"Перспективы создания высокоэффективной огнезащиты судовых конструкций с применением терморасширяющихся составов нового поколения"

16.05.2005

Ю. М. Халиуллин, докт. техн. наук, О. В. Хинская, Н. П. Маслова, Н. П. Соколова (ФГУП ЦНИИТС), И. А. Годунов, докт. техн. наук, С. Д. Швец (ЗАО «Унихимтек»), Е. М. Пономаренко (СПб филиал ФГУ ВНИИПО МЧС России), И. П. Степанова (ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»)

Значительная доля аварий, катастроф и происшествий на море происходит из-за пожаров, которые приводят к большим материальным потерям, выводу из строя кораблей, судов, плавучих и стационарных морских буровых установок. Самым трагичным, безусловно, является гибель людей. По информации ВМФ РФ, даже при относительном снижении интенсивности плавания четыре пожара на кораблях приводят к гибели одного человека. По статистике на кораблях Северного флота основное количество пожаров (53%) связано с электрооборудованием, 32% — с ГСМ, 10% — с ошибками личного состава и 5% — с огневыми работами [1].

Наибольшее число пожаров происходит в жилых и служебных помещениях судов. Помимо возможных человеческих жертв, они приносят наибольший материальный ущерб. Если пожар потушен на ранней стадии, то повреждения незначительны. Так, при ликвидации горения в течение первых 15 мин площадь пожара не превышает 6—10 м2, через час она может составить 55—65 м2.

Для снижения пожароопасности кораблей и судов необходим комплексный и разносторонний подход. Главными мерами предупреждения пожаров являются: автоматизация процесса контроля пожарной опасности в корабельных помещениях; ограничение количества горючих и трудновоспламеняющихся материалов для изготовления внутренних переборок, обрешетника, зашивки, изоляции, декоративной отделки и др.; установка негорючей тепловой и противошумной изоляции шахт, переборок и палуб машинных отделений, а также подволоков коридоров и помещений; применение противопожарных конструкций типа А для переборок, отделяющих жилые помещения от служебных, машинных и грузовых, хранилищ топлива, трапов, проходящих внутри жилых и служебных помещений и соединяющих две палубы и более.

Оснащение помещений высокоэффективной противопожарной защитой требует Международная морская организация (IMO), руководствующаяся материалами Международной конвенции «Solas-74» о защите жизни человека на море и дополнительными поправками и протоколами к ней.

В соответствии с этой конвенцией, а также Резолюцией А.754(18), принятой Российским морским регистром судоходства (РС), конструкции перекрытия класса «А», образуемые переборками и палубами, должны отвечать следующим требованиям: быть изготовлены из стали или другого равноценного материала; иметь соответствующие ребра жесткости; предотвращать прохождение дыма и пламени в течение одночасового стандартного испытания на огнестойкость; быть изолированы соответствующими негорючими материалами, чтобы среднее повышение температуры на стороне, противоположной огневому воздействию, не превышло140 °С; повышение температуры, зарегистрированное любой из термопар на стороне, противоположной огневому воздействию, не должно превышать 180 °С в течение времени, указанного для каждой классификации:

• класс «А-60» — 60 мин (теплоизолирующие свойства конструкции сохраняются в течение 60 мин, целостность — в течение 60 мин),
• класс «А-30» — 30 мин (то же, в течение 30 мин и 60 мин),
• класс «А-15» — 15 мин (то же, в течение 15 и 60 мин),
• класс «А-0» — 0 мин (обеспечивает только целостность в течение 60 мин).

Перекрытия класса «В», образуемые переборками, палубами, подволоками или зашивками, также предотвращают прохождение через них пламени в течение стандартного испытания на огнестойкость и имеют такую изоляцию, чтобы средняя температура на стороне, противоположной огневому воздействию, не превышала 140 °С и повышение температуры, зарегистрированное любой из термопар на стороне, противоположной огневому воздействию, не превышало 225 °С в течение времени, указанного для каждой классификации: класс «В-15» — 15 мин, класс «В-0» — 0 мин.

Изоляция изготовленных из алюминиевого сплава перекрытий классов «А» и «В» должна быть такой, чтобы в любой момент огневого воздействия при стандартном испытании на огнестойкость температура основы конструкции не превышало 200 °С по сравнению с первоначальной температурой.

Особое внимание должно уделяться изоляции деталей колонн, пиллерсов и других конструктивных элементов из алюминиевого сплава, служащих опорой конструкций для расположения и спуска спасательных шлюпок и плотов, посадки в них, перекрытий классов «А» и «В» [2].

Перспективным направлением технологии создания эффективной огнезащиты противопожарных конструкций является композиционное сочетание одобренных легких негорючих теплозвукоизоляционных материалов с полимерными покрытиями терморасширяющегося типа. Противопожарные конструкции с композиционной огнезащитой позволят увеличить запас огнестойкости не только теплоизоляции, но и конструкции в целом, улучшить ее прочностные характеристики и декоративный вид.

В настоящее время на рынке материалов представлено множество как отечественных, так и зарубежных эффективных вспучивающихся составов, успешно применяющихся в различных областях техники. Предпочтение отдается прежде всего качественным отечественным промышленно выпускаемым материалам, имеющим необходимые разрешающие сертификаты.

Специалистами ЗАО «Унихимтек» МГУ им. Ломоносова разработана серия огнезащитных терморасширяющихся огнезащитных материалов (ОЗМ) «Огракс» с широким спектром применения. Их эффективность связана с использованием многокомпонентных огнезащитных покрытий терморасширяющегося типа на основе высокомолекулярного полифосфата аммония.

При воздействии температуры на ОЗМ в нем происходят сложные физико-химические процессы. На I этапе наблюдается: плавление полимерной матрицы и некоторых других компонентов, в частности, полифосфата аммония и пентаэритрита (дипентаэритрита); разложение меламина с выделением большого количества негорючих газов. На II этапе образуется: углеродно-фосфатная пена; вспученный слой покрытия. Благодаря этим процессам, тонкий слой ОЗМ вспучивается и превращается в пенококс (изоляционный слой углеродистой пены) [3]. Образующаяся пена изолирует очаг пожара, покрывая поверхности и заполняя отверстия и щели конструкции.

Материалы для защиты судовых конструкций должны обладать высокими адгезионными свойствами к металлу, иметь достаточно длительный срок службы в условиях морского климата, сохранять свои эксплуатационные свойства в течение определенного времени и замедлять прогревание металла при тепловых воздействиях в условиях пожара.

Наибольший интерес представляет ОЗМ «Огракс-В-СК» (ТУ 5728-021-13267785—2000 с изм. 1) — многокомпонентный материал на основе водно-полимерной дисперсии с функциональными наполнителями. Для использования ОЗМ в противопожарных судовых конструкциях была исследована система покрытия, включающая антикоррозионную грунтовку, «Огракс-В-СК» и водостойкую эмаль.

В связи с повышенными требованиями к тепло-огнезащите внутрикорпусных судовых конструкций, особый интерес представляют конструкции типа «А-15» и выше. В соответствии с Резолюцией образцы для проведения огневых испытаний в режиме стандартного пожара с целью классификации по типу «А» должны быть максимально приближены к конструкциям, предназначенным к использованию на судах, включая применяемые материалы и способ сборки.

В результате анализа номенклатуры противопожарных судовых конструкций, используемых на судах и кораблях ВМФ различного назначения, были выбраны конструкции для защиты путем нанесения покрытия на основе состава «Огракс-В-СК». Это прежде всего межотсечные переборки, настилы и выгородки различных служебных и жилых помещений, выполненные из стали или алюминиево-магниевых сплавов. Их противопожарная защита представляет особую задачу в силу их тонкостенности и высокой теплопроводности материала.

Рис.1. Внешний вид полномасштабных образцов судовой конструкции до проведения огневых испытаний (I) и после (II); а,б - стальной лист толщиной 10 мм; в,г - легкий сплав АМг толщиной 3 мм

Исходя из этого по разработанным ФГУП ЦНИИТС сборочным чертежам было изготовлено два полномасштабных образца из стального листа и сплава АМг в соответствии с требованиями нормативных документов, предъявляемыми к сварным конструкциям в судостроении (рис. 1). Конструктивные особенности образцов определялись с учетом рекомендаций специалистов СПМБМ «Малахит», ЦМКБ «Алмаз», 1 ЦНИИ МО РФ, а также требований Резолюции IМО А.754(18).

Огневые испытания образцов проводились на опытной установке Санкт-Петербургского филиала ВНИИПО МЧС России в режиме стандартного пожара, при котором средняя температура печи, измеренная установленными термопарами, контролировалась и регулировалась согласно Резолюции по следующей формуле (т. е. формуле для стандартной кривой температуры):

Тпечи = То + 345 log10 (8t + 1) ,

где То — начальная температура печи; t — время, мин.

По этой формуле определялись следующие точки: в конце первых 5 мин — 556 °С; 10 мин — 659 °С; 15 мин — 718 °С; 30 мин — 821 °С; 60 мин — 925 °С.

Термопары укреплялись на необогреваемой поверхности образца. Их количество и расположение определялись конструктивными особенностями образца с учетом требований, предъявляемых к переборкам заказов ВМФ. Средние температуры прогрева поверхностей стальной и алюминиевой конструкций со стороны, противоположной огневому воздействию («необогреваемая» сторона), представлены на рис. 2 [4].

Рис.2. Повышение средней температуры на необогреваемой поверхности образцов: 1 - стандартная кривая развития пожара; 2 - образец из стали; 3 - образец из сплава АМг

Повышение температуры на необогреваемой стороне стального образца через 30 мин от начала испытаний в среднем составило 97 °С, через 60 мин — 144 °С. Это позволяет сделать вывод о том, что двухстороннее нанесение системы покрытия на основе ОЗМ может обеспечивать огнестойкость конструкции по типу, близкой к «А-60». Максимальная локальная температура на необогреваемой стороне при этом не превысила 180 °С в течение всего времени проведения испытаний (60 мин).

Повышение температуры на необогреваемой стороне образца из сплава АМг через 15 мин от начала испытаний в среднем составило 106 °С, через 30 мин — 144 °С. Максимальная локальная температура на необогреваемой стороне при этом не превысила 200 °С в течение всего времени проведения испытаний. Исходя из этого, можно утверждать, что конструкцию из сплава АМг с двухсторонним покрытием на основе ОЗМ можно рассматривать как переборку типа «А-30».

Визуальный осмотр образцов после испытаний показал, что покрытие на необогреваемой стороне обоих образцов после испытаний изменилось незначительно, вспучивания ОЗМ не произошло, имелись только отдельные вздутия слоя покрывной эмали (см. рис. 1). Нарушения целостности конструкций не наблюдалось. Со стороны огневого воздействия покрытие образовало пористый теплоизоляционный слой из пенококса, который, выдержав непосредственное воздействие температуры, замедлил прогревание изделия в целом. Анализ покрытия показал, что материал в обоих вариантах вспучился более чем в 10—15 раз. Толщина образовавшегося слоя пенококса со стороны воздействия пламени, измеренная по центру образца, достигла 20—25 мм, что соизмеримо с толщиной плиточной изоляции. Это свидетельствует о высокой огнезащитной способности покрытия.

Изучение отобранных проб пенококса и его структуры после пожара (рис. 3) показало, что не произошло полного прогорания и осыпания его слоя, вследствие чего грунтовка сохранилась практически в первоначальном виде на поверхности обоих образцов.

Рис.3. Структура пенококса ОЗМ после огневых испытаний стальной конструкции (а), сплава АМг (б) и фрагмент поверхности образца из АМг с грунтовкой, сохранившейся под слоем пенококса (в)

Таким образом, ОЗМ, нанесенный слоем толщиной 1,4—2 мм на металлическую поверхность, обеспечивает огнезащиту конструкции по типу огнестойкости «А» и, в случае пожара, образует пористый теплоизолирующий слой из углеродистого пенококса, выдерживающий непосредственное воздействие огня, тем самым замедляя прогревание изделия в целом.

Нанесение ОЗМ «Огракс-В-СК» на поверхность металла обеспечит сохранность неизолируемых и труднодоступных конструкций в условиях пожара. Композиция ОЗМ с теплоизоляцией низкой плотности позволит получить композиционные огнезащитные конструкции повышенной огнестойкости, в которых при пожаре теплоизоляция под слоем пенококса останется практически неповрежденной, что может снизить материальные затраты при возможном ремонте. Это особенно актуально для судов с динамическим принципом поддержания, где снижение удельного веса применяемых изоляционных материалов имеет большое значение.

Огнезащитная эффективность исследуемого состава определялась в комплексе исследований, включающих его технологические показатели и оптимальные режимы нанесения на судовые конструкции, проведение санитарно-гигиенических и токсикологических испытаний.

Руководящий документ, разработанный ФГУП ЦНИИТС, устанавливает технические требования к качеству подготовки поверхности перед нанесением ОЗМ «Огракс-В-СК», технологический процесс его нанесения на корпусные конструкции, требования по контролю качества и безопасности проведения окрасочных работ [5].

Санитарно-химические исследования и испытания на токсичность продуктов горения и дымообразование показали, что покрытие на основе «Огракс-В-СК» относится к разряду малоопасных материалов, обладает слабым запахом, удовлетворяет требованиям Резолюции MSC 61 (67), ч. 2 по дымообразованию и токсичности продуктов горения [6] и соответствует государственным эпидемиологическим нормам РФ [7].

Получено заключение НИЦ-М 1 ЦНИИ МО РФ о допуске системы покрытия на основе «Огракс-В-СК» к использованию в помещениях заказов ВМФ.

Результаты комплексных исследований свойств терморасширяющихся (вспучивающихся) составов, позволяют сделать вывод о перспективности их применения в судостроении.

ОЗМ «Огракс-В-СК» может использоваться в качестве противопожарной защиты переборок, выгородок и других конструкций. Модификации материалов серии «Огракс» могут применяться для защиты насыщения, трубопроводов и арматуры общесудовых систем, переборочных дверей, кабеля и уплотнительных конструкций, цистерн с ГСМ на строящихся и вновь проектируемых судах.

Литература:

1. Ясаков Г., Лебедев Б. Корабельная электроэнергетика и пожаробезопасность//Морской вестник. 2000. № 2.
2. Консолидированный текст Конвенции «SOLAS-74», глава II — 2, ч. А, В, С, Д от 1 ноября 1974 г. и Резолюция А.754(18) Рекомендации по испытаниям на огнестойкость перекрытий классов «А», «В» и «F» (принята Ассамблеей 4 ноября 1993 г.).
3. Романенков И. Г., Левитас Ф. А. Огнезащита строительных конструкций. М.: Стройиздат 1991.
4. Отчеты огневых испытаний образцов судовых конструкций № 0308-05, 0334-05 ФГУ ВНИИПО МЧС России (СПБ филиал), 2005.
5. РД 5Р.ГКЛИ 3230-047-2004. Конструкции корпусные судовые. Типовой технологический процесс нанесения огнезащитного материала «Огракс-В-СК».
6. Международный кодекс процедур методов огневых испытаний, принятый 05.12.96 г. резолюцией 61/67 Комитета по безопасности на море IMO.
7. Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.02.05.231П 003928.11.03 от 27.11.2003 г.