CC BY
6
УДК 699.812
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ БЕТОНА С ОГНЕЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
И.В. Треушков
научный сотрудник научно-исследовательского отдела (организации подготовки научно-педагогических кадров) научно-исследовательского центра Академия гражданской защиты МЧС России имени генерал-лейтенанта Д.И. Михайлика Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: i.treushkovQamchs.ru
Е.В. Аносова
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры пожарной безопасности Академия гражданской защиты МЧС России имени генерал-лейтенанта Д.И. Михайлика Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: evgenia.anosowaQyandex.ru
С.М. Ляшенко
кандидат военных наук, доцент, заведующий кафедрой пожарной безопасности Академия гражданской защиты МЧС России имени генерал-лейтенанта Д.И. Михайлика Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: s.liashenkoQamchs.ru
P.C. Малинин
доктор военных наук, профессор, ведущий научный сотрудник научно-исследовательского центра Военная академия Генерального штаба ВС РФ Адрес: 119571, г. Москва, проспект Вернадского, 100 E-mail: VagschQmail.ru
Аннотация. В связи с постоянным расширением нефтегазовой отрасли промышленности, вопросы обеспечения безопасности объектов топливно-энергетического комплекса актуальны. Одним из способов повышения устойчивости строительных конструкций, которые могут подвергнуться воздействию опасных факторов углеродного пожара, является обработка их огнезащитными составами. В настоящей статье авторы приводят данные экспериментальных исследовании нового состава РЕМСТРИМ-ТЛ® , выполненных с применением современных физико-химических методов и лабораторных установок, разработанных на кафедре пожарной безопасности Академии гражданской защиты МЧС России. Полученные результаты могут быть использованы при разработке мер пожарной защиты на объектах топливно-энергетического комплекса.
Ключевые слова: безопасность объектов топливно-энергетического комплекса, термическая стойкость, огнезащитный состав, защита строительных конструкций.
Цитирование: Треушков И.В., Аносова Е.В., Ляшенко С.М., Малинин P.C. Исследование свойств бетона с огнезащитным покрытием для обеспечения безопасности объектов топливно-энергетического комплекса // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2022. № 3 (54). С. 18 - 27.
В настоящий момент нефтегазовая отрасль промышленности, входящая в топливно-энергетический комплекс (далее — ТЭК), является одной из ключевых в экономике Российской Федерации и одной из основных в мире. В связи с увеличением количества энергоемких производств, потребления электроэнергии населением, использования продуктов нефтегазодобычи как исходного сырья для изготовления полезной продукции, объемы хранения, переработки, транспортировки нефти и газа в ближайшее время будут возрастать. Таким образом, вопросы обеспечения пожарной
и промышленной безопасности объектов, являются одной из важнейших задач при обеспечении защиты людей и территорий от угроз техногенного характера.
Важную роль в системе обеспечения пожарной безопасности промышленных производственных объектов играет проведение мероприятий, направленных на снижение риска возникновения пожара и повышение устойчивости строительных сооружений к термическому воздействию. Для защиты бетонных конструкций от теплового воздействия широкое применение находят разнообразные ог-
незащитные составы. Особенностями протекания пожаров на объектах нефтегазового комплекса являются повышенная температура (1100°С и выше), высокая скорость развития и протекания, аэродинамическое воздействие на поверхность покрытия. В связи с этим, средства огнезащиты, применяемые на данных объектах, должны выдерживать условия углеводородного горения.
Средства огнезащиты, которые подтвердили свою эффективность в условиях стандартного (целлюлозного) пожара, не могут обеспечить такие же характеристики в условиях углеводородного пожара. Кроме этого необходимо отметить слабые стороны нормативной базы обеспечения пожарной безопасности в нефтегазовой отрасли. Вызвано это тем, что большинство нормативных документов в этой области утверждены в 80-х годах XX века и не учитывают научные достижения, полученные в последние годы, специфику новых технологий добычи, хранения и подготовки нефти и газа. Таким образом, разработка методов оценки различных воздействий, в частности высоких температур, проявляющихся в условиях углеводородного горения, а также совер-
шенствование нормативной базы являются актуальными задачами для решения вопросов пожарной безопасности в нефтегазовой отрасли.
Целью настоящей работы является оценка физико-механических свойств бетона с огнезащитным покрытием при воздействии теплового потока лучистой энергии в условиях лабораторных испытаний.
На базе кафедры (пожарной безопасности) факультета заочного обучения ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России» были проведены испытания одного из образцов огнезащитных составов (РЕМСТРИМ-ТЛ®), представленного НПО «СТРИМ» в рамках Соглашения о сотрудничестве.
Для проведения исследований по оценки устойчивости строительных конструкций к воздействию теплового потока лучистой энергии при пожарах с помощью формы 2ФК-100 по ГОСТ 22685-89 созданы образцы бетонных кубов с ребром 100 мм. На одну из граней образца методом сухого торкретирования нанесен огнезащитный состав ® толщиной 10 мм (рисунок 1).
Рисунок 1 Бетонный образец с огнезащитным покрытием ®
Для размещения датчиков температуры (термопар) на расстоянии 1,5 см от оси образца, перпендикулярной храни с нанесенным по-
крытием просверлены отверстия глубиной 0,5; 2,5; 5,0 и 7,5 см (рисунок 2).
Образец бы.л размещен внутри вермикули-товой плиты таким образом, чтобы плоскость огнезащитного покрытия совпадала с плоскостью нлиты, помещаемой в муфельную печь.
На базе кафедры пожарной безопасности была собрана установка (рисунок 3), вклю-
чающая в себя муфельную печь «Спутник», вермикулитовую плиту со встроенным образцом, датчики температуры (термонары), подключенные к аппаратно-программному комплексу.
Рисунок 3 Лабораторная установка для измерения температуры при воздействии теплового потока а) верм,икули,товая, плита; б) образец, бетонный куб с огнезащита,ы„м, покрытием РЕМСТРИМ-Т.Л®; в) струбцины для крепления термопар; г) термопары, размещённые на глубине 0,5; 2,5; 5,0 и 7.5 см,; д) муфельная печь «Спутник»; е.) встроенный, терморегулятор
.муфельной печи
С помощью аппаратно-программного комплекса получены зависимости температуры на
поверхности и в глубине образца от времени прогрева (рисунок 4).
Рисунок 4 Графики зависимости температуры образца и времени а) термопара, установлена во внутреннем, пространстве печи, (а); б) терм,опара, установлена, в образце на, глубине 7,5 см от внешней грани куба, (б); в) терм,опара, установлена, в образце на, глубине 5,0 см, от внешней грани куба, (в); г) терм,опара, установлена, в образце на, глубине 2,5 см, от внешней грани куба, (г); д) терм,опара, установлена, в образце на, глубине 0,5 си от
внешней грани куба, (д)
Калибровка термонары внутри печи (кривая (а,)) привела к необходимости установки коэффициента 1,72 (значения температуры на оси ординат необходимо умножать на 1,72),
фактическая температура внутри печи соста-°
ная ось ординат). Время (горизонтальная ось
абсцисс) наблюдения составило 3 часа 25 минут. Дальнейшее наблюдение свидетельствует о стабилизации процесса передачи тенловшх) потока. Внешняя поверхность храни образца
нахревалаеь после 3 часов работы муфельной °
Рисунок 5 Контроль температуры на внешней поверхности храни образца
Анализ данных эксперимента показывает, что при воздействии теплового потока лучистой энергии с показателем температуры 1100°С в течении трех с половиной часов на внешней стороне образца температура составляет 105±5°С. Графики (рисунок 4; б, в, г, д) отображают распространение тепла внутри образца (бетонного куба) посредством теплопроводности. Градиент температур, показанный на рисунке 4 в виде значительного разрыва между а) и б)-д) и свидетельствует о низком коэффициенте теплопроводности. Коэффициент теплопроводности Л (1) определяется по формуле (1)
Л =
Я
дгаЛЪ * ^
(1)
где Я - количество тепла, проходящего в единицу времени т через единицу изотермической поверхности Р в стационарном температурном поле, при единичном градиенте температур.
Приблизительная оценка значений коэффициента теплопроводности на основе значений электрической мощности, потребляемой муфельной печью (2 кВт) и экстраполяции значений температуры по глубине образца составляет 0,13 Вт/м*град, что соответствует свойству теплопроводности таких материалов как вермикулитобетон, асбестозу-рит, газобетон. Это свидетельствует о теплопроводных свойствах огнезащитного покрытия РЕМСТРИМ-ТЛ® нанесённого на поверхность испытуемого образца (бетонного куба) на уровне общеизвестных огнеупорных материалов. Следует отметить, что действительно, вермикулит в виде насыпных гранул и вспученный (ГОСТ 12865 - 67) имеет теплопроводность 0,064 - 0,076 Вт/м*К [кстати, существенно (в два раза) меньше, чем у исследуемого материала], асбозурит - 0,14 - 0,19 Вт/м*К, а газобетон - 0,08 - 0,21 Вт/м*К.
В то же время ряд таких материалов, как аэрогель (0,014 - 0,021 Вт/м*К), битумопер-лит (0,09 - 0,12 Вт/м*К), вспученный перлит на битумном связующем (ГОСТ 16136 - 80) (0,067 - 0,11 Вт/м*К, маты минераловатные прошивные (ГОСТ 21880 - 76) и на синтетическом связующем (ГОСТ 9573 - 82) (0,048 -0,056 Вт/м*К) и многие другие имеют существенно меньшую теплопроводность.
С другой стороны, исследуемый материал обладает рядом преимуществ, заявленных производителем НПО «СТРИМ». К ним следует отнести:
сухая смесь наносится методом мокрого торкретирования на каменные, бетонные, железобетонные и стальные конструкции, которые могут подвергаться воздействию пожара;
толщина наносимого огнезащитного слоя (до 80 мм) может изменяться для достижения необходимой огнестойкости.
высокая паро- и водонепроницаемость, сохраняемость теплоизоляционных свойств в увлажненном состоянии, фиксация трещин в бетоне, высокая сцепляемость с материалом строительной конструкции.
Испытания на огнестойкость по температурной кривой 150 834 (ЕТК) бетонной плиты (1100x1100x2500 мм + 50 мм толщина слоя ®
ным составом показали следующие результаты наблюдения:
растрескивания и отслаивания не обнаружено;
после испытаний поверхность оставалась стабильной и плотной.
После испытаний в муфельной печи образец (рисунок 6) сохранил свою форму, однако, на огнезащитном покрытии ®
блюдалось начало процесса отслаивания покрытия от основы.
Таким образом, но результатам проведения исследований с целью определения устойчивости строительных конструкций объектов нефтегазовой промышленности к воздействию теплового потока лучистой энергии при пожарах огнезащитное покрытие ® показало достаточно высокие огнезащитные свойства, характеризуемые
коэффициентом теплопроводности.
Для исследования степени снижения механической прочности бетона, защищаемого от теплового потока лучистой энергии, были проведены испытания методом ударного импульса по ГОСТ 22690 с использованием измерителя прочности бетона (рисунок 7).
Рисунок 7 Измеритель прочности бетона ИПС-МГ4.01
Требования к объекту контроля при измерениях соблюдены, бетонные образцы-кубы имеют размеры 10x10x10 см.
Образец № 1. Образец-куб размерами 10x10x10 см с нанесенным огнезащитным покрытием. Образец дважды подвергался испытания на огнестойкость. Воздействие теплово-
го потока лучистой энергии температурой до °
несенным покрытием в муфельной печи в течении 4 и 3 часов. Покрытие растрескалось (рисунок 8). Образец сохранил свою форму без изменений геометрических размеров.
Рисунок 8 Растрескивание огнезащитного покрытия при двукратном воздействии теплового потока
На одном образце проводилось 10 измерений. Среднее арифметическое значение прочности из 10 единичных результатов составило 16,22 МПа.
Образец № 2. Образец-куб с нанесенным огнезащитным покрытием, который не подвергался огневым испытаниям представлен на рисунке 1.
На одном образце проводилось 10 измерений. Среднее арифметическое значение проч-
ности из 10 единичных результатов составило 24,08 МПа.
Таким образом прочность бетонного образца-куба № 2 снизилась в результате воздействия теплового потока на 7,86 МПа.
Образец № 3. Образец-куб с нанесенным огнезащитным покрытием, который однократно подвергался огневым испытаниям представлен на рисунке 9.
Рисунок 9 Образец-куб до и после проведения огневых испытаний
На одном образце проводилось 10 измерений. Среднее арифметическое значение прочности из 10 единичных результатов составило 16,47 МПа. Прочность бетонного образца-куба №3 снизилась в результате воздействия теплового потока на 7,59 МПа.
Результаты исследования свойств механи-
ческой прочности бетона, защищаемого от теплового потока лучистой энергии позволяет сделать выводы о степени снижения прочности бетона в среднем на 25 30 %.
Для предварительной оценки поведения образца при термическом воздействии был проведен анализ с использованием
дифференциально-сканирующей калориметрии (далее ДСК) на термоанализаторе NETZSCH STA 449F3F1044-M (рисунок 10).
Образец массой 19,8 мг был нагрет со скоростью 20 К/мин в атмосфере воздуха до 600°С. Получены кривые уменьшения массы (ТГ), скорости уменьшения массы (ДТГ) и тепловых явлений, сопровождающих уменьшение массы исследованного материала.
°
°
сопровождается эндотермическим (связанным
с поглощенном тепла) эффектом, максимум
°
результате испытаний он демонстрирует суммарное уменьшение массы 12,7 %.
Интенсивное уменьшение массы прекра-°
ет порядка 8 % (масс.). Дальнейшее нагревание сопровождается незначительным экзотермическим (с выделением тепла) эффектом при °
Рисунок 10 - Кривые ТГ, ДТГ и ДСК покрытия РЕМСТРИМ-ТЛ®
°
шение массы фактически прекращается. Таким образом, можно предположить, что исследованный образец материала является тер°
выше, а его уменьшение массы может быть связано с испаренном влаги, что подтверждается характером теплового эффекта и интервалом температур, в котором оно происходит. Таким образом, огнезащитное покрытие ®
ла с помощью лучистой энергии и теплопроводности.
Выводы.
Нанесение покрытия на элементы строительных конструкций из бетона, потенциально подвергающихся тепловому воздействию при углеродных пожарах на объектах ТЭК, способствует снижению распространения тепла по элементам конструкций в течение нескольких часов, сохраняя при этом 75-70 % механической про чности.
Дальнейшее развитие исследований в этой области позволит разработать методы испытаний новых конструкционных материалов для обеспечения пожарной безопасности на объектах топливно-энергети чеекого комплекса.
Литература
1. Ажермачёв С.Г., Кузьменко O.A. Воздействие высокой температуры на конструкции здания // Строительство и техногенная безопасность. - Вып. 45. — 2013. — С. 14 - 18.
2. Гуреева М.А. Современные тенденции развития топливно-энергетического комплекса и экономическая безопасность России, 2015 // Сборник научных работ по материалам VIII Международной научно-практической конференции, г. Белгород. - 2015. - С. 32 - 38.
3. ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014 Конструкции строительные. Испытания на огнестойкость. Альтернативные и дополнительные методы (с Поправкой) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200113419/titles/7DK0KB (дата обращения 15.02. 2022 г.)
4. Иванов A.B., Боева A.A., Ивахнюк Г.К., Терехин С.И., Пророк В.Я. Исследование эксплуатационных характеристик наномодифицированных огнезащитных вспучивающихся композиций в условиях углеводородного пожара на объектах транспорта нефтепродуктов / / Пожаровзрывобезопасность. -2017, том 26, № 10, С. 5 - 19.
5. Цой A.A., Демихин Ф.В. Испытание огнезащитных материалов в условиях углеводородного температурного режима // Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России: научно-аналитический журнал. - 2015. - №4 . - С. 20 - 24.
STUDY OF THE PROPERTIES OF CONCRETE WITH FIRE-RESISTANT COATING TO ENSURE THE SAFETY OF FUEL AND ENERGY COMPLEX
OBJECTS
Igor TREUSHKOV
researcher of research department (training organization scientific and pedagogical staff) research center Civil Defence Academy EMERCOM of Russia named after Lieutenant General D.I. Mikhailika Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A E-mail: i.treushkovQamchs.ru
Sergey LYASHENKO
candidate of military sciences, associate professor, head of the department of fire safety Civil Defence Academy EMERCOM of Russia named after Lieutenant General D.I. Mikhailika Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A E-mail: s.liashenkoQamchs.ru
Evgenia ANOSOVA
candidate of technical sciences, associate professor, associate professor of the department of fire safety Civil Defence Academy EMERCOM of Russia named after Lieutenant General D.I. Mikhailika Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A E-mail: evgenia.anosowaQyandex.ru
Rudolf MALININ
doctor of military sciences, professor,
leading researcher research center
Military Academy of the General Staff of the
Armed Forces of the Russian Federation
Address: 119571, Moscow, prospect Vernadskogo, 100
E-mail: VagschQmail.ru
Abstract. Due to the constant expansion of the oil and gas industry, the issues of ensuring the safety of fuel and energy complex facilities are relevant. One of the ways to increase the stability of building structures that may be exposed to carbon fire hazards is treating them with flame retardants. In this article, the authors present data from experimental studies a new composition of REMSTREAM-TL® carried out using modern physico-chemical methods and laboratory installations developed at the Department of Fire Safety of the Academy of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of Russia. The results obtained can be used in the development of fire protection measures at fuel and energy facilities.
Keywords: safety of fuel and energy facilities, thermal resistance, flame retardant, protection of building structures.
Citation: Treushkov I.V., Anosova E.B., Lyashenko S.M., Malinin R.S. Tudy of the properties of concrete with fire-resistant coating to ensure the safety of fuel and energy complex objects // Scientific and educational problems of civil protection. 2022. № 3 (54). S. 18 - 27.
References
1. Azhermachev S.G., Kuzmenko O.A. The impact of high temperature on building structures // Construction and technogenic safety. - Issue. 45. - 2013. - S. 14 - 18.
2. Gureeva M. A. Modern trends in the development of the fuel and energy complex and the economic security of Russia, 2015 // Collection of scientific papers based on the materials of the VIII International Scientific and Practical Conference, Belgorod. - 2015. - S. 32 - 38.
3. GOST R EN 1363-2-2014 Building structures. Fire resistance tests. Alternative and additional methods (with the Amendment) [Electronic resource]. - Access mode: https://docs.cntd.ru/document/1200113419/titles/7DK0KB (Accessed 15.02.2022)
4. Ivanov A.V., Boeva A.A., Ivakhnyuk G.K., Terekhin S.N., Prorok V.Y. Investigation of performance characteristics of nanomodified fire-retardant intumescent compositions under conditions of hydrocarbon fire at oil products transport facilities. Pozharovzryvobezopasnost. - 2017, volume 26, no. 10, S. 5 - 19.
5. Tsoi A.A., Demikhin F.V. Testing of fire-retardant materials under hydrocarbon temperature conditions // Bulletin of the St. Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia: scientific and analytical journal. - 2015. - No. 4. - S. 20 - 24.
