CC BY
9газовых потоков и устройство к лафетному стволу для создания защитного экрана от потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков/ опубл. 2002.05.10. индекс A62C35/68. Авторы: Усманов М.Х., Брушлинский Н. Н., Аблязис Р. А., Касымов Ю. У., Копылов Н. П., Садыков Ш. Н., Серебренников Е. А., Сабиров М., Худоев А. Д.
5. Патент РФ № 2156628 Способ создания противопожарной завесы/опубл. 2000.09.27. индекс А62С2/08.Аавторы: Усманов М. Х., Брушлинский Н. Н., Копылов Н. П. и др.
Сведения об авторах
Барановских С. А., аспирант, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452) 41-70-25
Иванов В. А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452)41-70-25, е-mail:cafedra@ngas.ru
Barakovskyh S. A., post graduate student, Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452) 41-70-25
Ivanov V. A., Doctor of Technical Sciences, professor, Head of Department «Construction and repairs of oil-and-gas facilities», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452)41-70-25, е-mail: cafedra@ngas.ru
УДК 614.841
ОГНЕЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ТЕРМОСТОЙКИХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
А. Ю. Акулов, А. В. Аксенов
(ГОУ ВПО Уральский институт ГПС МЧС России;
Тюменский государственный нефтегазовый университет)
Ключевые слова: металлоконструкции нефтегазового комплекса, огнезащита,
минеральные заполнители Keyword: metal constructions in petroleum complex, fire protection, mineral fillers
Необходимость повышения огнестойкости стальных конструкций, используемых в газовой отрасли, возникает из-за несоответствия предела огнестойкости фактического (Поф) к пределу огнестойкости, требуемому (Потр), вследствие недостаточной огнестойкости металлических конструкций: Поф > Потр - не выполняется [1]. В условиях воздействия высоких температур металлические конструкции показывают фактический предел огнестойкости (Поф) в среднем 15 минут, при требуемых значениях до 240 минут. По этим причинам необходимо увеличение фактического значения огнестойкости до заданных параметров. Увеличение огнестойкости конструкций возможно нанесением на них различных огнезащитных составов. Для этого проведен анализ существующих способов огнезащиты металлических конструкций, определены основные направления исследований и разработки огнезащитного состава.
Проведенный анализ существующих вспучивающихся огнезащитных составов отечественных и зарубежных производителей показал следующее. Покрытие с низкой теплопроводностью наносят тонким слоем на поверхность конструкции, которое при повышении температуры до 150 - 200 0С вспучивается и образует пористый теплоизолирующий слой на поверхности защищаемой конструкции, толщина составляет от 2 до 4 сантиметров. Благодаря низкой теплопроводности, пористый слой предотвращает быстрый нагрев металла.
Такой огнезащитный слой позволяет некоторое время не прогреваться металлической конструкции до наступления одного или нескольких предельных состояний по огнестойкости [2 - 4].
Наряду с большим количеством положительных сторон огнезащитные вспучивающиеся краски обладают рядом недостатков. К ним относятся: относительно низкая огнестойкость (до 75 минут), при требуемых значениях до 240 минут [2 - 4]; покрытия наносятся на заранее подготовленную поверхность (зачищенные, обезжиренные, обработанные антикоррозийными составами); низкие адгезионные свойства составов при нормальных условиях и при вспучивании; нанесение на поверхность только в условиях положительных температур и нормальной влажности; «работа» составов в условиях влажности до 85 %; многокомпози-ционность и сложность составов; токсичность при нормальных условиях; токсичность ле-
тучих продуктов при вспучивании и дальнейшем повышении температуры; необходимость контроля за состоянием нанесенных покрытий; низкий гарантийный срок службы.
Названные отрицательные стороны данных видов огнезащиты приводят к необходимости анализа и последующей разработке составов с более высокими эксплуатационными показателями.
Из анализа существующих легких штукатурок и невспучивающихся огнезащитных составов, различного времени разработки, видно, что механизм работы у них почти одинаковый. Покрытие, с низкой теплопроводностью, наносят слоем от 10 до 50 мм. Этот слой представляет систему из органических или неорганических образований, обдающий тепло-поглощающими и теплоотводящими свойствами (испарение химически свободной воды и химически связанной), повышенными отражающими свойствами. Такой огнезащитный слой позволяет некоторое время не прогреваться металлической конструкции до наступления одного или нескольких предельных состояний по огнестойкости [2 - 4].
Данные виды огнезащиты обладают большим количеством положительных сторон: отнесение их к конструктивным способам огнезащиты; отсутствие необходимости повторного нанесения при нормальном состоянии покрытия; повышенные пределы огнестойкости в сравнении со вспучивающимися составами (до 180 минут); возможность дальнейшей эксплуатации после пожара (после контроля состояния); простой компонентный состав; доступность компонентов; отсутствие токсичности продуктов разложения; низкая стоимость материалов.
Наряду с большим количеством положительных сторон огнезащитные штукатурки и эффективные невспучивающиеся материалы обладают рядом недостатков: покрытия наносятся на заранее подготовленную поверхность; низкие адгезионные свойства составов; необходимость нанесения по армирующей сетке при толщине слоя более 2 см; нанесение на защищаемую поверхность в условиях положительных температур и нормальной влажности; невысокий гарантийный срок службы.
Проведенный анализ существующих способов огнезащиты и возможностей их применения показал, что существующие покрытия зачастую не отвечают требованиям, предъявляемым к ним: невозможность нанесения в условиях низких температур; отсутствие повышенных пределов огнестойкости; низкие эксплуатационные показатели.
Поэтому наиболее перспективными направлениями для разработки огнезащитного состава выбрали невспучивающиеся покрытия на основе минеральных заполнителей. В состав разработанного покрытия могут входить следующие компоненты: вспученный вермикулит и перлит, микросферы, асбест, цемент, водоудерживающие добавки, сухие латексы и пластификаторы.
Для определения качественных показателей покрытия металлоконструкций проведен ряд испытаний по ГОСТ 17177-94 [5] и ГОСТ 15140-78 [6]. Определены следующие физико-механические показатели: объемная масса; прочность на сжатие; величина адгезии; влажность.
Для испытаний на всех этапах, образцы, размерами 50х50х50 мм на каждый вид испытаний, формировали вручную.
При испытаниях на огнестойкость и адгезию исследуемых составов, образец наносился на обезжиренную металлическую пластину размером 200х200х5 мм в количестве трех штук на каждый вид испытания.
Для определения физико-механических показателей определяли: срок схватывания состава; прочность на сжатие при 10 % деформации [5]; объемную массу, влажность, водопо-глощение [5].
Образцы правильной прямоугольной формы, взвешивали с точностью до 1 г, затем вычисляли их объем, объемный вес р (кг/ м3) вычисляли по формуле
р = ^, (1) V
где Mc - масса высушенного образца, кг; V - объем высушенного образца, кг/ м3.
Водопоглощение WB (%) по массе вычисляли с точностью до 0,1 %:
(m - тЛ
WB =±-^ , (2)
В m1-100
№ 1, 2011
Нефть и газ
67
где ш-1 - вес образца, высушенного до постоянной массы, г; т - масса образца после насыщения водой, г.
Влажность в % с точностью до 0,1 %:
Ж = (Ш-Щ1), (3)
ш1-100
где т - вес образца до высушивания, г; т1 - масса образца после высушивания до постоянной массы, г.
Для качественной оценки огнезащитных покрытий по принципу «хуже-лучше» все составы после формирования и отвердения подвергли предварительным огневым испытаниям технологического характера согласно приведенной методике.
Огневые испытания подтвердили правильность выбранного направления работы, так как при длительном воздействии пламени горелки и при температуре 950 0С никаких существенных признаков изменения образцов покрытия не происходит.
Незначительные поверхностные трещины, на покрытиях с составами, содержащими асбест, обусловлены слабым сцеплением волокон асбеста между собой.
После длительного воздействия открытого пламени (более 60 мин) наблюдалось резкое увеличение водопоглощения покрытия, что свидетельствует о разрушении гидрофобизи-рующей пленки при высоких температурах. Зерна вспученного вермикулита, перлита и микросфер не претерпевают существенных изменений.
Следовательно, выбор термостойких заполнителей сделан правильно и соответствующие соотношения компонентов являются оптимальными.
Дополнительно провели испытания на огнестойкость партии образцов стальных пластин, защищенных от огня покрытием различной толщины. Испытания проводились в соответствии с ГОСТом [7].
В процессе испытания не наблюдалось каких-либо внешних эффектов - воспламенения, горения покрытия, выделения дыма и вредных газов. После испытания покрытие сохранило свою целостность, не отслоилось от стальной пластины. Следовательно, полученные результаты испытаний дают основание заключить, что данный состав по металлу обладает высокой сопротивляемостью к тепловым воздействиям, соответствующим температурному режиму стандартного пожара.
Огнестойкость стальных элементов, зависит от толщины слоя огнезащитного покрытия. Данная зависимость имеет линейный вид (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1
Зависимость огнестойкости стальных элементов от толщины нанесенного на них огнезащитного покрытия
Огнестойкость, мин Толщина покрытия, мм
240 40
180 31
150 28
120 24
90 19
60 16
45 13
30 7
Покрытие обеспечивает максимальный предел огнестойкости металлоконструкций до 240 минут при толщине защитного слоя 50 мм (см. табл.1, рис.1).
Вспученный вермикулит и перлит выполняют роль термостойкого минерального заполнителя. В целях увеличения сцепляемости чешуек вермикулита и перлита в состав огнезащиты введен распушенный мелковолокнистый асбест. Для заполнения пространства и создания дополнительного скелета в состав ввели микросферы, увеличивающие прочность и термостойкость разработанной огнезащиты.
Заданная огнестойкость, мин
Рис. 1. Зависимость предела огнестойкости стальных элементов от толщины покрытия
Для придания данному покрытию водоотталкивающих свойств проводили предварительную гидрофобизацию компонентов, что значительно понизило водопоглощение состава. В связи с этим данное покрытие можно наносить и эксплуатировать на открытых площадках при атмосферных осадках (табл. 2).
Таблица 2
Сравнительная характеристика разработанного покрытия
Показатель Разработанное покрытие
Температура применения До минус 20°С
Атмосферостойкость Да
Максимальная толщина без каркаса 40 мм
Предел огнестойкости 240 (при толщине 40 мм)
Объемный вес 300 - 600 кг/м3
Прочность при сжатии 0,2 - 2,0 МПа
Массовая доля влажности, не более 5 %
Количество компонентов 8 - 9
Проведены исследования огнестойкости для определения зависимости огнестойкости от приведенной толщины металла и толщины покрытия (табл. 3, рис. 2).
Результаты проведенных исследований позволили сформулировать методику подбора сечения несущих металлических конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости конструкций объектов нефтегазового комплекса. Для этого необходимо использовать зависимости (см. рис. 2). При требуемой огнестойкости 240 мин возможно применение металлического элемента с приведенной толщиной металла 3,4 мм, 5,2 мм или 9,1 мм, что зависит от нагрузки, действующей на данную конструкцию и условий её эксплуатации. Причем возможно определение необходимой толщины покрытия для каждого сечения металлического элемента. Данные зависимости позволяют определить необходимую толщину покрытия при известных значениях приведенной толщины металла.
Таблица 3
Зависимость огнестойкости от приведенной толщины металла и толщины покрытия
Приведенная толщина металла, мм
3,4 | 5,2 | 9,1
Толщина огнезащитного покрытия, мм
10 20 | 30 | 40 | 10 | 20 | 30 | 40 10 20 | 30 40
Огнестойкость, мин
28 90 | 164,4 | 253 | 49,5 | 150 | 237 | 292 | 83,4 223,2 | 299,1 352,7
№ 1, 2011
Нефть и газ
69
Толщина покрытия, мм
-Приведенная толщина 3,4 мм-Приведенная толщина 5,2 мм-Приведенная толщина 9,1 мм
Рис. 2. Зависимость огнестойкости от толщины металла и толщины покрытия
Данное огнезащитное покрытие на минеральных термостойких заполнителях обладает высокими эксплуатационными показателями, обеспечивая повышенный предел огнестойкости металлических конструкций. В связи с этим возможно его использование для огнезащиты металлоконструкций газовой отрасли, находящихся под воздействием атмосферных условий.
Список литературы
1. Федеральный закон № 12Э-ФЗ Технический регламент о требованиях пожарной безопасности. - М.: Проспект, 2009. - 144 с.
2. Демехин В. Н., Мосалков И. Л., Плюснина Г. Ф., Серков А. Ю., Фролов А. Ю., Шурин Е. Т. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре. - М.: АГПС МЧС России, 2003.
3. Денисов А. С., Швыряев В. А. Теплоизоляционные жаростойкие торкрет-массы на основе вермикулита.- М.: Стройиздат, 1973. -104 с.
4. Зенков Н. И. Строительные материалы и поведение их в условиях пожара.- М., ВИПТШ МВД СССР, 1974. - 176 с.
5. ГОСТ 17177-94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний.
6. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии.
7. ГОСТ Р 53295-2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности.
Сведения об авторах
Акулов А. Ю., аспирант, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452) 41-70-25
Аксенов А. В., к.т.н., доцент, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452) 41-70-25
Akulov A. Yu., post graduate student, Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452) 41-70-25
Aklsyonov A. V., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452) 41-70-25
