Пожарная опасность теплоизолированных трубопроводов

ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Р. 3. Фахрисламов

канд. техн. наук, доцент Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

А. Ф. Белых

аспирантка Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

А. Я. Корольченко

д-р техн. наук, профессор Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

УДК 841.332

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Исследованы высокоэффективные материалы, которые применяются в качестве теплоизоляции, — пенопласты. Рассмотрена методика исследования одиночных надземных трубопроводов. Проведены натурные огневые испытания трубопроводов с различными видами конструкций тепловой изоляции в условиях, приближенных к реальному пожару.

Ключевые слова: пожарная опасность; тепловая изоляция; трубопроводы; пламя; пенопласты; огневые испытания; тепловые потоки.

Пожарная опасность пенопластов, применяемых в качестве тепловой изоляции

На сегодняшний день наиболее высокоэффективными материалами, применяемыми в качестве теплоизоляции, являются пенопласты. Они имеют низкую плотность (от 20 до 100 кг/м3), теплопроводность (0,025 до 0,5 Вт/(м-°С)), широкий температурный интервал применения (от минус 180 до +150 °С) и продолжительный срок эксплуатации (более 25 лет). Применение пенопластов позволит снизить теплопотери на 55-60 %, повысить производительность труда на 15-50 % и улучшить санитарно-гигиенические условия при производстве строительно-монтажных работ [1].

Требования пожарной безопасности определяются нормами технологического проектирования конкретных отраслей промышленности с учетом положений СНиП 41-03-2003 [2]. При выборе материалов учитываются не только показатели горючести теплоизолирующего слоя и защитного покрытия, но и поведение теплоизолирующей конструкции в условиях пожара в целом. Наряду с другими факторами пожарная опасность конструкций зависит от температуро-стойкости защитного покрытия и его прочности [3].

В соответствии с требованиями нормативно-технических документов (НТД) использование тепло-

изоляционных материалов для промышленного оборудования основывается на нормировании их по горючести. Однако одним показателем горючести невозможно исчерпывающе определить пожарную опасность конструкции теплоизоляции. Так, в процессе эксплуатации промышленных трубопроводов, аппаратов и оборудования из-за негерметичности фланцевых соединений и других причин негорючий теплоизоляционный материал, пропитываясь нефтепродуктом, становится горючим. Нередки случаи, когда несгораемая минераловатная теплоизоляция, пропитанная нефтепродуктом, самовозгорается и становится источником пожара. При этом в НТД не предусмотрены инженерно-технические мероприятия, предотвращающие возникновение и распространение горения по конструкции теплоизоляции. Один и тот же материал ведет себя по-разному в зависимости от конкретных условий его использования, которые необходимо учитывать при выборе теплоизоляционного материала [4].

Методика исследования

одиночных надземных трубопроводов

Для правильной оценки пожарной опасности теплоизолирующей конструкции трубопроводов, как и различных видов испытуемых конструкций,

© Фахрисламов Р. 3., Белых А. Ф., Корольченко А. Я., Кузнецов С. Ю., 2010

требуется учитывать не только ее особенности, но и все признаки предельного состояния данной конструкции в условиях, моделирующих эксплуатационные, например:

• скорость распространения пламени по вертикали всегда больше, чем по горизонтали;

• чем толще слой теплоизоляционного материала или облицовки и выше их теплопроводность, тем большее количество тепла требуется для нагревания их до температуры воспламенения;

• увеличение толщины сгораемого материала вдвое снижает скорость распространения пламени по его поверхности наполовину.

Критерии предельного состояния разработаны в основном для строительных конструкций. Так, показатель огнестойкости включает в себя: потерю несущей способности конструкции или узлов ее крепления; потерю теплоизолирующей способности, вызванную достижением на необогреваемой поверхности определенной критической температуры, при которой металл разрушается; потерю плотности, обуславливаемую образованием в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя.

В настоящее время дифференцированное нормирование признаков предельных состояний теплоизолирующих конструкций в зависимости от функционального назначения является недостаточно точным. Это в значительной степени затрудняет возможность научно обоснованной оценки пожарной опасности конструкций теплоизоляции. Ввиду многообразия условий воздействия пожара на материалы и конструкции, сложности и неоднозначности их реакций для определения предельных состояний огнестойкости и распространения пламени по конструкциям за рубежом разработано и применяется большое количество методов. Данные огневые испытания строительных материалов и конструкций представляют собой часть мероприятий по обеспечению пожарной безопасности зданий и сооружений.

Существующие методы по их назначению можно разделить на две основные группы:

• для изучения сопротивления материалов и конструкций воздействию опасных факторов пожара;

• для определения их пожароопасных свойств, способствующих развитию пожара и изменению его опасных факторов.

Однако данные методы не позволяют характеризовать поведение материалов и конструкций в условиях реального пожара, сравнивать их по одному или нескольким показателям, которые в большинстве случаев не содержат информации об их поведении в условиях пожара.

Этим обусловлена необходимость в разработке новых методов испытаний, выборе режимов огне-

вых воздействий и определяемых параметров. При этом наблюдается тенденция к ограничению объема получаемой сравнительной информации и использованию ее в качестве нормируемых параметров кинетических и теплофизических характеристик материалов, строгой регламентации тепловых потоков на исследуемые образцы и получению данных, необходимых для дальнейших расчетов.

В отличие от физико-химических исследований огневые испытания материалов связаны с необходимостью моделировать условия теплового воздействия реального пожара. Особые сложности возникают при учете влияния на процесс горения макроструктуры материала и при моделировании реальных условий теплообмена. Поэтому для объективной оценки возможности применения материалов (теплоизоляционных и защитно-покровных) для конструкций промышленных трубопроводов необходимо разработать методику испытания конструкций тепловой изоляции, позволяющую оценивать количественные параметры достижения конструкцией предельных состояний в условиях, имитирующих реальный пожар. При оценке пожарной опасности конструкций тепловой изоляции должен учитываться параметр распространения по ним пламени в зависимости от их геометрического расположения, а также особенности горения материалов, из которых они выполнены.

Для определения этих параметров необходимо проведение крупномасштабных натурных огневых испытаний трубопроводов с различными видами и сочетаниями теплоизоляционных и защитно-покровных материалов.

Основным принципом методологического подхода к разработке экспериментального метода является обеспечение адекватности условий испытания и реального пожара. Известно, что способность конструкций к распространению пламени зависит от свойств материалов, из которых они выполнены, геометрических размеров образцов или изделия, их расположения, мощности источника зажигания и времени его действия.

С точки зрения моделирования условий реального пожара наибольшее значение имеет соотношение тепловых потоков, поэтому режиму теплового воздействия необходимо уделять наибольшее внимание при обосновании условий проведения лабораторных испытаний. Модель должна воспроизводить зависимость температура - время.

Данный принцип моделирования и выполнение условия адекватности проводимых испытаний условиям реального пожара легли в основу разработанных рекомендаций по испытанию конструкций тепловой изоляции промышленных трубопроводов на распространение пламени.

28

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 № 12

Обоснованием мощности источника зажигания и времени его действия явились результаты натурных огневых испытаний трубопроводов с различными видами конструкций тепловой изоляции в условиях, приближенных к реальному пожару. Характер распределения падающих тепловых потоков по длине и высоте трубопроводов в таких условиях показан на рис. 1, из которого следует, что максимальная плотность теплового потока при вертикальном расположении трубопроводов у источника зажигания составляет 47,4 кВт/м2, а на отметке 6мот него — 7,7 кВт/м2.

В лабораторной установке для создания в зоне огневого воздействия мощных тепловых потоков в качестве источника зажигания использована эжек-ционная газовая горелка кольцевой формы. Спектр излучения пламени газовой горелки соответствовал спектру излучения пламени углеводородных топлив. Мощность теплового воздействия регулировалась по расходу газа в единицу времени, изменению расстояния между горелкой и наружной поверхностью испытуемой конструкции. Плотность теплового потока 50 кВт/м2 достигалась при расходе газа 30-31 л/мин. Характер ее распределения отражает кривая 3 (см. рис. 1). Горелка оснащена воздушными заслонками, позволяющими регулировать направление конвективных воздушных потоков относительно вертикально расположенной конструкции трубопровода. Для исключения рассеивания тепла в окружающую среду в зоне нагрева предусмотрена камера огневого воздействия, в которую устанавливали испытуемый образец конструкции тепловой изоляции.

Для обоснования правильности выбора источника зажигания определяли профиль распределения температур внутри камеры по ее высоте с помощью калибровочной конструкции. Контроль за соблюдением условий проведения испытаний на установке осуществляли путем ее калибровки и получения температур, соответствующих профилю их распределения (табл. 1). В табл. 1 приведены для сравнения и значения температур по СТ СЭВ 2437-80.

Из данных табл. 1 следует, что температуры, имеющие место в камере огневого воздействия, значительно выше указанных в СТ СЭВ 2437-80 и приближаются к интенсивности тепловыделения при горении бензина, которая составляет 130-135 МДж ч/м2. Приведенные в табл. 1 экспериментальные данные свидетельствуют о правильности выбора формы и мощности источника зажигания, позволяющего создавать приближенные условия реального пожара.

Калибровка осуществлялась с помощью специальной калибровочной конструкции, общий вид которой показан на рис. 2, а схема — на рис. 3. Данная конструкция представляет собой трубу, имитиру-

0 123456789 ¿!,м 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 12, м

Рис. 1. Распределение плотности тепловых потоков по длине и высоте трубопроводов: 1 — горизонтальное расположение трубопровода; 2 — вертикальное расположение трубопровода; 3 — в камере огневого воздействия установки; ^ — плотность теплового потока, кВт/м2; Ь1 — экспериментальные данные распределения теплового потока по длине (высоте) трубопровода при натурных испытаниях; Ь2—распределение температур в камере огневого воздействия на различных уровнях

Таблица 1. Распределение температур в камере огневого воздействия на различных уровнях

Уровень измерения относительно нижней кромки Температура*, °С

СТ СЭВ 2437-80 Экспериментальная установка

камеры огневого минимальная максимальная минимальная максимальная

воздействия, мм

100 - - 920 1000

300 220 350 640 710

500 150 220 440 500

980 (1000) 100 140 350 370

2500 - - 150 170

* Интенсивность газовой горелки по СТ СЭВ 2437-80 со-

ставляет (88 ± 2,2) МДж/ч, в экспериментальной установке— 120 МДж/ч.

ющую тепловую изоляцию, из нержавеющей стали, диаметром (200 ± 5) мм, смонтированную на трубопроводе диаметром 100 мм и длиной 2400 мм. Внутренняя часть конструкции заполнена минеральной ватой. На наружной поверхности по окружности конструкции размещается 12 термопар (по три термопары) на уровнях 100; 300; 500 и 980 мм от нижней кромки камеры огневого воздействия (см. рис. 3). На уровне 2500 мм устанавливаются четыре термопары, которые фиксируют температуру газообразных продуктов горения (отходящих дымовых газов) [1].

Рис. 2. Общий вид калибровочной конструкции в камере огневого воздействия

Таким образом, на основании полученных результатов длительность огневого воздействия была принята 15 мин, что соответствовало требованиям к испытанию конструкций в условиях, моделирующих реальный пожар.

Монтаж теплоизолирующей конструкции осуществлялся на трубопроводе диаметром 76-108 мм, наиболее широко используемом (до 70 %) в промышленности.

Способность к распространению пламени определялась температурой отходящих газов, временем самостоятельного горения и степенью повреждения образца по длине.

В целях опробования методики и количественного обоснования критериев оценки тепловой изоляции на распространение пламени испытания проводили на различных видах конструкций. На основании полученных экспериментальных данных была уточнена методика и сделан вывод о том, что при

Рис. 3. Схема размещения калибровочной конструкции тепловой изоляции и термопар в камере огневого воздействия: 1 — трубопровод; 2 — теплоизоляционный материал; 3 — кожух конструкции; 4 — камера огневого воздействия; 5 — калибровочные термопары

Таблица 2. Критерии оценки предельного состояния конструкций тепловой изоляции трубопроводов

Значение параметра, не более

Измеряемый параметр среднеарифметическое по двум испытаниям максимальное из двух испытаний

Температура отходящих газов, °С 260 280

Время самостоятельного горения, с 60 70

Степень повреждения по длине, см 70 80

соблюдении критериев оценки, приведенных в табл. 2, конструкции тепловой изоляции относятся к не распространяющим пламя [1].

В дальнейшем по мере накопления экспериментальных данных методика будет уточняться, а установка совершенствоваться в части ее автоматизации и регистрации результатов испытаний по распространению пламени, оптической плотности дыма и продуктов термического разложения и горения полимерной тепловой изоляции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фахрисламов Р. 3., Корольченко А. Я., Шарипова С. А. Методические рекомендации по испытанию конструкций промышленных теплоизолированных трубопроводов на распространение пламени. — М., 2003.

2. СНиП 41-03-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование : утв. Госстроем России 26 июня 2003 г. : введ. 1 января 2004 г. — М.: ГУП ЦПП, 2004.

3. Шойхет Б. Трубы // Коммунальный комплекс России. — 2007. — Январь, № 1 (31).

4. ГОСТ 12.1.004-91*. Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования (с изм. от21 октября 1993 г.). — Введ. 1 июля 1992 г. — М.: ИПК"Изд-во стандартов", 2002.

Материал поступил в редакцию 12 октября 2010 г.

Электронный адрес авторов: аНуа-акипоуа@таИ ги.

30

0869-7493 ПВЖАРВВЗРЫВВБЕЗВПАСНВСТЬ 2010 ТАМ 19 № 12