История создания и развития систем водяного пожаротушения

Первым изобретателем стационарной установки водяного пожаротушения был инженер-гидротехник К.Д. Фролов. В 1769-1770 годы им был разработан проект и действующий макет прототипа установки водяного пожаротушения. Система, представляла собой несколько труб с небольшими отверстиями, прикрепленных к потолку и разделенных на секции. (Рис. 1.1) [22]

а)

б)

Рис. 1.1 а) Первый изобретатель стационарной установки водяного пожаротушения Козьма Дмитриевич Фролов, б) схема расположения оросительных отверстий в перфорированном трубопроводе

Двигателем установки водяного пожаротушения конструкции К.Д. Фролова (рис.1.2) служило водоналивное колесо, приводящее в движение кривошипно-шатунный механизм. Последний жестко соединялся с поршнями двух всасывающих насосов, подававших воду в распределительный трубопровод, оборудованный перекрывными кранами. В случае пожара на концы стояков надевались «кожаные рукава» и открывался кран для подачи воды в очаг пожара. Внутри помещений размещались горизонтальные трубы с отверстиями для разбрызгивания воды по всему помещению.

Рис. 1.2. Стационарная установка пожаротушения конструкции Фролова, 1770 год

Однако это изобретение не было применено на практике, проект был положен в архив, а конструкция так и не запатентована.

Впервые в 1806 году, система водяного пожаротушения была установлена в здании Королевского театра Друри-Лейн в Лондоне. Система включала в себя цилиндрический герметичный резервуар около 95 м³, питающий трубопровод 250 мм., который разветвлялся во все части здания. От распределительных труб отводились более тонкие, в которых были устроены отверстия диаметром 12 мм. в три ряда. Система была спроектирована Уильямом Конгривом, которого можно считать первым проектировщиком систем водяного пожаротушения. Резервуар заполнялся с помощью парового пожарного насоса водопроводной службы Лондона, с которой был заключен контракт «на приведение насоса в полную готовность для заполнения резервуара в течение 20 минут после подачи соответствующей тревоги». Управление системой производилось с помощью нескольких клапанов, которые было необходимо открывать вручную в случае обнаружения возгорания. Все здание было поделено на секции, для того, чтобы подавать воду только в ту часть, где она необходима, обеспечивая необходимый напор и предотвращая лишние повреждения от воды.

В последующие годы было подано множество патентов, в которых предлагалось использовать напорные баки, размещаемые в верхней части здания и распределительные трубы.

При разработке конструкций систем пожаротушения зданий и кораблей впервые было применено основное свойство спринклерной системы – автоматическая активация во время пожара. Открытие управляющих клапанов или распылительных отверстий в трубах производилось в результате расплавления пробок, выполненных из гуттаперчи, лекгоплавкого металла или других составов, например смеси воска, резины и стеарина, которые плавились при необходимой температуре. В некоторых патентах предлагались схемы с управлением клапанами с помощью веревок, которые сгорали в огне и автоматически открывали секционные клапаны (рис.1.3).

Рис. 1.3. Система управления секционными клапанами пожаротушения

с помощью веревок. 1882 год

В США системы с пеё1орированными трубопроводами начали использоваться с 1852 года для защиты текстильных заводов. Легкая промышленность быстро развивалась, пожары на предприятиях были обычным явлением. Именно благодаря заказам от текстильных предприятий, спринклерные системы так быстро развивались. В поздних системах с перфорированными трубопроводами использовались отверстия диаметром 0,25 мм, размещенные на расстоянии в 220 мм. друг от друга на обращенной к потолку стороне трубы. Таким образом, когда управляющие клапаны системы открывались, вода разбрызгивалась вверх, на потолок, откуда уже распределялась на пол.

Существовало несколько типов систем с перфорированными трубопроводами: система Фрэнсиса, система Уайтинга, система Гриннелла и система Холла. Каждая из них имела собственные характерные недостатки, например распределительные трубопроводы с отверстиями системы Холла монтировались из оцинкованной листовой стали, подобно печным трубам. Использование таких материалов делало систему дешевой, однако плохо отражалось на способности противостоять коррозии и высокому давлению воды.

Не только система Холла, но и все системы с перфорированными трубопроводами в целом, обладали значительным недостатком. Они не могли обеспечить достаточную точность подачи воды на очаг пожара, вода подавалась по всей секции, и ущерб от тушения небольшого возгорания иногда превышал вероятный ущерб от самого пожара. Кроме того, отверстия быстро засорялись отходами текстильного производства, и требовали регулярной очистки, а испытания невозможно было провести, не заливая водой всю защищаемой секцией часть здания. Однако, несмотря на все недостатки, перфорированные трубы решали свою основную задачу по локализации и тушению возгораний, что давало уверенность, что автоматические противопожарные системы будут развиваться и дальше.

Изобретатели начали свои эксперименты с первыми автоматическими спринклерными оросителями в 1860-х годах. Первым был Барнабас Вуд из Нэшвилла, штат Теннесси, который запатентовал спринклер с лекгоплавкой паяной вставкой. Он вскрывался при температуре 165°F (74°С). По сей день эта температура остается одной из стандартных для спринклеров.

В 1864 году, в Англии, Стюарт Харрисон представил свою конструкцию автоматического оросителя. (Рис.1.4) Он представлял собой пустую перфорированную конструкцию из меди круглой формы диаметром 2 или 3 дюйма. Сквозь медную конструкцию проходил шток, который удерживал на месте резиновую прокладку, закрывавшую отверстие в питающем трубопроводе. Сам шток удерживался на месте с помощью веревки. Когда огонь сжигал веревку, шток падал, открывая отверстие в питающем трубопроводе. Вода под давлением подавалась в круглую камеру оросителя и разбрызгивалась над очагом возгорания. Изобретенный Харрисоном спринклер был наиболее чувствительным для того времени, однако он не привлек должного внимания, возможно из-за начавшейся в США гражданской войны.

Рис. 1.4. Конструкция оросителя Стюарта Харрисона

Генри Пармели из СЩА, считается изобретателем первого коммерчески успешного спринклерного оросителя. Пармели владел фабрикой по производству пианино. После разрушительных пожаров в Чикаго в 1871 и в Бостоне в 1872, страховые взносы от пожаров резко возросли, и он задумался над автоматическим устройством, которое самостоятельно тушило бы пожар. Предварительный дизайн устройства был довольно сложным и включал в себя запорные клапаны, пружины, сгораемые нити и прочее (рис.1.5).

Рис. 1.5. Конструкция спринклерного оросителя Генри Пармели. 1874 год (иллюстрация из патента)

Пармели оснастил спринклерами свою фабрику и провел испытания, которые показали, что спринклеры далеки от совершенства. В 1875 году, в конструкцию были внесены некоторые усовершенствования (рис.1.6), упростившие устройство и позволившие начать коммерческое использование. Первая партия оросителей была приобретена 1876 году для установки на двух мельницах в Фолл-Ривер, штат Массачусетс. Когда количество заказов возросло, была основана компания «ParmeleeSprinklerCompany».

Рис. 1.6. Усовершенствованная модель спринклера Пармели 1875 года (иллюстрация из патента)

Развитие шло в сторону дальнейшего упрощения, позднее был получен патент на простую модель оросителя, представлявшую собой полукруглую камеру с отверстиями, закрытую крышкой (рис.1.7). Крышка крепилась легкоплавким припоем с температурой плавления 160°F (72°С). Когда возникал пожар, припой плавился, крышка, закрывавшая отверстия, под действием давления воды откидывалась, и начиналось орошение. Как и следовало ожидать, время срабатывания спринклера занимало несколько минут, требовавшихся для нагрева массивной базы и воды, находившейся в оросительной камере.

Рис. 1.7. Спринклер Пармели с полукруглой оросительной камерой: 1 – полукруглая камера с отверстиями, 2- крышка на легкоплавком припое, 3 – трубопровод

Усовершенствованная версия оросителя 1878 года (рис.1.8) включала в себя вращающееся зубчатое колесо, которое разбрызгивало воду. Эта модель продавалась вплоть до 1882 года, к этому времени количество установленных спринклеров достигло величины в 200 000. Основным инсталлятором была компания Фредерика Гринелла, «ProvidenceSteamandGasPipeCompany».

Рис. 1.8. Спринклер Генри Пармели с распределительным колесом

Окончательные изменения в конструкцию спринклерного оросителя Пармели были внесены Фредериком Гриннеллом. Он изменил присоединительную резьбу на ½, а также перенес запорное отверстие к трубе, чтобы отделить воду и чувствительный к температуре элемент спринклера, тем самым уменьшив время срабатывания.

В России установка спринклеров «Гриннель» началась с 1891 года. Работа по созданию автоматических установок водяного пожаротушения велась одновременно в нескольких направлениях. В 1882 году Ф. Баром из Варшавы разрабатывается аппарат для «автоматического тушения и указания пожара». В нем открытие клапанов для выпуска воды в виде дождя осуществлялось с помощью электричества. Сигнал на клапаны поступал от датчика, выполненного в виде проводов, покрытых изолирующей массой. При повышении температуры эта масса расплавлялась, и концы проволок, соприкасаясь, замыкали электрическую цепь. Одновременно с этим замыкалась цепь электрического звонка и подавался сигнал тревоги. В августе 1882 г. В. Ванкербергер из Брюсселя предложил использовать для тушения пожаров в фабричных помещениях пожаротушитель, чувствительным элементом которой являлась пластинка из набора металлов, обладающих различными коэффициентами расширения. При повышении температуры пластинка приводила в движение механическую тягу, посредством которой открывался кран паропроводной системы и включался звонок. По мнению автора, при высокой температуре в помещении можно было использовать стальную пластинку, удерживаемую в определенном положении с помощью легкосгораемой тесьмы или шнура, соединенных, в свою очередь, со шнуром, протянутым по всему помещению.

Месяцем раньше в Российское патентное ведомство поступило предложение от казанского купца Ю. Кюна, которое отличалось тем, что на водопроводных трубах крепились конические трубки с герметичными клапанами, соединенные с легковоспламеняющимся шнуром. 23 мая 1884 года, т.е. почти на месяц раньше Ф. Гриннеля, русский инженер Н.П. Зимин заявляет в патентное ведомство автоматический пожаротушитель, в котором сетка для разбрызгивания воды наглухо закрывалась стеклянным или фарфоровым колпаком. Этот колпак разрушался грузом, приводимым в движение при перегорании легковоспламеняющейся тесьмы, или при расплавлении легкоплавкого металла. Применение стеклянного колпака в качестве запорного устройства водопроводной сети давало возможность использовать автоматические установки водяного пожаротушения в агрессивных средах. Это было важным достижением, так как спринклеры «Гриннель» вследствие коррозии металла не всегда срабатывали в атмосфере, где имелись кислоты. Однако предложения Зимина, как и Федорова в свое время, так и остались лежать в архиве.

В 1893 году Ф. Гриннель получает в России новую привилегию на свой спринклер, главным усовершенствованием которого стало «устранение порчи подобных клапанов под действием воздуха, разъедающих газов и воды, влиянию которых клапан подвергается долгое время и вследствие этого может не открыться в нужный момент, или открыться, когда не надо». Он предлагает их делать из стекла, фарфора и других кремнистых соединений. Этот спринклер стал известен под названием «бульб-спринклер».

Кроме спринклеров «Гриннель», в конце прошлого века применялись и другие образцы. Среди них был спринклер австрийца X. Линзера, отличавшийся от известных двумя особенностями. Мостик из легкоплавкого металла находился не под клапаном, а был вынесен в сторону, вследствие чего на него действовало растяжение, а не сжатие. Второе отличие заключалось в том, что клапан упирался не в упругую диафрагму, а на металлическое седло. Сам же принцип действия был таким же, как у Гриннеля. Недостатком спринклера «Линзера», по мнению специалистов, было наличие в нем подвижных частей, что требовало более тщательного ухода.

Для защиты фабрик и заводов использовались также спринклеры Ньютона и А. Пашковского. Спринклеры русского изобретателя Пашковского по своей конструкции занимали среднее положение между спринклерами Гриннеля и Ньютона, с одной стороны, и спринклерами Линзера — с другой. По сравнению с названными, конструкции Пашковского позволяли быстро приводить в рабочее состояние вскрывшиеся спринклеры без замены головок. Достаточно было только вставить в старую головку новый мостик. Это было выгодно и экономически, так как спринклерные головки стоили дорого. Существенно облегчался и контроль за наличием в подводящих трубопроводах воды, поскольку ее отсутствие или малый напор в сети приводили к выделению воды из спринклера. И все-таки 90% всех установок составляли спринклеры «Гриннель».

Применение автоматических установок водяного пожаротушения для защиты помещений внесло существенный вклад вдело борьбы с огнем. В 1904 году страховой деятель Бэтлей провел анализ всех пожаров на спринклерованных фабриках Англии. Из 810 пожаров 734 (91%) погашено спринклерами.

В этих устройствах видели надежную защиту от огня, и уже к 1895 году во всем мире насчитывалось свыше 3 млн. 250 тыс. спринклеров «Гриннель», под защитой которых находилось свыше 12 тысяч зданий с имуществом на сумму свыше 1 млрд. руб. по ценам того времени. Уже в начале XX века с помощью спринклерных установок в мире было предотвращено 15 тысяч пожаров.

К середине 20-х началу 30-х годов XX века были созданы отечественные автоматические установки водяного и пенного пожаротушения. В их создании большая заслуга принадлежит Центральной научно-исследовательской пожарной лаборатории (ЦНИПЛ, 1930 г.), переименованной в Центральный научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ЦНИИПО, 1937 г.), а с 1968 года во Всесоюзный научно-исследовательский институт противо-пожарной обороны (ВНИИПО). В настоящее время — Федеральное государ-твенное учреждение (ФГУ) Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ВНИИПО) МЧС России.

Вопросами разработки спринклерных и дренчерных установок в 30-е годы занимался ряд организаций, однако только создание ЦНИИПО позволило поставить их решение на научную основу.

Одним из основоположников теории пожарного водоснабжения был сотрудник ЦНИИПО профессор В.Г. Лобачев, работавший в институте с первых дней его основания. Ему принадлежит заслуга в развитии метода гидравлического расчета спринклерно-дренчерных сетей, основанного на принципе последовательного нахождения гидравлического сопротивления, напоров и расходов воды в расчетных точках сети.

В 1943 году институтом разрабатываются типовые схемы дренчерного оборудования для защиты надшахтных сооружений от пожаров, а в 1948 году - наиболее рациональные схемы автоматизации пуска дренчерных установок.

В 1952 г. перед ЦНИИПО остро встал вопрос о пересмотре действующих "Общесоюзных правил строительства и проектирования спринклерного и дренчерного оборудования", изданных в 1939 году.

В результате проведенной работы были получены: расходные характеристики насадков - спринклеров и дренчеров; данные о потерях напора в контрольно-сигнальных клапанах и клапанах группового действия в зависимости от расхода воды. Работа показала на необходимость конструктивного изменения существующих контрольно-сигнальных устройств с целью улучшения их гидравлических показателей.

В 1956 г. ЦНИИПО приступил к непосредственным работам по усовершенствованию основных элементов спринклерно-дренчерных установок, в результате чего были созданы новые модели водяных оросителей и новый образец воздушно-сигнального клапана с более высокими технико-экономическими показателями.

В 1963 году в ЦНИИПО под руководством Е.Н. Иванова разработаны конструкции нескольких принципиально новых типов водооросителей, в том числе спринклеры с вогнутой и плоской розеткой типа (рис. 1.9), эвольвентный ороситель, диафрагменный ороситель и др. Спринклеры отличались повышенным радиусом орошения, который достигался за счет применения розетки большего диаметра со специальными щелями. Чувствительность спринклера была повышена за счет применения нового легкоплавкого замка, работающего на растяжение. Применение выносных рычагов существенно уменьшило теплопотери в корпусе спринклера, а также исключило экранирование замка корпусом или розеткой. Спринклеры были приняты к серийному производству.

Рис. 1.9. Ороситель спринклерный с плавким элементом

Дальнейшие работы ЦНИИПО по усовершенствованию элементов спринклерно-дренчерных установок были связаны с разработкой быстродействующего запорно-сигнального клапана для дренчерных систем и новых типов водораспылителей с повышенной расчетной площадью и равномерностью орошения (1960 г.). Новый клапан отличался от существующих меньшей массой, универсальностью и простотой конструкции. Клапан был снабжен гидравлическим приводом с управлением при помощи побудителей различных типов.

В 1975 году институт совместно с СПКБ «Спецавтоматика» принял участие в разработке «Инструкции по проектированию установок автоматического пожаротушения» (СН-75-76). В частности, в новом нормативном документе было дано научное обоснование классификации зданий, производств и технологических процессов по совокупности характерных признаков, обусловливающих различную степень опасности развития пожара. Особую часть работы составило обоснование основных норм проектирования спринклерных и дренчерных установок: интенсивности орошения, расчетной площади орошения и продолжительности работы установки. Развитие электронно-вычислительной техники способст1.9), эвольвентный ороситель, диафрагменный ороситель и др. Спринклеры отличались повышенным радиусом орошения, который достигался за счет применения розетки большего диаметра со специальными щелями. Чувствительность спринклера была повышена за счет применения нового легкоплавкого замка, работающего на растяжение. Применение выносных рычагов существенно уменьшило теплопотери в корпусе спринклера, а также исключило экранирование замка корпусом или розеткой. Спринклеры были приняты к серийному производству.

Рис. 1.9. Ороситель спринклерный с плавким элементом

В 1975 году институт совместно с СПКБ «Спецавтоматика» принял участие в разработке «Инструкции по проектированию установок автоматического пожаротушения» (СН-75-76). В частности, в новом нормативном документе было дано научное обоснование классификации зданий, производств и технологических процессов по совокупности характерных признаков, обусловливающих различную степень опасности развития пожара. Особую часть работы составило обоснование основных норм проектирования спринклерных и дренчерных установок: интенсивности орошения, расчетной площади орошения и продолжительности работы установки. Развитие электронно-вычислительной техники способствовало внедрению ЭВМ в практику проектирования спринклерно-дренчерных установок. Благодаря работам ВНИИПО в 1977 году выходит в свет методика гидравлического расчета спринклерных установок с использованием ЭВМ.

Дальнейшее совершенствование методов расчета установок водяного тушения пожаров было связано с учетом изменяющейся вдоль трубопровода массы воды. В период 1979-1980 гг. институтом была выполнена разработка отечественного образца настенного спринклера типа СН-12, предназначенного для зданий повышенной этажности с массовым пребыванием людей. За время эксплуатации новых спринклеров зарегистрирован ряд случаев успешного срабатывания и тушения пожаров.

К числу исследований ВНИИПО в области развития спринклерных установок относится разработка в 1987 году принципиально новой системы автоматической пожарной защиты высотных стеллажных складов типа «Кас-кад». Эта система предусматривала применение горизонтальных экранов, пере-крывающих стеллажи на расстоянии 3-4 м по высоте друг от друга. Под экраном монтировался распределительный трубопровод спринклерной установки пожаротушения. Экраны препятствовали распространению горячих газов вверх и аккумулировали теплоту под собой. Это снижало скорость распространения пожара по вертикали и повышало быстродействие спринклерной установки. Существенное развитие в эти годы получили методы гидравлического расчета спринклерно-дренчерных сетей в работах Е.Н. Иванова. Теоретическим и экспериментальным исследованиям посвящен ряд работ Н.М. Антонова, В.Ф. Ходакова и др. К концу 80-х годов был достигнут промышленный выпуск широкого ассортимента оборудования спринклерных и дренчерных установок, разработанных во ВНИИПО.