определенный ряд решений, которые заложены в алгоритм работы [7]. В статьях [8, 9] рассматривается целесообразность охлаждения стальных строительных конструкций машинных залов.

Ежегодно происходит существенное количество пожаров, часть из которых приводит к серьезному ущербу [10].

В период с 2015 по 2020 год произошло 38 аварий, чаще всего на вертикальных стальных резервуарах, из них почти 82 % возникли в резервуарах с бензином и сырой нефтью, а основной причиной являлись ремонтные работы и ошибки дежурного персонала [11].

Основной причиной пожаров в машинном отделении считается попадание легковоспламеняющегося масляного тумана на незащищённые горячие поверхности [12].

В 2023 году в результате взрыва турбины в машинном отделении Лужской ТЭЦ произошел пожар. Площадь его составила 2300 м², была вероятность обрушения здания, осложняющая тушение объекта.

В 2024 году произошла крупная авария с последующим частичным обрушением строительных конструкций на Шагонарской ТЭЦ в отсеке теплоподачи, из-за которой пострадало 18 человек.

В нынешние годы, при террористических атаках беспилотных летательных аппаратов количество аварий и последствий значительно увеличилось. При таком режиме функционирования важно обеспечивать безопасность людей и работу системы без их участия, с чем и способна справляться РУП.

Надежность и вариативность работающей системы должна компенсировать несоблюдение на должном уровне техники пожарной безопасности. Согласно статистике ФГБУ ВНИИПО МЧС России, с 2020 по 2024 годы количество пожаров в зданиях производственного назначения увеличилось на 14% по причине нарушения правил устройства и эксплуатации электрооборудования [13]. Даже если пожар возник на объекте, то должны быть предприняты все возможные меры для минимизации ущерба как для людей, так и для имущества. Роботизированная установка пожаротушения позволяет оперативно локализовать и ликвидировать пожар без участия человека благодаря технологиям обнаружения [14-16]. Опираясь на статистику ФГБУ ВНИИПО МЧС России, с 2022 по 2024 ежегодно фиксировалось увеличение количества погибших людей.

В настоящее время проблеме обеспечения пожарной безопасности на объектах топливно-энергетического комплекса с помощью пожарной робототехники посвящены многочисленные научные исследования, в частности И.Н. Пожаркова, Ю.И. Горбань, С.Г. Немчинов, В.А. Харевский, С.Г. Цариченко [17-22] раскрывают эту проблему в своих научных работах.

Основой для исследований становится роботизированная установка пожаротушения, применение которой требует учета пожарно-технических характеристик объекта защиты и нормативно-правовой базы, которая в случае с ТЭЦ отсутствует. Разработка специальных технических условий не позволяет полностью уйти от выполнения требований нормативных документов, так как предусмотрены пункты по альтернативной защите помещений машзалов ТЭЦ – огнезащита. Но в случае с огнезащитой выходит экономически нецелесообразно производить такие работы в объеме машинного зала, зачастую стоимость покрытия строительных конструкций огнезащитным материалом в разы превышает стоимость оснащения лафетными стволами [23]. В связи с этим и появляется необходимость учета времени нагрева до критической температуры, так как это позволяет определить, насколько сильно подвержена строительная конструкция воздействию тепловых потоков без покрытия огнезащитными материалами, а в последующих работах следует с учетом моделирования определить эффективность защиты строительных конструкций от нагрева пожарными роботами.

Методология. В рамках данной работы будет производиться оценка достаточности нормативно-правовой базы в области пожарной безопасности, а именно требований, предъявляемых к охлаждению строительных металлических конструкций, а также проведение расчетов для определения времени нагрева строительных металлических конструкций до предельных температур, при которых они теряют свои несущие свойства. Для определения времени прогрева до критической температуры строительной конструкции необходимо провести теплотехнический расчет, который зависит от коэффициента изменения предела текучести стали, соответствующий критической температуре нагрева растянутых элементов фермы.

Учитывая специфику и типовое расположение ферм, а также требования ГОСТ Р 53295-2009, диктующие, что для проведения испытаний применяется двутавр длиной 3 метра, для проведения расчетов данные строительных конструкций балок фермы представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики строительных конструкций фермы

Рисунок 3 – Рассматриваемый узел металлической фермы

Результаты. В результате проведения анализа нормативно-правовой базы по пожарной безопасности, в части, касающейся охлаждения строительных конструкций, а именно ферм машинных залов, приходим к выводу, что основные требования изложены в СП 13.13130.2009, СП 90.13330.2012 и ГОСТ Р 59580-2021, в которых сказано, что допускается применение лафетных стволов для орошения металлических ферм в случае отсутствия огнезащиты, а также необходимость обеспечения интенсивности орошения 0,06-0,07 л/с*м². Помимо того, что данные требования в действительности окажутся недостаточными, в нормативных документах не представлена методика для проведения испытаний и определения необходимой действительной интенсивности орошения для сохранения металлическими конструкциями своих несущих способностей.

Таким образом, из-за отсутствия конкретных требований для охлаждения строительных конструкций, встает вопрос касательно необходимости орошения ферм машинных залов. Для исправления возникших изъянов в нормативно-правовом поле необходимо расчетным путем, а в последующем и путем моделирования развития опасных факторов пожара, определить четкие требования по охлаж-дению строительных конструкций.

По графику на рисунке 4 определяем числовые значения критической температуры t_cr в зависимости от величин γ_ytcr и γ_е для сжатых элементов. Полученные данные сведем в таблицу 2.

Значения критической температуры Т_cr в за-висимости от величин У_ytcr и У_е представлены в таблице 2.

Таблица 2 – зависимость Т_cr от величин У_ytcr и У.

Результатом статической части расчета будут являться критические температуры рассматриваемых элементов конструкции, полученные по рисунку 4.

Для теплотехнического расчета берутся минимальные значения критической температуры, то есть:
t_cr(Р4) =520 °C;
t_cr(Р5) =520 °C;
t_cr(Н3) =530 °C;
t_cr(Н2) =530 °C;
t_cr(С2) =580 °C.

Рисунок 4 – График зависимости температуры от предела текучести

Определим толщину сечения элементов фермы, приведенных к толщине пластины. Сечение элементов фермы:

где А – площадь поперечного сечения элемента фермы, м₂. В узлах фермы каждый элемент выполнен из двух уголков. 

U – длина обогреваемого периметра сечения элемента фермы, м (каждый уголок обогревается со всех четырех полок):

где b_f – ширина полки уголка, м.

Таким образом, получаем следующее выражение

И подставляя необходимые значения, получаем:

Для каждого элемента по графикам определяем значения времени прогрева У до критической температуры, то есть утраты их несущей способности (рис. 5). Значения сведем в таблицу 3.

Рисунок 5 – График изменения нагрева незащищенных стальных материалов
от времени нагрева и приведенной толщины при стандартном температурном режиме пожара

Таблица 3 – Время прогрева до критической температуры

В данном случае, при невыполнении п. 9.1.15 СП 90.13330.2012, в части, касающейся применения огнезащитных составов для металлических конструкций, необходимо обеспечивать на стадии проектирования металлические фермы с пределом огнестойкости выше требуемого и применение в соответствии с п. 10.2.1.10 лафетных стволов (роботизированных). Но в случае их применения нормативно закреплено только одно условие применения – орошение каждой фермы минимум двумя лафетными стволами без указания необходимой интенсивности и/или расхода на орошение.

При этом в СП 13.13130.2009 установлены необходимые требования к орошению металлических конструкций – составлять не менее 0,06 л/с*м² (площади сечения фермы машзала) без учета специфики объекта и пожарной нагрузки, однако если проводить аналогии с СП 485.1311500.2020, то такая интенсивность орошения имеет меньшие значения, чем необходимая интенсивность для 1 группы помещений в соответствии с приложением А. В СП 155.13130.2014 указана интенсивность орошения металлических конструкций резервуара (стенок), исходя из окружности, высоты и типа резервуара, и имеет минимальное значение 0,2 л/с*м², при этом учитываются различные параметры, влияющие на работу системы.

Обсуждение. В ходе проведения расчетов времени нагрева до критической температуры было выявлено, что металлические строительные конструкции машинного зала при пожаре способны терять свои свойства после 8 минут нагрева. Такой временной промежуток не позволяет соблюдать требования СП 2.13130.2020, поэтому необходимо повышение этого показателя до нормативных значений. В этом случае и появляется необходимость использования пожарных роботов, но без требований к орошению и времени работы их применение остается вне нормативного поля. В работах И.Н. Пожарковой, Ю.И. Горбань, С.Г. Немчинова, В.А. Харевского, С.Г. Цариченко описаны принципы обеспечения защиты машинных залов ТЭЦ, АЭС и ГЭС. Для подтверждения целесообразности внедрения требований к пожарным роботам, как к альтернативным огнезащите средствам обеспечения устойчивости строительных конструкций в условиях пожара, необходимо провести помимо расчетов натурные испытания, по итогам которых следует внести предложения в нормативную базу. Это позволит подтвердить труды авторов, а также расширить выбор средств обеспечения пожарной безопасности для объектов защиты.

Выводы. Таким образом, отсутствие требований и методики расчёта необходимой интенсивности охлаждения для сохранения несущей способности конструкций в конкретных условиях не позволяет технически правильно реализовывать принятое решение. При проведенных же расчетах видно, что время прогрева металлических ферм до критических температур достигает 8 минут, после чего возможно обрушение одного из элементов фермы, что повлечет за собой частичное или полное обрушение перекрытия. Помимо этого, результат расчетов должен подтверждаться моделированием с помощью специального программного обеспечения, так как в действительности должны учитываться различные показатели и свойства строительных конструкций, вида горючего вещества и также свободного объема, от которого зависит время повышения температуры в помещении.

Подводя итог всему вышесказанному, делаем вывод, что при определении требуемой интенсивности орошения для охлаждения строительных конструкций машинных залов необходимо применять специальное программное обеспечение для обоснования применения выбранного решения, в связи с отсутствием конкретных данных в нормативной базе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Туровский А.А. Система технического зрения в роботизированных установках пожаротушения. Актуальные проблемы // Пожарная безопасность: современные вызовы. Проблемы и пути решения: материалы Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 18 апреля 2024 года. – СПб.: С.-Петербург. ун-т ГПС МЧС России, 2024. – С. 54-57.
2. Горбань Ю., Синельникова Е. Системы пожаротушения для защиты машинных залов ТЭЦ, АЭС и ГЭС // Алгоритм безопасности. – 2011. – № 3. – С. 32-36.
3. Spence T.G.A.S., Ahmad A. Risks to Persian Gulf cities from spent fuel fires at the Barakah and Bushehr nuclear power plants // Science and Global Security: The Technical Basis for Arms Control, Disarmament, and Nonproliferation Initiatives. – 2021. – Vol. 29, No. 2. – P. 67-89. – DOI: 10.1080/08929882.2021.1951000. – EDN: MRPXOQ.
4. Siu N.O. Models for the detection and suppression of fires in nuclear power plants and some related statistical problems (risk analysis, uncertainty, Bayes theorem, imprecise data). – 1986. – 1 p. – EDN: GGWIJX.
5. Gupta B.B., Nedjah N. Safety, security, and reliability of robotic systems: algorithms, applications, and technologies. – Boca Raton: CRC Press, 2023. – 276 p.
6. Ryder N.L., Sutula J.A., Schemel C.F., et al. Consequence modeling using the fire dynamics simulator // Journal of Hazardous Materials. – 2004. – Vol. 115, No. 1-3 (Spec. iss.). – P. 149-154. – DOI: 10.1016/j.jhazmat.2004.06.018. – EDN: KJTUOR.
7. Немчинов С.Г., Горбань Ю.И., Туровский А.А., Приходченко Р.В. Система технического зрения для роботизированных установок пожаротушения // Экстремальная робототехника. – 2022. – № 1 (33). – С. 51-56.
8. Акулов А.Ю., Сатюков Р.С., Субачев С.В., Субачева А.А. Моделирование пожара в машинном зале электростанции для оценки мероприятий по повышению огнестойкости его покрытия // Технологии техносферной безопасности. – 2015. – № 2 (60). – С. 38-48. – EDN: UJEOLL.
9. Прытков Л.Н., Барбин Н.М., Кобелев А.М. [и др.] Моделирование пожара в типовом машинном зале атомной электростанции для оценки эффективности внедрения роботизированных установок пожаротушения // Техносферная безопасность. – 2021. – № 4 (33). – С. 78-88. – EDN: RPFWGW.
10. Salvi U., Lattimer B.Y., Alhadhrami S., et al. Analysis of historic fires to determine most frequent challenging events // Progress in Nuclear Energy. – 2022. – Vol. 146. – P. 104146. – DOI: 10.1016/j.pnucene.2022.104146. – EDN: KREPRJ.
11. Полякова Н.А. Пожароопасность нефтебаз в России: статистика аварий, пожаров и взрывов // Аллея науки. – 2024. – Т. 1, № 9 (96). – С. 158-165. – EDN: EXJZZZ.
12. Mcnay J., Puisa R., Vassalos D. Analysis of effectiveness of fire safety in machinery spaces // Fire Safety Journal. – 2019. – Vol. 108. – P. 102859. – DOI: 10.1016/j.firesaf.2019.102859. – EDN: DFPTJW.
13. Козлов А.А., Полехин П.В., Шевцов М.В. [и др.] Пожары и пожарная безопасность в 2024 г. Статистика пожаров и их последствий: информационно-аналитический сборник. – Балашиха: ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2025. – 112 с. – EDN: PIKMXJ.
14. Perumal K.A.P., Ali M.A.M., Yahya Z.H. Fire fighter robot with night vision camera // Proceedings of the 2019 IEEE 15th International Colloquium on Signal Processing and its Applications (CSPA 2019), Penang, 8–9 March 2019. – Penang, 2019. – P. 270-274. – DOI: 10.1109/CSPA.2019.8696077. – EDN: ZBNSRC.
15. Radha D., Kumar A., Telagam N., Sabarimuthu M. Smart sensor network-based autonomous fire extinguish robot using IoT // International Journal of Online and Biomedical Engineering. – 2021. – Vol. 17, No. 1. – P. 101-110. – DOI: 10.3991/ijoe. v17i01.19209. – EDN: HLHJDB.
16. Bandala A.A., Sybingco E., Maningo J.M.Z., et al. Human presence detection using ultra-wide band signal for fire extinguishing robot // IEEE Region 10 Annual International Conference (TENCON): Advancing Technologies for Sustainable Development Goals to Transform Our World, Virtual, Osaka, 16–19 November 2020. – Osaka, 2020. – P. 9293893. – DOI: 10.1109/ TENCON50793.2020.9293893. – EDN: AGNJMY.
17. Пожаркова И.Н. Синтез алгоритма движения ствола пожарного робота при охлаждении поверхностей строи-тельных конструкций // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2025. – № 2. – С. 34-43. – DOI: 10.25791/pribor.2.2025.1558. – EDN: PHSWOA.
18. Мельников Е.А., Кукотенко В.А. Совершенствование системы противопожарной защиты котельной с применением пожарных роботов // Молодые ученые в решении актуальных проблем безопасности: сб. материалов XII Всероссийской научно-практической конференции, Железногорск, 26 мая 2023 года. – Железногорск: Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2023. – С. 255-259. – EDN: XDNMLW.
19. Пожаркова И.Н. Применение методов машинного обучения для прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества из лафетного ствола // Актуальные проблемы пожарной безопасности: материалы XXXV Международной научно-практической конференции, Москва, 31 мая 2023 года. – М.: Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, 2023. – С. 334-341. – EDN: IVDRPS.
20. Патент № 2830398 C1 Российская Федерация, МПК A62C 37/50. Способ прогнозирования траектории струи огнетушащего вещества из пожарного лафетного ствола при воздействии на нее ветра на базе нейросетевой модели и математического моделирования: № 2024106218; заявл. 11.03.2024; опубл. 18.11.2024 / И.Н. Пожаркова, Ю.И. Горбань, С.Г. Немчинов [и др.]; заявитель Общество с ограниченной ответственностью «Инженерный центр пожарной робототехники “ЭФЭР”». – EDN: ISJWMI.
21. Патент № 2775482 C1 Российская Федерация, МПК A62C 37/00, A62C 3/00, A62C 35/58. Многофункциональный робототехнический комплекс предупредительного мониторинга, обнаружения возгораний и управления пожаротушением производственных объектов: № 2021124355; заявл. 17.08.2021; опубл. 01.07.2022 / В.А. Харевский, Ю.И. Горбань, С.Г. Немчинов [и др.]; заявители АО «Российский концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях», ООО «ПТО-ПТС», ООО «Инженерный центр пожарной робототехники “ЭФЭР”», АО «Пожгидравлика». – EDN: HTEJNE.
22. Немчинов С.Г., Харевский В.А., Горбань Ю.И., Цариченко С.Г. Противопожарная защита машинных залов атомных электростанций с использованием многофунк-циональных робототехнических комплексов // Безопасность труда в промышленности. – 2022. – № 2. – С. 20-26. – DOI: 10.24000/0409-2961-2022-2-20-26. – EDN: PVMYZL.
23. Pan Y.T., Zhang Z., Yang R. The rise of MOFs and their derivatives for flame retardant polymeric materials: a critical review // Composites Part B: Engineering. – 2020. – Vol. 199. – P. 108265. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.108265. – EDN: QONHYX.