СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF EVALUATING TIME OF INFLAMMATION OF COMBUSTIBLE MATERIAL

Изобретение относится к области огневых испытаний горючих строительных материалов на воспламеняемость, а более конкретно - для определения оптимального времени или предела воспламенения конструкционных и изоляционных материалов (например, древесины, пластмасс и т.п.), для последующей классификации их по группам горючести.
Известен способ определения времени воспламенения горючего материала при использовании огневой трубы, которая представляет короткий вертикально расположенный пустотелый предмет высотой 165 мм. Огневая труба снабжена газовой горелкой ⌀7 мм или спиртовкой с фитилем ⌀5 мм. Число опытных образцов 6 шт.; размеры образца 10×35×150 мм. Проведение испытания включает зажигание газовой горелки (спиртовки), регулировку высоты пламени 40 (55) мм; время действия источника зажигания 2 (2,5)мин (принимают только в случае, когда при меньшем времени поджигания уменьшается длительность самостоятельного пламенного горения и снижается потеря массы образца). При длительности самостоятельного пламенного горения более 60 сек и потери массы образцов свыше 20% образец относят к горючим (нормально горючим)/В.Т.Монахов. Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1972. - 416 с., п.2.4. Метод огневой трубы. С. 61-63/; [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа определения времени воспламенения горючего материала, относится то, что оптимальное значение времени поджигания образцов в условиях огневого испытания достоверно установить невозможно, не точно определяют фактическую длительность самостоятельного пламенного горения образца, следовательно, возможно необоснованное отнесение материала к нормируемой группе горючести.
Известен способ определения времени воспламенения горючего материала при определении индекса горючести путем использования инфракрасного излучения для нагрева образца и запального пламени для поджигания наиболее нагретого участка образца, с замером времени воспламенения материала /А.с. 366397: М.КИ. G01n 25/50. Способ определения горючести отделочных и облицовочных материалов / В.Ф.Киселев, В.Г.Фукалов, Э.И.Романов и др. - Опубл. 16.01.73. Бюл. №7/; [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа определения времени воспламенения горючего материала, относится то, что время воспламенения материала принято на глазок, приближенно к оптимальному значению.
Известен способ определения времени воспламенения горючего материала при определении параметров горючести строительных материалов, который включает в себя изготовление 12 образцов длиной 1000 мм, шириной 190 мм, толщиной до 70 мм, поджигание газовыми горелками в камере сжигания 4-х образцов одновременно, при этом длительность поджигания принимают равной 10 мин (600 сек); после выключения источника зажигания фиксируют длительность пламенного горения образцов и термические повреждения образца по его длине и потере массы /ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Методы испытания на горючесть. Разд. 7, С.9-14/; [3].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа определения времени воспламенения горючего материала, относится то, что оптимальное значение времени или предела поджигания образцов в условиях огневого испытания достоверно установить невозможно, не точно определяют истинное значение длительности самостоятельного пламенного горения образца после его поджигания; невозможно варьирование интенсивности теплового воздействия при использовании газовой горелки в качестве источника зажигания, известный способ сложен, трудоемок, не экономичен в потреблении топлива и в расходе материала при изготовлении опытных образцов.
пдж
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения времени воспламенения горючего материала, заключающийся в определении группы горючести материала при испытании в малой огневой трубе (⌀ 50 мм; длина 165 мм) по показателям длительности самостоятельного пламенного горения и потере массы в % от массы исходного образца. Для огневых испытаний изготовляют 6 образцов размерами b×h×l=10×35×150 мм. Отобранные для испытания образцы взвешивают. Источник зажигания - газовая горелка, высота пламени 40 мм. Время поджигания фиксированное τ=2 мин (120 с). Через 2 мин действия пламени горелку убирают и фиксируют время самостоятельного пламенного горения. После остывания образца его вновь взвешивают и определяют потерю массы, %. Аналогично испытывают остальные образцы; /ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. С.18-24/ [4], - принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа определения времени воспламенения горючего материала, относится то, что оптимальное значение времени или предела поджигания образцов в условиях огневого испытания достоверно установить невозможно, не точно определяют истинное значение длительности самостоятельного пламенного горения образца после его поджигания; невозможно варьирование интенсивности теплового воздействия при использовании газовой горелки в качестве источника зажигания; малая достоверность определения параметров горючести материала: длительности самостоятельного пламенного горения, степени термических повреждений образцов по длине и потере массы; большая погрешность измерения истинных параметров горючести материала и обработки огневых испытаний; не обосновано статистическим расчетом минимальное число образцов для огневых испытаний с учетом их отбраковки; неэкономичен расход топлива, используемого в горелке, в случае длительности поджигания образцов по ГОСТ 12.1.044 более, чем требуется по статистическому расчету.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, состоит в повышении достоверности, экономичности и точности оценки параметров горючести твердых материалов, включая определение оптимального времени или предела воспламенения горючего материала.
Технический результат - получение оптимального времени или предела воспламенения образцов горючих материалов в условиях огневых испытаний; установление истинного значения длительности самостоятельного пламенного горения образцов материала после поджигания; возможность планирования эксперимента и варьирования условий поджигания образцов в огневой камере; установление обоснованных математической статистикой минимального числа образцов для огневых испытаний; повышение достоверности оценки параметров горючести материалов: длительности самостоятельного пламенного горения и степени термических повреждений образцов по потере их массы; повышение точности измерений параметров горючести материала и статистической обработки результатов огневых испытаний; повышение надежности отнесения испытуемого пожароопасного материала к нормативной группе горючести; повышение экономичности расхода топлива, используемого в горелке, при проведении огневых испытаний.
u,1
u,1,
i,пдж
i,сам,
сам
пдж
сам,max,
u,впл,
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения времени воспламенения горючего материала, включающем изготовление образцов материала для огневого испытания, поджигание образцов пламенем источника зажигания, особенностью является то, что минимальное число образцов горючего материала для испытания принимают из условий достоверности статистической обработки получаемых результатов, поджигают образцы материала, варьируя временем поджигания: сначала приближенно устанавливают время воспламенения горючего материала путем поджигания первого образца испытываемой серии τ,сек, затем проводят последующие испытания образцов серии в диапазоне θ=(1±0,4)·τ сек, с шагом или интервалом поджигания 5-10 сек, полученные переменные значения времени поджигания τ, сек, и длительности самостоятельного пламенного горения τ сек, наносят на плоскую систему координат в виде исходных точек, определяют вид графика зависимости τ=f(τ), производя отбраковку выпадающих результатов испытаний, находят наибольшее значение длительности самостоятельного пламенного горения τ сек, и по нему определяют оптимальное время или предел воспламенения горючего материала τ сек.
mp
Следующей особенностью способа является то, что минимальное число образцов для огневых испытаний n принимают из условия (1):
cm
где k - квантили распределения Стюдента;
при достоверности Д=0,98 и n≥4 квантили вычисляют по формуле (2):
здесь n - число результатов опытов после их отбраковки;
s - относительная погрешность (коэффициент изменчивости, %), вычисляемая по формуле (3):
µ
здесь δ и τ - погрешность и среднее выборки;
T - показатель точности вычисляют по формуле (4):
µ
здесь S - среднее квадратичное отклонение.
При малом числе испытаний (3≤n≤0) отбраковку выпадающих результатов опытов производят при соблюдении условия (5):
a
µ
где τ; τ - сомнительный результат опыта и среднее выборки, с;
max
min
τ; τ - наибольшее и наименьшее значение выборки, с;
a
t; К - статистические коэффициенты.
При замене эталонного топлива газовой горелки испытательной установки на другой вид топлива длительность действия источника зажигания принимают с учетом поправочного коэффициента, вычисляемого по формуле (6):
н,э
3
где Q=36 МДж/м- низшая теплота сгорания эталонного газа;
н,i
3
Q - низшая теплота сгорания используемого топлива, МДж/м.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем:
m
установление оптимального времени или предела воспламенения образцов испытуемой серии материала позволяет с меньшей погрешностью зафиксировать фазу активного разгорания, период самостоятельного пламенного горения и степень термоповреждения образцов по массе S, %; при назначении минимального числа образцов для огневых испытаний, обоснованного результатами математической статистики, значительно снижается погрешность оценки оптимального времени или предела воспламенения горючего материала; отбраковка выпадающих результатов опытов и получение теоретической линии регрессии заданного вида позволяет более надежно устанавливать оптимальное время или предел воспламенения горючего материала; при достоверном определении показателей пожароопасности материала повышается надежность отнесения испытываемого материала к нормативной группе горючести. Следовательно, условия огневых испытаний по оценке оптимального времени воспламенения горючего материала значительно упрощены и экономически целесообразны.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата
Последовательность действий способа определения оптимального времени или предела воспламенения горючего материала следующая:
гор
- для определения показателей пожароопасности горючего материала применяют испытательный прибор «малая огневая камера». В качестве источника зажигания используют газовую горелку ⌀7 мм или спиртовку (возможна замена спирта керосином t=(720±5)°C); фитиль ⌀5 мм;
н
- изготовляют 10-12 образцов материала одной серии, фиксируют начальную массу m, г (погрешность ±0,1 г) и их геометрические натурные размеры (номинальные размеры b×h×l=10×30×150 мм);
- один из образцов подвешивают в центре огневой камеры, зажигают горелку и регулируют ее; высота пламени 45,0±5 мм; подводят горелку под образец и одновременно пускают секундомер;
1,впл
1
1,сам,
1,общ,
- устанавливают в первом приближении время воспламенения (τ, сек) одного образца (m=1 шт.), длительность самостоятельного пламенного горения (τ сек), общее время пламенного горения (τ сек);
пдж
1,общ
2
- принимают шаг длительности поджигания для следующих образцов: Δτ=τ/n (кратно 5÷10 с);
2
i,пдж,
i,сам,
i,k
- проводят огневые испытания n=5÷6 образцов материала, фиксируя длительности поджигания (τ сек), самостоятельное пламенное горение (τ сек), остаточную массу m, степень термоповреждения образцов по массе, %;
1
2
сам
пдж
- наносят результаты испытаний n+n=(6-7) шт. образцов на плоскую систему координат и по ним определяют вид графика функциональной зависимости τ=f(τ);
1,всп
3
- в диапазоне θ=(1±0,4)·τ проводят дополнительно испытание n=4-6 образцов и их результаты так же наносят на координатную (лучше на миллиметровую) бумагу;
µ,впл,
- по опытным точкам, расположенным в области предела воспламенения материала, получают табличную функцию (с учетом отбраковки выпадающих результатов опыта); находят статистическим расчетом выборочное среднее арифметическое значение времени или предела воспламенения горючего материала τ сек;
mp
- находят доверительный интервал для среднего значения выборки (погрешность δ, сек) и требуемое число (n) испытаний в области предела воспламенения горючего материала;
- определяют оптимальное время или предел воспламенения материала испытываемой серии образцов с учетом погрешности по формуле (7):
При малом числе испытаний (3≤n≤10) отбраковку выпадающих результатов опытов производят при соблюдении условия (8):
a
статистические коэффициенты t и К вычисляют по формулам (9) и (10):
a
µ
где τ; τ - сомнительный результат опыта и среднее выборки;
max
min
τ; τ - наибольшее и наименьшее значение выборки;
a
t; К - статистические коэффициенты.
1,впл
1
1,впл
Пример 1. Огневым испытанием первого образца древесины без огнезащитной обработки приближенно установлено время воспламенения τ≈30 сек. Область предела воспламенения образцов θ=(1±0,4)·τ=(1±0,4)·30=(18÷42)≈(20-40) сек (кратно 5 сек). Испытания пяти последующих образцов в области предела воспламенения (включая первый опыт) дают следующие результаты (табл.1):
Таблица 1Параметры горючести древесины (потеря массы образцов после огневого испытания более 75%)
Параметры
Опытные данные воспламеняемости, сек
τ<sub>i,пдж</sub>
20
20
25
30
35
40*
τ<sub>i,сам</sub>
260
250
275
270
270
210*
τ<sub>i,общ</sub>
280
270
300
300
305
250*
i,сам,max
2,впл
При τ=275 принимают τ=25, тогда уточненная область предела воспламенения серии образцов древесины равна
2
2,впл
5,пдж
θ=(1±0,4)·τ=(1±0,4)·25=(15÷35) cек, следовательно, параметры горючести древесины при τ=40 сек бракуют (указано * в таблице 1).
i,пдж,
В итоге пяти (n=5) измерений времени поджигания образцов древесины получены результаты τсек: 20; 20; 25; 30; 35;
- определяют среднее выборки
µ,пдж
τ=20+(0+0+5+10+15)/5=20+30/5=20+6=26 с≈25 сек;
max
min
- варианта 35 более варианты 20 удалена от среднего. Проверяют «сомнительный» результат 35 на выпадение от выборки. Для этого временно исключают его из выборки. Тогда τ=30; τ=20;
a
- коэффициенты t и К вычисляют по формулам (9) и (10):
К=(15,5+n)/10=(15,5+5)/10=2,05;
a
а
- так как t=2,04<2,05=К, следовательно, результат τ=35 сомнений не вызывает и его не бракуют.
В итоге пяти (n=5) измерений длительности самостоятельного пламенного горения образцов древесины получены результаты:
i,сам,
τсек: 250; 260; 265; 270 и 275;
- вычисляют среднее выборки
µ,сам
τ=250+(0+10+15+20+25)/5=250+14=264 сек;
max
min
- варианта 250 более варианты 275 удалена от среднего. Проверяют «сомнительный» результат 250 на выпадение из расчета. Для этого временно исключают его из выборки. Тогда τ=275; τ=260;
a
- коэффициенты t и К вычисляют по формулам (9) и (10):
К=(15,5+n)/10=(15,5+5)/10=2,05;
a
а
- так как t=2,26>2,05=К, следовательно, результат τ=250 бракуют;
- среднее выборки (при n=4):
µ,сам
τ=260+(0+5+10+15)/4=260+8=268≈270 сек;
координаты точки экстремума функции искомой переменной т.М (25; 270).
1,впл
1
1,впл
Пример 2. Огневым испытанием первого образца антипирированной древесины приближенно установлено время воспламенения τ≈60 сек. Область предела воспламенения образцов θ=(1±0,4)·τ=(1±0,4)·60=(36÷87)≈(35÷85) сек (кратно 5 сек). Испытания пяти последующих образцов в области воспламенения (включая первый опыт) дают следующие результаты (табл.2):
Таблица 2Параметры горючести антипирированной древесины (потеря массы образцов после огневого испытания более 25%)
Параметры
Опытные данные воспламеняемости, сек
τ<sub>i,пдж</sub>
35
40
50
60
70
80
τ<sub>i,сам</sub>
260
235
240
280
230
270
τ<sub>i,общ</sub>
295
275
290
340
300
350
1
i,пдж,
В итоге шести (n=6) измерений времени поджигания образцов антипирированной древесины в области предела воспламенения горючего материала получены результаты τсек: 35; 40; 50; 60; 70; 80;
- определяют среднее выборки
µ,пдж
τ=35+(0+5+15+25+35+45)/6=35+21=56 сек;
max
min
- варианта 80 более варианты 35 удалена от среднего. Проверяют «сомнительный» результат 80 на выпадение от выборки. Для этого временно исключают его из выборки. Тогда τ=70; τ=35; n=5;
a
- коэффициенты t и К вычисляют по формулам (9) и (10):
K=(15,5+n)/10=(15,5+5)/10=2,05;
a
а
- так как t=1,36<2,05=К, следовательно, результат τ=80 сомнений не вызывает и его не бракуют.
i,сам,
В итоге шести (n=1+5=6) измерений длительности самостоятельного пламенного горения образцов антипирированной древесины получены результаты τсек: 230; 235; 240; 260; 270 и 280;
- вычисляют среднее выборки
µ,сам
τ=230+(0+5+10+30+40+50)/6=230+24=254 с.
max
min
- варианта 280 более варианты 230 удалена от среднего. Проверяют «сомнительный» результат 280 на выпадение из расчета. Для этого временно исключают его из выборки. Тогда τ=270; τ=230; n=6-1=5;
a
- коэффициенты t и К вычисляют по формулам (9) и (10):
К=(15,5+n)/10=(15,5+5)/10=2,05;
a
a
- так как t=l,53<2,05=К, следовательно, результат τ=280 сомнений не вызывает и его не бракуют;
- координаты точки экстремума искомой функции М (56:254).
i,пдж,
mp
Пример 3. В итоге восьми (n=8) измерений времени поджигания образцов антипирированной древесины в области предела воспламенения горючего материала θ=(35-85) сек получены следующие результаты τ сек: 35; 40; 50; 60; 60; 70; 70; 80. Определяют доверительный интервал (δ) результатов испытаний (при Д=0,98), коэффициент изменчивости (ε,%) и требуемое число испытаний (n, шт.).
Статистический расчет:
m
1) выборочное среднее арифметическое a no n опытам:
а
a
а
i
m
i
2) абсолютные погрешности отдельных измерений: Δ=-:
N,
1
2
3
4
5
6
7
8
Σ
|Δa<sub>i</sub>|
28
23
13
3
3
7
7
17
100
(Δa<sub>i</sub>)<sup>2</sup>
784
529
169
9
9
49
49
289
1888
3) средняя абсолютная погрешность отдельных измерений:
4) эмпирическое среднеквадратичное отклонение отдельных измерений (при n<30):
а
m
5) средняя квадратичная погрешность среднего арифметического
6) квантили распределения Стьюдента (при надежности Д=0,98 и n≥4):
CT
t=2,33(1+2,44/n)=2,33·(1+2,44/8)=3,04;
7) доверительный интервал для среднего значения (погрешность)
m
CT
δ=±σt=±5,81·3,04=±17,66;
8) результат измеряемой величины
а
m
А=±δ=63±17,66 или 45÷80;
9) относительная погрешность (коэффициент изменчивости, %):
а
µ
ε=100·δ/=100·17,66/63=28;
10) показатель точности:
m
m
a
T=100·S/=100·16,42/63=26,1;
11) требуемое число испытаний:
mp
CT
2
2
n=(tε/Т)=(3,04·28/26,1)=10,6≅11>8 (опыт).
Выводы по статистическому расчету:
- Доверительный интервал для среднего значения равен (45-80)сек, коэффициент изменчивости ε=28%.
mp
фак
- Требуемое число опытов n=11>8=n, следовательно, необходимо увеличить число огневых испытаний до 11.
сам,
пдж,
На фиг.1 приведена табличная функциональная зависимость длительности самостоятельного пламенного горения τсек, от времени поджигания τ сек, образцов древесины без огнезащитной обработки (табл.3):
Таблица 3Параметры горючести древесины без огнезащитной обработки
Параметры
Опытные данные воспламеняемости, сек
τ<sub>i,пдж</sub>
20
20
25
30
35
40
45
90
120
120
160
180
240
τ<sub>i,caм</sub>
260
250
275
270
265
210
255
160
50
150
130
50
40
τ<sub>i,общ</sub>
280
270
300
300
300
250
300
250
170
270
290
230
280
1 - линия регрессии искомой функции (11):
2 - данные огневых испытаний;
3 - область предела воспламенения образцов древесины θ=(15÷35)сек;
x - точки на координатной сетке - данные опытов (табл.3).
caм
max
На фиг.2 приведена табличная функциональная зависимость τ=f(τ) для образцов антипирированной древесины:
1 - линия регрессии искомой функции (12):
2 - данные огневых испытаний;
3 - область предела воспламенения образцов древесины θ=(35÷85) сек;
x - точки на координатной сетке - данные опытов (табл.4).
Таблица 4Параметры горючести антипирированной древесины
Параметры
Опытные данные воспламеняемости, сек
τ<sub>i,пдж</sub>
20
35
40
50
60
70
80
90
100
110
110
120
240
τ<sub>i,сам</sub>
225
260
235
240
280
230
280
270
240
90
70
120
15
τ<sub>i,общ</sub>
245
295
275
290
340
300
360
360
340
200
180
240
255
сам,max,
Максимальное значение длительности самостоятельного пламенного горения испытуемого материала tсек, находят в первом приближении как среднее выборки в области предела воспламенения образцов.
сам
пдж
сам,max,
После математического описания процесса воспламенения горючего материала в виде функции одной переменной τ=f(τ) максимальное значение длительности самостоятельного пламенного горения t сек, определяют как ординату точки экстремума (максимума) функции, в которой производная функции равна нулю.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:
а) средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в строительной промышленности, а именно в классификации материала пожароопасных конструкций зданий по показателям сопротивления их термическому воздействию; б) для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов; в) предложенный способ применен при испытаниях образцов деревянных конструкций 56 жилых и общественных зданий в г.Самаре (2007-2008 г.г.). Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленно применимо».
Источники информации
1. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1972. - 416 с.; п.2.4. Метод огневой трубы. С. 61-63.
2. А.с. 366 397 СССР, МКИ. G01n 25/50. Способ определения горючести отделочных и облицовочных материалов / В.Ф.Киселев, В.Г.Фукалов, Э.И.Романов и др. - Опубл. 16.01.73, Бюл. №7.
3. ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Методы испытания на горючесть. Разд.7, с.9-14.
4. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. С.18-24.