Введение: не все «огни» одинаковы — огромная разница между пожаром в здании и пожаром на химическом заводе
Противопожарная защита в строительном проектировании (ISO 834/GB 9978) и противопожарная защита нефтехимической отрасли (UL 1709) имеют совершенно разные кривые нарастания температуры при пожаре ISO 834 (целлюлозный пожар) — имитирует горение древесины/бумаги/текстиля — медленное нарастание температуры — 821°C достигается за 30 мин — обеспечивает персоналу и системам пожаротушения более длительное время на реагирование. UL 1709 (углеводородный пожар) — имитирует горение нефти/природного газа/химикатов — крайне стремительное нарастание температуры 1093°C достигается в течение 5 мин — >1100°C в течение 10 мин Стальные конструкции при таком быстром нагреве достигают критической температуры (550°C) за очень короткое время — требуется, чтобы огнезащитное покрытие формировало теплоизоляционный обугленный слой в кратчайшее время с максимальной скоростью вспучивания. Вспучивающееся покрытие, прошедшее испытания по ISO 834, при UL 1709 может выйти из строя за 30–60 минут, поскольку скорость вспучивания и обугливания покрытия не поспевает за скоростью нарастания температуры при углеводородном пожаре — покрытие до завершения «вспучивания» — стальное основание уже достигает критической температуры — противопожарная защита не срабатывает.
I. Сравнение кривых нагрева ISO 834 (клетчаточный пожар) и UL 1709 (углеводородный пожар)
| Время (мин) | Температура ISO 834 (°C) | Температура UL 1709 (°C) | Разница температур (°C) | Вызов для покрытия |
|---|---|---|---|---|
| 5 | 576 | 1093 | 517 | UL 1709 — покрытие должно завершить вспучивание за <5 мин — крайне короткое окно |
| 10 | 678 | >1100 | >422 | ISO 834 — вспучивание покрытия может длиться >30 мин |
| 30 | 821 | >1100 (стабильно) | >279 | UL 1709 — постоянная температура >1100°C / долгосрочная термостойкость слоя обугливания |
| 60 | 925 | >1100 | >175 | ISO 834 — медленный рост температуры / непрерывный подъём |
Часто задаваемые вопросы
Q1: Почему «достижение 1093°C за 5 мин» по UL 1709 является предельной задачей для вспучивающихся покрытий?Процесс вспучивания вспучивающихся покрытий (APP/PER/MEL) — (1) APP (полифосфат аммония) разлагается с выделением фосфорной кислоты (катализирует этерификацию и обугливание PER — >200°C); (2) MEL (меламин) разлагается с выделением газов NH₃/CO₂ и др. (вспенивание — >250°C); (3) PER при катализе фосфорной кислотой теряет воду → обугливание — формирование вспученного слоя кокса (>300°C). Суммарное время этих трёх реакций составляет 2–5 мин при нагреве по ISO 834 — от 0→576°C (5 мин) — температурное окно достаточно для завершения вспучивания покрытия. Но по UL 1709 — 0→1093°C всего за 5 мин — APP/PER/MEL покрытия за несколько секунд «перепрыгивают» оптимальную температуру реакции — реакция неполная — вспучивание неполное — слой кокса недостаточный — сталь достигает критической температуры уже за 10–15 мин — огнезащита не срабатывает.
Q2: Почему дипентаэритрит (DPER) больше подходит для углеводородных пожаров, чем монопентаэритрит (PER)? Температура плавления PER (около 260°C) и температура карбонизации (>300°C/в присутствии фосфорной кислоты в качестве катализатора) — после коксования образуется углеродный каркас. DPER (димер/две молекулы PER, соединённые через один атом кислорода) имеет более высокое содержание углерода (около 45% против 41% у PER), после карбонизации образуемый слой кокса более плотный/более прочный при длительной высокой температуре >1100°C — скорость абляции (Ablation Rate) слоя кокса ниже — срок службы огнезащиты продлевается. DPER является «стандартным карбонообразователем» для вспучивающихся красок для углеводородных пожаров, PER применим только для целлюлозных пожаров.
Q3: Почему микрокапсулированный APP повышает огнезащитные свойства при горении углеводородов?Обычный APP при быстром нагреве выше 300°C — продукты разложения APP (фосфорная кислота/полифосфорная кислота) распределяются неравномерно в слое кокса (локальное испарение/локальный избыток) — неоднородное качество слоя кокса. Микрокапсулированный APP (частицы APP покрыты смолой меламин-формальдегид MF) — (1) APP внутри MF-капсулы «защищен» от раннего термического разложения — высвобождается только при повышении температуры покрытия выше 350°C — более точное время высвобождения (как раз в активном окне образования кокса PER); (2) продукты разложения оболочки MF-капсулы (азотсодержащий газ) — выступают как дополнительный источник вспенивания, усиливая кратность вспучивания.
Q4: В чем различие между факельным горением (Jet Fire/ISO 22899-1) и пожаром пролива (Pool Fire/ISO 20041-1)?Факельное горение — высокое давление газа/жидкости вырывается из трещины трубопровода/резервуара с высокой скоростью + горит, температура пламени >1300°C — одновременно присутствует воздействие высокоскоростного потока газа (>100 м/с) (механический удар + высокотемпературное окисление), под воздействием двойной атаки факельного горения «тепло + эрозия» обугленный слой покрытия может быть физически «сдут» потоком, что приводит к отказу огнезащиты. Пожар пролива — жидкое топливо образует на поверхности «огненный бассейн», температура >1100°C — но отсутствует эрозия высокоскоростным потоком — вызов для покрытия «только» высокая температура — требования к прочности обугленного слоя вспучивающегося покрытия ниже, чем при факельном горении. Факельное горение — это испытание высшего уровня для огнезащиты покрытий в нефтехимии и на морских платформах.
Q5: Как измеряется «скорость абляции обугленного слоя» (Ablation Rate) покрытия для углеводородного пожара?В условиях нагрева по UL 1709 — каждые >10 мин — (1) прекратить нагрев —> измерить толщину остаточного обугленного слоя; (2) проанализировать микроструктуру обугленного слоя с помощью SEM (размер пор / толщина стенок — оценить его теплоизоляционную эффективность) — построить кривую «остаточная толщина — время» — экстраполировать время «полной абляции обугленного слоя» (остаточная толщина = 0) — это и есть «предел огнестойкости» покрытия.
Q6: Различия в составах эпоксидного вспучивающегося (для углеводородных пожаров) и акрилового вспучивающегося (для целлюлозных пожаров) типов? Эпоксидный вспучивающийся тип — эпоксидная смола (теплостойкость >150°C) + отвердитель (амин/ангидрид) — покрытие при комнатной температуре уже обладает высоким Tg и механической прочностью, прочность коксового слоя при пожаре > чем у акрилового типа — подходит для углеводородных пожаров (>1100°C/требуется высокопрочный коксовый слой). Акриловый вспучивающийся тип — акриловая эмульсия (однокомпонентная/удобство нанесения) — низкий Tg (<50°C) — при пожаре размягчается рано — быстро вспучивается — но прочность коксового слоя и термостойкость слабее, чем у эпоксидного типа — подходит для целлюлозных пожаров (<950°C).
Q7: Практика инженерного применения «пассивной противопожарной защиты» (PFP/Passive Fire Protection) от углеводородных пожаров на морских платформах?Морские платформы (буровые/добывающие) — (1) Стальные колонны и опоры — эпоксидное вспучивающееся покрытие (PFP/DFT > 10 мм) — UL 1709/120 мин (углеводородный пожар/2 ч) — толщина покрытия > 10 мм (очень толстое — требует многократного напыления); (2) Оборудование (сепараторы/компрессоры) — вспучивающееся покрытие + напыление цементно-вермикулитовой смеси (двойной защитный слой); (3) Пути эвакуации — эпоксидное вспучивающееся покрытие (огнестойкость > 60 мин). Общий вес PFP-покрытия на море может достигать > 50 кг/м² — оказывает значительное влияние на нагрузку на конструкцию платформы — должен учитываться уже на этапе проектирования.
Q8: Требования к огнезащите покрытия при пожаре в тоннеле (кривая RWS / нидерландский стандарт)?Кривая пожара в тоннеле RWS (Rijkswaterstaat / Нидерланды) — имитирует пожар цистерны с топливом в тоннеле >1200°C/120 мин — строже, чем UL 1709. Огнезащитное покрытие для тоннелей — (1) чрезвычайно высокая термостойкость коксового слоя — предотвращает слишком быструю абляцию коксового слоя при >1200°C; (2) “ремонтопригодность” после пожара в тоннеле — повреждённые участки покрытия можно локально отремонтировать — полная замена не требуется.
Q9: Как «коэффициент сечения» (Hp/A/Section Factor) в огнезащитной окраске влияет на проектирование толщины покрытия?Hp/A = отношение периметра обогреваемой части / площади сечения стальной конструкции; чем больше значение — тем быстрее нагревается стальной элемент и тем больше требуется толщина огнезащитного покрытия. Например — двутавр (I-образный профиль / очень большой Hp/A — тонкие полки — нагревается чрезвычайно быстро) по сравнению с коробчатым сечением (малый Hp/A — толстые стенки — нагревается медленно) — толщина покрытия для первого может быть более чем в 2 раза больше, чем для второго. В техническом паспорте (TDS) огнезащитного состава обязательно должна быть указана «таблица рекомендуемых толщин для различных Hp/A», на основании которой инженеры разрабатывают схему огнезащиты стальных конструкций.
Q10: Снижается ли «срок годности» вспучивающей функции огнезащитного покрытия? Вспучивающиеся покрытия на основе APP при длительной эксплуатации (>10 лет) — медленно реагируют с влагой и CO₂ в воздухе частично гидролизуются до гидрофосфата аммония, теряя каталитическую способность к вспучиванию — кратность вспучивания снижается >30% — огнезащитные свойства ухудшаются. Каждые 5-8 лет необходимо проводить «выборочную проверку кратности вспучивания» (GB 14907): образец покрытия прокаливается в лаборатории при >500°C — измеряется отношение толщины после вспучивания к исходной толщине — 50 раз) — делается вывод об ослаблении вспучивающей способности — требуется повторное нанесение огнезащитного покрытия.
См. также / Похожие материалы
Резюме
Различия кривых нагрева углеводородного пожара (UL 1709 / 1093°C за 5 мин) и целлюлозного пожара (ISO 834 / 821°C за 30 мин) — это наиболее важная переменная «сценария пожара» при разработке рецептур огнезащитных покрытий. Основа покрытия для углеводородного пожара — высокотемпературный карбонизатор (DPER), микрокапсулированный APP и эпоксидная матрица — обеспечивает огнезащиту более 120 мин при температуре свыше 1100°C. Кэсинь Новые Материалы предоставляет клиентам полный ассортимент вспучивающихся огнезащитных покрытий и инженерную поддержку для целлюлозного и углеводородного пожаров.