Проблемы оценки ресурса работоспособности огнезащитных вспенивающихся покрытий

С. А. Ненахов

канд. хим. наук, ведущий научный сотрудникНПП "ТЕПЛОХИМ"

УДК 614.84:661.174

ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ РЕСУРСА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ВСПЕНИВАЮЩИХСЯ ПОКРЫТИЙ

Сложившаяся к настоящему времени нормативно-правовая база оценки и сертификации огнезащитных покрытий сыграла в свое время важную роль, упорядочив и узаконив процедуры в области огнезащиты в нашей стране. Вместе с тем практика применения стандартов за прошедшие годы показала наличие определенных проблем и необходимость совершенствования нормативной базы. Сэтими проблемами сталкиваются и проектанты, и изготовители огнезащитных материалов, и надзорные организации. По-видимому, наиболее серьезные проблемы накопились в части огнезащиты стальных конструкций. В статье рассмотрены наиболее актуальные проблемы процедурного характера при оценке ресурса работоспособности огнезащитных вспенивающихся покрытий для стальных конструкций, требующие безотлагательного решения.

Ключевые слова: огнезащита, стальные конструкции, ресурс, работоспособность, метод испытания, покрытие.

Первые шаги по стандартизации в области огнезащиты были предприняты в нашей стране в рамках стандартов СЭВ в конце 80-х годов [1]. Сравнительно недавно, а именно в середине 90-х годов, благодаря ЦНИИСК им. Кучеренко и ВНИИ противопожарной обороны (ВНИИПО) появились основополагающие стандарты в области огнезащиты —это серия стандартов ГОСТ 30247 [2-4]. С1993 по 1999 г.г. появляется серия стандартов — нормы пожарной безопасности (НПБ), в которых регламентируются процедуры испытания огнезащитных средств применительно к различным конструкциям из разнообразных материалов: металлов, пластиков, древесины. В 2008 г. осуществлена регламентация всех видов деятельности в области пожарной безопасности на уровне федерального нормативно-правового акта [5]. В настоящее время выполняется работа по повышению статуса НПБ до статуса ГОСТ, например в феврале 2009 г. в действие был введен ГОСТ Р 53295-2009 [6], повторяющий основные положения НПБ 236-97 [7].

Построение в середине 90-х годов системы принципов огнезащиты и способов организации и выполнения испытаний и экспериментальных исследований сыграло в свое время важную роль, упорядочив и узаконив процедуры в практике огнезащиты в нашей стране.

Вместе с тем практика применения НПБ за прошедшие годы показала наличие определенных проблем и необходимость совершенствования нор-

мативной базы. По-видимому, наиболее серьезные проблемы накопились в части огнезащиты стальных конструкций. В силу важности данной сферы для строительства представляется своевременным обозначить эти проблемы, поскольку заблаговременное выявление источников возможных неприятностей способствует их предотвращению. Заметим, что новый ГОСТ Р 53295-2009 в сущности повторяет НПБ 236. Принципиальные новшества указанного стандарта заключаются в двух моментах: во-первых, из испытательной процедуры справедливо изъяты вопросы сертификации, во-вторых, группа огнезащитной эффективности в 90 мин приобрела статус норматива. Поскольку новый ГОСТ не отменил использования НПБ 236 и воспроизводит процедуру, изложенную в последнем документе, авторы статьи сочли возможным при рассмотрении проблем апеллировать к НПБ 236.

Вкратце основные положения НПБ 236 [7] заключаются в следующем. Нормы устанавливают общие требования к огнезащитным составам для стальных конструкций и методы определения огнезащитной эффективности составов (основной и контрольный), регламентируют порядок сертификации пожарной безопасности. НПБ 236 предписывают отнесение испытуемого покрытия к определенной группе огнезащитной эффективности.

Требования к огнезащитным составам включают: требования к технической документации на производство и применение составов, требования

к производству и применению составов; общие требования к испытаниям.

Собственно испытания выполняются на двух образцах — стальных колоннах двутаврового сечения профиля № 20, на которые наносится огнезащитный состав. Высота образца составляет 1700 мм, приведенная толщина металла (ПТМ) — 3,4 мм. Толщина покрытия на колоннах не оговаривается, но подразумевается одинаковой на обеих колоннах: "6.5.2. Огнезащитная эффективность покрытия для стальных конструкций определяется как среднее арифметическое значение результатов испытаний двух образцов".

Испытания проводятся без статической нагрузки при четырехстороннем тепловом воздействии до наступления предельного состояния опытного образца. Для стали в качестве предельного состояния принимается температура, равная 500 °С. Температуру образца измеряют с помощью термоэлектрических преобразователей (ТЭП) в количестве 3 штук, установленных в среднем сечении образца на стенку и на внутренние поверхности полок двутавра. Температуру среды фиксируют несколькими ТЭП, расположенными в одной плоскости на уровне 1/2 высоты колонны. О калибровке стендового оборудования, предписываемого ГОСТ 30247.0 [2], в НПБ 236 ничего не говорится. За результат испытания принимается время достижения (в минутах) предельного состояния опытного образца, в данном случае — потери покрытием теплоизолирующей способности.

Сортамент используемых в строительстве двутавров [8] включает 17 типоразмеров с массой металла на один погонный метр примерно от 10 до 110 кг (с толщиной стенки от 4,5 до 12ммилиспри-веденной толщиной металла от 2,8 до 7,4 мм). Для обеспечения необходимых показателей огнезащиты толщина покрытия может составлять от 0,2 до 3,5 мм. Таким образом, в результате испытаний, предусмотренных так называемой обязательной сертификацией, фиксируется единственный показатель "толщина - время" из обширного диапазона значений, используемых в строительной практике (см. рисунок).

Очевидно, что эта "единственная точка" не дает представления об эффективности огнезащитного покрытия при других значениях толщины покрытия и приведенной толщины металла. Она также не дает оснований сравнивать эффективность покрытий различных производителей, поскольку из четырех переменных параметров (ПТМ, толщина покрытия, предельное время, предельная температура) в испытании фиксируются только два (ПТМ и предельная температура), а два остаются переменными.

Правда, в НПБ 236 [7, п. 4.11] говорится о возможности проведения испытаний по расширенной программе "при научно-техническом обосновании

а &

о с

си № 15

В н§

Значение, фиксируемое по НПБ 236

.....

0123456789 10 Приведенная толщина металла, мм

Диапазон типичных значений приведенной толщины металла и исходной толщины вспенивающегося огнезащитного покрытия и фиксируемое по НПБ 236 значение

по инициативе заказчика, ...целью которых будет являться построение обобщенной зависимости огнезащитной эффективности конкретного средства огнезащиты от приведенной толщины металла и толщины огнезащитного покрытия". Сколько должно быть испытаний в этой программе? Каков алгоритм построения обобщенной зависимости? Что значит "научно-техническое обоснование" в отсутствие общепринятого стандарта? Какие либо регламентации здесь отсутствуют. И проектанты, и разработчики, и испытатели действуют на свой страх и риск. И проектанты, и надзорные службы справедливо сетуют на "научно-технический" волюнтаризм в этом важном вопросе.

С точки зрения тех, кто обязан сертифицировать свою огнезащитную продукцию, наиболее спорным представляется наличие в НПБ 236 положения о пяти группах огнезащитной эффективности, "перекочевавшее" сюда из ГОСТ 30247. Ни в коей мере не умаляя целесообразности групповой дифференциации огнезащитных материалов по эффективности при проектировании огнезащиты и сертификации, нельзя не видеть, что это положение, "встроенное" в методику определения огнезащитной эффективности продукции, сомнительное с точки зрения корректности сопоставления эффективности различных материалов, неизбежно должно приводить либо к огромным материальным затратам для производителей, разработчиков и продавцов, либо к спекуляциям.

Например, пусть при испытании некоторого покрытия толщиной 1,3 мм предельное состояние достигнуто на 55-й мин. Конечно, такое покрытие не будет определено в 60-ти минутную группу, а будет ранжировано сертификатом пожарной безопасности в 45-ти минутную группу с толщиной покрытия 1,3 мм. Таким образом, продавец или производитель оказывается в ситуации, когда ему надо (может быть, неоднократно) повторять дорогостоящие испытания с меньшими толщинами покрытий и выходить путем проб на показатель, который обеспечит огнезащитную эффективность именно в 45 мин, либо материал окажется неконкурентоспособным.

Ссылки на фактическое достигнутое время, содержащиеся в протоколах испытаний, проектантами и надзорными органами не принимаются на том основании, что "сертификат выдан на 45 мин". Может показаться, что при таком "одноточечном подходе" снимается проблема сопоставления огнезащитной эффективности различных материалов, но это не так. Сказанное ведет либо к неоправданному увеличению объемов испытаний, либо к спекуляциям. Объем испытаний и должен быть большим, поскольку для практических целей необходимо охватить достаточно большие диапазоны ПТМ и толщины покрытия. Но пусть это будут объективные и действительно необходимые данные, а не эксперименты ради подгонки.

Аналогичные европейские стандарты по методам испытаний [9, 10] требований по группам не содержат, притом, что понятие групповой дифференциации используется и в них.

Другие методические и методологические проблемы можно вкратце сформулировать следующим образом:

1. Отсутствуют возможность экспериментального определения, а также стандартизованная методика расчета потери несущей способности защищаемыми изделиями, хотя в сертификатах достаточно часто фигурирует этот показатель безо всякого на то обоснования. Очевидно, что потеря несущей способности зависит не только от температуры, но и от условий нагружения: в некоторых случаях устойчивость конструкции может нарушиться при 400 °С, а в некоторых конструкция будет устойчивой при нагреве до 600 °С. Определенные разработки в этом направлении уже существуют, в том числе достаточно давние [11] и новые: для стальных и железобетонных конструкций [12], для стальных конструкций [13], защищенных минераловатными плитами, для других различных приложений [14], но эти методики еще не приобрели статус общепризнанных стандартов. Особенно актуальной проблема создания методики определения предела несущей способности стальных конструкций становится в связи с принятием Федерального закона [5], в котором в статье 58 "Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций" в изложении пределов огнестойкости строительных конструкций фигурирует в основном предел потери несущей способности как индивидуальный показатель либо в сочетании с другими пределами. Тогда как такое предельное состояние, как потеря теплоизолирующей способности (I), определяемое по НПБ 236 [7], даже не фигурирует как индивидуальный показатель, а только в сочетании с показателем предела потери несущей способности.

2. Отсутствует возможность оценки влияния деформирования покрытия на его огнезащитную эф-

фективность. Очевидно, что распространять данные, полученные практически в статических условиях (на вертикально стоящих стальных колоннах, которые практически не деформируются), на динамические условия (деформирующиеся балки) некорректно, поскольку пенококсы весьма хрупки и незначительные напряжения и деформации чреваты разрушением слоя вспененного кокса и, соответственно, потерей ресурса работоспособности.

3. Отсутствует стандартизованная методика интерполирования данных в границах изученного диапазона толщины покрытия и приведенной толщины металла. Очевидно, что экспериментальный перебор всех возможных сочетаний толщины покрытия и приведенной толщины металла представляет собой огромную по объему, да и ненужную работу. Поэтому производители огнезащитных материалов "изобретают" каждый свою методику, тщательно скрывают ее от конкурентов, а стало быть, и от общественности. Насколько используемые в настоящее время методики сопоставимы — никто не знает. В то же время необходимые для интерполирования упрощения дифференциальной модели процесса теплопроводности, позволяющие получить простое численно-аналитическое решение дифференциального уравнения, существуют, в том числе и методы определения теплофизических характеристик огнезащитных материалов [15].

4. Основной и контрольный методы испытания, предусматриваемые при обязательной сертификации, не коррелируют, поскольку предполагают совершенно разные условия испытания. Поэтому непонятно: что контролируется в так называемом "контрольном" методе испытания?

5. Измерение температуры среды и колонны только в одном положении — на уровне 1 /2 высоты колонны — не отражает ситуации реального пожара и самих испытаний.

Надо полагать, что проектанты, занимающиеся сооружениями с применением огнезащиты, легко расширят этот перечень проблем (необходимость испытания тонкослойных металлических конструкций, стандартизация требований к номограммам эффективности для разных толщин покрытий и ПТМ и т. д.).

Испытания по НПБ 236 [7], на первый взгляд, представляются весьма щадящими. Действительно, в соответствии с этим стандартом выполняется ограниченный объем испытаний. Однако этот объем не отвечает потребностям проектирования и поэтому вынуждает проводить затем большое число так называемых добровольных испытаний, по сути никак не регламентированных. То есть он не отвечает техническим потребностям и возможностям сегодняшнего дня.

Очевидно, что такой объем проблем не может быть решен с помощью простейших одиночных

действий, а потребует, скорее всего, системного пересмотра нескольких стандартов.

Для решения проблемы точного значения толщины покрытия на границах временных интервалов и охвата необходимого для проектирования диапазона значений приведенной толщины металла и временных интервалов можно воспользоваться подходом, принятом в аналогичном европейском стандарте [9]. В нем предусмотрено опытное определение огнезащитных параметров по границам диапазона толщины покрытия (как правило, от 0,2 до 2,5 мм) и приведенной толщины металла (2-25 мм) от возможных минимальных до возможных максимальных значений. Внутри этого диапазона определение параметров производится расчетным путем (интерполяцией).

Без совершенствования нормативной базы и дальнейшего организационного упорядочения практики сертифицирования мы рискуем стать свидетелями достижения запредельной с точки зрения физической химии огнезащитной эффективности для такого класса огнезащитных материалов, как вспенивающиеся покрытия на основе фосфат-аммоний-углеводородных составов.

Учитывая, что такого рода работы потребуют скрупулезного труда и достаточно длительного времени, то следовало бы приступить к ним немедленно, иначе отечественная огнезащита стальных конструкций рискует на многие годы остаться не отвечающей современным запросам и уже достигнутому мировому уровню.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СТ СЭВ 383-87. Пожарная безопасность в строительстве. Термины и определения. — Введ. 1988-01-01. — М. : Изд-во стандартов, 1987.

2. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Об-щиетребования. — Введ. 1996-01-01. — М. : Изд-во стандартов, 1996.

3. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. — Введ. 1996-01-01. — М. : ИПК Изд-во стандартов, 1995.

4. ГОСТ 30247.2-97. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Двери и ворота. — Начало действия 01.03.1997. — Конецдействия 01.05.2009. — М. : ГУП ЦПП, 1997.

5. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : федер. закон от 22 июля 2008 г. № 123-Ф3 : принят Гос. Думой 4 июля 2008 г. : одобр. Советом Федерации 11 июля 2008 г. — М.: ФГУ ВНИИПО, 2008. — 157 с.

6. ГОСТ Р 53295-2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности. — Введ. 2010-01-01 с правом досрочного применения. — М. : Стандартинформ, 2009.

7. НПБ 236-97. Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности : утв. ГУГПС МВД РФ 29.04.1997 и МЧС России 18.06.2003 : ввод. вдействие 01.06.1997. — М. : Типография ВНИИПО МВД России, 1997.

8. ГОСТ 8239-89. Двутавры стальные горячекатаные. Сортамент. — Введ. 1990-07-01. — М. : ИПК Изд-во стандартов, 2003.

9. BS ENV 1363-1:1999. Fire resistancetests. Part 1: General requirements.

10. BS ENV 13381-4: Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members. Part 4: Applied protection to steel members.

11. Пособие по определению пределов огнестойкости, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов. — М. : ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко Госстроя СССР, 1985.

12. Дмитриев, А. Н. Особенности расчета фактических пределов огнестойкости сталежелезо-бетонных строительных конструкций / А. Н. Дмитриев, Н. Ф. Давыдкин, В. Л. Страхов // Промышленное и гражданское строительство. — 2007. — № 6.

13. Инструкция по расчету фактических пределов огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит "Conlit" производства фирмы "Rockwool". — М. : ВНИИПО, 2006.

14. Пузач, С. В. Расчет фактических пределов огнестойкости строительных конструкций с учетом реальных параметров пожара, действий систем пожаротушения, механической вентиляции и дымоудаления (математическая модель и методика расчета) / С. В. Пузач, С. И. Зернов, А. И. Богатищев [и др.]. — Саранск : Мордовское книжное изд-во, 2004. — 80 с.

15. Круковский, П. Г. Обратные задачи тепломассопереноса. Общий инженерный подход / П. Г. Круковский. — Киев : Институттехн. теплофизики НАН Украины, 1998. — 224 с.

Материал поступил в редакцию 15.10.09.

© Ненахов С. А., Пименова В. П., Пименов А. Л., 2009 г.

(e-mail: nenakhov.st@list.ru).