CC BY
59
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/
Том 8, №6 (2016) http ://naukovedenie.ru/vol8-6 .php
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/63TVN616.pdf
Статья опубликована 30.11.2016
Ссылка для цитирования этой статьи:
Мельников В.С., Кириллов С.В., Мельников М.В., Ванин С.А., Васильев В.Г., Потемкин С.А. Минеральная вата - теплоизоляция фасадных и кровельных систем в условиях пожара пролива и тления // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №6 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/63TVN616.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 614.841.41
Мельников Владимир Семенович
ООО «Международный противопожарный центр», Россия, Москва1
Заместитель Генерального директора Кандидат технических наук Старший научный сотрудник E-mail: melnikov@firecenter.ru РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=854938
Кириллов Сергей Владимирович
ООО «Международный противопожарный центр», Россия, Москва
Ведущий специалист E-mail: sv@firecenter.ru
Мельников Михаил Владимирович
ООО «Международный противопожарный центр», Россия, Москва
Логистик E-mail: log54@mail.ru
Ванин Сергей Александрович
ЗАО «ТД «Ариада», Россия, Москва Генеральный директор E-mail: td-ariada@yandex.ru
Васильев Виктор Григорьевич
ЗАО «Ариада», Россия, Волжск Генеральный директор Доктор экономических наук E-mail: ariada@mari-el.ru
Потемкин Сергей Александрович
ООО «Международный противопожарный центр», Россия, Москва
Ведущий специалист E-mail: potemkin@firecenter.ru
Минеральная вата - теплоизоляция фасадных и кровельных систем в условиях пожара пролива и тления
1 115446, Москва, Коломенский проезд, д. 14
Аннотация. Современные марки минеральной ваты, применяемые в качестве теплоизоляции и относящиеся к негорючим строительным материалам, тем не менее, могут способствовать развитию пожаров. Исследуемая уязвимость оказалась следствием горючести органических связующих, воздухопроницаемости основы теплоизоляционного материала и её сорбционной способности.
В статье показано, что эмиссия загрязняющих веществ, выявленная при санитарно-химических тестах, одновременно указывает на возможность участия органических связующих в развитии пожара пролива и тления. Отмечено превышение предельно допустимой концентрации фенола, аммиака, формальдегида в воздухе для распространённой продукции при температурах эксплуатации 60°С и 90°С. Уделено внимание тому, что органические связующие, обеспечивающие гидрофобные свойства минеральной ваты, практически не изменяют сорбционную ёмкость по нефтепродуктам и не уменьшают потенциальную опасность пожара пролива.
Натурные огневые испытания подтвердили эту опасность, в том числе, стремительный охват всей площади как горизонтальных, так и вертикальных моделей объектов. Испытания позволили выявить скорости распространения пламени и скорости выгорания на минеральной вате для бензина, дизельного топлива и моторного масла. Установлено, что минеральная вата замедляет пожар пролива, который на теплоизоляционном материале длится существенно дольше открытого выгорания нефтепродуктов.
Наличие дополнительного теплового эффекта от горения органических связующих было подтверждено сопоставлением динамики пожаров пролива на неповреждённой и отожжённой минеральной вате. Изменения температур по времени в соответствующих исследованиях рассматривались как функции отклика на огневое воздействие, поэтому для корректной оценки результатов при ограниченной длительности регистрации были вычислены статистики, в том числе, моменты отрицательного порядка, которые нечувствительны к остаточным температурам образцов.
Выполненные испытания на тление позволили доказать возможность незатухающего, а также самостоятельно затухающего скрытого распространения горения. Предложено учитывать вероятную способность к тлению, в том числе, для теплоизоляционных материалов многослойных покрытий.
Методы испытаний на тление и на развитие пожара пролива рекомендовано применять для объективной оценки и корректировки пожарно-технических характеристик строительных теплоизоляционных материалов и изделий.
Ключевые слова: минеральная вата; базальтовое волокно; органические связующие; эмиссия загрязняющих веществ; теплоизоляционный материал; теплоизоляция; системы теплоизоляции; фасадные системы; покрытия; многослойные покрытия; кровельный материал; мягкая кровля; здания; сооружения; теплоизоляция резервуаров; теплоизоляция трубопроводов; незавершенное строительство; пожар пролива; тление; скрытое распространение горения; пожарно-технические испытания; функции отклика; статистики; метод моментов; моменты отрицательного порядка
Введение
Минеральная вата многих производителей и марок является сегодня самым распространённым материалом в системах теплоизоляции зданий и сооружений, в том числе, резервуаров, трубопроводов, технологического оборудования предприятий топливно-энергетического комплекса.
На основании результатов стандартных лабораторных испытаний3 минеральную вату, как правило, относят к негорючим (НГ) строительным материалам. Это обусловлено тем, что при огневом воздействии для лабораторных образцов малых размеров фиксируют отсутствие пламенного горения, незначительную потерю массы и низкую температуру дымовых газов.
По действующему техническому регламенту дальнейшие испытания негорючих строительных материалов не проводят, т.к. только горючие строительных материалы относят к разным группам горючести, подразделяют на группы по воспламеняемости, дымообразующей способности, токсичности продуктов горения4.
Отметим, что такая классификация приводит к противоречию нормативов и фактов, поскольку в ходе расследования пожаров давно замечено, что минеральная вата наравне с другими элементами строительных конструкций существенно меняет свои свойства и становится непригодной к дальнейшему использованию. Кроме видимого изменения цвета признаками утраты необходимых качеств являются: потеря водоотталкивающих свойств, снижение механических характеристик, появление существенной электропроводности. После огневого воздействия при тушении пожара изначально гидрофобный материал полностью пропитывается огнетушащими веществами, теряет форму и целостность. Во время пожаров проявляется и масштабный фактор, так, зафиксировано характерное пламенное горение газов в стыках и на торцах крупных (более 2...3 м) фрагментов строительных конструкций с минеральной ватой, также наблюдается существенная эмиссия загрязняющих атмосферу веществ в виде дыма и газообразных продуктов термического разложения [1].
В настоящее время только один из действующих стандартов, ГОСТ Р 56076-20145, не исключает испытание строительных конструкций, содержащих минеральную вату, из испытаний на пожарную опасность. Такая новация была обоснована тем, что эксплуатационные качества выпускаемых панелей с минеральной ватой достигаются, как правило, за счёт органических связующих и праймеров, а свойства этих компонентов проявляются при огневых тестах стендового и натурного масштабов. Другие нормативные документы по пожарной безопасности позволяют обходить известную особенность негорючего теплоизоляционного материала.
Следствием недостатка классификации является то, что не учтёнными остаются некоторые критичные свойства минеральной ваты, в том числе негативные реакции при возможных сценариях пожара.
2 Термин по п. 2.1.16 ГОСТ 31913-2011 Материалы и изделия теплоизоляционные. Термины и определения (EN ISO 9229:2007, MOD) М.: Стандартинформ, 2013, 24 с.
3 ГОСТ 30244-94 Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть. Введ. 1995-01-01. М. ФГУП Стандартинформ. 2008. 16 с.
4 Федеральный закон от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" (с изменениями на 3 июля 2016 года).
5 ГОСТ Р 56076-2014 Конструкции строительные. Конструкции из панелей с металлическими обшивками. Методы испытаний на огнестойкость и пожарную опасность. Введ. 2015-01-01. М. ФГУП Стандартинформ. 2014. 44 с.
Рисунок 1. Пожар пролива дизельного топлива при натурном испытании фрагмента стены (1,6x1,0 м) с теплоизоляцией из минеральной ваты: а - первая стадия, время от начала горения - 0,3 мин, б - вторая стадия, время от начала горения - 0,5 мин. Объём пролива - 1 л/м2 (фото авт.)
С учётом перечисленных замечаний в настоящей работе ставилась задача постановки нестандартных испытаний для исследования пожара пролива и тления.
Опасность первого заключается в скоротечной динамике с охватом больших площадей, причём, как показывают натурные огневые тесты (см. рис. 1), ряд теплоизоляционных материалов способствует распространению горения не только по горизонтали, но и по вертикали. Пожар пролива может стремительно охватывать целиком фасадные системы зданий, вертикальные аппараты, стенки резервуаров, трубопроводы, причём даже при незначительном проливе горючих жидкостей (нефти, нефтепродуктов, растворителей и т.д.).
Наибольшая вероятность пожара пролива имеет место при аварии технологического оборудования, что не исключает иных сценариев, например, нарушения правил безопасного обращения с горючими жидкостями на строящихся объектах гражданского назначения, при незавершённом строительстве, выполнении ремонта фасадов, и т.д.
Опасность тления заключается в скрытом распространении горения внутри строительных конструкций с возможным переходом на более горючие вещества и материалы. При тлении имеет место и эмиссия опасных (загрязняющих) продуктов термического разложения. Тление - медленный процесс, это создаёт дополнительную опасность, поскольку развитие пожара может произойти повторно и (или) внезапно (вне оперативного времени контроля безопасности объекта).
Если теплоизоляционный материал может поддерживать тление, то неблагоприятные сценарии касаются нарушений правил безопасного обращения с огнём, аварий электрических сетей, повреждения дымоходов, разгерметизации коллекторов высокотемпературных газов, других огневых воздействий или реакций, сопровождающихся выделением тепла.
Исследованиям пожара пролива посвящено множество работ, в том числе, учитывающих пролив на различные поверхности (основания). Также хорошо изучено тление
в разных условиях. Ранее полученные данные практически используются в нормативных
6
документах, расчётах и при оценке рисков .
Отличие предлагаемого исследования заключается в выборе конкретных строительных материалов для изучения их участия в развитии пожаров.
Физико-химические свойства продукции из минеральной ваты
Свойства теплоизоляционных материалов из минеральных волокон и характеристики пожарной опасности рассмотрены в наших предыдущих статьях [1, 2].
В рамках представленной работы дополнительная информация была получена при санитарно-химических исследованиях стандартным методом экспозиции с температурами в климатической камере 60°С и 90°С соответственно для материалов вертикальных и горизонтальных конструкций (стен и покрытий).
Указанные жёсткие условия можно обосновать нормами, установленными в Своде правил7, и результатами многочисленных исследований [3]. Кроме того, что эти условия адекватны для зданий, они ещё более вероятны для сооружений нефтеперерабатывающей, нефтехимической, добывающей отраслей, энергетики и т.д., т.е. везде, где теплоизоляцию
6 ГОСТ Р 12.3.047-2012 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. Введ. 2014-01-01. М.: Стандартинформ, 2014, 65 с.
7 СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия, глава 13. Температурные климатические воздействия. Введ. 2011-05-20. Минрегион России, 2010, 85 с.
используют для резервуаров, аппаратов, трубопроводов с теплоносителями и горячими продуктами.
Возможные области применения учитывали и поэтому образцы отбирали из гидрофобизированных плит, изготовленных только из волокон горных пород базальтовой группы с органическими связующими. Содержание органических связующих по данным производителей не превышало 4,5%.
Следует отметить, что для всех образцов (марок) имела место эмиссия многокомпонентных смесей загрязняющих атмосферу веществ. Примеры для одного образца с температурой экспозиции 60°С и трёх образцов с температурой экспозиции 90°С приведены в табл. 1.
Таблица 1
Эмиссия веществ в атмосферу при испытании теплоизоляционных материалов
ПДК8, Эмиссия* относительно ПДК, мг/мг
Вещества Пожаро- при температуре экспозиции образцов
взрывоопасность [5] мг/м3 60°С 90°С
1 2 3 4
Фенол Горючее вещество Тпл=43 °С, Ткип=181,75°С 0,003 0,33 2,13 2,10 2,03
Аммиак Горючий газ 0,04 0,00 1,25 1,00 1,00
Формальдегид Горючий газ 0,01 25,8 3,10 3,10 3,00
Бензол ЛВЖ, Ткип=80,1°С 0,1 0,05 0,30 0,20 0,20
Толуол ЛВЖ, Ткип=110,6°С 0,6 0,02 0,02 0,02 0,02
Ксилолы ЛВЖ, Ткип=139,1°С 0,2 0,03 0,10 0,10 0,10
Этилбензол ЛВЖ, Ткип=136,2°С 0,02 0,25 0,10 0,10 0,10
Стирол ЛВЖ, Ткип=145°С 0,002 0,50 0,10 0,05 0,05
* значения эмиссии с превышением предельно допустимых концентраций (>1,00) выделены красным жирным шрифтом
В чистом виде при нормальных условиях часть компонентов являются легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ) с низкой температурой кипения (Ткип < 150°С). Также в смесях имеется фенол, который в чистом виде плавится при температуре Тпл=43°С. Два компонента (аммиак и формальдегид) в нормальных условиях остаются горючими газами.
Как видно из таблицы, по ряду веществ выявлено существенное превышение предельно допустимых концентраций (ПДК). Это не противоречит имеющимся у производителей для тех же материалов положительным заключениям, т.к. последние чаще всего соответствуют более низким температурам эксплуатации (экспозиции) 20°С и 40°С.
Высокая эмиссия продуктов деструкции обусловлена не только составом органических связующих, но также развитой поверхностью контакта с воздухом во всём объёме материала. Так, при плотности минеральной ваты 90 кг/м3 и диаметре волокна 1...3 мкм расчетная поверхность связующих составляет порядка 40 000.120 000 м2 в 1 м3 минеральной ваты.
8 РД 52.04.186-89 Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Введ. 1991-07-01. Минздрав СССР,
1991.
В связи с этим на эмиссию установленных веществ на поверхности и в объёме влияют следующие факторы:
• температура воздуха и изменения температуры;
• влажность воздуха и изменения влажности;
• воздухообмен у поверхности материала;
• газообмен (пенетрация воздуха и газообразных продуктов) в объёме материала;
• состав воздуха, содержание деструктурирующих веществ и растворителей;
• механические нагрузки (деформации) и их изменения.
Совместное действие деструктурирующих факторов приводит к старению теплоизоляционных материалов с потерей прочности и гидрофобных свойств, к ухудшению теплотехнических характеристик и ограничению жизненного цикла в зависимости от условий эксплуатации (часто до 5.. .10 лет).
Понятно, что более сильные воздействия (за пределами нормальных условий эксплуатации) приводят к полной деструкции связующих значительно быстрее, например, при пожаре - за несколько минут.
Также быстро полная деструкция связующих наступает при отжиге образцов в муфельной печи.
Отожжённый материал существенно отличается от неповреждённого (от исходной продукции). Так, для отожжённого материала отсутствует эмиссия горючих газов, но облегчена эрозия и загрязнение воздуха минеральными волокнами.
С учётом целей настоящей работы представляло интерес сравнение таких свойств отожжённых и неповреждённых материалов, как способность к сорбции воды и нефтепродуктов.
Взаимодействие минеральной ваты с жидкостями проиллюстрируем фотографиями опытов, где для примеров выбрана вода (рис. 2), а также проливы на воде дизельного топлива (рис. 3) и бензина (рис. 4).
Среди характеристик теплоизоляционных материалов из минеральных волокон производители часто указывают значение водопоглощения (порядка 1 кг/м2 при кратковременном и частичном погружении), что обеспечивает плавучесть с незначительным погружением для неповреждённого образца (рис. 2 справа). Так происходит, поскольку кажущаяся плотность материала составляет около 10% от плотности воды. Одновременно отожжённый образец из-за деструкции связующих активно сорбирует воду и погружается на дно (рис. 2 слева), здесь имеет значение плотность волокон, которая значительно отличается от кажущейся плотности и ориентировочно в 2.3 раза выше плотности воды.
Взаимодействие минеральной ваты с нефтепродуктами известно из практики ликвидации последствий аварийных розливов. Для реализации соответствующей технологии используется сорбционная способность именно базальтовых волокон, пропитанных гидрофобизатором [4]. В связи с этим следует ожидать, что взаимодействие теплоизоляционных материалов из минеральных волокон с нефтепродуктами будет похоже на взаимодействие отожженного материала с водой.
Действительно, во втором примере (взаимодействия с проливом дизельного топлива) неповреждённый и отожженный материалы погружаются в двухслойную жидкость
практически одинаково и почти полностью (рис. 3). Имеет место сорбция нефтепродукта, пропорциональное увеличение кажущейся плотности и погружение образцов.
Третий пример (взаимодействия с проливом бензина) показывает определённое отличие сорбции лёгких углеводородных фракций (рис. 4). В начальный период времени образцы одинаково поглощают данный нефтепродукт, но затем вода вытесняет бензин из образца отожженного материала, и он погружается на дно, как и в случае взаимодействия с чистой водой. Неповреждённый образец остаётся наплаву, т.е. связующих веществ продолжают действовать и сохраняются гидрофобные свойства.
Рисунок 2. Взаимодействие МВ образцов отожженного (слева) и неповреждённого (справа) с водой (фото авт.)
Количественная оценка сорбционной ёмкости и скорости сорбции отожжённого и неповреждённого материалов была выполнена для теплоизоляции вентилируемых фасадных систем из минеральной ваты с кажущейся плотностью 87,4 кг/м3.
Важно, что у отожжённых образцов того же теплоизоляционного материала кажущаяся плотность от указанного значения отличалась незначительно.
Результаты, представленные в табл. 2, показывают, что эффективность сорбции нефтепродуктов во всех вариантах взаимодействия сопоставима с эффективностью сорбции воды отожжённым материалом. Объёмы нефтепродуктов, которые могут быть собраны минеральной ватой близки к объёму самого материала. Скорость сорбции, измеренная по скорости погружения образцов, также достаточно велика, поэтому сам процесс сорбции длился не более нескольких минут для дизельного топлива и нескольких секунд для бензина.
Если указанные свойства играют положительную роль при ликвидации аварийных розливов, то в условиях пожара пролива они, напротив, чрезвычайно опасны, поскольку здесь имеет место быстрое смачивание нефтепродуктами большого объёма и поверхности теплоизоляционного материала с увеличением риска соответствующего распространения горения.
Рисунок 3. Взаимодействие МВ образцов отожженного (слева) и неповреждённого (справа) с проливом дизельного топлива на воде (фото авт.)
Рисунок 4. Взаимодействие МВ образцов отожженного (слева) и неповреждённого (справа) с проливом бензина на воде (фото авт.)
Таблица 2
Сорбционная ёмкость и скорость сорбции при полном погружении образцов в жидкости
Показатели Единицы измерения Значения
Неповреждённая МВ Отожжённая МВ
Сорбционная ёмкость по воде кг/кг 0,011.0,012 10,5.13,2
кг/м3 0,99.1,02 921.1152
м3/м3 0,00099.0,0010 0,921.1,152
Показатели Единицы измерения Значения
Неповреждённая МВ Отожжённая МВ
Сорбционная ёмкость по дизельному топливу кг/кг 8,27.8,82 9,16.9,87
кг/м3 723.771 801.862
м3/м3 0,907.0,967 1,005.1,082
Сорбционная ёмкость по бензину кг/кг 6.14.6,27 не исследована
кг/м3 536.548 - " -
м3/ м3 0,741.0,757 - " -
Скорость сорбции по воде м/мин. не исследована 0,86.1,00
Скорость сорбции по диз. топливу м/мин. 0,087.0,090 0,062.0,063
Скорость сорбции по бензину м/мин. 0,75.1,00 0,46.0,55
Единственным лимитирующим фактором пожара пролива остаётся относительно низкая удерживающая способность минеральной ваты. Представленные в табл. 2 значения сорбционной способности показывают максимальную массу и объём нефтепродуктов, которые поглощают образцы при полном погружении.
Без подпитки нефтепродукты не удерживаются в таком количестве, стекают и испаряются из образцов. После прекращения пролива через определённое время реальный объём нефтепродуктов по площади теплоизоляционного материала не будет превышать 2.5 л/м2 Очевидно, что время сушки зависит от многих факторов, оно связано со свойствами теплоизоляционного материала, составом пролитого вещества, состоянием окружающей среды, однако рассмотрение этих факторов выходит за рамки настоящего исследования.
Развитие пожара пролива
С целью установления скорости распространения пламени и скорости выгорания при проливе нефтепродуктов на теплоизоляционный материал были использованы одномерные образцы, которые располагали с помощью стальной кассеты в горизонтальном и вертикальном положении. Направление распространение пламени (горизонтально, вверх и вниз) определялось местом зажигания газовой горелкой. Время распространения пламени (фронта пламени) и время выгорания нефтепродуктов устанавливали по кадрам видеорегистрации процесса горения (рис. 5-7).
При подготовке исследований равномерное распределение нефтепродуктов по поверхности образцов обеспечивали их погружением в горизонтальную ванну. Образцы считались готовыми для исследования после сорбции всего количества нефтепродукта. Объём пролива - основной фактор развития пожара определяли из отношения объёма сорбированного из ванны нефтепродукта и площади образца. Перераспределение жидкости по объёму и длине образцов исключали, т.к. операции установки и зажигания длились не более 20 сек. Этим добивались имитации начала реального пожара непосредственно во время пролива.
Во всех примерах можно выделить хорошо известные три стадии пожара. Особенность заключается в том, что при низких объёмах пролива (менее 0,2.0,5 л/м2) даже для второй стадии площадь горения могла быть меньше площади образца, т.е. в некоторых опытах имело место локальное выгорание пролива горючих веществ. Вместе с тем гораздо чаще наблюдения динамики приводили к выводу о необходимости анализа чрезвычайной опасности пролива нефтепродуктов для теплоизоляционных материалов из минеральных волокон.
Полученные результаты представлены в табл. 3 и на графиках (рис. 8).
Поведение лёгких фракций, как обычно, существенно отличало бензин. Так, скорости распространения пламени по образцам в случае пролива бензина оказались существенно больше, чем при проливе дизельного топлива и моторного масла. Также по характеру отличались и зависимости от объёма пролива.
Пожар пролива бензина вдоль поверхности минеральной ваты при достаточном объёме пролива распространялся даже быстрее нормальной скорости распространения пламени 0,44.. .0,45 м/с, значения которой приведены в справочнике [5].
Напротив, значения скорости выгорания всех нефтепродуктов с поверхности минеральной ваты (см. табл. 3) оказалась на порядок меньше справочных значений средних скоростей выгорания нефтепродуктов (скоростей потери массы)9: бензина - 0,0617 кг/м2/с, дизельное топлива - 0,042 кг/м2/с, турбинного масла - 0,030 кг/м2/с.
За счёт замедления при одинаковых объёмах пролива пожар на минеральной вате буде продолжаться существенно дольше пожара пролива на обычной поверхности.
Реальный пожар пролива на рассматриваемых теплоизоляционных материалах может быть смоделирован, если полученные значения показателей использовать как начальные.
а) б) в)
Рисунок 5. Пожар пролива дизельного топлива на образце теплоизоляционного материала при распространении горения вниз: а - первая стадия (0,48 мин), б - вторая стадия (4,88 мин), в - третья стадия (6,07 мин). Время указано от момента зажигания.
Объём пролива - 5 л/м2 (фото авт.)
9 Таблица 12, Приложение 4 ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования. Введ. 1992-07-01.
Рисунок 6. Пожар пролива моторного масла на образце теплоизоляционного материала при распространении горения вверх: а - первая стадия (0,88 мин), б - вторая стадия (1,43 мин), в - третья стадия (2,45 мин). Время указано от момента зажигания. Объём пролива - 0,5 л/м2 (фото авт.)
Рисунок 7. Пожар пролива бензина на горизонтальном образце теплоизоляционного материала: а - первая стадия (0,07 мин), б - вторая стадия (0,12 мин), в - третья стадия (0,4 мин). Время указано от момента зажигания. Объём пролива - 0,5 л/м2 (фото авт.)
Таблица 3
Скорости распространения пламени и выгорания при объёме пролива 0Д2...5 л/м2 *
Нефтепродукт Скорость распространения, м/с Скорость выгорания, кг/м2/с
вертикальные образцы, распространение вверх
Бензин 0,58...1,50 0,0054.0,0097
Дизельное топливо 0,17...0,035 0,0030.0,0066
Моторное масло 0,020.0,0076 0,0011.0,0024
вертикальные образцы, распространение вниз
Бензин 0,022.1,25 0,0023.0,0105
Дизельное топливо 0,0042.0,0016.0,0035 0,0004.0,0036
Моторное масло 0,00043 0,00037
горизонтальные образцы
Бензин 0,031.1,3 0,0021.0,011
Дизельное топливо 0,0076.0,0096.0,0033 0,00056.0,0028
Моторное масло 0,00095 0,00072
значения соответствуют температуре 3°С и атмосферному давлению 763 мм рт. ст.
V, м/с 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
! 1
Дизельное топливо
4
:
••
:
•
•
•
-
♦ •
*
0
• вверх
V, м/с 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20
0,00 л/м2 0
• гризонтально
Ьензнн
••*
Г
Г'
А
• •
к
:
2 ••
;
■
_|
~~г _
1 П
_
•••
7
/
_ _
•
_ _
11 :
- : Нормальная скорость
11 1 распространения
пламени
■ : •
| /
Ш
Л»
^ 1 *
91—
щ
л/м-
• вниз
Рисунок 8. Скорости распространения пламени V при изменении объёма пролива g для пожаров пролива дизельного топлива и бензина на горизонтальные и вертикальные образцы теплоизоляционного материала из минеральной ваты (рис. авт.)
Участие связующих веществ в пожаре пролива
Как было установлено санитарно-химическими исследованиями при температурах экспозиции (до 90°С) имеет место деструкция органических связующих минеральной ваты и эмиссия горючих газов, поэтому и для более жёстких условий пожара пролива представляло интерес проверить участие связующих.
Соответствующее исследование должно было выявить сведения о динамике процессов на поверхности и по толщине неповреждённого и отожженного материалов.
Эта часть работы была выполнена на стенде с образцом, схема которого показана на рис. 9. Такие образцы состояли из двух вертикально расположенных листов минеральной ваты толщиной 100 мм, листы были прижатых вплотную друг к другу по вертикальному стыку. В одном из листов по кондуктору были выполнены параллельные каналы, где устанавливали термопары для измерения температур Т1...Т9, Таким способом спаи термопар размещались по толщине листа через каждые 10 мм и достаточно удалённо (на 50 мм) от стыка листов.
На обогреваемой поверхности также устанавливали две термопары для измерения температур Тон, Тов, а на необогреваемой поверхности - одну термопару для измерения температуры Т10.
Перед испытаниями на сборки с образцами в горизонтальном положении осуществляли равномерный пролив дизельного топлива. Затем в вертикальном положении имитировали пожар пролива с движением фронта пламени снизу-вверх, при этом вели непрерывную регистрацию температур и видеосъёмку.
Рисунок 9. Схема образца из минеральной ваты и установки термопар для измерения температур Тон, Тов, Т1...Т10 по толщине при моделировании пожара пролива на вертикальной поверхности теплоизоляционного материала (рис. авт.)
Опыты повторяли по 5 раз для каждого объёма пролива (1,1; 2,22; 4,5 л/м2) на образцы неповреждённой и отожжённой минеральной ваты, что позволило собрать достаточную для статистической обработки базу данных.
Полученные типичные температурные функции оклика на огневое воздействие пожара пролива представлены на рис. 10.
При пожарно-технических испытаниях наличие теплового эффекта от горения материалов образца принято оценивать по превышению температуры относительно температуры, установленной для негорючего (калибровочного) образца10'11.
В рассматриваемом случае калибровочными можно было считать образцы отожжённой минеральной ватой. Для оценки теплового эффекта путём сравнения температур для отожженного и неповреждённого образца преобразовывали первичные функции отклика и вычисляли статистики.
Так, переходили от измеренной температуры Ть (к= он, ов, 1, ..., 10) к приросту температуры относительно начального значения Ть0 для каждой функции:
У* (0 = Тк (0 - Тк0 ,к= он, ов, 1, ..., 10, (1)
где * - текущее время от момента зажигания, которое менялось с постоянным шагом регистрации:
Ла = а/ п, (2)
а - длительность регистрации функций отклика от момента зажигания, мин.,
п - число интервалов регистрации.
Поскольку функции Ть (*) и уь (*) имели существенное остаточное отклонение от начальных значений при завершении регистрации (при * = а), уменьшение погрешности расчёта статистик по экспериментальным данным достигалось методом моментов с использованием моментов отрицательного (минус первого) порядка и нулевого порядка [6]:
п
1 Са Да V1 1
I ^ У(0 ^ ~ — > ^ У(Ь) (3)
^о ^о Ы
а п
= I у(0 дх « Ла
= I У(Ч & « Ла 2У(гй (4)
¿=1
Результаты расчёта моментов по формулам (3, 4) от функций (1) сопоставлены для образцов неповреждённого и отожжённого материалов в диаграммах рассеяния (см. рис. 11).
10 ГОСТ 30403-2012. Конструкции строительные. Метод испытания на пожарную опасность. Введ. 201212-27. М. ФГУП Стандартинформ. 2014. 10 с.
11 ГОСТ Р 56076-2014 Конструкции строительные. Конструкции из панелей с металлическими обшивками. Методы испытаний на огнестойкость и пожарную опасность. Введ. 2015-01-01. М. ФГУП Стандартинформ. 2014. 44 с.
а)
б)
Рисунок 10. Примеры температурных функций отклика Ть (к= он, ов, 1, ..., 10) по толщине образцов при пожаре пролива для неповреждённой (а) и отожженной (б) минеральной ваты. Объём пролива дизельного топлива - 2,22 л/м2 (рис. авт.)
¿гппп
ииии
/
ч эиии а «
— 4ППП
Я 4иии « т 1ППП
ни
* оиии I
♦
О е.
— ♦ ▲
й
£ О *
•
о
\у
1 ппп §
_ хиии о
00
о 9 0 •
10 00 20 |Ао от 00 30 ожженн 00 40 ЫЙ М 31 00 50 гериал 00 60
а)
А «
/
материал о
й
4
♦
!5 П -» ♦ ■
X X X -< з ОД а ^ £ о 3 X Л 1 /
/
* /
Щ V
щ
▲
А < ►
У
■
А Л ,5
и,и 0 0 0 Д 0 Ц-1 ОТ( 2 0 >жженны 3 0 й матерг .4 0 1ал
б)
Рисунок 11. Сопоставление моментов нулевого порядка (а) и минус первого порядка (б) функций отклика на огневое воздействие пожара пролива для неповреждённого и отожжённого материала. Объём пролива дизельного топлива - 2,22 л/м2 (рис. авт.)
Полученная статистика и приведённый пример показывают, что в подавляющем числе случаев моменты ц0 и ц-1 для неповреждённого материала имеют более высокие значения, чем соответствующие значения для отожжённого материала.
На этом основании можно сделать однозначный вывод о том, что при равных условиях пожара пролива более высокий прирост температур имеет место в объёме и на поверхности неповреждённого материала.
Пользуясь отмеченной выше нормативной оценкой, авторы считают, что различие температур доказывает наличие дополнительного теплового эффекта за счёт участия в горении органических связующих веществ минеральной ваты.
Тление теплоизоляционных материалов
Поскольку был выявлен дополнительный тепловой эффект представляет практический интерес проверить возможность самостоятельного тления за счёт тепла реакций деструкции и окисления органических связующих.
Как и в случае пожара пролива, для исследования тления теплоизоляционный материал выбирали среди марок, где содержание связующих по данным производителей не превышает 4,5%, и в качестве основы используется базальтовое волокно.
Испытания на тление были выполнены при инициировании процесса над горизонтальной огневой камерой, ранее применённой для испытания стыков сэндвич -панелей и представленной в нашей статье [7].
Образцы общей толщиной 0,6 м состояли из 6 слоёв теплоизоляционного материала толщиной 0,1 м каждый (см. рис. 12). Внизу (с обогреваемой стороны) и между слоями на каждом уровне находились по две термопары для измерения температур (Т01,Т02), (Т11,Т12), ..., (Т51,Т52)
Такую слойку на стальном подрамнике устанавливали с зазором (18 мм) над проёмом огневой камеры. Во время испытания вели регистрацию указанных температур и фотосъёмку.
Длительность регистрации составляла до 18 часов и прекращалась, когда наибольшая из остаточных температур слойки составляла не более 90°С.
После полного охлаждения проводили вскрытие образцов и послойное обследование повреждений с определением электропроводности по методике [8].
Для сравнения результатов испытывали образцы неповреждённого и отожжённого материалов.
В ходе испытаний признаков образования открытого пламенного горения не
12
зарегистрировано. Оценка силы запаха в баллах при испытании отожженных образцов равна 1, при испытании неповреждённых образцов - 4.5, т.е. в последнем случае, бесспорно, имела место эмиссия загрязняющих веществ.
12 МУ 2.1.2.1829-04 Санитарно-гигиеническая оценка полимерных и полимерсодержащих строительных материалов и конструкций, предназначенных для применения в строительстве жилых, общественных и промышленных зданий. Методические указания.
Рисунок 12. Образец теплоизоляционного материала из 5 слоёв минеральной ваты с выводами термопар во время испытания на тление (фото авт.)
На рис. 13 показан типичный внутренний слой образца, вид после испытания. Визуальная оценка изменения цвета таких сечений совпадает с результатами объективного контроля. По площади повреждённой зоны вплоть до видимой границы изменения цвета регистрируется электропроводность. Исходный теплоизоляционный материал, который в исходном состоянии был диэлектриком, в ходе испытаний становится электропроводным. Аналогичные изменения фиксируются на всех уровнях образца.
При следующем шаге обследования из части образцов были сделаны вырезы фрагментов с характерными изменениями цвета и наличием электропроводности. Эти фрагменты проверяли на водопоглощение, что полностью подтвердило визуальную оценку и оценку по электропроводности. Сорбционная ёмкость по воде совпала с приведёнными в табл. 2 значениями для отожжённой в муфельной печи минеральной ваты.
В совокупности по указанным показателям можно сделать вывод о том, что во всём объёме неповреждённого (в исходном состоянии) материала протекал высокотемпературный процесс, имела место деструкция органических связующих, потеря диэлектрических и гидрофобных свойств.
Вместе с тем проведённой экспертизы повреждений без учёта динамики было недостаточно для понимания механизма повреждений, поскольку аналогичные повреждения минеральной ваты хорошо известны и имеют место, например, при огневых испытаниях строительных конструкций на огнестойкость.
Возможных причин повреждений может быть три. Необратимые изменения могут происходить, во-первых, из-за огневого воздействия первичного источника зажигания, во-вторых, за счёт теплового эффекта деструкции связующих, а также при совмещении первого и второго механизмов.
Рисунок 13. Пример обследования слоя образца после вскрытия. Приборами регистрируется электропроводность по всей повреждённой зоне до границы с неповреждённой частью. Показание измерителя сопротивления изоляции иТ502 - 2,55 ГОм, показание комбинированного прибора Тв>?^-606-2 - 15,6% (фото авт.)
Более качественно динамику теплообменных процессов отражают изменения температур во время испытаний, показанные на рис. 14, 15, 17.
Эксперимент с образцом 1 (график на рис. 14) доказывает возможность незатухающего тления минеральной ваты и кумуляции тепла с распространением процесса по всему объёму образца.
Здесь изменения по времени температур в фиксированных точках (Т01,Т02), (Т11,Т12), ..., (Т51,Т52) отражают перемещение области тления и тепловой волны вверх по образцу с практически неуменьшающейся амплитудой температур 620.. ,680°С.
О 60 120 180 240 300 360 Г, мин
Рисунок 14. Температуры по слоям образца теплоизоляционного материала при испытании на тление неповреждённой минеральной ваты. Образец 1 (рис. авт.)
Эксперимент с образцом 2 (график на рис. 15) доказывает возможность затухающего тления минеральной ваты с распространением высокотемпературного процесса в части объёма образца.
Здесь изменения по времени температур в фиксированных точках (Т01,Т02), (Т11,Т12), ..., (Т51,Т52) также отражают перемещение области тления, но тепловая волна вверх по образцу убывает, и амплитуда температур заметно уменьшается, начиная с уровня 3 (Т31,Т32).
Затухающий характер процесса тления соответствует повреждениям образца 2 (см. рис. 16). Область повреждённого материала здесь уменьшалась от уровня к уровню, и на высоте от обогреваемой поверхности 0,3 м, где амплитуда температур снизилась на 100°С, площадь повреждения составила не более 30% от площади повреждения первого снизу уровня.
Принципиально иную форму имеют графики, полученные в экспериментах с отожжённой минеральной ватой (см. рис. 17). В образце 3 без поддержки тлением тепловая волна не вызвала опасного увеличения температур даже для уровня 0,2 м, где амплитуда (Т21,Т22) оказалась меньше 180°С.
Рисунок 15. Температуры по слоям образца теплоизоляционного материала при испытании на тление неповреждённой минеральной ваты. Образец 2 (рис. авт.)
Рисунок 16. Повреждения слоёв минеральной ваты при самостоятельном затухании тления образца 2 для уровней: 0,3 м; 0,2 м; 0,1 м от обогреваемой поверхности (фото авт.)
Рисунок 17. Температуры по слоям теплоизоляционного материала при испытании на тление образца 3 из отожжённой минеральной ваты (рис. авт.)
Для оценки результатов заимствуем критерий предела огнестойкости по
«-» 13
теплоизолирующей способности (I) из стандарта , где предельным считается состояние, при котором температура любой точки необогреваемой поверхности конструкции повысилась более чем на 180°С в сравнении с температурой до испытания.
Сравним по указанному критерию графики для образцов 2 и 3 (неповреждённой и отожжённой минеральной ваты), при испытании которых время огневого воздействия составляло 60 мин, а прирост температур имел следующие значения:
ЛТ21 = 24°С, ЛТ22 = 22°С для образца 2, уровень 0,2 м,
ЛТ21 = 26°С, ЛТ22 = 28°С для образца 3, уровень 0,2 м.
На выбранном для примера втором уровне образцы 2 и 3 по критерию огнестойкости оказались одинаково безопасны:
ЛТ21 << 180°С, ЛТ22 << 180°С.
13 ГОСТ 30247.1-94 Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. Введ. 1996-01-01. М. ИПК Издательство стандартов. 1995. 11 с.
Однако прекращение контроля состояния образца 2 после огневого воздействия приводит к серьёзной ошибке, т.к. при времени * > 100 мин прирост температуры превысит выбранный критерий, и при времени * ~ 160 мин достигнет максимума Т21, Т22 > 620°С.
Цепная реакция тления органических связующих минеральной ваты в образце 2 привела к скрытому распространению горения, опасному, как превышением допустимых температур, так и внезапным выходом на необогреваемую поверхность (появлением высокотемпературного вторичного источника зажигания за пределами длительности контроля по времени).
Теплоизоляционный материал образца 2 (изначально неповреждённая минеральная вата), таким образом, не соответствует требованиям технического регламента, т.к. может быть
14
причиной скрытого распространения горения .
Эксперименты с отожжённой минеральной ватой (образец 3) не выявили указанный недостаток. Действительно, базальтовое волокно, не содержащее органические связующие, препятствует срытому распространении горения, но такой материал не может быть использован в строительных конструкциях из-за наличия других недостатков (целого комплекса неудовлетворительных эксплуатационных показателей).
Выводы и рекомендации
1 С учетом полученных в исследовании результатов возникает необходимость более детального изучения динамики процессов пожара пролива и тления для разрешения противоречий технических решений фасадных и кровельных систем.
2. Теплоизоляционные материалы из минеральной ваты обладают высокой сорбционной способностью по отношению к нефтепродуктам, что увеличивает риски пожара пролива не только на горизонтальных, но и на вертикальных строительных конструкциях.
3. Свойства теплоизоляционных материалов с воздухопроницаемой структурой и органическими связующими в свете действующих стандартов и сводов правил являются переоцененными. В частности, определённые марки, которые действующими нормами относят к негорючим строительным материалам, могут скрыто распространять горение. Поэтому соответствующее внимание следует уделять уязвимости конструкций, в число которых входят многослойные покрытия.
4. Применённые методы испытаний на тление и на развитие пожара пролива рекомендуется использовать дополнительно (помимо стандартных тестов) с целью разработки новых материалов с требуемыми характеристиками.
5. Сценарии пожаров пролива и тления с учётом полученных данных для исследованных теплоизоляционных материалов предлагается рассматривать при разработке систем предотвращения пожара и противопожарной защиты.
14 п.1, Статьи 137 Федерального закона от 22 июля 2008 г. N 123-Ф3 "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности" (с изменениями на 3 июля 2016 года).
ЛИТЕРАТУРА
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Мельников В.С., Кириллов С.В., Мельников М.В., Васильев В.Г., Ванин С.А., Потемкин С.А. / Пожарно-структурная экспертиза повреждений теплоизоляционных материалов из минеральной ваты и пенополиизоцианурата // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/96TVN316.pdf (доступ свободный).
Мельников В.С., Кириллов С.В., Васильев В.Г., Ванин С.А., Мельников М.В. / Повреждение теплоизоляционных материалов тепловым излучением // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» 2016. Вып. 1/65. 10 с., http://agps-2006.narod.ru/ttb/2016-1/21-01-16.ttb.pdf (доступ свободный).
Воронин А.М., Орлов Ю.Н. / Факторы, влияющие на температуру поверхности плоских кровель // СтройПРОФИль №5 (67) 2008 www.stroy-press.ru, http://stroyprofile.com/files/pdf/5-08-106.pdf (доступ свободный).
Сироткина Е.Е., Новоселова Л.Ю. / Материалы для адсорбционной очистки воды от нефти и нефтепродуктов // Химия в интересах устойчивого развития т.13, 2005, №3, с. 359-377 http://www.sibran.ru/upload/iblock/54d/54d575a0beef 66612886c110acf7d13b.pdf (доступ свободный).
Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. / Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник // Изд. 2., М.: АСС. "Пожнаука", 2004. - ч. I. - 713 с; ч.2. - 774 с.
Мельников В.С., Молоканов Ю.К. / Исследование гидродинамической структуры при анализе функций отклика на входе и выходе потока // Теоретические основы химической технологии т.16, 1982, №1, с. 53-58.
Мельников В.С., Кириллов С.В., Мельников М.В., Ванин С.А., Васильев В.Г., Потемкин С.А. / Огнезащита стыков сэндвич - панелей в строительных конструкциях // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №5 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/74TVN516.pdf (доступ свободный).
Мельников В.С., Кириллов С.В., Васильев В.Г., Ванин С.А., Мельников М.В. / Оценка результатов огневых испытаний теплоизоляционных материалов по их электрическому сопротивлению / Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" Выпуск №2 (66), 2016 г. 7 с. http://agps-2006.narod.ru/ttb/2016-2Z06-02-16.ttb.pdf (доступ свободный).
Melnikov Vladimir Semenovich
International fire center Ltd, Russia, Moscow E-mail: melnikov@firecenter.ru
Kirillov Sergei Vladimirovich
International fire center Ltd, Russia, Moscow E-mail: sv@firecenter.ru
Melnikov Mikhail Vladimirovich
International fire center Ltd, Russia, Moscow E-mail: log54@mail.ru
Vanin Sergei Aleksandrovich
Joint Stock Company «TD «Ariada», Russia, Volzhsk E-mail: td-ariada@yandex.ru
Vasilev Viktor Grigorevich
Joint Stock Company «TD «Ariada», Russia, Volzhsk
E-mail: ariada@mari-el.ru
Potemkin Sergei Aleksandrovich
International fire center Ltd, Russia, Moscow E-mail: potemkin@firecenter.ru
Mineral wool - heat insulation of facade and roofing systems in conditions of spillage fire and smoldering
Abstract. Modern grades of mineral wool used as insulation, and related to non-combustible building materials, however, may contribute to the development of fires. Vulnerability studied was a consequence of the combustibility of organic binders, air permeability of the insulating material basis and its sorption capacity.
The article shows that the emission of pollutants identified during sanitary-chemical tests, at the same time indicates the possibility of participation of organic binders in the development of spillage fire and smoldering. There was found an excess of maximum permissible concentration of phenol, ammonia, formaldehyde in the air for common products at operation temperatures of 60° C and 90°C. Attention was paid to the fact that an organic binder, providing hydrophobic properties of mineral wool, practically do not change the sorption capacity for petroleum products and reduce the potential fire hazard of spillage fire.
Full-scale fire tests have confirmed this danger, including rapid coverage of the entire area of both horizontal and vertical models of objects. The tests enabled to identify the speed of flame spreading and rate of burn out on mineral wool for gasoline, diesel fuel and motor oil. It was found that mineral wool slows down the spillage fire which lasts significantly longer on the thermal insulation material than the open burn out of petroleum products.
The presence of additional thermal effect from burning of organic binder was confirmed by the comparison between the dynamics of spillage fires on the undamaged and annealed mineral wool. Temperature changes with regard to time were considered as response functions to fire in the relevant studies, and therefore for correct evaluation of results with limited duration of registration statistics were calculated, including moments of negative exponent, which are insensitive to the residual temperature of the samples.
The performed smoldering tests have allowed to prove the possibility of undamped and independently diminishing of the hidden fire spreading. It is suggested to consider the likely ability to smoldering, including insulating materials of multilayer coatings.
It is recommended that smoldering and spillage fire test methods to be used for objective evaluation and correction of fire-technical characteristics of the building heat insulating materials and articles.
Keywords: mineral wool; basalt fiber; organic binders; emission of pollutants; heat insulating material; thermal insulation; thermal insulating systems; facade systems; coatings; multilayer coatings; roofing material; soft roofing; buildings; structures; thermal insulation of tanks; thermal insulation of pipelines; construction in process; spillage fire; hidden fire spreading; fire-technical tests; response function; statistics; method of moments; moments of negative exponent
REFERENCES
1. Melnikov V.S., Kirillov S.V., Melnikov M.V., Vasil'yev V.G., Vanin S.A., Potemkin S.A. / Fire-structural examination of damages of thermal insulation materials from mineral wool and isocyanurate foam // Internet-journal "Science of Science" V.8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/96TVN316.pdf, http://elibrary.ru/download/ 85107705.pdf.
2. Melnikov V.S., Kirillov S.V., Vasil'yev V.G., Vanin S.A., Melnikov M.V. / Damaging of heat insulating materials by thermal radiation // Internet-journal "Technology of technosphe safety" 2016, 1/65. 10 p., http://agps-2006.narod.ru/ttb/2016-1/21-01-16.ttb.pdf.
3. Voronin A.M., Orlov Y.N. / Factors affecting temperature on the surface of flat roofing // Stroyprofile, 5(67) 2008 www.stroy-press.ru, http://stroyprofile.com/files/pdf/5-08-106.pdf.
4. Sirotkina E.E., Novoselova L.Y. / Materials for the adsorption purification of water from petroleum and petroleum products // Chemistry for Sustainable Development, 3 (2005), N3. p. 359-377 http://www.sibran.ru/upload/iblock/54d/54d575a0beef 66612886c110acf7d13b.pdf.
5. Korolchenko A.Ya., Korolchenko D.A. / Pozharovzryvoopasnost substances and materials and their means of extinguishing reference // 2004. - v. I. - 713 p; v.2. -774 p.
6. Melnikov V.S., Molokanov Y.K. / Study of hydrodynamic structure during the analysis of response functions at flow input and output // Theoretical Foundations of Chemical Engineering, v.16, 1982, N1, p. 53-58.
7. Melnikov V.S., Kirillov S.V., Melnikov M.V., Vanin S.A., Vasil'yev V.G., Potemkin S.A. / Fire protection of sandwich panel joints in building structures // Internet-journal "Science of Science" V8, №5 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/74TVN516.pdf.
8. Melnikov V.S., Kirillov S.V., Vasil'yev V.G., Vanin S.A., Melnikov M.V. / Evaluation of the results of fire tests of heat insulating materials by their electrical resistance // Internet-journal "Technology of technosphe safety" 2016, 2/66. 7 p., http://agps-2006.narod.ru/ttb/2016-2/06-02-16.ttb.pdf.
