SAMPLES FOR TESTING FIRE PROTECTIVE COATINGS ON METAL

Abstract

The technical solution for testing fire protective coatings for metal, which refers to the technique of flame retardant materials and structures, designed to assess the effectiveness of fire protection of steel constructions.

Full Text

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