CC BY-NC
43
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-396-73-84 УДК 624.011.78:614.841.332
С.П. Бородай , С.Д. Козлов, А.Н. Летин, Л.И. Розум, С.В. Шедько
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ СУДОВЫХ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПУТИ ЕЕ СНИЖЕНИЯ
Объект и цель научной работы. Объектом научной работы являются полимерные композиционные материалы (ПКМ), применяемые для изготовления корпусных конструкций кораблей и судов. Цель работы - поиск способов противопожарной защиты кораблей и судов, построенных из этих материалов.
Материалы и методы. В работе использовались результаты экспериментальных исследований и стандартных испытаний на огнестойкость конструкций из ПКМ, а также методы имитационного моделирования процессов тепло-массопереноса в судовых помещениях при пожарах, для определения тепловых параметров, воздействующих на данные конструкции.
Основные результаты. Определены пути повышения пожарной безопасности кораблей и судов с корпусными конструкциями из ПКМ. Обозначен состав проблем, требующих решения в данной области. Даны рекомендации по повышению противопожарной защиты проектируемых, строящихся и находящихся в эксплуатации кораблей. Заключение. Применяемые в отечественной практике конструкционные ПКМ не отвечают действующим требованиям Международной морской организации по безопасности на море (ИМО) по противопожарной защите высокоскоростных судов и требованиям по противопожарной защите кораблей ВМФ. На кораблях, находящихся в эксплуатации и построенных с применением данных материалов, не предусмотрены дополнительные меры по снижению их пожарной опасности. Пожары на таких кораблях могут приводить к катастрофическим последствиям. Необходимо скорейшее решение данной проблемы. Предложенные в работе рекомендации по способам ее решения, основанные на большом объеме экспериментальных исследований, представляют практическую значимость.
Ключевые слова: пожар, полимерные композиционные материалы, прочность, пламя, прогрев, дым, безопасность. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-396-73-84 UDC 624.011.78:614.841.332
S. Borodai , S. Kozlov, A. Letin, L. Rozum, S. Shedko
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
FIRE RISK OF HULL STRUCTURES MADE OF POLYMERIC COMPOSITES AND WAYS TO MITIGATE IT
Object and purpose of research. The object of the study is polymer composite materials (PCM) used for manufacturing hull structures of ships and vessels. The main purpose is to find the ways of fire protection of ships and vessels built from these materials.
Materials and methods. The results of experimental studies and standard tests on the fire resistance of PCM structures, as well as methods of heat and mass transfer processes simulation in ship premises during fires, were used to determine the thermal characteristics affecting these structures.
Main results. The ways of improving the fire safety of ships and vessels with PCM hull structures are determined. The list of problems to be solved in this area is outlined. Also this study has recommendations to improve the fire protection of the ships being designed, under construction and in operation.
Для цитирования: Бородай С.П., Козлов С.Д., Летин А.Н., Розум Л.И., Шедько С.В. Пожарная опасность судовых корпусных конструкций из полимерных композиционных материалов и пути ее снижения. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 2(396): 73-84.
For citations: Borodai S., Kozlov S., Letin A., Rozum L., Shedko S. Fire risk of hull structures made of polymeric composites and ways to mitigate it. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 2(396): 73-84 (in Russian).
Conclusion. The structural PCM used in indigenous practice does not meet the current requirements of the International Maritime Organization (IMO) for Maritime Safety for fire protection of high-speed vessels and the requirements for fire protection of Navy ships. Ships that are in service and built using these materials do not provide additional measures to reduce their fire hazard. Fires on such ships can lead to disastrous consequences. It is necessary to solve this problem as soon as possible. The recommendations proposed in this paper on how to solve it, based on a large amount of experimental research, and they have great practical significance.
Keywords: fire, polymeric composite materials, strength, flame, heating, smoke, safety. The authors declare no conflicts of interest.
Введение
Introduction
Полимерные композиционные материалы находят все большее применение на объектах транспорта. Высокая удельная прочность и вибродемпфирую-щая способность, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность, а также достигнутый прогресс в технологии изготовления конструкций из таких материалов способствовали их внедрению при изготовлении корпусов автомобилей, крыльев авиалайнеров, винтов вертолетов и пр.
В судостроении и кораблестроении, помимо экономических факторов, существенным ограничением в применении ПКМ для изготовления корпусных конструкций является требование Междуна-
родной конвенции по охране человеческой жизни на море, согласно которому для корпусов судов не допускается применение иных материалов, кроме стали или материалов, эквивалентных ей по огнестойкости. Аналогичные требования содержатся также в нормативных документах по противопожарной защите кораблей ВМС различных стран, включая ВМФ России. После длительных обсуждений ИМО разрешила применять горючие материалы для изготовления корпусных конструкций высокоскоростных судов, предъявив к ним специальные требования, о которых будет сказано ниже.
Несмотря на эти ограничения, в последнее время ВМС Швеции построено и введено в эксплуатацию 5 корветов проекта Visby, водоизмещением 630 т, длиной 73 м, полностью изготовленных из ПКМ, и планируется строительство корветов следующего поколения Visby Generation 2. В ВМС США из таких материалов выполнена надстройка головного корабля эскадренного миноносца проекта Zumwalt, предназначенного для отработки новых технологий. В настоящее время лидерство по объемам внедрения ПКМ в кораблестроении принадлежит ВМФ России. С использованием данного материала осуществляется серийное строительство кораблей 4-х проектов, при этом никаких дополнительных требований ни к пожарной опасности ПКМ, ни к противопожарной защите самих кораблей не предъявляется.
В сложившихся условиях актуальными становятся работы, направленные на снижение пожарной опасности ПКМ и выбор средств противопожарной защиты для кораблей, построенных и строящихся с применением таких материалов. Основные результаты ряда исследований по данному направлению работ рассмотрены в настоящей статье.
Характеристики применяемых полимерных композиционных материалов
Characteristics of the applied polymeric composite materials
В судостроении используется три вида ПКМ, которые показаны на рис. 1.
Рис. 1. Конструкции полимерных композиционных материалов, применяемые в судостроении: а) однослойная; b) трехслойная; с) многослойная
Fig. 1. Structures of polymeric composite materials, used in shipbuilding: a) single-layer; b) three-layer; c) multi-layer
Однослойные ПКМ используются для изготовления наружных корпусов и палуб. Конструктивно данный материал состоит из нескольких слоев стекло- или углеродной ткани (армирующего материала), пропитанных эпоксидным или винилэфир-ным связующим. Толщина таких материалов находится в пределах от 4 до 40 мм.
Трехслойные ПКМ используются для изготовления надстроек и рубок, а также корпусов высокоскоростных судов небольшого водоизмещения. Конструктивно материал состоит из двух внешних несущих слоев однослойного материала, между которыми расположен легковесный заполнитель, обеспечивающий требуемую устойчивость внешних слоев и жесткость трехслойного ПКМ в целом. В отечественной практике в качестве материала среднего слоя используются пенопласты. Толщина несущих слоев колеблется в пределах от 1,5 до 6 мм, а общая толщина материала составляет от 20 до 70 мм.
Многослойные ПКМ с легковесным заполнителем, армированным послойно, используются в основном для изготовления палуб, платформ и межотсечных водонепроницаемых переборок внутри корпуса судна. При формовании ПКМ средний слой из легковесного заполнителя на основе матов из произвольно ориентированных волокон либо пенопласта армируется слоями ровинговой ткани полотняного или саржевого переплетения, что позволяет использовать такие ПКМ в районах, где действуют сравнительно большие локальные нагрузки от установленного на них тяжелого оборудования. Толщина таких материалов находится в пределах от 25 до 40 мм.
Для изготовления отечественных ПКМ используются ровинговые полотняные, биаксиальные диагональные и квадроаксиальные стеклоткани или углеткани. В качестве связующего применяются винилэфирные связующие (ВЭС-БМ, ЭВСБ-001, Дивинил-950ТГ), а также эпоксидное связующее марки АСМ-12С. В качестве наполнителя в трехслойных конструкциях ранее применялся пенопласт марки Л1КБХ БЛЬТБК, который в дальнейшем был заменен пенопластом марки Б1ЛБ ЛБ, коксующимся при горении. Удельный вес используемых пенопластов находится в пределах 40-200 кг/м3.
Как показали проведенные огневые испытания, основными горючими материалами в составе ПКМ являются связующие и пенопласт в трехслойных конструкциях. Относительный вес связующего в однослойных конструкциях составляет примерно 35 %. Вес связующего и пенопласта
в трехслойных ПКМ зависит от толщин материалов, например, для типового материала надстроек он составляет около 27 % и 24 % соответственно от общего веса конструкции.
Показатели пожарной опасности полимерных композиционных материалов
Fire hazard indicators of polymeric composite materials
Испытания по определению показателей пожарной опасности ПКМ, выполненные в соответствии с ГОСТ 12.1.044-2018 [1], показали, что данные материалы относятся:
■ по группе горючести - к группе горючих, труд-новоспламеняемых материалов;
■ по дымообразующей способности - к материалам с высокой дымообразующей способностью (коэффициент дымообразования свыше 500 м2/кг);
■ по распространению пламени - к категории материалов, медленно распространяющих пламя по поверхности;
■ по токсичности продуктов горения - к классу опасности Т2 (умеренно опасные). Испытания на поверхностную воспламеняемость, проведенные по части 5 Международного кодекса по применению процедур испытаний на огнестойкость 2010 г. (Кодекса ПИО) [4], показали, что образцы из ПКМ не отвечают требованиям характеристик медленного распространения пламени для переборок, зашивок стен и подволоков.
Одориметрических испытаний продуктов горения ПКМ не проводилось. Вместе с тем при нагревании эти материалы стабильно выделяют удушливый запах, который должен быть отнесен к поражающим факторам пожара при горении ПКМ.
Проблемы внедрения полимерных композиционных материалов на высокоскоростных судах
Problems of introducing polymeric composite materials on high-speed ships
Международным кодексом безопасности высокоскоростных судов [2] и Правилами Российского морского регистра судоходства для высокоскоростных судов [3] допускается применение горючих материалов в корпусных конструкциях судов данного класса при условии, что эти материалы будут обладать «огнеза-
держивающей способностью», а несущие конструкции корпуса в пожароопасных зонах и противопожарные конструкции будут огнестойкими и сохраняющими свою несущую способность в течение установленного времени защиты. Время защиты, критерии обеспечения огнестойкости конструкций и огнезадерживающей способности материалов устанавливались исходя из условия обеспечения эвакуации людей, находящихся в любом отсеке, в другую безопасную зону или отсек в случае пожара.
Критерии и способы проверки материалов на огнезадерживающую способность определены частью 10 Кодекса ПИО. В соответствии с этим нормативным документом сертификационные испытания материалов должны проводиться по международному стандарту ИСО 9705 [5]. Испытательная установка по ИСО 9705 представляет собой комнату с одним проемом, в углу которой находится струйная пропановая горелка, имитирующая источник зажигания тепловой мощностью 100 и 300 кВт. Образец, изготовленный из сертифицируемого материала, прикрепляется к стенкам и потолку каме-
ры. Продукты сгорания выходят через проем, улавливаются вытяжным шкафом и направляются в вытяжной канал, в котором датчики измерительных систем регистрируют контролируемые параметры. Общий вид испытательной установки и комнаты перед началом испытаний показаны на рис. 2.
При проведении испытаний первые 10 мин. тепловая мощность горелки составляет 100 кВт, затем она увеличивается до 300 кВт, после чего, по истечении 20 мин., испытания прекращаются. Образец считается выдержавшим испытания, если интенсивность тепловыделения и скорость дымо-образования не превышают установленных значений, а за пределами зоны в 1,2 м от горелки на полу комнаты нет фрагментов образца и горящих капель и фронт пламени не распространяется по стенам ниже 0,5 м от пола.
Проведенные по части 10 Кодекса ПИО испытания конструкций из отечественных ПКМ на полиэфирном и эпоксидном связующем показали, что они не относятся к материалам, обладающим огне-задерживающей способностью. Их испытания были прекращены на 5-6 минуте в связи с опасным развитием пожара в испытательной камере. Вид пожара в испытательной камере с образцом из ПКМ на эпоксидном связующем на момент прекращения испытаний и после выключения газовой горелки показан на рис. 3 (см. вклейку).
В этом и другом аналогичном испытании наибольшее отклонение от требований было зафиксировано по показателям скорости дымообразова-ния. Испытания на маломасштабных образцах [10] показывали, что на начальном этапе нагревания дымообразование с поверхности образцов было незначительным, но с определенного момента оно резко возрастало. Для определения значений критической температуры дымообразования была создана испытательная установка, состоящая из электрического нагревательного элемента, уложенного на его поверхность медного диска толщиной 4 мм с 2-мя термопарами и наружного экрана. Вид установки и момент проведения испытаний показан на рис. 4 (см. вклейку). По результатам данных испытаний было установлено, что критическая температура активного дымообразования для образцов ПКМ как на винилэфирном, так и на эпоксидном связующем составляет около 300 °С.
Температура, действующая на испытываемые образцы из ПКМ при испытаниях по ИСО 9705, сначала определялась путем математического моделирования, а затем, после создания испытательной установки, имитирующей установку по
Рис. 2. Испытательная установка по ИСО 9705 Fig. 2. Test facility according to ISO 9705
ИСО 9705, - на основе полученных измерений. Математическое моделирование горения пропана в испытательной камере без испытательных образцов при мощности источника зажигания 100 и 300 кВт осуществлялось с использованием коммерческого программного комплекса ЛК8У8-Р1иеП 16.1. Результаты полученных температур на поверхности стенок представлены на рис. 5 (см. вклейку).
В районе факела горелки эта температура оказалась в пределах -550-620 °С.
Таким образом, чтобы эффективно снизить дымообразующую способность образца из ПКМ, его нужно изолировать огнезащитным покрытием таким образом, чтобы при внешнем воздействии температуры в 620 °С температура на его поверхности не превышала 300 °С. На основе фактических измерений были разработаны стандартные температурные кривые в испытательной камере по ИСО 9705, действующие на огнезащитные покрытия, которые могут использоваться при создании таких покрытий.
Указанные кривые представлены на рис. 6.
В качестве огнезащитных покрытий были рассмотрены вспучивающиеся при нагревании составы и краски, достаточно широко применяемые для повышения огнестойкости металлических конструкций. Указанные покрытия при эффективной толщине высушенного слоя 2-4 мм имеют сравнительно небольшой вес - 2-3 кг/м2. Но главное их достоинство состоит в том, что они наносятся способом окрашивания и поэтому могут устанавливаться с минимальными затратами, в т.ч. при техническом обслуживании кораблей, находящихся в эксплуатации. В качестве таких огнезащитных составов были рассмотрены: краска-покрытие «Блистер-ДМ» в 4-х модификациях, огнезащитный состав «Огракс» в 3-х модификациях, огнезащитная краска «Политерм» в 5-ти модификациях, огнезащитный вспучивающийся состав «Рубеж-В», огнезащитный состав «СГК-2» и огнезащитное покрытие «Гель-коут». Поскольку испытания по ИСО 9705 требуют больших затрат, сравнительные испытания составов проводились на маломасштабных образцах ПКМ размерами 100*100 мм. Для проведения испытаний была создана специальная испытательная установка (рис. 7, см. вклейку).
Конструкция данной испытательной установки воспроизводит в натуральную величину угол испытательной комнаты, в котором расположена газовая горелка по ИСО 9705. Стенки и потолок выполнены из плит огнезащитной минераловолоконной изоляции плотностью 150 кг/м , раскрепленных на рам-
ном стальном каркасе. В плитах сделаны вырезы для размещения испытательных образцов заподлицо с ограждающими конструкциями. Расход подаваемого на горелку пропана обеспечивался из условия достижения горелкой тепловой мощности 100 и 300 кВт и контролировался путем сопоставления показаний термопар, установленных на поверхности стенок, со значениями температур, полученных расчетом (рис. 5).
На испытательные образцы под слой огнезащитного покрытия устанавливались термопары. На основе сравнения их показаний с показаниями термопар, расположенных на поверхности ограждающих конструкций, определялась теплоизолирующая эффективность вспученного слоя покрытия. Наибольшую эффективность показала краска-покрытие
Рис. 6. Стандартные температурные кривые при испытаниях по ИСО 9705:
a) на половине высоты стенки камеры у очага горения;
b) на поверхности подволока над очагом горения
Fig. 6. Standard temperature curves during tests according to ISO 9705:
a) on the half height of the chamber wall at the base of fire;
b) on the surface of the ceiling above the base of fire
«Блистер-ДМ». Максимальный температурный перепад, обеспечиваемый покрытием, составил 510 °С при толщине вспученного слоя -60 мм. Вместе с тем в протоколе испытаний этого покрытия было отмечено, что вспученный слой легко отделяется от образца и поэтому требует дополнительных испытаний при потолочном размещении. Вид образца с покрытием «Блистер-ДМ» до и после испытаний показан на рис. 8 (см. вклейку).
Удовлетворительные результаты показал также огнезащитный состав «Огракс-МКС», обеспечивший перепад температур 260 °С. Следует отметить, что наилучшую адгезию с основой из ПКМ показали составы на эпоксидной основе. Однако в ходе испытаний формируемые ими вспученные покрытия горели и выделяли большое количество дыма, что не позволило рекомендовать их для обеспечения огнезадерживающей способности ПКМ.
Для подтверждения полученных результатов на образцах большего размера была проведена серия испытаний на испытательной установке по ИСО 9705. Вид образца ПКМ с краской-покрытием «Блистер-ДМ» до и после таких испытаний показан на рис. 9.
Окончательная проверка эффективности краски-покрытия «Блистер-ДМ» выполнена в ходе сертификационных испытаний образцов ПКМ с этим покрытием на соответствие части 10 Кодекса ПИО. Для улучшения адгезии с основой покрытие при нанесении было армировано строительной сеткой из стекловолокна. Материал ПКМ был таким же, как на образце без защиты, ранее не прошедшем испытания, продолжительность которых не превысила 6 мин. В данных испытаниях образец успешно выдержал режим мощности горелки 100 кВт (10 мин.). Но после перехода на режим мощности 300 кВт покрытие стало отваливаться от потолка и верхней части стен, даже не вспучившись, после чего незащищенные участки ПКМ начали гореть и дымить (рис. 10, см. вклейку).
Вместе с тем данные испытания были проведены в полном объеме (20 мин.) и признаны зачетными. Полученные контрольные показатели по интенсивности тепловыделения превысили нормы на 46 %, а по скорости дымообразования - на 36 %о, остальные показатели соответствовали нормам. Все это подтверждает возможность применения вспучивающихся огнезащитных составов и красок для обеспечения огнезадерживающей способности ПКМ согласно части 10 Кодекса ПИО, при условии, что будет обеспечено надежное сцепление этих покрытий с основой на всех режимах испытаний. Способы повышения адгезионных свойств покрытий существуют, они требуют экспериментальной проверки, однако работы в этом направлении приостановлены из-за отсутствия финансирования.
Работы по обеспечению огнезадерживающей способности материалов будут более эффективными, если кроме огнезащитной изоляции будет обеспечено снижение теплоты сгорания и дымообразующей способности самих ПКМ. Целенаправленных работ в этом направлении в необходимом объеме ранее не проводилось, поскольку в конструкциях использовались в основном материалы зарубежного производства. Применение антипиренов не давало нужных результатов. Сейчас, когда стали разрабатываться отечественные материалы для ПКМ, данное направление работ приобретает первостепенное значение. Имеются предложения от ряда разработчиков по повышению огнестойкости эпоксидных связующих путем изменения их химического состава, которые
Рис. 9. Испытание крупномасштабного образца полимерных композиционных материалов с краской-покрытием «Блистер-ДМ» на испытательной установке по ИСО 9705
Fig. 9. Testing of the large-scale sample from polymeric composite materials with "Blister-DM" paint-coating on the test equipment according to ISO 9705
могут обеспечить переход ПКМ в группу трудногорючих материалов. Однако из-за отсутствия средств экспериментально проверить эти предложения пока не представилось возможным.
Как уже упоминалось, помимо огнезадержива-ющей способности материалов, для высокоскоростных судов должна быть обеспечена огнестойкость несущих и противопожарных конструкций корпуса (последние могут быть как несущими, так и не несущими).
Критерии и способы проверки конструкции корпуса на огнестойкость установлены частью 11 Кодекса ПИО. В зависимости от пожарной опасности ограждаемого ими помещения они должны обеспечивать время защиты 30 или 60 мин., или среднее время борьбы с пожаром на конкретном судне, когда это разрешено Кодексом ВСС. Испытания конструкций проводятся на тех же огневых печах, на которых испытываются стальные противопожарные конструкции класса «А» по части 3 Кодекса ПИО, с выполнением тех же критериев по температуре с не-обогреваемой стороны (Тмах 180 °С), а также критериев по распространению огня и дыма. Отличием при проведении испытаний является то, что несущие и противопожарные конструкции испытываются под нагрузкой и должны сохранять свою прочность в процессе испытаний.
В Кодексе ПИО для ПКМ не регламентируется предельное значение температуры основы, как, например, это сделано для перекрытий из АМГ (200 °С). Вместе с тем данная температура необходима для расчетного определения толщин огнезащитной изоляции. Полимерные композитные материалы начинают изменять свои физические свойства, начиная с температуры 80 °С. Однако, как показали прочностные испытания пластины толщиной 12 мм из углепластика и винилэфирного связующего, нагруженной постоянной поперечной нагрузкой и нагреваемой на огневой печи по стандартной температурной кривой пожара, потеря ее прочности произошла на 13-й минуте при минимальной температуре: 160 °С на необогреваемой стороне и 730 °С на обогреваемой стороне. Т.е. температура ПКМ под огнезащитной изоляцией в момент потери прочности была существенно выше 80 °С. Аналогичные испытания, проведенные с пластиной из трехслойных ПКМ толщиной 40 мм, с несущими слоями из углепластика толщиной 3 мм, винилэфирным связующим и средним слоем из пенопласта, показали, что потеря ее прочности произошла на 46 минуте испытаний при минимальной температуре: 118 °С на необогреваемой стороне и 910 °С на обогреваемой
стороне (в печи). Вид испытаний перекрытия из ПКМ на огнестойкость на малой горизонтальной огневой печи показан на рис. 11.
При разработке схемы противопожарной защиты высокоскоростного судна, построенного из трехслойных ПКМ такого же состава, что и у упомянутой выше трехслойной конструкции, с толщинами 12, 28 и 33 мм, параметры огнезащитной изоляции были выбраны, исходя из условия обеспечения на поверхности ПКМ предельной температуры 120 °С. Проведенные испытания этих конструкций в соответствии с частью 11 Кодекса ПИО показали наличие запасов как по контролируемой температуре, так и по прочности. Все это указывает на существование задачи, которая пока не решена.
Рис. 11. Испытания на огнестойкость перекрытия из полимерных композиционных материалов под нагрузкой
Fig. 11. Fire resistance tests of the slabs made of polymeric composite materials under load
Особенности противопожарной защиты кораблей и судов из полимерных композиционных материалов
Features of fire protection for ships and vessels made of polymeric composite materials
Термогравитационный анализ однослойного образца ПКМ с основой из углеродного волокна и вини-лэфирного связующего, проведенный в интервале температур 40-800 °С, показал следующее.
Первая область потери массы в 1,6 %о происходит в интервале температур 100-210 °С с максимумом при 141 °С и обусловлена, предположительно, выделением низкомолекулярных продуктов при втором доотверждении связующего.
Вторая область потери массы в 0,63 % находится в интервале температур 210-260 °С с максимумом при 236 °С и обусловлена испарением какой-либо присадки.
Третья область потери массы в 28 % происходит в интервале температур 290-420 °С с максимумом при 352 °С за счет разложения полимерного связующего, что хорошо согласуется с результатами испытаний по определению критической температуры дымообразования ПМК, представленными выше.
Четвертая область потери массы в 9,5 % происходит в интервале температур 420-550 °С с максимумом при 504 °С предположительно за счет горения карбонизованных остатков связующего, что также хорошо согласуется с результатами испыта-
ний маломасштабных образцов по определению температуры воспламенения.
И наконец, пятая область потери массы в 63 % в интервале температур 550-750 °С с максимумом при 632 °С происходит за счет горения углеродного волокна. Последнее, однако, не подтверждается результатами испытаний конструкций из ПКМ на огнестойкость, в которых после воздействия температуры 840 °С и 945 °С и пламени стеклоткань и углеткань наружных слоев внешне выглядят неповрежденными.
Термогравитационный анализ пенопласта марки Л1гее11 показал следующее.
Первая область потери массы в 8,1 %% происходит в нем в интервале температур 100-200 °С с максимумом при 190 °С и связана предположительно с удалением адсорбированного вещества (воды или растворителя),
Вторая область потери массы в 32,5 % находится в интервале температур 200-290 °С с максимумом при 238 °С и связана с разложением полимера.
Третья область потери массы в 4,1 % находится в интервале температур 290-350 °С с максимумом при 238 °С и связана с разложением какой-либо присадки, вероятно, пластификатора.
И наконец, четвертая область потери массы в 55 % происходит в интервале температур 350600 °С с максимумом при 510 °С и связана с окислением до углекислого газа и воды неразложивше-гося полимера и коксового остатка.
По результатам этого анализа было сделано заключение о том, что в трехслойных ПКМ, изготов-
Рис. 12. Конический калориметр
Fig. 12. A conical calorimeter
ленных из испытанных материалов, несущие слои будут изменять свои физико-механические свойства (в том числе адгезионные) при температуре выше 302 °С, а наполнитель (пенопласт) начнет изменяться при температурах выше 210 °С с максимумом разложения при температуре 238 °С.
Конический калориметр (рис. 12) позволяет производить измерение тех же параметров, что и установка по ИСО 9705, при воздействии на образец 100*100 мм плоского теплового потока мощностью от 20 до 100 кВт. Может успешно использоваться для оценки огнезадерживающей способности создаваемых полимерных композиционных материалов. С его помощью были определены временные зависимости скорости тепловыделений и дымообразования при облучении трехслойного ПКМ из углепластика толщиной 1,5 мм, винил-эфирного связующего и пенопласта марки Л1гее11 общей толщиной 28 мм плоским тепловым потоком мощностью 75 кВт. Указанные зависимости приведены на рис. 13.
Как следует из представленных данных, зависимости имеют два явно выраженных максимума. Можно предположить, что первый максимум является следствием экзотермических реакций, происходящих в обогреваемом несущем слое образца. Второй максимум - следствие реакций, протекающих в его необогреваемом несущем слое. А зависимости между этими максимумами определяются экзотермическими реакциями теплового разложения и окисления, происходящими в материале наполнителя (пенопласте).
Такие же испытания, выполненные раздельно для образца, изготовленного из несущего слоя, и образца из наполнителя, показали, что они имеют примерно одинаковую дымообразующую способность.
Из представленных графиков видно, что процесс термического разложения образца по толщине протекает сравнительно медленно. Общая продолжительность процесса составляет 10 мин. Максимум выделений от 2-го несущего слоя отмечается на 7 мин.
Поскольку связующее и пенопласт не подвер-
a)
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time (s)
b)
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time (S)
жены тлению, процессы теплового разложения ПКМ прекращаются при прекращении внешнего облучения, что хорошо видно на прошедших испытания образцах, показанных на рис. 14.
В общем случае связующее в обогреваемом несущем слое (на рис. 14 снизу) разлагается практически полностью, наполнитель в зависимости от
J \
ь,
I
s
Я 0.2
А
ч/
О 200 400 600
Рис. 13. Результаты испытаний трехслойного полимерного композиционного материала толщиной 28 мм на коническом калориметре: а) скорость тепловыделений; b) скорость дымообразования
Fig. 13. Testing results of the three-layer 28 mm thick polymeric composite material on the conical calorimeter: а) heat release rate; b) smoke release rate
Рис. 14. Состояние образцов после испытаний на воздействие температуры (260 ± 20) °С, поддерживаемой в течение 20 мин.
Fig. 14. Samples after 20 minutes of temperature effect tests (260 ± 20) °С
материала либо расплавляется, либо постепенно коксуется на всю его толщину, а несущий слой с необогреваемой стороны, претерпевая структурные изменения, выглядит, как правило, неповрежденным и лишь в отдельных случаях незначительно изменяет цвет. Такое состояние образцов подтверждено на множестве испытаний, включая стандартные испытания конструкций из ПКМ на огнестойкость при воздействии стандартной температурной кривой пожара. Способность конструкций из ПКМ сохранять внешний вид несущего слоя с необогреваемой стороны при различном уровне тепловых воздействий пожара практически исключает возможность визуальной оценки состояния конструкций на рубежах обороны пожара (РОП) вплоть до их обрушения. В этом случае оценку целесообразно осуществлять по температуре поверхности конструкций. Значения критических температур для конкретных ограждающих конструкций должны определяться заранее, а их измерение личным составом РОП производиться с помощью переносных пирометров. Охлаждение ограждающих конструкций водой на РОП, предусмотренное действующими нормативными документами по борьбе за живучесть, в данном случае представляется малоэффективным, поскольку стекло- и углепластики имеют низкую теплопроводность (на два порядка ниже, чем у стали). Следует, однако, отметить, что экспериментально это предположение не проверялось.
Еще одна особенность теплового повреждения ПКМ, на которую необходимо обратить внимание, состоит в том, что стеклоткань и углеткань при выгорании связующего в наружном слое продолжает сохранять свою форму и удерживаться на поверхности образцов независимо от их ориентации. Такие «экраны», а также образующиеся расслоения конструкций в узлах будут влиять на эффективность использования поверхностных средств пожаротушения. Степень этого влияния необходимо экспериментально проверить для корабельных средств пожаротушения при их применении на различных стадиях пожара. Такие испытания необходимо провести еще и потому, что в соответствии с действующими нормативными документами приемо-сдаточные испытания корабельных средств пожаротушения осуществляются на модельных очагах из деревянных брусков и поддонов с дизельным топливом, горение которых существенным образом отличается от горения ПКМ.
На основе представленных в статье данных можно сформировать следующий возможный сценарий развития пожара на существующих кораблях
с корпусными конструкциями из ПКМ. При контакте с пламенем источника возгорания тепловой мощностью ок 100 кВт воспламенение и свободное горение ПКМ произойдет в течение 1-2 мин. Фронт пламени будет быстро распространяться вверх по факелу источника зажигания и в стороны от него. Примерно на 5-6 мин. начнется горение подволока аварийного помещения. Площадь горения подволока будет быстро увеличиваться. Под воздействием теплового потока от горящего подволока загорится палуба аварийного помещения. Температура в аварийном помещении резко возрастет. В процессе горения будет выделяться большое количество черного дыма, удушливых ароматических и опасных веществ, которые через неплотности будут распространяться в коридоры и смежные помещения. Примерно через 40-50 мин. возможно проседание или обрушение подволока аварийного помещения под нагрузкой оборудования, установленного в верхнем помещении. При горении конструкций, обеспечивающих прочность корпуса корабля, возможна потеря общей и местной прочности, а при горении противопожарных конструкций - переход пожара в смежную противопожарную зону. Если принять во внимание, что время развертывания аварийных партий по тревоге составляет 10-15 мин., борьба с пожаром в аварийном помещении при таком сценарии его развития будет невозможной.
Данный сценарий заметно изменится, если на корабле будут внедрены мероприятия по части 10 и части 11 Кодекса ПИО для высокоскоростных судов. Их внедрение позволяет организовать тушение пожара в аварийном помещении, сохранить прочность корабля и его деление на противопожарные зоны. Поскольку в ИМО разработку требований по противопожарной защите высокоскоростных судов возглавляла Швеция, то можно предположить, что эти требования реализованы на корвете проекта
Для снижения рисков при возникновении пожаров на отечественных кораблях с корпусными конструкциями из ПКМ, по нашему мнению, необходимо следующее.
Для кораблей, находящихся в эксплуатации:
■ в табель снабжения аварийным имуществом включить портативные дыхательные устройства для всех членов экипажа корабля, а также изолирующие противогазы, теплоотражающие костюмы, переносные пирометры и тепловизоры для личного состава аварийных партий;
■ установить модульные станции тушения тонкораспыленной водой на путях эвакуации личного состава;
Рис. 3. Испытание конструкции из полимерных композиционных материалов на основе отечественного углеродного волокна: а) 4-я минута испытаний, мощность горелки 100 кВт; ft) 5-я минута испытаний, горелка выключена
Fig. 3. Testing of the structure made of polymeric composite materials based on indigenous carbon fiber: a) 4th minute of testing, the burner output is 100 kW; ft) 5th minute of testing, the burner is turned off
Рис. 4. Испытательная установка по определению критической температуры дымообразования Fig. 4. Test facility to determine the critical temperature of the smoke generation ability
Рис. 5. Поля температур на поверхности испытательной комнаты по ИСО 9705 на режиме работы горелки: а) 100 кВт; ft) 300 кВт
Fig. 5. Temperature fields on the surface of the test room according to ISO 9705 on the mode of the burner operation: a) 100 kW; b) 300 kW
Рис. 7. Испытательная установка, имитирующая тепловое воздействие установки по ИСО 9705 (справа видны образцы, готовые к проведению испытаний)
Fig. 7. Test facility simulating the thermal effect of the facility according to ISO 9705 (on the right you can see samples ready for testing)
Рис. 10. Испытание конструкции из полимерных композиционных материалов с краской-покрытием «Блистер-ДМ»: а) 10 минута испытаний, мощность горелки 100 кВт; b) 12 минута испытаний, мощность горелки 300 кВт
Fig. 10. Testing of the structure made of polymeric composite materials with "Blister-DM" paint-coating: a) 10th minute of testing, the burner output is 100 kW; b) 12th minute of testing, the burner output is 300 kW
■ провести проверку эффективности тушения конструкций из ПКМ переносными и стационарными средствами пожаротушения, предусмотренными на кораблях;
■ определить состав действий на рубежах обороны по предотвращению распространения пожара. Для кораблей, подлежащих ремонту и модернизации:
■ завершить работы по выбору вспучивающихся составов и красок для обеспечения огнезадержи-вающей способности ПКМ, нанести их на корпусные конструкции по согласованным схемам;
■ установить спринклерные системы пожаротушения ТРВ в жилых и служебных помещениях, а также разработать и установить локальные системы водяного пожаротушения с управляемыми лафетными стволами в машинных помещениях и ангарах;
■ нанести огнезащитную изоляцию на корпусные конструкции, участвующие в обеспечении общей прочности корабля, и противопожарные конструкции, согласно части 11 Кодекса ПИО. Для вновь проектируемых кораблей:
■ выполнить ОКР по созданию ПКМ для корпусных конструкций кораблей с пониженными показателями пожарной опасности;
■ изменить требования к построению схем конструктивной противопожарной защиты таким образом, чтобы в состав противопожарных конструкций входили в т. ч. несущие конструкции, обеспечивающие прочность корабля.
В заключение необходимо отметить, что пожары на кораблях с корпусными конструкциями из ПКМ могут приводить к тяжелым последствиям и гибели людей. Поэтому вопросы, перечисленные в статье, требует незамедлительного решения. ПКМ - это материалы с большим потенциалом, объем их применения будет расширяться, и поэтому нужно искать способы их внедрения в кораблестроении без ущерба для других свойств корабля. Как показано в настоящей статье, такие способы существуют. Необходимо всем заинтересованным ведомствам и организациям активно включиться в решение данного вопроса.
Список использованной литературы
1. ГОСТ 12.1.044-2018. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. Москва: Стандартинформ, 2018. Х, 195 с. (Система стандартов безопасности труда).
2. Международный кодекс безопасности высокоскоростных судов 2000 года (Кодекс ВС 2000 года)
[Электронный ресурс]: принят резолюцией MSC.99(73) от 5 дек. 2000 г.: по сост. на 24 мая 2018 г. // Техэксперт: [сайт]. Санкт-Петербург, 2021. URL: http://docs.cntd.ru/document/499004003 (дата обращения: 10.03.2021).
3. Правила классификации и постройки высокоскоростных судов (НД № 2-020101-111) / Российский морской регистр судоходства. Санкт-Петербург, 2017. 181 с.
4. Международный кодекс по применению процедур испытания на огнестойкость 2010 года (Кодекс ПИО 2010): резолюция MSC.307(88) ИМО. Санкт-Петербург: ЦНИИМФ, 2011. 560 с.
5. ISO/TR 9705-2:2001. Reaction-to-fire tests. Full-scale room tests for surface products. Part 2. Technical background and guidance. Испытания на воздействие огня. Натурные испытания облицовочных материалов в помещении. Часть 2. Техническое обоснование и руководство. Geneva, 2001. 46 p.
6. Разработка рекомендаций по оптимизации активной и конструктивной противопожарной защиты заказа 12700: отчет по ОКР: шифр «Трал» / ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова»; рук. Федонюк Н.Н. Санкт-Петербург, 2005. 123 с., инв. № 43451.
7. Проведение испытаний по определению характеристик пожароопасности МГКМ и ТС ПКМ. Создание математической модели прогорания конструкций из МГКМ и ТС ПКМ: отчет по ОКР: шифр «Трал» / ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова; рук. Федонюк Н.Н. Санкт-Петербург, 2005. 86 с., инв. № 43351.
8. Разработка программ нестандартных огневых испытаний для исследования разработанных материалов и конструкций. Подготовка предложений по снижению пожароопасности композиционных полимерных конструкций и обеспечению их огнестойкости: отчет по ОКР: шифр «Трал» / ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова; рук. Федонюк Н.Н. Санкт-Петербург, 2004. 46 с., инв. № 43043.
9. Разработка рекомендаций по обеспечению огнестойкости многослойного гибридного материала корпуса заказа 12700: отчет по ОКР: шифр «Трал» / ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова; рук. Федонюк Н. Н. Санкт-Петербург, 2004. 92 с., инв. № 42857.
10. Анализ результатов сертификационных испытаний на пожарную опасность образцов из углепластиков, разработанных в ОКР «Сдвиг»: отчет / Крыловский государственный научный центр; рук. Федонюк Н. Н. Санкт-Петербург, 2019. 59 с., инв. -№ 49262.
References
1. GOST standard 12.1.044-2018. Fire and explosion hazard of substances and materials. The nomenclature of in-
dicators and methods of their determination. Moscow: Standartinform, 2018. X, 195 p. (Occupational safety standards system) (in Russian).
2. International Code of Safety for High-Speed Craft, 2000 (2000 HSC Code) [Electronic resource]: adopted by resolution MSC. 99 (73) dt. 5 Dec. 2000: as of May 24, 2018 // Techexpert: [website]. St. Petersburg, 2021. URL: http://docs.cntd.ru/document/499004003 (accessed 10.03.2021) (in Russian).
3. Rules for the Classification and Construction of HighSpeed Craft (2018, ND No. 2 020101-111-E) / Russian Maritime Register of Shipping. St. Petersburg, 2017. 181 p. (in Russian).
4. International Code for Application of Fire Test Procedures, 2010 (2010 FTP Code): IMO resolution MSC.307(88). St. Petersburg: TSNIIMF, 2011. 560 p. (in Russian).
5. ISO/TR 9705-2:2001. Reaction-to-fire tests. Full-scale room tests for surface products. Part 2. Technical background and guidance. Geneva, 2001. 46 p.
6. Development of recommendations for the optimization of active and constructive fire protection (order 12700): report on R&D: code "Tral" / Krylov State Research Centre; under the guidance of N.N. Fe-donyuk. St. Petersburg, 2005. 123 p., inv. no. 43451 (in Russian).
7. Conducting tests to determine the fire hazard characteristics of MGKM and TC PCM (MTKM and TC nKM). Creating a mathematical model of the burnout MGKM and TC PCM structures: report on R&D: code "Tral" / Krylov State Research Centre; under the guidance of N.N. Fedonyuk. St. Petersburg, 2005. 86 p., inv. no. 43351 (in Russian).
8. Development of programs for non-standard fire tests for the study of developed materials and structures. Preparation of proposals for reducing the fire hazard of composite polymer structures and ensuring their fire resistance: report on R&D: code "Tral" / Krylov State Research Centre; under the guidance of N.N. Fedo-nyuk. St. Petersburg, 2004. 46 p., inv. No. 43043 (in Russian).
9. Development of recommendations for ensuring the fire resistance of multilayer hybrid material (order 12700): report on R&D: code "Tral" / Krylov State Research Centre; under the guidance of N.N. Fedonyuk. St. Petersburg, 2004. 92 p., inv. No. 42857 (in Russian).
10. Certification tests review for fire hazard of samples made of carbon fiber plastics developed in the R&D "Sdvig":
report / Krylov State Research Centre; under the guidance of N.N. Fedonyuk. St. Petersburg, 2019. 59 p., inv. № 49262 (in Russian).
Сведения об авторах
Бородай Сергей Павлович, инженер 2 категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (952) 350-30-76. E-mail: srjnet@gmail.com. https://orcid.org/0000-0002-2159-0076. Козлов Сергей Дмитриевич, главный специалист ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (921) 408-53-07.
Летин Андрей Николаевич, начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (981) 742-97-62. E-mail: 9817429762.anl@gmail.com.
Розум Лев Иванович, главный специалист ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (921) 303-22-01. E-mail: rozum46@mail.ru. Шедько Сергей Владимирович, начальник отдела ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (921) 302-82-90. E-mail: chedko@mail.ru.
About the authors
Sergey P. Boroday, 2nd category Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoe sh., St. Petersburg, post code: 196158, Russia. Tel.: +7 (952) 350-30-76. E-mail: srjnet@gmail.com. https://orcid.org/0000-0002-2159-0076. Sergey D. Kozlov, Chief Specialist, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 408-53-07. Andrey N. Letin, Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, 196158. Tel.: +7 (981) 742-97-62. E-mail: 9817429762.anl@gmail.com. Lev I. Rozum, Chief Specialist, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 303-22-01. E-mail: rozum46@mail.com.
Sergey V. Shedko, Head of Department, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 302-82-90. E-mail: chedko@mail.ru.
Поступила / Received: 09.03.21 Принята в печать / Accepted: 18.05.21 © Коллектив авторов, 2021
