Резервирование пожарных извещателей или … контактов?! Часть 1. Отечественные и зарубежные стандарты

Игорь Неплохов
к.т.н., технический директор по ПС компании «ПОЖТЕХНИКА»

Статья опубликована в журнале "Технологии защитыt; № 1, 2014 год

Вопросы надежности пожарных извещателей, исходя из величины наработки на отказ, и связанная с ними «вечная» тема: «1-2-3 извещателя в помещении», уже неоднократно обсуждалась в отраслевых журналах [1-6]. Само по себе требование установки в каждом помещении не менее двух извещателей, а с 2003 года даже трех извещателей, когда во всем мире считается достаточным один, - по меньшей мере странно. С другой стороны, уникальность отечественных норм не обеспечивает высокий уровень пожарной защиты. К сожалению, Россия возглавляет список стран, наиболее неблагополучных по общей пожарной опасности [7]. Такое положение объясняет заявление директора ДНД МЧС России Ю. И. Дешевых в прошлогоднем интервью: «...Мы взяли курс на гармонизацию российских требований пожарной безопасности с зарубежными требованиями пожарной безопасности. Это очень важный вопрос, он позволяет нам три задачи решить. Первая задача, воспользоваться теми знаниями, которые есть за рубежом в области противопожарной защиты, то есть их опыт у себя использовать. Второе, если мы будем применять зарубежные нормы, то та продукция, которая производится у нас, она будет конкурентноспособна на Западе... И третье, это защитить себя от проникновения некачественной продукции к нам на рынок...» [8].

ВЕРОЯТНОСТЬ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ ИЗВЕЩАТЕЛЯ

Требование установки минимум двух пожарных извещателей появилось в первом нормативном документе 30 лет назад, очевидно вследствие низкой надежности оборудования в то время. Тогда в конструкторской документации на пожарные извещатели, приборы и источники питания производители обычно указывали наработку на отказ 13 100 часов (1,5 года), иногда 17 500 часов (2 года). Низкий уровень надежности устройств отражал имеющийся уровень элементной базы. Например, из-за отсутствия светодиодов в фотоэлектрическом дымовом извещателе ИДФ-1М использовались лампы накаливания типа СГ24-1,2, и, для обеспечения приемлемого срока службы, напряжение питания было снижено с 24 В до 19 В. Вероятно, эти значения связывались с гарантийными обязательствами, которые составляли всего лишь полгода/год.

Использование современных технологий и высококачественных комплектующих позволяет значительно повысить надежность пожарных извещателей. Несмотря на это, в ГОСТ Р 53325-2009 указана величина средней наработки извещателей на отказ всего лишь не менее 60 000 часов (6,85 года) и средний срок службы - не менее 10 лет. Необходимо отметить, что даже на сложнейшие электронные устройства даются значительно большие наработки на отказ, например, выпускаются жесткие диски со средней наработкой на отказ, в английской интерпретации MTBF (Mean Time Between Failures), равной 2 000 000 часов, т.е. более 228 лет. Это вовсе не означает, что винчестер в вашем ноутбуке будет работать практически вечно! Наоборот, за год непрерывной работы на каждые 228 винчестеров, в среднем, произойдет отказ одного винчестера. А на пожарные извещатели - устройства, состоящие всего лишь из нескольких десятков электронных компонентов, без приводов, магнитных головок и дисков, - наши производители указывают стандартную наработку на отказ не менее 60 000 часов. Какая вероятность отказа пожарного из-вещателя соответствует наработке на отказ равной 60 000 часов, и что дает использование двух таких извещателей в помещении?

На рисунке 1 показана типовая зависимость интенсивности отказов электронных устройств во времени. Здесь можно выделить три области:

Рис. 1. Распределение плотности вероятности отказа электронных устройств


I - приработка изделий, на этом этапе происходит отказ ненадежных элементов, выявляются дефекты сборки и т.д.;

II - период эксплуатации, соответствует наименьшей и постоянной во времени интенсивности отказа;

III - участок роста интенсивности отказов изделий в результате старения элементов.

Контроль режима работы каждого электронного элемента в процессе изготовления и электрическая тренировка позволяют полностью исключить I этап из периода эксплуатации. В этом случае интенсивность отказов λ извещателей в первые годы эксплуатации сохраняется на постоянном уровне (λ = const), что позволяет вычислить вероятность безотказной работы P(t0) и вероятность отказа Q(t0) за промежуток времени t0 [9]:

Приближенные значения P(t0) и Q(t0) [10], которые могут использоваться при малых величинах интенсивности отказов, имеют еще более простую и понятную форму:

При этом погрешность не превышает, соответственно:

При среднем времени наработки на отказ Т = 60 000 часов, интенсивность отказов будет равна λ = 1/То =1,66(6) х 10-5 [1/час]. Результаты вычислений по формуле (1) приведены в таблице 1. Вероятность отказа извещателя за один год составляет 0,136; за три года уже 0,355; за 5 лет превышает 0,5. При достижении среднего срока службы извещателей 10 лет вероятность отказа увеличивается до 0,768. Если извещатели эксплуатировать до 15 лет, то вероятность отказа становится близка к 0,9.

При использовании двух извещателей, по логике «ИЛИ», в течение первого года вероятность отказа двух извещателей, равная Q2 (t0), получается значительно ниже отказа одного извещателя и равна 0,0185 (табл. 1). Но уже к трем годам возрастает до 0,1260, а к четырем годам - до 0,195, к пяти годам равна 0,268. А при достижении среднего срока службы извещателей 10 лет вероятность отказа двух извещателей увеличивается до 0,59. Таким образом, для обеспечения обнаружения пожара с вероятностью 0,8, при использовании извещателей со средней наработкой на отказ, равной 60 000 часов, несмотря на резервирование, требуется замена всех извещателей каждые 4 года.

РАЗМЕЩЕНИЕ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ И РЕЗЕРВИРОВАНИЕ

Включение не менее двух извещателей, по логике «ИЛИ», очевидно подразумевает резервирование извещателей, т.е. при случайном отказе одного из двух извещателей работоспособность пожарной сигнализации не должна нарушаться. При этом никакие сигналы неисправности в системе не появляются, и отказавший извещатель может быть идентифицирован только при ручном тестировании всех извещателей, которое практически не проводится из-за значительной трудоемкости.

Однако, для обеспечения резервирования, выполнение функций одного устройства должно полностью дублироваться другим устройством. Начиная с 1984 года в нормах указывается средняя площадь, контролируемая одним извещателем, а также максимальное расстояние между точечными дымовыми и тепловыми извещателями и от извещателя до стены, в зависимости от высоты защищаемого помещения. Например, при высоте защищаемого помещения до 3,5 м расстояние между дымовыми извещателями не должно превышать 9 м, а от стены -4,5 м (рис. 2). При этом указывается средняя площадь, контролируемая одним извещателем, равная 85 м2. При расстановке извещателей через 9 м величина радиуса защищаемой площади составляет 6,36 м (рис. 2), а максимальная защищаемая площадь в виде круга равна 127 м2.

Рис. 2. Резервирование обеспечивается только в центре помещения

При размещении извещателей на нормативных расстояниях площадь, контролируемая одновременно двумя извещателями, незначительна и резервирование практически отсутствует. Для обеспечения резервирования каждая точка помещения должна контролироваться одновременно двумя извещателями, то есть каждый извещатель должен контролировать площадь в несколько раз больше нормативной: кроме «своего» квадрата 9х9 м еще и соседние квадраты на случай отказа ближайшего извещателя. Соответственно, радиус защищаемой площади должен быть увеличен более чем в два раза с 6,36 м, до 14 м (рис. 2).

По ГОСТ Р 53325-2012 [11] чувствительность в дымовом канале должна быть не хуже 0,2 дБ/м. Очевидно эта величина создает иллюзию высокой эффективности дымовых извещателей и возможности обнаружения очагов на значительных расстояниях, поскольку при удельной оптической плотности порядка 0,1-0,2 дБ/м видимость превышает 50 метров. Однако в соответствии с введенным с 1 января 2014 года ГОСТ Р 53325-2012, аналогично требованиям EN54-7, дымовые извещатели должны обнаруживать тестовые очаги при оптической плотности до 2 дБ/м и при расстоянии до очага всего лишь 3 м! А в условиях удельной оптической плотности порядка 2 дБ/м видимость сокращается до 5 метров, что в 4 раза меньше значения ОФП (рис. 3) [12]. Реально пороговые дымовые извещатели обнаруживают очаги при оптической плотности 1-2 дБ/м, адресно-аналоговые извещатели могут обеспечивать реальную чувствительность порядка 0,5-1 дБ/м, и только лучшие образцы мультикритериальных извещателей с использованием сложных экспертных алгоритмов обработки аналоговой информации, например FastLogic и High Performance Optical (HPO), обеспечивают обнаружение очагов при оптической плотности менее 0,5 дБ/м [13].

Рис. 3. Зависимость видимости от оптической плотности

Объясняется это положение более низкими скоростями движения дыма при огневых испытаниях в сравнении со скоростью аэрозоля в дымовом канале и различным размером обнаруживаемых частиц. Аэродинамическое сопротивление дымозахода определяет значительно более низкую оптическую плотность среды по сравнению с окружающим пространством: чем больше аэродинамическое сопротивление и меньше скорость воздушного потока, тем больше перепад плотности среды. Даже оптимизированная конструкция по минимуму аэродинамического сопротивления дымозахода, за исключением бескамерных, линейных и аспирационных извещателей, не обеспечивает поступление дыма в камеру при скоростях дыма менее 0,15 м/с. Извещатели с неоптимальной конструкцией дымозахода, с дополнительными элементами для защиты от пыли, «теряют» чувствительность даже при больших скоростях, порядка 0,20,3 м/с, что определяет их низкую чувствительность в реальных условиях.

Размеры стандартных тестовых очагов, которые должны быть обнаружены для получения сертификата по EN 54-7 и по ГОСТ Р 53325-2012, Приложение А (обязательное) «Огневые испытания извещателей пожарных», не так уж малы для ручного тушения. Например, тестовый очаг ТП-4 - это стопка из трех пенополиурета-новых матов плотностью 20 кг/м3и размером 500х500х20 мм каждый. Ко времени окончания теста, через 140-180 секунд, огонь охватывает всю площадь очага и высота пламени достигает 2 метров (рис. 4). Если очаг площадью 0,25 м2 обнаруживается с расстояния 3 м, то при расстоянии до извещателя в 2 раза большем, при 6 метрах, размер очага увеличится примерно в 4 раза до 1 м2, и с учетом затраты времени на локализацию очага, особенно при использовании неадресной системы, тушение персоналом становится проблематичным. А при расстоянии между очагом и извещателем 10-15 м, даже если произойдет активация извещателя, то уже точно не избежать использования профессионального пожаротушения со значительным ущербом и от пожара, и от процесса тушения.

Рис. 4. Очаг TF4 на момент окончания испытания на 160 секунде

В отличие от открытых очагов, в тлеющих очагах температура образующейся газовоздушной смеси мало отличается от температуры окружающей среды, и при увеличении расстояния от очага - кроме снижения удельной оптической плотности дыма и уменьшения скорости воздушного потока при разбавлении его чистым холодным воздухом - падает температура и теряется подъемная сила, вследствие чего происходит снижение нижней кромки дыма с дополнительным снижением оптической плотности. Именно проблема своевременного обнаружения «холодного» дыма на путях эвакуации является причиной необходимости сокращения расстояния между извещателями в коридорах в 1,5-2 раза по сравнению с расстояниями в других помещениях.

РЕАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ

Статистические данные о работоспособности различных устройств пожарной автоматики с распределением по типам в открытых источниках практически отсутствуют. Исключением является статья [14], в которой проведен анализ надежности извещателей и приборов на десяти АЭС за период с 1 января 2000 года по 31 мая 200б года. Как отмечается в данной статье: «Всего за это время был зафиксирован в системах АУПТ и АУПС 331 отказ технических средств (в том числе отказы, приводящие к ложному срабатыванию) и 725 ложных срабатываний (в том числе 62 срабатывания АУПТ с пуском огнетушащего вещества)». На основании проведенных исследований был разработан и с 01.01.2005 введен в действие РД ЭО 0585-2004 «Методика оценки технического состояния и остаточного ресурса пожарных извещателей и приемно-контрольных приборов систем пожарной сигнализации АЭС».

Значения наработки на отказ и на ложное срабатывание пожарных извещателей, вычисленные в статье [14], приведены в таблице 2. Исследования показали, что только первый дымовой извещатель ИДФ-1М показал наработку на отказ менее 400 000 часов, эквивалентной двум извещателям с нормативной наработкой на отказ 60 000 часов. И только из-за отказа лампы накаливания СМ-28-0,05, срок службы которой значительно меньше светодиодов, использующихся во всех дымовых извещателях более поздних разработок. Но то, что эти древние извещатели дожили до 2006 года, тоже говорит о многом. А уже первый дымовой извещатель со светодиодом ДИП-1 показал наработку на отказ 12 000 000 часов (1369,9 лет) и наработку на ложное срабатывание 5 900 000 часов (673,5 лет). Причем без перезапросов, судя по типам приемно-контрольных приборов, установленных на АЭС.

Табл. 2. Наработка на отказ и на ложное срабатывание извещателей на АЭС

Еще большую величину наработки на отказ показали дымовые извещатели ДИП-3, рекордное значение 36 500 000 часов (4166,7 лет). Это означает, что за каждый год эксплуатации был выявлен только один неисправный извещатель ДИП-3 из 4000 извещателей, а всего из 16 321 извещателей ДИП-3, установленных на АЭС, в среднем было обнаружено ежегодно лишь четыре неисправных извещателя ДИП-3. Наработка на ложное срабатывание извещателя ДИП-3 также составила значительную величину -1 100 000 часов (125,6 лет). Следующий извещатель ДИП-5 показал несколько меньшую величину наработки на отказ - 9 100 000 часов (1038,8 лет), но почти на порядок большую величину наработки на ложное срабатывание по сравнению с ДИП-3 9 100 000 часов (1038,8 лет). Один отказ и одно ложное срабатывание на 1000 извещателей в год - отличный результат.

Современные отечественные извещатели, установленные на АЭС в небольших количествах, показали, как ни странно, более скромные результаты по надежности и по ложным срабатываниям в сравнении с ДИП-1, ДИП-3 и ДИП-5, но также превысили 400 000 часов. По извещателю ИП212-45 (330 шт.), наработка на отказ составила 2 000 000 часов (228,3 лет) при наработке на ложное срабатывание 3 700 000 часов (422,4 лет). У извещателя ИП212-46 (107 шт.) наработка на отказ оказалась еще меньше: 625 000 часов (71,3 лет) и такая же наработка на ложное срабатывание 625 000 час. (71,3 лет), совершенно одинаковые значения позволяют предположить, что отказ извещателей сопровождался формированием ложного срабатывания.

Что касается широко распространенного мнения, что у тепловых извещателей практически полностью отсутствуют отказы и ложные срабатывания, в отличие от дымовых извещателей, практика показывает, что это совсем не так. На АЭС эксплуатировались тепловые извещатели ИП105-2/1 в количестве 6204 шт., которые показали наработку на отказ 9 500 000 часов (1084,3 лет), что несколько меньше, чем даже у ДИП-1, и в 4 раза меньше, чем у ДИП-3. Наработка на ложное срабатывание составила 9 100 000 часов (1038,8 лет), не выше чем у дымового из-вещателя ИП212-5.

Наверное, необходимо еще раз отметить, что полученные в статье величины [14] не связаны с ресурсом оборудования и наработка на отказ равная 1000 лет - это в среднем один отказавший извещатель на 1000 штук за 1 год. Соответственно вероятность отказа для такого извещателя без какого-либо резервирования по формуле (2) за год составляет 1:1000 = 0,001 и за 10 лет соответственно 0,01!

Однако необходимо отметить, что полученные результаты получены для устройств, которые эксплуатировались до контрольного периода и прошли этап приработки, а также были обеспечены регулярным техническим обслуживанием с контролем работоспособности. Какую надежность будут иметь новые пожарные извещатели, это зависит от проведения полноценного цикла тестирования и электрической тренировки в процессе изготовления. Кроме того, регулярное тестирование пожарных извещателей достаточно трудоемкое, требует дорогостоящего оборудования и по этим причинам на многих объектах не проводится, в отличие от особо важных объектов. Причем простейшие тестеры, использующиеся для проверки дымовых и тепловых пожарных извещателей, не позволяют обнаружить снижение их чувствительности. Исходя из этого положения, совсем не понятно создание «нормативных» трудностей при установке одного извещателя с контролем работоспособности. Если в автоматическом режиме обнаруживается снижение чувствительности извещателя, то его надо заменить в кратчайшие строки, а обычные пороговые извещатели могут «моргать» индикаторами при снижении чувствительности до нуля.

Несмотря на полученные фантастические результаты наработки на отказ по сравнению с нормативными 60 000 часов по отечественным извещателям, которые выпускались для АЭС, зарубежное оборудование, вероятно, показало еще более высокую надежность. На АЭС эксплуатировались извещатели и панели двух зарубежных производителей, но по ним результаты в численном виде в статье [14] приведены не были, только было отмечено, что «по тем типам извещателей и приборов, у которых наблюдались единичные отказы и (или) ложные срабатывания, расчеты не проводились».

Что обеспечивает высокую надежность извещателей, сертифицированных по европейским стандартам серии EN 54, и что означает «резервирование контактов», указанное в заглавии, мы подробно рассмотрим в следующей части статьи.

Продолжение следует...

ЛИТЕРАТУРА:

1. Неплохое И. Г. Один пожарный датчик вместо двух?// Алгоритм безопасности. 2003. № 5.
2. Маслов И. Самодиагностика извещателей. Принципы реализации и критерии оценки// БДИ. 2004. № 4.
3. Неплохов И. Г. Повышение пожарной безопасности. Теория и практика // Скрытая камера. 2004. № 11.
4. Павлов Д. И., Чуркин И. Н. Самодиагностика извещателей? Все не так просто! // БДИ. 2005. № 2.
5. Неплохов И. Г. Надежность систем пожарной сигнализации // Каталог «ОПС. Охранная и охранно-пожарная сигнализация». Groteck, 2008
6. Неплохов И. Г. «Вечная» тема 1-2-3 с точки зрения MTBF. Миф и реальность // Каталог «Пожарная безопасность». Groteck, 2013.
7. Третьяков Н.П. Компонентный анализ мировой статистики пожаров // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» (http://ipb.mos.ru/ttb). Июнь, 2009. Выпуск № 3.
8. Интервью директора ДНД МЧС России Ю.И. Дешевых информационной компании «Гарант». «Совершенствование законодательства в области пожарной безопасности: основные направления законотворческой деятельности», 5 ноября 2013.
9. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машинстроение, 1984.
10. Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.: Советское радио, 1975.
11. ГОСТ Р 53325-2012 «Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний».
12. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров/ Пер. с англ. К. Г. Бомштейна; под ред. Ю. А. Кошмарова, В. Е. Макарова. М.: Строй-издат, 1990.
13. Неплохов И. Г. Выбор извещателя в зависимости от типа помещений и условий эксплуатации. Часть 4 // Технологии защиты. 2013. № 1.
14. Фомин В. И., Буцынская Т. А., Журавлев С. Ю. Количественная оценка параметров устойчивости функционирования технических средств пожарной автоматики на АЭС России // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» (http://ipb.mos.ru/ttb). (13) июнь 2007. Выпуск № 3.