CC BY
1УДК 614.84
Михайлов А.А.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России им. героя РФ генерала армии Е.Н. Зиничева (г. Санкт-Петербург, Россия)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОРАЖЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Аннотация: пожары - угроза не только жизням людей, но и сохранности материальных ценностей. Понимание теоретических основ термического поражения стальных изделий является ключевым фактором для объективной оценки ущерба от пожара и проведения эффективной пожарно-технической экспертизы. Изучение изменений в микроструктуре стали, ее механических свойств, а также характеристик термического поражения позволяет разработать методики оценки степени воздействия высоких температур, необходимые для установления причин пожаров и повышения безопасности строительных конструкций.
Ключевые слова: термическое поражение, стальное изделие, высокая температура, прочность, пластичность.
Стальные изделия играют важную роль в современных строительных конструкциях, машинах и оборудовании. Однако их эксплуатация в условиях пожара или высокой температуры подвергает материалы серьезному риску термического поражения, что может привести к катастрофическим последствиям. Пожары - угроза не только жизням людей, но и сохранности материальных ценностей. Понимание механики термического поражения стальных изделий необходимо не только для повышения безопасности конструкций, но и для разработки эффективных методов оценки и предотвращения подобных явлений [3].
Термическое поражение стальных изделий — это процесс изменения свойств материала, вызванный воздействием высоких температур в результате
внешних факторов, таких как огонь, высокотемпературные жидкости или газовые потоки. Основные эффекты термического поражения включают изменение механических, физических и химических свойств стали, что может привести как к потере прочности, так и к полной разрушению конструкции [1].
При воздействии высоких температур происходит изменение микроструктуры стали. Стальные изделия расширяются при нагреве из-за увеличения межатомных расстояний. Это расширение может привести к деформации изделия, особенно если оно фиксировано или имеет сложную форму [1].
С увеличением температуры стальные изделия теряют свои первоначальные механические свойства, такие как:
- прочность - при повышении температуры прочность стали снижается. Например, при температуре 600°С уже через 10-15 минут могут произойти значительные изменения в структуре,
- пластичность - температура нагрева меняет порядок проскальзывания дислокаций, что влияет на уровни пластичности. При температурах выше 50 °С сталь теряет способность к упругой деформации [1].
Температура вместе со временем являются главными факторами, определяющими степень термического поражения [2]. Высокие температуры в течение длительных периодов усиливают разрушение.
Химический состав, включая содержание углерода, легирующих элементов (никель, хром, молибден и т. д.), значительно влияет на термическую стабильность стали. Легированные стали, как правило, более устойчивы к термическим воздействиям, чем углеродные. Некоторые элементы могут усиливать термостойкость, в то время как другие делают металл более восприимчивым к термическому разрушению.
Форма и конструктивные детали стальных изделий могут влиять на распределение тепла и, следовательно, на степень термического поражения. Тонкостенные конструкции быстрее нагреваются и соответственно быстрее теряют прочность, чем массивные конструкции.
Термическое поражение может привести к потере несущей способности стальных конструкций, что потенциально создает угрозу для людей и окружающей среды. В результате пожара может произойти обрушение или деформация зданий и сооружений.
Снижение прочности и устойчивости стальных изделий повышает риск аварий, что делает особенно важным эффективное мониторирование состояния конструкций после воздействия высокой температуры или огня. Неудовлетворительное состояние может привести к трагическим последствиям, особенно в общественных зданиях.
Пожары и термическое разрушение могут вынуждать компании тратить большие суммы на восстановление и ремонт поврежденных конструкций. Также увеличиваются затраты на страхование и восстановление ущерба, что в конечном итоге негативно сказывается на экономике предприятия.
Термическое поражение стальных изделий можно оценить по следующим признакам:
- изменение цвета: сталь приобретает различный цвет в зависимости от температуры нагрева,
- образование оксидных пленок: на поверхности стали образуются оксидные пленки различных цветов и толщины,
- в результате термического расширения и напряжений в стали могут возникнуть деформации и трещины,
- изменение микроструктуры, которое можно определить с помощью металлографического анализа.
Для уменьшения рисков появления термического поражения применяются различные методы предохранительной обработки, включая использование огнезащитных покрытий, которые могут значительно увеличить термостойкость стальных изделий и подбор специальных легированных сталей, которые обладают повышенной температурной устойчивостью.
Оценка состояния стальных изделий после термического воздействия является критически важной для обеспечения их надежности и безопасности в
эксплуатации. Несоответствие конструкций требованиям по прочности и устойчивости может привести к серьезным последствиям, включая аварии и разрушения.
Существует ряд методов, которые помогают оценить степень повреждения и изменения свойств стальных материалов после воздействия высокой температуры [3]:
1. Металлографический анализ включает изучение структуры материала под микроскопом. Этот метод позволяет выявить изменения в микроструктуре стали под воздействием высокой температуры.
2. Ультразвуковая дефектоскопия — этот метод основан на использовании ультразвуковых волн для обнаружения дефектов внутри материалов.
3. Радиографический контроль использует рентгеновские или гамма-лучи для выявления внутренних дефектов.
4. Магнитный контроль подходит для ферромагнитных материалов, включает намагничивание изделия и затем исследование его поверхности на наличие трещин и дефектов с использованием магнитных частиц.
5. Деформационный анализ включает оценку изменения геометрии и размеров изделий после термического воздействия.
6. Механические испытания помогают оценить прочностные характеристики стали после термического воздействия.
7. Термография — это метод, основанный на регистрации теплового излучения объектов .
Выбор методов оценки состояния стальных изделий зависит от целей экспертизы, характера пожара, вида и конструкции стальных изделий. В некоторых случаях достаточно визуального осмотра, а в других требуется комплексное исследование с использованием современных методов и оборудования [3].
Методы оценки состояния стальных изделий после термического воздействия позволяют выявить повреждения, наметить пути для их
восстановления и найти дополнительные меры по обеспечению безопасности. Использование комплексного подхода, включающего несколько методов, обеспечивает более точную и полную оценку состояния конструкции и помогает предотвращать аварии в будущем [3].
Термическое поражение стальных изделий является сложным и многогранным процессом, зависящим от множества факторов, включая температуру, время воздействия, химический состав стали и конструктивные особенности изделий. Понимание этих процессов является необходимым условием для разработки эффективных методов оценки и предотвращения термического разрушения в конструкции. Это знание поможет не только в проектировании более стойких конструкций, но и в мерах по обеспечению безопасности зданий и сооружений в условиях пожара, что имеет критическое значение для сохранения жизни и имущества.
Изучение термического поражения стальных изделий также способствует развитию современных технологий и материалов, предоставляя возможность инженерного прогресса в области строительно-инженерных и машиностроительных решений. Улучшение существующих методик оценки, профилактики и реагирования на термические воздействия позволит повысить устойчивость и безопасность стальных конструкций в будущем, обеспечивая защиту и доверие потребителей и общества в целом.
Таким образом, глубинное понимание теоретических основ термического поражения стальных изделий — это важный шаг к созданию безопасных и долговечных конструкций, способных выдерживать экстремальные условия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Горбунов А.С., Елфимова М.В., Безбородов Ю.Н. Исследование изменений цветовых характеристик стали при термическом воздействии // Омский научный вестник. 2022. № 2 (182). С. 119-124;
2. Сикорова Г.А. КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕПЕНИ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОРАЖЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОТРАНСПОРТА // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2021. №4;
3. Официальный сайт Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий // https://mchs.gov.ru
Mikhailov A.A.
St. Petersburg University State Fire Service EMERCOM of Russia
named after E.N. Zinichev (St. Petersburg, Russia)
THEORETICAL BASIS OF THERMAL DAMAGE TO STEEL PRODUCTS
Abstract: fires are a threat not only to human lives, but also to the safety of material assets. Understanding the theoretical foundations of thermal damage to steel products is a key factor for an objective assessment of fire damage and effective fire-technical expertise. Studying changes in the microstructure of steel, its mechanical properties, and characteristics of thermal damage allows developing methods for assessing the degrof exposure to high temperatures, which are necessary to establish the causes offires and improve the safety of building structures.
Keywords: thermal damage, steel product, high temperature, strength, ductility.
