ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ПО МЕТАЛЛУ

Аннотация

Разработано ресурсоэнергосберегающее техническое решение для испытания огнезащитных покрытий по металлу, которое относится к технике огнезащитных материалов и конструкций и предназначено для оценки действенности (эффективности) огнезащиты стальных строительных конструкций.

Полный текст

Известны лабораторные образцы установки для определения эффективности огнезащиты по металлу [1]. Установка ЦНИИСК представляет собой малую огневую камеру, в верхней части которой установлен обогреваемыйстальнойсердечник–образец-пластина. Испытуемый образец размером 200х200 мм в плане изготовлен в виде образца-пластины с нанесенным с одной стороны огнезащитным материалом. На другую сторону образца-пластины уложен теплозащитный экран. Температурный режим в нагревательной камере создают системой стержневых электрических нагревателей. Термопары, измеряющие температуру, устанавливают на обогреваемой и необогреваемой поверхности образца пластины. Однако при нагреве испытательного образца-пластины только с одной стороны происходит расхождение с результатами испытаний элементов стальных конструкций, обогрев сечения которых, как правило, двухсторонний; выполнение произвольного теплозащитного экрана необогреваемой поверхности образца-пластины нарушает баланс образца при его нагреве; погрешность измерения температуры на поверхности образцапластины высока (до 60 °С) вследствие выполнения незащищенных электродов термопары перпендикулярно ее поверхности. Известен лабораторный образец для оценки действенности огнезащитных покрытий по металлу [2]. В установке ВНИИПО использован принцип разъемности огневой камеры с удалением образца от источника теплового излучения. Поведение огнезащитных составов и материалов оценивают в вертикальном положении образца-пластины. Размер стального образца-пластины 140х88х1 мм. На одной стороне образца-пластины нанесена огнезащитная краска. Неокрашенной стороной образец-пластина закреплена на держатель с подогревающим устройством. Источник излучения – муфельная печь, нагретая до 950 °С. К ней придвигают испытательную камеру с перемещающимся держателем на винтовом стержне. Однако односторонний нагрев образцапластины приводит к расхождениям с результатами огневых испытаний стальных конструкций, имеющих двухсторонний обогрев поперечного сечения. При имитации двухстороннего нагрева требуется дополнительное нагревающее устройство; электроды термопары, прикрепленной к пластине, в огневой камере открыты и требуется дополнительная изоляция от их перегорания; изготовляемая лабораторная установка с образцом-пластиной в целом громоздка, сложна в использовании и имеет большие погрешности в измерении температуры. Известен лабораторный образец для испытания огнезащитных покрытий по металлу, включающий испытуемый стальной сердечник, выполненный сборным из двух стальных пластин, и датчики температуры, рабочие спаи контрольных темопар которых расположены внутри составного образцапластины [3]. Однако следует отметить некоторые недостатки: испытание образца-пластины возможно только при расположении стального сердечника в горизонтальном положении; размеры образцапластины малы по величине и не соответствуют размерам обогреваемых стальных конструкций, например, колонн; усложнено определение степени нагрева обогреваемой поверхности образца-пластины; малое приближение испытаний образца-пластины к натурным стальным конструкциям; степень нагрева образца-пластины определяют в его центре, а не в контрольных (расчетных) точках поперечного сечения образца конструкции; конструкция известного устройства для испытаний огнезащитных покрытий сложна в изготовлении и малотехнологична; при проведении испытаний огнезащитных покрытий нужны определенные навыки для создания стандартного теплового режима в муфельной печи. Наиболее близким техническим решением является образец-изделие для испытания огнезащитных покрытий строительных конструкций, включающий опытный образец, на который наносят огнезащитный состав в виде отрезка стальной колонны двутаврового профиля №20 по ГОСТ 8239 или №20 Б1 по ГОСТ 26202; длина образца l=(1700±10) мм [4]. Подготовка к проведению испытаний включает расстановку термопар на стальном опытном образце-изделии, размещение опытного образцаизделия (отрезка колонны) в печи; размеры печи a x b x l=1500х1500х1700 мм; объем печи W=3,825 м3. Температуру образца-изделия измеряют с помощью термопар из провода диаметром dэ≤0,75 мм. Термопары на образце-изделии устанавливают в количестве 3 шт. методом зачеканивания: в среднем сечении образца-изделия на стенку двутавра и на внутреннюю поверхность полок двутавра. Испытание проводят в печи на установке для испытания образцов стержневых конструкций без статической нагрузки при четырёхстороннем тепловом воздействии до достижения критической (предельной) температуры стали, равной 500 °С (средняя по трем термопарам). Для проведения испытаний изготовляют два одинаковых образцаизделия l=(1700±10) мм каждый. При производстве огнезащитных составов используют дополнительно контрольный метод испытания; в качестве стального сердечника используют образец-пластину 600х600х5 мм с нанесенным на нее огнезащитным составом; испытания проводят в печи установки для теплофических исследований; внутренние размеры печи a1 x b1 x l1=1000х1000х850 мм; объем печи w=0,85 м3 [4]. Однако для проведения испытаний требуется, как правило, два огневых устройства: во-первых, установка для испытаний образцов стержневых конструкций и, во-вторых, установка для теплофизических исследования – контрольный метод; использование двух огневых установок не экономично; электроды термопар, прикрепленные к стенке и полкам двутавра опытного образца стержневых конструкций, в огневой камере открыты и требуется дополнительная изоляция от перегорания и повреждения; погрешность измерения температуры на поверхностях стенки и полок двутаврового опытного образца высока (до 60 °С) вследствие установки незащищенных электродов термопар перпендикулярно поверхностям стенок и полок; значителен расход стали для изготовления двух опытных образцов длиной l=1700 мм каждый; использование открытых термопар в условиях огневых испытаний приводит к пережогу электродов и механическим повреждениям, а следовательно, к частой их замене; установка на каждый образец не менее 3 шт. новых термопар повышает расходы на приобретение термопар и трудоемкость испытаний; степень нагрева опытного образца определяют в центре пластины, а не в контрольных (расчетных) точках поперечного сечения образца конструкции; при использовании известного образца-пластины для контрольного метода испытаний огнезащитных покрытий по металлу осуществляют односторонний нагрев образца – пластины, который приводит к расхождению с результатами огневых испытаний стальных конструкций, имеющих двухсторонний обогрев его деталей (полок, стенки); выполнение произвольного теплозащитного экрана на необогреваемой поверхности стального сердечника нарушает баланс образца-пластины при его нагреве; погрешность измерения температуры на поверхности образцапластины высока (до 60 °С) вследствие выполнения незащищенной термопары перпендикулярно его поверхности; установка для огневых испытаний образцов стержневых конструкций металлоемка, громоздка и сложна в ее использовании. Задача, на решение которой направлено новое техническое решение, состоит в приближении огневых испытаний образца-изделия к натурным для строительных конструкций; в снижении погрешности измерения температуры в контрольных (расчетных) точках поперечного сечения стальных конструкций; в упрощении устройства опытного образца-изделия стальной конструкции и снижении металлоемкости; в повышении экономичности и технологичности его изготовления и испытания. Технический результат – приближение испытания стального образца к натурным для строительных конструкций; упрощение изготовления опытного образца-изделия вследствие применения простых по форме сборных деталей (пластин и уголков); возможность многократного использования опытного образца-изделия для повторных огневых испытаний; снижение погрешности измерений предельной температуры в контрольных, направленно перемещенных расчетных точках образца-изделия; повышение воспроизводимости огневых испытаний; более точное определение контрольных, направленно перемещенных расчетных точек сечения опытного образца-изделия для измерения предельной температуры нагрева металла неравномерно прогреваемой стальной конструкции; исключение пережогов тонких электродов термопар вследствие их размещения внутри полок и ребра составного двутаврового сечения опытного образца-изделия; обеспечение защиты тонких электродов термопар от механических повреждений и обрывов; снижение металлоемкости опытного образца-изделия и затрат на проведение огневых испытаний; использование более простой огневой установки, например, установки для теплофизических испытаний; упрощение установления опытного образца-изделия в пространство нагревательной печи. Указанный технический результат достигается тем, что в опытном образце для испытания огнезащитных перекрытий по металлу, включающем сердечник стальной двутавровый, огнезащитное покрытие и термоэлектрические преобразователи, особенностью является то, что стальной сердечник выполнен малогабаритным в виде составных сочлененных деталей полок и ребра стального двутавра, оборудованного рукоятями для переноса; термоэлектрические преобразователи, выполненные в виде защищенных термопар многократного использования, установлены между сочленяющимися пластинами двутавра в контрольных, направленно перемещенных расчетных точках полок образца-изделия стальной стержневой конструкции. Длина опытного малогабаритного образца-изделия принята равной l=850 мм. Сердечник образца выполнен в виде двутавра №20 bxhxs=105х200х10 мм с составным ребром из двух сочленяющихся толстолистовых пластин δ=4÷10 мм и составными полками из двух накладных толстолистовых пластин s=4÷10 мм, сопряженных с наружными поверхностями полок спаренных отрезков уголков размером bxhxs=50х50х5 мм (исполнение 1); сердечник образца выполнен в виде двутавра с составным ребром из швеллера №20 размером bxhxδ =76х200х5,2 мм, примыкающих к нему двух уголков размером bxhxs=75х50х8 мм и накладной толстолистовой пластины δ1=4÷10 мм, а составные полки двутавра выполнены из накладных толстолистовых пластин толщиной s1=4÷10 мм каждая, сопряженных с полками швеллера и уголков, при этом ширина полки уголка принята равной ширине полки швеллера b1=76 мм (исполнение 2); сердечник образца выполнен в виде составного двутавра с составными полками и ребром, которые включают два спаренных, соприкасающихся по стенкам, швеллера №20 размером hxbхδxs=76х200х5,2х9 мм и две толстолистовые пластины толщиной s1=4÷10 мм каждая, сопряженные с наружными сторонами полок швеллеров, при этом ширина каждой накладной пластины полки двутавра равна удвоенной ширине полки швеллера, т.е. b=2•76=152 мм (исполнение 3); сердечник образца выполнен в виде отрезка колонного двутавра №20 К1 размером bxhxs=200х200х6,5 мм, оборудованного накладными толстолистовыми пластинами для обеих полок толщиной s1=4÷10 мм каждая (исполнение 4). Составные детали образца-изделия сопряжены между собой стяжными болтами или винтами диаметром резьбы 8÷10 мм, длиной 14÷20 мм, с уменьшенной потайной головкой. Образец оборудован рукоятями, в виде стальных фасонных ручек длиной l=65÷95 мм. Термопары многократного использования расположены внутри образца-изделия, между составными деталями полок и ребра двутавра. Термопары расположены в контрольных точках М(х,у) неравномерно прогретых полок двутавра с глубиной их заложения по оси ординат у=s/5; по оси абсцисс х, начиная от конца полки двутавра, вычисляют ее величину по уравнению х=a=(δозс • b/2)m, (1) где a – глубина заложения контрольной точки М по оси абсцисс, мм; δозс – толщина огнезащитного слоя, мм; b – ширина полки стального двутавра, мм; В – ширина полки двутавра с учетом огнезащитного слоя, мм; m – показатель степени, вычисляемый по формуле m=0,5 • (b/B)0,25. (2) Термопары в полках образца-изделия расположены, занимая центральное положение, в прямоугольных горизонтальных пазах, вырезанных на поверхности толстолистовых накладных пластин, сопряженных со стальными уголками. Термопары в ребре образца-изделия расположены, занимая центральное положение, в прямоугольном вертикальном пазу, вырезанном на внутренней стороне толстолистовой накладной пластины ребра двутавра. Вертикальный паз для термопар, расположенных в полках, образован конструктивно в местах соединения уголков деталей полок и пластины ребра составного двутавра. Термопары установлены в количестве (5÷6) шт.: (1÷2) шт. в среднем сечении внутри на стенку составного двутавра и по 2 шт. в контрольных точках М на внутренние поверхности каждой полки двутавра по диагонали на расстоянии (200±15) мм от центра пластины полки. Заделка рабочего спая термопары со стороны огневой печи произведена путем припайки рабочего спая термопары в конце паза Ø 2÷5 мм, глубиной 3÷9 мм, который высверлен в толстолистовой пластине-накладке, s=4÷10 мм; заделка рабочего спая термопары со стороны огневой печи произведена путем припайки термопары заподлицо в высверленном насквозь отверстии Ø 2÷5 мм, в толстолистовой пластине-накладке; заделка рабочего спая термопары со стороны огневой печи произведена путем припайки к рабочему спаю наконечникадиска. Толщина тонкого диска из металла с высокой теплопроводностью принята не более 0,5•dэ, сторона квадратного сечения которого не менее 20•dэ, где dэ – диаметр термоэлектрода. На рис. 1 изображены разрез А-А (фиг. 1), разрез Б-Б (фиг.2) и план поперечного сечения В-В (фиг. 3) образца-изделия стержневой конструкции (исполнение 1): 1 – пластина толстолистовая полки двутавра; 2 – уголок равнополочный; 3 – пластина толстолистовая сердечника ребра двутавра; 4 – пластина-накладка ребра двутавра; 5 – стяжные болты пластин ребра, полок и уголков; 6 – рукояти; 7 – паз горизонтальный (прорезанный для электродов термопар на внутренней поверхности толстолистовых накладных пластин, сочлененных с уголками); 8 – термопары внутри полок двутавра; 9 – паз вертикальный (прорезанный для электродов термопар составной полки двутавра); 10 – термопара внутри ребра двутавра; 11 – паз вертикальный конструктивный (для электродов термопар на внутренней поверхности накладной пластины ребра двутавра); 12 – замазка для электродов термопар в пазах; 13 – огнезащитное покрытие по металлу; т.I; т.II; т.III; т.IV и т.V – номера термопар. На рис. 2 изображены сердечник образцаизделия и схема расстановки термопар (фиг.4), а также виды заделки рабочих спаев термопар со стороны огневой печи: припайка рабочего спая термопары в конце паза Ø 2÷5 мм глубиной 3÷9 мм, который высверливают в толстолистовой пластине-накладке s=4÷10 мм (фиг. 5); припайка термопары заподлицо в высверленном насквозь отверстии Ø 2÷5 мм в толстолистовой пластине-накладке; припой серебряный ПСр-45 (фиг.6); припайка к рабочему спаю термопары наконечника-диска (фиг. 7): 14 – припаянная термопара в пазу пластины; 15 – изолированные термоэлектроды; 16 – рабочий спай термопары; 17 – припой серебряный ПСр-45; 18 – керамическая соломка; 19 – наконечник-диск. На рис. 3 изображены виды сердчников образца-изделия: сердечник образца-изделия в виде двутавра с составным ребром из швеллера №20, примыкающих к нему двух неравнополочных уголков 2 размером 75х50х8 мм и накладной толстолистовой пластины δ1=4÷10 мм, а составные полки двутавра выполнены из накладных толстолистовых пластин толщиной s1=4÷10 мм каждая, которые сопряжены с полками швеллера и уголков (исполнение 2) (фиг. 8): 20 – швеллер стальной №20; сердечник образца – изделия в виде составного двутавра с составными полками и ребром, которые включают два спаренных, соприкасающихся по стенкам, швеллера №20 и две Рис. 1. Образец-изделие для испытания огнезащиты стальных конструкций (исполнение 1): фиг. 1 – сечение А-А; фиг. 2 – сечение Б-Б; фиг. 3 – сечение В-В (план поперечного сечения образца) Рис. 2. Сердечник образца-изделия: фиг. 4 – схема расстановки термопар; фиг. 5, 6, 7 – виды заделки рабочих спаев термопар со стороны огневой печи: в конце паза фиг. 5; в отверстии заподлицо фиг. 6; с наконечником-диском фиг. 7 Рис. 3. Виды сердечников образца-изделия: фиг. 8 – двутавр с составным ребром из швеллера и двух уголков; фиг. 9 – двутавр с составным ребром из двух швеллеров; фиг. 10 – колонный двутавр с накладными пластинами для обеих полок толстолистовые пластины толщиною s1=4÷10 мм каждая, сопряженные с наружными сторонами полок швеллеров – 2 (исполнение 3) (фиг. 9); сердечник образца – изделия в виде отрезка колонного двутавра №20 К1, оборудованного накладными толстолистовыми пластинами для обеих полок толщиной s1=4÷10 мм каждая (исполнение 4) (фиг. 10), 21– двутавр колонный №20К1 с параллельными гранями полок. Сведения о возможности применения нового образца изделия. Выполнен проект образцаизделия для испытания огнезащитных покрытий по металлу (СГАСУ, Самара, МЧС СЭУ ФПС ИПЛ С/о, 2009 г.). Высота укороченного стального образцаизделия принята l=850 мм. Сердечник образца-изделия выполнен в виде двутавра №20. Размеры поперечного сечения hxbxδxs=200x105x10x10 мм. Составное ребро 3 двутавра представлено в виде двух сочлененных пластин 3 и 4 толщиной δ1=5 мм каждая. Размеры пластины 3 сердечника, закрепленной в уголках 2 стального проката, составляют l1хb1xs1=850х105х5 мм. Поперечное сечение равнополочного уголка 2 размером hxbxδxs=50x50x5x5 мм составляет Аs,у=4,8 см). Площадь металла поперечного сечения образца-изделия Аs =49,7 см2. Приведенная толщина металла образцаизделия в условиях стандартного четырёхстороннего огневого воздействия при периметре обогрева поперечного сечения Ро=2•(h+2•b-s)=2•(20+2•10,5-1)=80 см (3) вычислена по формуле ´Тsr=А/Ро=49,7/80=0,62 см. (4) Термопары расположены внутри сечения образца-изделия между сочлененными деталями полок и ребра составного двутавра. При толщине огнезащитного слоя δозс=5 мм, ширине полки двутавра b=105 мм получаем В=b+2•δозс=105+2•5=115 мм; показатель степени m=0,5•(b/B)0,25=0,5•(105/115)0,25=0,489; абсцисса контрольной точки М(х,у) для установления рабочего спая термопары в полке двутавра вычислена по формуле (1): х=a=( δозс • b/2)m=(5•105/2)0,489=15,2 мм. Рукоять 6 образца-изделия представлена в виде шпильки Ø 12 мм, длиной l=60 мм с нанесенной на одном конце шпильки резьбой Ø 8 мм и оборудованной низкими гайками и шайбами. Проведенные предварительные испытания показали надежность использования полезной модели для оценки действенности огнезащитного покрытия по металлу. Выводы. Техническим результатом является: приближение испытания стального образца к натурным для строительных конструкций; 2) упрощение изготовления опытного образца-изделия вследствие применения простых по форме сборных деталей (пластин и уголков); 3) возможность многократного использования опытного образца-изделия для повторных огневых испытаний; 4) снижение погрешности измерений предельной температуры в контрольных, направленно перемещённых расчётных точках образца-изделия; 5) повышение воспроизводимости огневых испытаний; 6) более точное определение контрольных, направленно перемещённых расчётных точек сечения опытного образцаизделия для измерения предельной температуры нагрева металла неравномерно прогреваемой стальной конструкции; 7) исключение пережогов тонких электродов термопар вследствие их размещения внутри полок и ребра составного двутаврового сечения опытного образца-изделия; 8) обеспечение защиты тонки электродов термопар от механических повреждений и обрывов; 9) снижение металлоёмкости опытного образца-изделия и затрат на проведение огневых испытаний; 10) использование более простой огневой установки, например, установки для теплофизических испытаний; 11) упрощение установления опытного образца-изделия в пространство нагревательной печи. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Романенков, И.Г. Огнезащита строительных конструкций [Текст] / И.Г. Романенков, Ф.А. Левитес. – М.: Стройиздат, 1991 (п.3.3.Методы испытаний огнезащитных материалов и конструкций , с.112-113). А.с 332 356 SU, МПК G 01 N3/08. Установка для испытания огнестойких покрытий [Текст] / С.И. Таубкин, М.Н. Колганова, Г.Ф. Агеев и др., заявка от 19.03.1970; опубл. 14.03.1972; Бюл.№10. 3. Патент №2 092 821 RU, МПК-6 G 01 N 25/50 Устройство для испытаний огнезащитных покрытий [Текст] / Н.А. Ильин; заявка СГАСУ от 18.09.95; опубл.10.10.97; Бюл.№28. 4. ГОСТ Р 532 95-2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Методы определения огнезащитной эффективности [Текст].М., 2009. 5. Патент №2 434 227 RU, МПК G 01N25/50 (2006). Образец для испытания огнезащиты стальных конструкций [Текст] / Ильин Н.А., Фрыгин В.В., Акулов А.Ю., Шепелев А.П.; заявка СГАСУ от 30.06.2010; опубл. 20.11.2011; Бюл. № 32. © Ильин Н.А., Фрыгин В.В., Акулов А.Ю., Шепелев А.П., 2013