ПУБЛИКАЦИИ
Предприятие
Некоторые аспекты старения вспучивающихся огнезащитных покрытий
Теплоухов А.В., к.т.н.
АО «Корпорация «Московский институт теплотехники»
Огнезащитные вспучивающиеся покрытия (ОВП) находят широкое применение для защиты от действия пожара на объектах различного назначения. Обусловлено это тем, что ОВП обладают рядом преимуществ перед другими средствами пассивной защиты объектов: простота и технологичность нанесения, малые толщины и удельный вес, высокая огнезащитная эффективность. Здесь нельзя не отметить такое важное качество любого материала, как долговечность – способность сохранять свои основные характеристики на заданном уровне требуемое время.Сегодня, заявляемые сроки эксплуатации ОВП составляют 15 – 20 лет, а некоторые производители абсолютно необоснованно заявляют просто фантастические 40, 50 и более лет, при этом, контроль состояния покрытия на объекте осуществляется визуально (наличие отслоений, трещин и др.), что явно недостаточно для получения сведений о свойствах материала. Физика полимерных материалов такова, что в процессе эксплуатации ОВП под действием климатических факторов (перепадов температур, солнечной радиации, влажности и др.) возможны изменения структуры на молекулярном уровне, то есть старение, при этом каких-либо внешних признаков может не наблюдаться.На сегодняшний день методики по оценке сроков эксплуатации ОВП развиты крайне мало. В строительных нормах и соответствующей справочной литературе [1] можно найти методику, применяемую к огнезащитным материалам для древесины. Использование данной методики позволяет судить лишь об устойчивости ОВП к старению без какого-либо временного срока эксплуатации материала. Интерес представляют существующие подходы к оценке долговечности покрытий на основе методов термического анализа [2]. Наиболее комплексный научно-методический подход к оценке долговечности ОВП представлен в пионерских работах ФГБУ ВНИИПО МЧС России [3,4].Недостатком этих методов является отсутствие возможности количественной оценки огнезащитной эффективности (способности ОВП повышать огнестойкость конструкций) в течение эксплуатации, а также возможности давать прогнозные оценки на этапе проектирования. Так, согласно [3], при оценке потери огнезащитных свойств ОВП допускается уменьшение значения коэффициента вспучивания не более чем на 30% от исходного состояния, при этом вопрос: «Почему именно на 30%, может быть, только на 20%, или же допустимо снижение до 40% и т.д.?» остаётся открытым. Дальнейшие исследования методами термического анализа [3,4] позволяют установить более точную картину физико-химических процессов, происходящих в материале, но не снимают вопроса о количественной оценке изменения огнезащитной эффективности материала, что требует привлечения моделирующих установок и проведения прямых огневых испытаний.Среди многообразия огнезащитных материалов стоит выделить ОВП СГК-2 производства ЗАО НПП «Спецэнерготехника», широко применяемое для защиты конструкций ракетной техники от пожаров различного происхождения. Здесь среди требований к защитным материалам можно выделить требование к сохранению эксплуатационно-технических характеристик в жёстких условиях эксплуатации (температура от – 50 до + 50 ºС, относительная влажность до 100% и др.) длительное время. При этом современные методы проектирования конструкций, применяемых в ракетно-космической отрасли, предполагают наличие возможности делать количественные, в том числе прогнозные, оценки параметров тепловой защиты на ранних стадиях проектирования с учётом условий и длительности их эксплуатации.Для реализации этих требований была предложена оригинальная методика, основанная на экспериментальной оценке изменения кратности вспучивания покрытий и степени их термического разложения в зависимости от сроков эксплуатации и учета этих показателей при математическом моделировании и проектировании огнезащиты. С целью оценки соответствия высоким требованиям, предъявляемым к эксплуатационно-техническим характеристикам конструкционных материалов ракетной техники, ОВП СГК-2 успешно прошло комплексную экспериментальную отработку, включающую проведение ускоренных климатических испытаний с последующим исследованием физико-механических и теплофизических свойств [5], кинетики термического разложения. Используя полученные экспериментальные данные, была проведена расчётная оценка огнезащитной эффективности на основе математического моделирования процессов тепломассопереноса в гетерогенной реагирующей среде [6]. Эксплуатационно-технические характеристики подтверждались путём проведения прямых огневых испытаний на моделирующих установках [7], было получено хорошее согласование расчётных и экспериментальных данных. Такой комплексный подход выгодно отличает ОВП СГК-2 от множества материалов, представленных на рынке огнезащиты.Экспериментальные исследования показали, что при проведении климатических испытаний, имитирующих длительную эксплуатацию металлоконструкций с огнезащитой, происходит незначительный сдвиг кривых исследуемых характеристик в высокотемпературную область (рисунок 1), при этом наблюдается некоторое уменьшение кратности вспучивания покрытия. Причины такого поведения кривых вспучивания и массы, вероятно, определяются процессами структурирования полимерного материала [8]. По мере увеличения времени эксплуатации выделяются легколетучие газообразные вещества, что в итоге ведёт к некоторому упрочнению структуры покрытия, и, как следствие, к падению кратности вспучивания и сдвигу кривых по температуре.
На основе полученных экспериментальных данных впервые были определены показатели стабильности рассматриваемых характеристик (
). Для их определения предложены следующие функциональные зависимости от времени эксплуатации конструкций:
Значения коэффициентов a, b, c в зависимостях (1), (2) определены путем аппроксимации результатов, представленных на рисунке 1.Необходимо отметить, что предложенные функциональные зависимости хорошо согласуются с классическими представлениями о старении конструкционных материалов [8] и могут быть использованы для широкого класса огнезащитных покрытий на основе полимерных связующих с определением значений соответствующих коэффициентов, входящих в представленные выражения.
С использованием методики теплотехнических расчётов [9] разработки ЗАО НПП «Спецэнерготехника», согласованной ФГБУ ВНИИПО МЧС России, проведены расчетные оценки демонстрирующие степень влияния времени эксплуатации конструкций на огнезащитную эффективность покрытия СГК-2. Максимальное падение огнезащитной эффективности ОВП СГК-2 толщиной Проведенные комплексные расчётно-экспериментальные исследования состава СГК-2 позволяют обоснованно выбирать требуемые параметры огнезащиты на этапе проектных работ и объективно судить о её долговечности, а также рекомендовать использование ОВП СГК-2 для защиты металлоконструкций эксплуатируемых длительное время в жёстких климатических условиях.Литература
1 С. В. Собурь Огнезащита материалов и конструкций: Справочник. – 3-е изд. (с изм.) – М.: ПожКнига, 2004. – 256 с.: ил. – Пожарная безопасность предприятия.
2 Еремина Т. Ю., Крашенинникова М. В., Дмитриева Ю. Н., Семенов Д. С. Нормируемые требования к качеству огнезащитных покрытий при сдаче строительных объектов и применение методов термического анализа для прогнозирования долговечности покрытий/ Пожаровзрывобезопасность, 2007, Т 16, №5, С. 31 – 35.
3 Оценка огнезащитных свойств покрытий в зависимости от сроков их эксплуатации: методика. М.: ВНИИПО, 2014. 31с.
4 Оценка допустимого срока эксплуатации тонкослойных огнезащитных покрытий в различных климатических условиях: методика. М.: ВНИИПО, 2015. 40с.
5 Зверев В.Г., Теплоухов А.В., Цимбалюк А.Ф. Исследование свойств и огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий // Изв. вузов. Физика. 2014. № 8/2. С. 151 – 155.
6 Zverev, V.G., Goldin, V.D., Nesmelov, V.V. Tsimbalyuk, A.F. Modeling heat and mass transferin intumescent fire-retardant coatings//(1998) Combustion, Explosion and Snock Waves, 1998, V.34, Issue2, pp.198-205.
7 Зверев В.Г., Гольдин В.Д., Теплоухов А.В. Лучистый нагрев вспучивающихся теплозащитных покрытий // Изв. вузов. Физика. 2014. № 8/2. С. 146 – 150.
8 Старение и стабилизация полимеров / под ред. М. Б. Неймана. М.: 1964.
9 Расчётно-экспериментальная оценка теплоизолирующей способности и огнезащитной эффективности состава СГК-2 для металлоконструкций с заданным значением приведенной толщины конструкции: Методика. ЗАО НПП «Спецэнерготехника», 2007 г .
Особенности применения огнезащитных покрытий при углеводородном пожаре
Вербицкая Т.А., к.х.н.,
с.н.с. АО «Корпорация «МИТ»
Пожары наносят громадный материальный и экологический ущерб, а в ряде случаев сопровождаются гибелью людей. В настоящее время в России пожары возникают в 10 раз чаще, чем 100 лет назад и ежегодно их происходит более 300 тысяч. [1]По типу возникновения пожары подразделяются на лесные, торфяные, степные, пожары в населенных пунктах, газовые, нефтяные и газонефтяные. Среди вышеперечисленных типов возгорания, целлюлозные пожары (лесные, степные) рассматриваются как наиболее «легкие» по степени теплового воздействия. В течение первых 5 минут целлюлозного пожара температура пламени достигает примерно 580 °С и 950 °С в течение 1 часа. [2] Кроме того, скорость горения целлюлозных материалов гораздо ниже скорости горения углеводородов (природного газа, нефти и нефтепродуктов). Так, при углеводородном пожаре в течение первых 5 минут температура пламени достигает 950 °С и 1105 °С в течение 1 часа. Обеспечение огнезащиты бетонных, железобетонных, кирпичных, металлических, деревянных конструкций и легких ограждений, как от целлюлозного, так и от углеводородного пожара в современных условиях является актуальной задачей.Металлические конструкций быстро прогреваются, деформируются, теряют устойчивость и несущую способность уже через 15 минут огневого воздействия. Поэтому огнезащита металлических конструкций, используемых в строительстве, является одной из актуальных проблем повышения огнестойкости зданий и сооружений. В настоящее время огнезащитной обработке подвергают несущие конструкции каркасов не только зданий, но и различных производственных эстакад, мостов, подземных сооружений. Несмотря на высокую теплопроводность металла (55 Вт/(м∙К)) при быстром нагреве во время пожара тепло не успевает распространиться с поверхности внутрь металла. В связи с этим возникает большая разность в температурах наружных и внутренних слоев, и температурное расширение внутренних слоев отстает от расширения наружных слоев, в результате чего возникают температурные напряжения. При большой разности температур эти напряжения возрастают до такой величины, что в металле могут появиться трещины.Для сохранения целостности металлических конструкций в условиях пожара, важно чтобы температура на поверхности металла не превышала 500 °С. Если в проектируемых зданиях и сооружениях возможен пожар длительностью более 15 минут, то для обеспечения нормированных пределов огнестойкости металлические конструкции обязательно следует защищать от огня. Применение вспенивающихся составов обеспечивает повышение предела огнестойкости металлоконструкций. И здесь большое значение имеет температура начала вспенивания огнезащитного покрытия. Если для составов на основе терморасширяющегося графита, таких как огнезащитный состав СГК-2, температура начала вспенивания не превышает 150 °С, то для покрытий типа Силотерм, Solvetherm, Interchar и других покрытий на основе пентаэритрита, полифосфата аммония и меламина температура начала вспенивания составов составляет 320-360 °С. При углеводородном пожаре, из-за высокой температуры начала вспенивания составов типа Силотерм, температура защищаемого объекта может уже в течение первых пяти минут подняться до критической (500 °С) и их огнезащитная эффективность будет равна нулю. Иначе происходит в случае составов на основе терморасширяющегося графита, которые за счет гораздо более низкой температуры начала вспенивания, "успевают" начать работать и при углеводородном пожаре. Под действием огня или беспламенного теплового удара огнезащитные составы, содержащие расширенный графит, начинают вспениваться уже при 150 °С образуя устойчивый слой пенококса. Образующийся графитовый слой пенококса покрывает защищаемые поверхности, заполняя отверстия и щели, что приводит к изолированию конструкций от очага пожара. [3]Таким образом, огнезащитные составы на основе пентаэритрита, полифосфата аммония и меламина не эффективны для защиты металлоконструкций от углеводородного пожара.Аналогичная ситуация складывается при необходимости снижения горючести изделий из алюминиевых сплавов и полимерных материалов. Поскольку критическая температура нагрева алюминиевых сплавов и полимеров составляет 150-350 °С, для снижения возгораемости таких материалов необходимо применение огнезащитных составов с низкой температурой начала вспенивания таких как огнезащитный состав СГК-2.Литература
1. С.В. Собурь, Огнезащита материалов и конструкций, Москва, 2008 г.2. В.С. Федоров, Основы обеспечения пожарной безопасности зданий, Москва, 2004 г.3. И.Г. Романенков, Ф.А. Левитес, Огнезащита строительных конструкций, Москва, 2009 г.