СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОГНЕЗАЩИТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНЫХ СОСТАВОВ И ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ДРЕВЕСИНЫ И МАТЕРИАЛОВ НА ЕЕ ОСНОВЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING FIRE-RESISTANT EFFICIENCY OF PROTECTIVE COMPOUNDS AND COATINGS FOR TIMBER AND MATERIALS ON ITS BASIS, AND UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к технике проведения экспериментального исследования огнезащитной эффективности защитных составов, покрытий и пропиток для древесины и материалов на ее основе с целью получения классификационных характеристик при сравнительных и сертификационных испытаниях, климатических и ускоренных испытаниях.
Известны экспериментальные установки для проведения испытаний по оценке огнезащитной эффективности защитных составов и покрытий для древесины и связанные с ними способы оценки и исследования эффективности защитных составов и покрытий.
Например, в ГОСТ 16363-98 и ГОСТ Р 53292-2009 приведены близкие по конструкции установки и способы проведения испытаний по оценке огнезащитной эффективности на образцах древесины размером 150×60×30 мм.
В ГОСТ Р 53293-2009 (п.5.4) предложено оценивать огнезащитные свойства на микрообразцах от 1 мг до 20 мг, снятых с поверхности пропитанной древесины (стружка толщиной от 0,5 до 1 мм). В этом случае установкой для испытаний образцов является дорогостоящее оборудование - дериватограф или термоаналитический комплекс.
Сущность всех упомянутых методов заключается в определении потери массы испытуемого образца древесины, обработанного огнезащитным составом.
При этом в одних случаях оценивается лишь конечное значение изменения массы образца (ГОСТ 16363-98, ГОСТ Р 53292-2009) и отсутствует возможность отслеживания изменения этой массы по ходу эксперимента, а в другом (ГОСТ Р 53292-2009) имеется возможность проследить изменение массы образца в ходе эксперимента, но отсутствует пламенное воздействие на образец, т.к. сама конструкция приборов термического анализа предусматривает лишь воздействие на образец тепловым потоком (не предусмотрен открытый источник пламени, воздействующий на образец). (см. «Краткая химическая энциклопедия», т.5, с.89-91, М.: «СЭ», 1967 г.).
Кроме этого, данный метод согласно сведениям, изложенным в ГОСТ Р 53293-2009 (п.5.4), рекомендован для древесины, обработанной лишь пропиточными составами, и не предусматривает испытания древесины, имеющей сверху слой огнезащитного покрытия (краски, лаки, эмали и т.д.), т.к. в этом случае отобрать однородный микрообразец (древесина+огнезащитный слой) не представляется возможным, что является существенным недостатком, ограничивающим применение данного устройства.
Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению является установка и способ проведения испытаний, приведенные в ГОСТ Р 53292-2009 «Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытания», (п.6).
Известная установка содержит съемный керамический короб с внешним размером 120×120×300 мм с толщиной стенки (16±2) мм, внутренняя поверхность которого покрывается тонкой алюминиевой фольгой для лучшего обеспечения аккумуляции тепла, держатель для фиксации деревянного образца размером 30×60×150 мм с огнезащитой внутри керамического короба по его центру на расстоянии (60±2) мм от газовой горелки. В нижнюю часть короба по его центру выходит сопло газовой горелки. Сам керамический короб установлен на специальной подставке с воздухозаборными отверстиями, а внутри подставки укреплена газовая горелка. Сверху над керамическим коробом соосно ему, на расстоянии (40±2) мм, размещен металлический зонт квадратного сечения с укрепленным в его верхней, узкой части спаем термоэлектрического преобразователя для измерения температуры отходящих газообразных продуктов сгорания при помощи потенциометра с пределами измерения от 0°C до 800°C. Металлический зонт укреплен на специальной вертикальной штанге с возможностью горизонтального вращения с целью обеспечения возможности его поворота при опускании образца в керамический короб и приведения его в исходное положение по завершении опускания (начальный момент огневых испытаний). Расход газа в горелке измеряется ротаметром и регулируется его игольчатым вентилем.
Известный способ проведения испытаний с использованием известной установки включат в себя следующие основные стадии:
1) подготовка и кондиционирование образцов древесины с огнезащитой;
2) проведение огневых испытаний образцов на установке;
3) обработка результатов испытаний и классификация средства огнезащиты.
В ходе огневых испытаний кондиционированный взвешенный образец древесины с огнезащитой закрепляют на специальном держателе и помещают в керамический короб с работающей газовой горелкой. В керамическом коробе образец подвергают воздействию нормированного источника пламени в течение фиксированного времени (2 минуты). После этого газовую горелку отключают и образец оставляют в керамическом коробе до момента, когда температура отходящих через зонт газообразных продуктов сгорания по показаниям потенциометра сравняется с температурой окружающего воздуха. После этого образец (или то, что осталось от образца после его горения) вынимают из керамического короба и взвешивают. Определяют потерю массы образца в % от исходной его массы до испытания. По усредненному значению показателя потери массы (не менее 10 опытов) проводят классификацию примененного средства защиты.
По ходу проведения огневых испытаний каждого образца оператор:
1)определяет начальную массу образца;
2)опускает образец, закрепленный на держателе, в керамический короб с работающей горелкой;
3)контролирует и поддерживает расход газа в горелке;
4)фиксирует время работы горелки (2 мин) и отключает ее по истечении установленного времени;
5)ведет наблюдение за поведением образца и температурой отходящих продуктов сгорания по показанию потенциометра в ходе всего эксперимента;
6)извлекает образец (остатки образца) из керамического короба по достижении момента, когда температура отходящих газов через зонт по показаниям потенциометра сравняется с температурой окружающего воздуха;
7)взвешивает извлеченный образец (остатки образца) и определяет потерю массы образца в % от исходной его массы.
Подача газа в горелку по ходу испытания контролируется ротаметром и регулируется игольчатым вентилем ротаметра. Перед началом каждого испытания проверяется и регулируется подача газа по высоте пламени (20±5) м, а затем и по температуре отходящих продуктов сгорания (холостой опыт без образца) в верхней части зонта (200±5)°C. Огневые испытания (ГОСТ Р 53292-2009) образца проводят после стабилизации установленного расхода газа и требуемого значения температуры отходящих газов через зонт установки.
Воздух, необходимый для сгорания газа и других возможных горючих продуктов, поступает через воздухозаборные отверстия подставки керамического короба.
Характер поведения образца при огневом испытании целиком определяется огнезащитной эффективностью защитного средства. Так в зависимости от эффективности огнезащитного средства за время работы газовой горелки образец может вовсе не воспламениться, либо воспламениться и самостоятельно потухнуть сразу после ее отключения, либо воспламениться и самостоятельно гореть некоторое время после отключения источника пламени и затем потухнуть, а может и продолжать гореть до полного выгорания.
Чем больше потеря массы образца при огневых испытаниях, тем менее эффективно примененное огнезащитное средство.
Известный способ для классификационной характеристики средств огнезащиты предлагает два предельных значения потери массы образца 9% и 25%.
При этом средства огнезащиты согласно ГОСТ Р 53292-2009, обеспечивающие потерю массы, меньшую или равную 9%, относятся к огнезащитным средствам I группы огнезащитной эффективности, а обеспечивающие потерю массы в пределах от более 9% до 25% включительно - ко II группе огнезащитной эффективности. Средства защиты, у которых потеря массы образца оказывается более 25%, к огнезащитным средствам не относятся.
В известном способе проведения испытаний продолжительность огневого испытания образца складывается из двух частей: первой - время работы газовой горелки (2 мин) и второй - время от момента отключения горелки до момента, когда температура отходящих газов сравняется температурой окружающего воздуха (25±5)°C.
И если первая часть продолжительности экперимента строго нормирована, то вторая может протекать неопределенно долго (от нескольких минут до нескольких десятков минут). Продолжительность второй части эксперимента непредсказуема и определяется характером самостоятельного горения образца. Так, если у образца, уже существенно потерявшего массу от его исходной массы, горение переходит в режим тления, то это горение может продолжаться длительное время (см. «Пожарная безопасность. Энциклопедия», М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2007, с.69, 360).
Последнее обстоятельство является существенным недостатком, т.к. значительно увеличивает трудоемкость и непредсказуемость длительности полного цикла испытаний с учетом того, что для усреднения данных нужно получить не менее 10 сходящихся по значениям результатов эксперимента.
Таким образом, время, потраченное на «догорание» образца с уже фактическим превышением предельного значения по потере массы (25%), при классификационных испытаниях будет не продуктивным.
Происходит это потому, что оператор в известном способе имеет лишь информацию о текущем значении температуры отходящих продуктов сгорания, но не имеет информации о текущем изменении массы испытуемого образца. Отсутствие этих данных также существенно ограничивает исследовательские возможности известного способа проведения испытаний средств огнезащиты древесины и материалов на ее основе, т.к. в этом случае осложняется выявление механизма действия огнезащиты на разных стадиях процессов воспламенения и горения и к тому же увеличивается неоправданно продолжительность эксперимента.
Другим недостатком известной конструкции прибора и связанного с ним способа проведения испытания является то, что выходное сопло горелки, находящееся внутри керамического короба, может неожиданно засориться в процессе испытания отваливающимися крупными частицами древесного кокса, золы, термически вспученных частичек огнезащитных покрытий. Это обстоятельство, в свою очередь, может привести к изменению площади проходного сечения горелки и нарушить режим сгорания газа, изменить форму факела пламени, что, в свою очередь, приведет к искажению результатов испытания.
Отсутствие в известной установке вентиля, расположенного как можно ближе к газовой горелке и перекрывающего мгновенно подачу газа в горелку, приводит к возникновению эффекта дополнительного ненормированного теплового и пламенного воздействия на испытуемый образец из-за сгорания в горелке остаточного объема газа, находящегося под давлением в трубопроводе после его отключения.
Имеющийся же на ротаметре игольчатый вентиль является регулировочным и не может мгновенно перекрыть газ.
Задачей изобретения является совершенствование конструкции установки для проведения испытаний по оценке огнезащитной эффективности защитных составов и покрытий для древесины и материалов на ее основе и связанного с ней способа проведения испытаний, устраняющее отмеченные недостатки.
Технический результат, достигаемый предложенными способом и установкой, заключается в сокращении времени проведения испытаний, обеспечении возможности получения комплексных характеристик для исследования механизма огнезащиты путем обеспечения возможности отслеживания изменения массы образца в ходе проведения испытаний.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения огнезащитной эффективности защитных составов и покрытий для древесины и материалов на ее основе, включающем подготовку образца, воздействие пламенем на образец, измерение температуры отходящих газообразных продуктов сгорания во время воздействия пламенем на образец и после прекращения воздействия до момента окончания испытаний, измерение массы образца и определение потери массы, по которой определяют огнезащитную эффективность, согласно изобретению осуществляют измерение массы образца непрерывно во время воздействия пламенем на образец и после прекращения воздействия, а за момент окончания испытаний принимают момент превышения заданной предельной потери массы или момент стабилизации массы образца после прекращения его горения.
Технический результат также достигается тем, что установка для определения огнезащитной эффективности защитных составов и покрытий для древесины и материалов на ее основе, содержащая открытую с противоположных сторон камеру для размещения образца, газовую горелку, расположенную с нижней открытой стороны камеры, расположенное с верхней открытой стороны камеры вытяжное устройство с термоэлектрическим преобразователем, прибор измерения и записи температуры отходящих газообразных продуктов сгорания и систему измерения и регулирования расхода подачи газа в горелку, согласно изобретению снабжена устройством для автоматического измерения и записи во времени массы образца в ходе огневых испытаний, включающим рычажный механизм, выполненный с возможностью установки держателя образца и связанный с прибором для измерения массы, соединенным с блоком обработки и записи.
В предпочтительном варианте рычажный механизм представляет собой закрепленный на шарнирной опоре вилкообразный рычаг, на концах вилкообразной части которого закреплены ложементы для размещения держателя образца, а противоположная часть которого имеет балансировочное приспособление и связана с прибором для измерения массы.
Кроме того, сопло газовой горелки предпочтительно имеет защитный сетчатый колпачок из термостойкого нержавеющего металлического сплава.
Кроме того, система измерения и регулирования подачи газа в горелку предпочтительно включает ротаметр и кран, установленный между горелкой и ротаметром.
Возможность отслеживания изменения массы образца в ходе эксперимента позволяет не только проводить классификацию эффективности средств огнезащиты по конечным значениям потери массы образцов, но и получать наряду с этим важную дополнительную информацию - характеристики изменения массы образца от времени, по ходу эксперимента. При сопоставлении полученной зависимости изменения массы образца во времени с аналогичной зависимостью изменения температуры отходящих газов имеется возможность получать комплексные кинетические характеристики процесса горения огнезащищенной древесины, что представляет интерес для анализа механизма огнезащиты.
На фиг.1 изображена предлагаемая установка для определения огнезащитной эффективности защитных составов и покрытий для древесины и материалов на ее основе (общий вид, вид спереди); на фиг.2 - вид установки сбоку и принципиальная схема взаимосвязи основных узлов приспособления для автоматического определения массы образца в ходе эксперимента; на фиг.3 - принципиальная схема вилкообразного рычажного механизма в рабочем положении в сочетании с керамическим коробом, держателем образца и самого образца (вид сверху); на фиг.4 - фрагмент сопла газовой горелки с защитным сетчатым колпачком.
Установка для определения огнезащитной эффективности защитных составов и покрытий для древесины и материалов на ее основе содержит следующие основные элементы: камеру в виде открытого сверху и снизу керамического короба 1; газовую горелку 2 с надетым на ее выходное сопло защитным сетчатым колпачком 3; прямоугольную подставку 4 под короб 1 с воздухозаборными отверстиями на боковых стенках и отверстием для горелки 2, устанавливаемой внутри подставки 4 таким образом, что ее выходное сопло размещено в нижней части короба 1; держатель 5 для удержания образца 6 древесины в керамическом коробе 1; рычажный механизм в виде вилкообразного рычага 7 с ложементами для удержания держателя 5 образца; вытяжное устройство над коробом 1 в виде металлического зонта 8 квадратного сечения для отвода продуктов сгорания с укрепленным в его узкой верхней части термоэлектрическим преобразователем 9 для измерения температуры отходящих продуктов сгорания; вертикальную штангу 10 для крепления и поворота зонта 8; систему измерения и регулирования расхода подачи газа в горелку 2, включающую ротаметр 11 газа с игольчатым вентилем для регулирования расхода газа в горелке 2 и шаровой кран 12 для отключения подачи газа и пламени 13 газовой горелки 2.
Внутренняя поверхность съемного керамического короба 1 покрывается тонкой алюминиевой фольгой для лучшего обеспечения аккумуляции тепла образцом 6 при испытаниях.
Устройство для автоматического определения и записи массы образца в ходе огневых испытаний включает в себя систему уравновешенного рычажного механизма в виде вилкообразного рычага 7 из инструментальной стали, зафиксированного во вращающейся осевой опоре 15 с низким коэффициентом скольжения. Вилкообразная часть рычага 7 имеет на каждом из двух концов соосно закрепленные ложементы 14 для удержания и фиксации держателя 5 испытуемого образца 6 древесины в виде горизонтальной осевой штанги, а внутреннее расстояние между двумя концами вилки должно обеспечивать свободное прохождение внутрь ее керамического короба 1. Противоположная часть рычага 7 механизма выполнена в виде плеча с регулировочным винтом (на чертежах не показан) для балансировки системы в исходном положении и имеет привод к прибору для измерения массы - автоматическим электронным лабораторным весам 16. Весы 16 оборудованы системой фиксации исходного положения в неработающем состоянии и имеют возможность обнуления показаний навески, а также интерфейс для передачи и обработки данных на компьютере 17, к которому подключен и термоэлектрический преобразователь 9 для измерения и записи во времени температуры отходящих газообразных продуктов сгорания.
Держатель 5 образца при проведении эксперимента фиксируется с верхней открытой стороны керамического короба 1 на двух ложементах (правом и левом) 14 вилкообразного рычага 7 и не касается керамического короба 1, но обеспечивает местоположение образца 6 в керамическом коробе 1, аналогичное с известной установкой. Рычажный механизм 7 сбалансирован и закреплен в шарнирной опоре 15, свободно вращающейся в вертикальной плоскости. Усилия, возникающие от массы образца 6 древесины, при испытаниях передаются через рычажный механизм на лабораторные весы 16. Данные по изменению массы образца 6 и температуры отходящих через зонт 8 продуктов сгорания по интерфейсу передаются на компьютер 17 и обрабатываются в виде совмещенной диаграммы: масса образца - функция времени 18, температура газообразных продуктов сгорания - функция времени 19.
Габаритные размеры, конструкция, устройство и способ крепления керамического короба 1, зонта 8, подставки 4, горелки 2, образца 6 в держателе 5, ротаметра 11 соответствуют известному устройству.
Дополнительный шаровой кран 13, установленный на газоподводящем патрубке между горелкой 2 и ротаметром 11 как можно ближе к горелке 2 непосредственно перед подставкой 4, позволяет быстро отключить по истечении 2 мин экспозиции пламя горелки 2, т.к. при таком расположении крана 13 объем газа, свободно истекающий и находящийся в газоподводящей трубке после закрытия газового крана предельно минимален и отсутствует эффект последующего неконтролируемого «догорания» значительных остатков газа в горелке.
Внутреннее расстояние Lv между двумя вилками (см. фиг.3) рычага 7 устанавливается из следующего соотношения:
Lv=Lk+2s,
где s=10±5 мм - люфт между внутренней поверхностью вилки рычага 7 и внешней поверхностью керамического короба 1, обеспечивающий удобство работы при измерении массы образца 6 и исключающий помехи;
Lk - ширина (внешняя) керамического короба 1.
Высота h защитного сетчатого колпачка 3, надеваемого на выходное сопло горелки 2 (см. фиг.4), устанавливается равной наружному диаметру выходного сопла горелки D, т.к. при этих условиях защитная сетка колпачка 3 будет находиться в наиболее холодной части факела пламени и не подвергаться перекаливанию (Большая советская энциклопедия, т.7, с.224-225, 3-е изд., М.: «СЭ», 1972 г.) и в то же время иметь необходимый наклон, обеспечивающий скатывание с нее частичек кокса.
Установка работает следующим образом.
Перед началом испытаний осуществляют настройку и контроль правильности работы рычажного механизма в сочетании с весами 16. Для этого производят контрольное определение известной массы образца 6 на держателе 5, помещенном на ложементы 14 горизонтально расположенного и сбалансированного вилкообразного рычага 7. При совпадении контрольной массы с показанием весов 16 система определения массы образца считается готовой к испытанию. В случае расхождений в показаниях масс система регулируется балансировкой рычажного механизма и настройкой весов 16.
Далее проверяют высоту пламени горелки 2 и температуру отходящих продуктов сгорания при работающей горелке 2, так же как на известной установке. После этого взвешенный образец 6 древесины с огнезащитой закрепляют на держателе 5. Затем отводят зонт 8 и образец 6 опускают в центр сечения керамического короба 1 с работающей газовой горелкой 2 таким образом, чтобы штанга держателя 5 встала одновременно на правый и на левый ложементы 14 вилкообразного рычага 7, который предварительно приведен в равновесие с учетом наличия держателя 5 (без образца) и зафиксирован. Далее, одновременно возвращают в рабочее положение зонт 8, включают весы 16 со снятием фиксации рычажного механизма и ведут запись показаний термоэлектрического преобразователя 9 и массы образца 6 на компьютер 17 в виде графиков 18 и 19.
По завершении экспозиции воздействия на образец газовой горелки (2 мин) отключают подачу газа в горелку 2 шаровым краном 12 и продолжают измерение и запись параметров на компьютере.
При классификационных испытаниях средств огнезащиты завершение эксперимента после 2 мин воздействия горелки на образец происходит при выполнении одного из двух условий:
а) образец потерял массу больше установленного классификационного предельного значения по показаниям весов 16 на графике 18 (см. фиг.2), независимо от температуры, определяемой по показанию термоэлектрического преобразователя 9 на графике 19, (см. фиг.2);
б) образец не горит (температура отходящих газообразных продуктов по показаниям термоэлектрического преобразователя 9 в зонте 8 резко падает), масса образца 6 по показаниям весов 16 на графике 18 стабилизируется (не изменяется во времени) (см. фиг.2).
Классификация средств огнезащиты и оценка усредненных результатов испытаний на предложенной установке проводится в соответствии с действующим стандартом.
В таблице приведены примеры реализации предложенного способа испытаний в сравнении с известным и полученные результаты для образцов древесины - сосны, обработанных известным огнезащитным составом МС (см. «Способы и средства огнезащиты древесины: Руководство», М.: ВНИИПО, 1994 г., с.21-24).
Во всех приведенных примерах (см. таблицу пп.1-4) подготовка и кондиционирование образцов, крепление образцов в держателе, регулировка и настройка подачи газа в горелку по высоте пламени и температуре отходящих газообразных продуктов сгорания и продолжительность работы газовой горелки, способ обкладки алюминиевой фольгой внутренней поверхности керамического короба соответствовала ГОСТ Р 53292-2009.
В известном способе испытаний на известной установке (см. таблицу п.1 и п.3) вели контроль и запись температуры отходящих продуктов сгорания (ГОСТ Р 53292-2009), а в предлагаемом способе на предложенной установке (см. табл. п.2 и п.4) наряду с этим в ходе эксперимента автоматически измеряли и вели запись массы.
Из данных таблицы видно, что в случае применения предложенных способа и установки получаются адекватные и сопоставимые с ГОСТ Р 53292-2009 результаты по конечной оценке эффективности огнезащитного состава. Так, при расходе огнезащитного состава 500 г/кв.м (см. табл. п.1 и п.2) полученные данные в обоих случаях соответствуют II группе огнезащитной эффективности, а при более низком расходе 200 г/кв.м огнезащитное средство не обеспечивает требуемый уровень огнезащиты (см. табл. п.3 и п.4), т.к. потеря массы образцов больше 25%.
При этом время проведения испытаний при использовании предложенной установки и связанного с ней способа проведения испытаний значительно сокращается, т.к. оператор во время испытаний имеет возможность отследить, по ходу эксперимента, показания изменений массы образца и завершить эксперимент в оптимальные сроки.
Помимо этого, имеется возможность сохранения полученных данных в памяти компьютера и моментальной обработки результатов испытаний.
Таблица
№ п/п
Огнезащитное средство и его расход,г/кв.м
Вид установки
Масса образца до испы-тания, г
Максима-льная темпера-тура продук-тов горения при испыта-нииях, °C
Продолжительность испытания после отключения газовой горелки, мин
Масса образца по оконча-нии испыта-ний, г
Потеря массы образца при испыта-ниях, % от исходной массы
Продолжительности испытаний с учетом времени работы горелки, мин
По остываниюпро-дуктов горения до температуры окружающего воздуха
По достижению предельной потери массы больше 25%
По стабилизации массы после прекращения горения
1
Состав МС, 500
известный
120,2
510
47
Не определяется
Не определяется
91,3
24,0 (меньше 25%)
49
2
Состав МС, 500
предлагаемый
120,5
495
Не определяется
-
12
91,8
23,8 (меньше 25%)
14
3
Состав МС, 200
известный
125,6
553
58
Не определяется
Не определяется
68,5
45,5 (больше 25%)
60
4
Состав МС, 200
предлагаемый
125,4
540
Не определяется
5
-
90,3
28 (больше 25%)
7