CC BY
50
6. Лукутин Б.В., Киушкина В.Р. Характеристики энергетической безопасности децентрализованного района и автономного объекта электрификации // Вестник ИрГТУ, 2021. № 1 (156). С. 7.
7. Фрей Д.А., Шупта Б.В. Процессно-ориентированная бизнес-модель энергоснабжения объектов Единой системы газоснабжения // Экономика и бизнес: теория и практика, 2018. № 10-2. С. 23.
8. Алдашева Н.Т., Кабатаев Д., Арзалиев Б. Исследование эффективного варианта управления энергетическими ресурсами промышленных предприятий. // Бюллетень науки и практики, 2021. № 10. С. 280.
ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ ПОЖАРЕ И СПОСОБЫ ЕГО
ОГНЕЗАЩИТЫ Якупов И.Ф. Email: Yakupov6119@scientifictext.ru
Якупов Ильдар Флоридович - старший сержант внутренней службы, студент, Институт безопасности жизнедеятельности, институт заочного и дистанционного обучения Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, г. Санкт-Петербург
Аннотация: основным предметом при разработке статьи выбрали различные металлы и их поведение при пожаре и воздействии высоких температур. В статье рассмотрены основные физические характеристики металлов при воздействии пожара. Рассмотрены и изучены основные способы и средства повышения стойкости металлов при воздействии высоких температур при пожаре. Ключевые слова: пожар, средства, сталь, составы, воздействие температуры, характеристика.
BEHAVIOR OF METAL IN CASE OF FIRE AND METHODS OF ITS
FIRE PROTECTION Yakupov I.F.
Yakupov Ildar Floridovich - Senior Sergeant of internal service, Student, INSTITUTE FOR LIFE SAFETY, INSTITUTE OF CORRESPONDENCE AND DISTANCE LEARNING ST. PETERSBURG UNIVERSITY OF THE STATE FIRE SERVICE OF THE MINISTRY OF THE RUSSIAN FEDERATION FOR CIVIL DEFENSE, EMERGENCIES AND DISASTER MANAGEMENT, ST. PETERSBURG
Abstract: the main subject in the development of the article was various metals and their behavior in the event of fire and exposure to high temperatures. The article considers the main physical characteristics of metals under the influence of fire. The main methods and means of increasing the resistance of metals under the influence of high temperatures during a fire are considered and studied.
Keywords: fire, means, steel, compositions, effect of temperature, characteristic.
УДК 614.84
При нагреве металла подвижность атомов повышается, увеличиваются расстояния между атомами и связи между ними ослабевают. Термическое расширение
нагреваемых тел - признак увеличения межатомных расстояний. Большое влияние на ухудшение механических свойств металла оказывают дефекты, число которых возрастает с увеличением температуры. При температуре плавления количество дефектов, увеличение межатомных расстояний и ослабление связей достигает такой степени, что первоначальная кристаллическая решетка разрушается. Металл переходит в жидкое состояние [1].
В интервале температур от абсолютного нуля до точки плавления изменения объема всех типичных металлов приблизительно одинаково - 6-7,5%. Судя поэтому, можно считать, что увеличение подвижности атомов и расстояний между ними, а соответственно, и ослабление межатомных связей, свойственно всем металлам почти в одинаковой степени, если они нагреты до одной и той же гомологической температуры. Гомологическая температура - это относительная температура, выражается в долях температуры плавления (Тпл) по абсолютной шкале Кельвина. Так, например, железо и алюминий при 0,3Тпл обладают одинаковой прочностью межатомных связей, а следовательно, и одинаковой механической прочностью. По стоградусной шкале это будет: для железа 331 оС, для алюминия 38 оС, т.е. ув железа при 331 оС равно ув алюминия при 38 оС.
Повышение температуры приводит к уменьшению прочности, упругости и увеличению пластичности металлов. Чем ниже температура плавления металла или сплава, тем при более низких температурах происходит снижение прочности, например у алюминиевых сплавов - при более низких температурах, чем у сталей [2].
При высоких температурах также происходит увеличение деформаций ползучести, которые являются следствием увеличения пластичности металлов.
Чем выше величина нагружения образцов, тем при более низких температурах начинается развитие деформации ползучести и происходит разрыв образца, причем при меньших величинах относительной деформации.
При повышении температуры изменяются и теплофизические свойства металлов и сплавов. Характер этих сложный и трудно поддается объяснению.
Наряду с общими закономерностями, характерными для поведения металлов при нагреве, поведение сталей в условиях пожара имеет особенности, которые зависят от ряда факторов. Так, на характер поведения оказывает влияние прежде всего химический состав стали: углеродистая или низколегированная, затем способ изготовления или упрочнение арматурных профилей: горячая прокатка, термическое упрочнение, холодная протяжка и т.п. При нагревании образцов горячекатанной арматуры из углеродистой стали происходит уменьшение ее прочности и увеличение пластичности, что приводит к снижению пределов прочности, текучести, возрастанию относительного удлинения и сужения. При остывании такой стали ее первоначальные свойства восстанавливаются [3].
Несколько иной характер поведения при нагревании низколегированных сталей. При нагревании до 300 оС происходит некоторое увеличение прочности ряда низколегированных сталей (25Г2с, 30ХГ2С и др.), которая сохраняется и после остывания. Следовательно, низколегированные стали при невысоких температурах даже повышают прочность и менее интенсивно теряют ее с увеличением температуры благодаря легирующим добавкам. Особенности поведения термически упрочненной арматуры в условиях пожара является необратимая потеря упрочнения, которая вызывается отпуском стали. При нагревании до 400 оС может происходить некоторое улучшение механических свойств термически упрочненной стали, выражаемое в повышении условного предела текучести при сохранении предела прочности. При температуре выше 400 оС происходит необратимое снижение как предела текучести, так и предела прочности (временного сопротивления).
Арматурная проволока, упрочненная наклепом, при нагреве также необратимо теряет упрочнение. Чем выше степень упрочнения (наклепа), теа при более низкой температуре начинается ее потеря. Причиной этого является термодинамически
неустойчивое состояние кристаллической решетки, упрочненной наклепом стали. При повышении температуры до 300-350 оС начинается процесс рекристаллизации, в ходе которого деформированная в результате наклепа кристаллическая решетка перестраивается в сторону нормализации [4].
Главной особенностью алюминиевых сплавов является низкая, по сравнению со сталями, устойчивость к нагреву. Важной особенностью некоторых алюминиевых сплавов является способность восстанавливать прочность после нагревания и охлаждения, если температура нагревания не превысила 400 оС.
Наибольшей устойчивостью к действию высокой температуры обладают низколегированные стали. Несколько хуже ведут себя углеродистые стали без дополнительного упрочнения. Еще хуже - стали, упрочненные термическим способом. Самой низкой стойкостью к действию высокой температуры обладают стали, упрочненные наклепом, а еще ниже - алюминиевые сплавы.
Обеспечить некоторое продление времени сохранения свойств металлов в условиях пожара можно следующими способами [5]:
- выбор изделий из металлов, более стойких к воздействию пожара. В этом плане предпочтение отдается сталям вместо алюминиевых сплавов, причем низколегированным сталям вместо углеродистых. При выборе арматурных изделий следует предпочесть арматуру, не упрочненную наклепом и термообработкой.
- специальное изготовление металлических изделий, более стойких к нагреву (тугоплавкие стали (никель, кобальт)).
- огнезащита металлоизделий (конструкций) посредством нанесения внешних теплоизоляционных слоев.
Традиционным способом огнезащиты стальных конструкций является их обшивка негорючими материалами: кирпичом, теплоизоляционными плитами и штукатуркой (рис). При защите стальных колонн кирпичом кладку армируют с помощью стальных анкеров, приваренных к защищаемой конструкции, а для избежания разрушения кладки из-за неодинакового теплового расширения между колонной и кладкой устраивают небольшой зазор. В качестве теплоизоляционных плит используют гипсовые, асбестоперлитоцементные и перлитовермикулитоцементные плиты, которые крепят к колоннам и балкам анкерами, приваренными к защищаемым конструкциям и выпускам арматуры, введенной в плиты при их изготовлении. Огнезащитную шгукатурку (цементная или перлитовермикулитоцементная) наносят на металлические колонны и балки по объемной сетке (сетка рабитца) и арматурному каркасу.
Рис. 1. Защита металлических конструкций малотеплопроводными материалами а - кирпичом; б - гипсовыми плитами; в - штукатуркой; 1 - стальная колонна; 2 - стальная балка; 3 - кирпич; 4 - гипсовая плита; 5 - штукатурка; 6 - анкер; 7 - арматурный каркас;
8 - объемная сетка
Эффективным способом увеличения огнестойкости металлических конструкций является охлаждение их водой, которая может подаваться как непосредственно на поверхность конструкции от спринклерных или дренчерных систем, так и внутрь ее. Во втором случае защищаемая конструкция изготавливается пустотелой и герметичной из стойких к коррозии сталей, либо к воде добавляются антикоррозионные добавки.
Современная база данных, которую ведет ВНИИПО МЧС России, насчитывает более 300 наименований различных средств огнезащиты. Каждый способ огнезащиты имеет свои преимущества и недостатки, они приведены в таблице [5].
Таблица 1. Преимущества и недостатки применяемых способов огнезащиты строительных
конструкций
Способ огнезащиты Преимущества способа огнезащиты Недостатки способа огнезащиты
Обетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом 1. Относительно низкая стоимость материалов. 2. Долговечность. 3. Доступность. 1. Большая масса. 2. Необходимость применения стальной сетки и (или) анкеровки. 3. Сложность проведения работ на высоте. 4. Высокая трудоемкость. 5. Невозможность защиты труднодоступных мест
Установка плит из пористых или волокнистых материалов 1. Низкий уровень массы. 2. Повышенная вибростойкость и долговечность за счет механического крепления к 1. Большой уровень требуемых толщин огнезащиты. 2. Высокий уровень паропроницаемости.
конструкции. 3. Технологичность и относительно низкая трудоемкость. 4. Возможно возникновения очагов коррозии под укрывным слоем. 3. Невозможность защиты труднодоступных мест конструкции. 4. Сложность проведения работ на высоте
Применение составов на основе жидкого стекла 1. Относительно низкая трудоемкость 1. Низкая вибростойкость покрытия при больших количествах слоев. 2. Трудность обеспечения и контроля заданных толщин покрытия. 3. Большая по времени продолжительность нанесения и сушки покрытия. 4. Невозможность параллельного проведения других работ. 5. Большие технологические потери при нанесении.
Применение огнезащитных красок вспучивающегося типа (тонкослойные покрытия) 1. Относительно низкая трудоемкость. 2. Малая толщина покрытия. 3. Возможность нанесения валиком, кистью, распылением. 4. Возможность защиты труднодоступных мест металлические конструкции. 5. Возможность минимизировать технологические потери. 6. Не требует специальной подготовки персонала. 7. Имеет не только огнезащитные, но и декоративные свойства 1. Ограничение области применения согласно требованиям нормативной документации по пожарной безопасности. 2. Требуется постоянный контроль толщины покрытия
Основными компонентами средств огнезащиты являются [6]:
а) термостойкие заполнители:
— вермикулит вспученный и невспученный (сырье);
— перлит вспученный и невспученный (сырье);
— керамзит;
—минеральные волокна из базальта, а также каолиновые, кремнеземистые и кварцевые волокна;
б) неорганические вяжущие вещества (воздушные, гидравлические и кислотоупорные):
— жидкое стекло натриевое;
— природный двуводный гипс и природный ангидрит;
— портландцемент;
— глиноземистый цемент;
— фосфатные вяжущие (растворы фосфатов и фосфорных кислот); в) органические (полимерные) связующие:
— меламиноформальдегидная смола;
— аминосмолы;
— эпоксидные смолы в смеси с аминосмолами и др.;
— латексы сополимеров хлористого винила с винилиденхлоридом, бутадиена со стиролом и др.;
Основное преимущество металлических конструкций в том, что они отлично справляются с различными видами нагрузок (сжатие, растяжение и др.). Однако основным минусом является то, что в условиях пожара из-за значительной теплопроводности и малой теплоемкости быстро прогреваются до критических температур, что вызывает их обрушение. Именно поэтому применяются различные средства для защиты металлических элементов конструкции: отделка малотеплопроводными материалами, нанесение вспучивающихся огнезащитных покрытий, охлаждение и т. д.
Список литературы /References
1. Акальченко И.Е. Анализ объективности оценки огнестойкости и эффективности огнезащиты конструкций объектов инфраструктуры различного назначения / И.Е. Акальченко // Теоретические и прикладные аспекты современной науки: сборник научных трудов по материалам III Междунар. научно-практ. конф.: в 5 ч. / под общ. ред. М.Г. Петровой. Белгород, 2016. Ч. I. 72 с.
2. Барышников А.А. Анализ перспективных огнезащитных покрытий металлических конструкций / А.А. Барышников, С.А. Горелов, Н.Ш. Мустафин // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство. Самара, 2016. № 2 (14). 286 с.
3. Боровик С.И. Анализ методик оценки влияния эксплуатационных факторов на огнезащитные покрытия для металлических конструкций / С.И. Боровик, Л.А.Трофимова // Научные исследования: теория, методика и практика: материалы III Междунар. научно-практ. конф. Чебоксары, 2017. 21 с.
4. Боровик С.И. Исследование влияния эксплуатационных факторов на эффективность огнезащитных покрытий по металлу/ С.И. Боровик, Л.А. Трофимова, А.С. Бухмастова // Современные направления развития технологии, организации и экономики строительства: сборник науч. трудов участников межвуз. конф. Санкт-Петербург, 2018. 305 с.
5. Способы и средства огнезащиты древесины. Руководство. М.: ВНИИПО, 2016. 33 с.
6. Современные научно-практические тенденции в огнезащите. [Электронный ресурс]. Режим доступа:http://www.neoЫm.m/about/artides/44/ (дата обращения:22.11.2021).
