CC BY
66СНИЖЕНИЕ РИСКОВ И ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЧС
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ДЕНДРИТНЫХ СТРУКТУР В ОПЛАВЛЕНИЯХ МЕДНЫХ ПРОВОДНИКОВ ТОКАМИ ПЕРВИЧНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ЭКСПЕРТИЗЕ
В.Н. Громов, доктор технических наук, профессор. Военный инженерно-технический университет. М.А. Галишев, доктор технических наук, профессор; Т.П. Сысоева.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Описано исследование оплавлений методом металлографии, с помощью которого можно ускорить проведение экспертных исследований и повысить уровень раскрытия происшествий.
Ключевые слова: оплавления, металлография, микроструктура, первичные и вторичные короткие замыкания (ПКЗ, ВКЗ)
STUDY OF THE LOCATION OF THE DENDRITIC STRUCTURES IN THE REFLOW OF COPPER CONDUCTORS OF THE PRIMARY SHORT-CIRCUIT CURRENTS IN THE EXAMINATION
V.N. Gromov. Military technical university. M.A. Galishev; T.P. Sysoeva.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
An analysis of domestic and foreign statistical data shows that there is currently no other more dangerous technical causes of fires than the emergency operation of electrical installations. The most authentic, but at the same time consuming, is to study the reflow method of intaglio. A more detailed study of this method will help to identify features that will speed up expert research and increase the level of disclosure incidents.
Keywords: reflow, metallography, microstructure, primary and secondary short-circuit
Для определения причастности к возникновению пожара короткого замыкания в электросети используется ряд хорошо зарекомендовавших себя инструментальных методов.
Как правило, данное исследование должно применяться на крупных пожарах, когда от термического воздействия огня все объекты, которые бы могли нести полезную информацию, для определения очага возгорания огнем уничтожены полностью или
1
частично. Это такие изделия, как деревянные конструкции и пластиковые изделия. В то же время металлические изделия применяются практических на всех объектах, во всех конструкциях.
В настоящие время техническое оснащение современного общества находится на высоком уровне, это относится и к системе МЧС России.
Принцип металлографического исследования
Поведение материалов всегда определяется их структурой. Наука, занимающаяся исследованием структуры металлических материалов, называется металлографией. Основной целью металлографического исследования является изучение микроструктуры, характерной для исследуемых металлов и сплавов, при помощи микроскопии. Предпосылкой для всех металлографических исследований является изготовление образцов (шлифов), которые могут быть использованы для микроскопического исследования с помощью светового и электронного микроскопов, а также количественного измерения структурных составляющих и электронно-зондового микроанализа.
Основные этапы металлографического анализа
Процесс изготовления металлографических шлифов обычно включает следующие основные операции:
- вырезку образцов и подготовку поверхности;
- закрепление;
- шлифование;
- полирование.
Правильное изготовление шлифов имеет чрезвычайно важное значение, поскольку от этого зависит правильность толкования микроструктур. Если шлифы приготовлены неправильно, ошибочное толкование микроструктуры почти всегда неизбежно.
Нельзя заранее предложить оптимальную методику изготовления шлифа, и ни одну из разработанных методик нельзя считать оптимальной. Фактически каждый эксперт, основываясь в большей или меньшей степени на своей практике, разрабатывает специфическую методику изготовления шлифов, дающую удовлетворительные результаты.
Основным моментом при изготовлении металлографических шлифов является предотвращение повреждения поверхности шлифа, заключающегося в изменении микроструктуры поверхностного слоя материала в результате деформации или нагрева. Повреждение поверхности образца может произойти во время любой операции при изготовлении шлифа.
Хорошо приготовленный металлографический шлиф должен отвечать ряду требований:
- должно быть правильно выбрано место его вырезки, отражающее условия решаемой задачи, поставленной в экспертизе;
- вырезка, шлифование и полировка образца должны осуществляться таким образом, чтобы на его поверхности оставался минимальный слой искаженного и деформированного металла (это необходимо для выявления истинной микроструктуры материала после травления);
- на поверхности шлифа не должно наблюдаться полировочных царапин и ямок, а также пятен, возникших в результате взаимодействия с жидкостями;
- поверхность шлифа должна быть достаточно плоской, чтобы его можно было рассматривать при больших участках.
Вырезка. При исследовании горяче- и холоднодеформированного металла шлифы обычно изготавливают в плоскости, параллельной направлению течения металла при формоизменении (продольные шлифы), реже - в перпендикулярном направлении (поперечные шлифы). На продольных микрошлифах определяют деформацию, которую претерпели зерна металла и неметаллические включения.
Шлифовка. По мнению специалистов, шлифовка является наиболее важной операцией в технологии изготовления шлифов. Большое значение этой операции заключается в том, что в процессе шлифования эксперт должен осуществлять максимальный контроль за степенью создаваемого механического повреждения поверхности, которое надлежит удалять последующим полированием. Даже если разрезка материала была произведена весьма небрежно, в результате чего поверхность образцов оказалась сильно поврежденной, то это повреждение может быть, в конечном счете, удалено последующим продолжительным шлифованием. Однако продолжительное полирование вряд ли может удалить сильное повреждение поверхности, внесенное шлифованием.
Образец шлифуют бумажной шлифовальной шкуркой вручную или на шлифовальных станках. Шлифование осуществляется путем истирания поверхности образца при последовательном переходе ко все более и более мелкозернистому абразивному материалу. При ручном шлифовании шкурку помещают на плоское твердое основание (обычно толстое стекло). Образец прижимают шлифуемой поверхностью к шкурке и ритмично перемещают вперед и назад по прямой линии. При механическом шлифовании шкурку закрепляют на вращающемся круге с помощью зажимных колец или кривого покрытия на обратной стороне шкурки, а образец прижимают к шкурке вручную или устанавливают в зажимное приспособление станка.
Для того чтобы гарантировать полное исчезновение видимых глазом шлифовальных царапин, нанесенных на предыдущей ступени, направление шлифовки должно изменяться на 90° при переходе от абразивного материала с одним размером частиц к абразивному материалу с другим размером частиц.
Как уже отмечалось, большое значение при шлифовке имеет давление, прикладываемое к образцу, находящемуся в контакте с абразивным материалом. Небольшое давление создает условия трения, в результате чего снимается недостаточное количество металла. Несколько более сильное давление вызывает эффект полирования, в то время как еще более сильное давление создает желаемые условия шлифования. Очень сильное давление приводит к нежелательным последствиям: к неравномерной величине царапин, появлению глубоких впадин и вдавливанию абразивных частиц в металл. Обычно оптимальное давление зависит от типа шлифуемого материала и лучше всего определяется опытным путем. В общем случае применение умерено сильного давления неизменно дает наилучшие результаты [1].
Полировка представляет собой конечную ступень в процессе изготовления гладкой зеркальной поверхности, свободной от царапин.
Характерными признаками оплавления проводников дугой короткого замыкания является выраженная локальность. Форма оплавлений может быть шарообразной, овальной, конусообразной, в виде косого или поперечного среза. На прилегающей к оплавлению поверхности проводника могут наблюдаться мелкие шарообразные капли металла. Существует резкая граница между зоной оплавления и прилегающей к ней зоной проводника. Участок дугового оплавления обычно вытянут вдоль оси проводника. Поверхность оплавления гладкая, без газовых пор и вырывов [1].
В отличие от оплавлений токами короткого замыкания, проводники, повреждение которых произошло в результате термического воздействия пожара, характеризуются заметными изменениями сечения проводника по длине и протяженностью расплывчатой зоны оплавления. Оплавления часто имеют каплеобразную форму, вытянутую по направлению действия силы земного тяготения. При коротком замыкании нагрев проводников происходит практически мгновенно, и указанных признаков не образуется [2].
Формирование структуры медного проводника, подвергнутого оплавлению в результате короткого замыкания, во многом зависит от температурных условий кристаллизации. Дендритная структура в чистой меди является устойчивым (а в определенных ситуациях - единственным) дифференцирующим признаком, характеризующим ПКЗ (рис. 1).
Рис. 1. Микроструктура медного проводника при ПКЗ
Если короткое замыкание происходит в условиях развившегося пожара, то направление преимущественного отвода тепла отсутствует, а кристаллизация и рост зародышей в меди происходит приблизительно с одинаковой скоростью по всем направлениям. В результате образуются равноосные зерна (рис. 2) [1].
Рис. 2. Микроструктура медного проводника при ВКЗ
Однако существует проблема в пожарно-технических экспертных исследованиях, связанная с возможностью обнаружения дендритных структур. В современных литературных источниках нет достаточной информации о расположении дендритных структур в теле оплавления. Указывается, что возникновение дендритов наблюдается, как правило, лишь по контуру оплавления, а в средней части оплавления образуются кристаллы с правильной огранкой [3]. Поскольку металлография разрушающий метод исследования, представляется важным уточнить локализацию дендритного слоя в теле оплавления.
Для анализа данной проблемы были проведены исследования на базе научной лаборатории кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России. Для создания оплавлений короткого замыкания использовалась лабораторная установка, созданная на основе принципа работы электросварочного аппарата, и задавались различные способы взаимного расположения замыкаемых проводников - встречное и под прямым углом.
Порядок проведения эксперимента
1. Оплавления короткого замыкания создавались с помощью лабораторной установки. Медный проводник подсоединялся к клеммам трансформатора. Трансформатор
включался в сеть 220 В. После подачи напряжения происходил разряд короткого замыкания.
2. Для моделирования вторичных коротких замыканий проводники были
о
предварительно нагреты в муфельной печи до температуры 400 С, поскольку, как показал анализ литературных данных, необратимые изменения в структуре медного проводника
о
происходят, начиная с температуры 240 С.
3. Для подготовки образца к последующей шлифовке проводник помещался внутрь фторопластовой формы и заливался сплавом Вуда.
4. Шлифование поверхности образца для последующего микроскопического исследования проводилось на шлифмашине с использованием абразивной бумаги с последовательно уменьшающейся зернистостью.
5. Полирование шлифа до зеркального блеска проводили пастой ГОИ на диске, обтянутом тонким сукном.
6. Микроскопическое исследование состояло из двух этапов:
- получение цифрового изображения с металлографического микроскопа;
- корректировка и анализ изображения с использованием программы Ехрег! pro. Параметры микрофотографирования:
- размер изображения, пикс - 900х900;
- размер изображения, мм - 0,32;
- апертура - 0,4;
- предел разрешения микроскопа, мкм - 0,63 (размер минимального объекта видимого в микроскоп);
- предел разрешения фотографии, мкм - 0,33 (размер минимального объекта видимого на фотографии).
Полученные оплавления имели как классическую шарообразную форму (при продольном расположении взаимодействующих проводников), вытянутую - вдоль длины проводника (рис. 3 а), так и ассиметричную каплеобразную (при расположении под прямым углом), направленную в сторону воздействия дуги (рис. 3б).
а) б)
Рис. 3. Внешний вид оплавлений короткого замыкания:
а) встречное расположение проводников; б) расположение проводников под прямым углом
Проведенное металлографическое исследование показало, что слой дендритов по контуру оплавлений распределен неравномерно. Наибольшая толщина наблюдается в области воздействия электрической дуги и достигает толщины около 30 рм (у оплавлений диаметром 2-2,5 мм) (рис. 4).
Рис. 4. Микроструктура дендритного слоя в области воздействия дуги КЗ
По мере удаления от места взаимодействия проводников толщина слоя постепенно уменьшается (рис. 5) и со стороны обратной взаимодействующим поверхностям практически отсутствует (рис. 6).
Рис. 5. Микроструктура оплавления на удалении от места воздействия дуги КЗ
Рис. 6. Микроструктура оплавления стороны обратной взаимодействующим поверхностям
6
Для определения оптимальной плоскости сечения на основании приведенных выше исследований о распределении дендритного слоя и изучения формы оплавлений при различном взаимном расположении электропроводников при возникновении электрической дуги была послойно рассмотрена микроструктуру оплавления.
Шлифовка производилась в плоскости перпендикулярной оси проводника. Было рассмотрено 7 сечений проводника.
Для оценки распределения дендритного слоя было выбрано ассиметричное оплавление.
На сечении № 1 возникновение дендритов наблюдается лишь по контуру оплавления, а в средней части оплавления образуются кристаллы с правильной огранкой. Основу сплава составляет медь с небольшими участками эвтектики Си20 - Си. Светлая основа - медь, темные участки в виде точек - эвтектическая смесь меди и оксида меди.
На сечении № 2 с приближением к центру оплавления проводника, количество дендритов увеличивается.
На сечении № 3 количество дендритов резко увеличивается, а также наблюдается увеличение количества эвтектики.
На сечение № 4 срез проходит через центр оплавления, в связи с чем наблюдается максимальное количество дендритов, это связанно с тем, что данная область находилась непосредственно под воздействием дуги короткого замыкания.
На сечении № 5 наблюдается уменьшение количества дендритного слоя.
На сечении № 6 количество дендритов резко уменьшилось, основу составляют кристаллы с правильной огранкой.
На сечении № 7 дендритного слоя не наблюдается, всю основу составляют кристаллы с правильной огранкой.
В связи с полученными результатами представляется возможным рекомендовать при производстве металлографических исследований предварительно оценивать форму оплавления и по возможности определять место воздействия дуги короткого замыкания как место с наибольшей толщиной дендритного слоя. А затем, в дальнейшем проводить шлифовку таким образом, чтобы линия воздействия дуги принадлежала плоскости шлифовки.
Также результаты исследования показали, что неправильно выбранное направление шлифовки образца может привести к тому, что при ПКЗ не будут наблюдаться дендритные структуры.
Литература
1. Расследование пожаров: учеб. / В.С. Артамонов [и др.]; под ред. Г.Н. Кирилова, М.А. Галишева, С.А. Кондратьева. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2007. 544 с.
2. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электропроводок. М.: ООО «КАБЕЛЬ», 2009. 328 с.
3. Методы определения причастности к пожарам аварийных режимов в электроустановках / Г.И. Смелков [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1980.
