Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Modern polymer materials used in construction, transport and household products characterized, as a rule, by high flammability and combustibility, which has a significant impact on ensuring the required level of fire protection. A variant of the formalization of the choice of a flame retardant coating is proposed and an algorithm for its justification is proposed. The proposed algorithm for choosing a fire-retardant coating assumes a preliminary quantitative assessment of fire danger; analysis of possible scenarios of fire development; the choice of the type of fire protection system taking into account the operating environment, the size of potential damage from fire, technical, economic and human factors, and the rationale for choosing a fire-resistant coating that provides the specified (required) level of fire protection.
algorithm, intumescent compositions, fire protection, steel structures, oil and gas complex
Строительные технологии непрерывно эволюционировали от пещерных жилищ до современных высотных многоэтажных зданий различных конструкций. Современные здания характеризуются высоким энергопотреблением, энергоэффективностью, тепловым комфортом, экоархитектурой, динамической адаптацией к любым изменениям климата, использованием инновационных строительных материалов и высокой пожарной нагрузкой. Особую роль в обеспечении пожарной безопасности в таких зданиях играют современные строительные материалы и стальные конструкции.
Современные строительные материалы, как правило, состоят из полимеров различной природы. Синтетические полимерные материалы, используемые в строительстве, транспорте и бытовых изделиях, характеризуются, как правило, высокой воспламеняемостью и горючестью, что оказывает существенное влияние на обеспечение требуемого уровня противопожарной защиты. Традиционным решением для улучшения огнестойкости материала является включение огнезащитных добавок или химически активных антипиренов в материал, что повышает огнестойкость строительных конструкций [1–5]. Следовательно, актуальным является исследование возможностей современных огнезащитных составов для обеспечения нормативного уровня противопожарной защиты различных конструкций.
Целью исследования является разработка алгоритма обоснования выбора огнезащитного покрытия.
Для реализации данной цели были решены следующие задачи:
– анализ существующих методов исследования огнезащитных покрытий;
– изучение огнезащитных материалов разной химической природы для оценки возможности применения на объектах нефтегазовой отрасли.
Методы исследования
При выполнении исследования проведен анализ существующих методов испытаний средств огнезащиты:
– метод определения огнезащитной эффективности в соответствии с ГОСТ 53295–2009 [6];
– методы ускоренных испытаний на стойкость к воздействию климатических факторов
в соответствии с ГОСТ 9.401–2018 [7];
– оценка допустимого срока эксплуатации тонкослойных огнезащитных покрытий
в различных климатических условиях в соответствии с методикой [8];
– метод синхронного термического анализа (СТА) [9].
Среди всего многообразия методов исследования огнезащитных материалов, остановимся на [6] и [9].
Результаты и их обсуждение
В настоящее время наметилась тенденция применения для огнезащиты в качестве компонентов покрытий модифицирующих и технологических добавок, снижающих пожарную опасность покрытий, что позволяет улучшить их эксплуатационные характеристики.
Поскольку использование галогенсодержащих огнезащитных добавок ограничено
в связи с требованиями норм защиты окружающей среды [10], приобрели актуальное практическое применение следующие три варианта огнезащитных компонентов (добавок): кремниевая, фосфорная и сульфонатная [11–13].
Кремнийсодержащие антипирены представляют собой самые безопасные с точки зрения влияния на окружающую среду огнезащитные добавки. В настоящее время кремнийорганические антипирены в основном представлены полисилоксановыми компонентами, характеризующимися высокой огнезащитной эффективностью и сложным технологическим процессом массового производства [14]. Использование силикатных неорганических материалов со слоистой структурой повышает пределы огнестойкости строительных конструкций и обеспечивает требуемую огнезащитную эффективность материалов [15].
Фосфорсодержащие антипирены представляют собой высокоэффективные огнезащитные составы, характеризующиеся низкой дымообразующей способностью, малой токсичностью и простотой нанесения. Следует отметить, что среди таких огнезащитных составов широкое распространение получили различные фосфаты [16].
Механизм действия огнезащитных составов на основе соединений фосфора действует главным образом в твердой фазе полимерных материалов и приводит к обугливанию полимера, тем самым подавляя процесс пиролиза и горения. При этом вспучивающиеся антипирены образуют устойчивый слой пены, который действует как барьер между пламенем и горючим защищаемым материалом. Фосфорсодержащие антипирены широко используются в качестве аддитивных систем, повышающих огнестойкость материалов благодаря хорошим огнезащитным свойствам. Кроме того, фосфорсодержащие огнезащитные материалы часто используются в сочетании с другими антипиренами – включая азотсодержащие соединения, нанонаполнители и гидроксиды металлов [17–18].
Помимо модифицирующих компонентов, улучшающих термостойкость пенококсового слоя в интумесцентных системах, необходим анализ природы связующего огнезащитной композиции [19].
Для объектов нефтегазового комплекса характерно развитие углеводородного горения, в связи с чем целесообразно использование огнезащитных композиций на основе эпоксидных смол (рис. 1, 2).
Результаты исследований огнезащитных материалов на огнезащитную эффективность в условиях углеводородного температурного режима графически представлены на рис. 1–4.
В условиях углеводородного режима горения происходит резкий скачок температуры до величины 1 100 °С, в связи с чем матрицы, состоящие из полимеров-термопластов, начинают плавиться, и, как следствие, происходит стекание композиции с защищаемой поверхности, в то время как олигомеры, содержащие эпоксидные группы (эпоксиды), способны создать условия для сохранения огнезащитного состава на металлоконструкции до достижения температуры формирования пенококсового слоя [20]. Именно благодаря образовавшемуся пенококсу происходит обеспечение необходимого уровня огнезащитной эффективности металлических конструкций промышленных объектов в условиях не только стандартного, но и углеводородного горения.
Широкое использование интумесцентных защитных составов обусловлено высокой термической стабильностью в широком диапазоне температур и высокой адгезией к различным защищаемым поверхностям и когезией, а также существованием синергетического защитного поведения, позволяющего уменьшить теплопередачу в сторону защищаемой поверхности до 100 раз (рис. 5–8).
Анализ работ [13–21] показывает, что даже незначительное изменение процентного содержания компонентов оказывает сильнейшее влияние как на огнезащитные, так и на эксплутационные свойства огнезащитного вспучивающегося состава.
Таким образом, можно сделать вывод, что универсальных огнезащитных интумесцентных составов со строго определенным соотношением компонентов не существует, поэтому при разработке вспучивающегося покрытия всегда встает задача обоснованного
и оптимизированного подхода к выбору компонентов.
Следует отметить, что в настоящее время единый универсальный формализованный подход к выбору эффективных огнезащитных составов стальных конструкций объектов нефтегазового комплекса отсутствует.
В связи с этим алгоритмизация обоснования выбора огнезащитных покрытий, работающих в сложных условиях эксплуатации, характерных для предприятий нефтегазового комплекса, является актуальной задачей повышения пожарной и промышленной безопасности оборудования и сооружений.
За основу алгоритма выбора защитного покрытия был принят один из методов, приведенный в работе [22].
Усовершенствованная авторами схема алгоритма обоснования и выбора соответствующего сценариям пожара огнезащитного покрытия представлена на рис. 9.
Предлагаемый алгоритм выбора огнезащитного покрытия включает в себя предварительную работу, которая может применяться при проведении расчетов по количественной оценке пожарной опасности; анализ возможных сценариев развития пожара (расчет скорости выгорания и определение размеров зон пожара); определение типа системы огнезащиты с учетом окружающей среды эксплуатации и агрессивных воздействий на защитные покрытия, размера потенциального ущерба от пожара, технических, экономических и человеческих факторов; обоснование выбора огнезащитного покрытия с учетом данных о результатах испытаний, достаточного для обеспечения заданного (требуемого) уровня противопожарной защиты.
Таким образом, осуществлена формализация выбора огнезащитного покрытия и предложен алгоритм его обоснования.
1. Fast fabrication of a light-scattering polycarbonate with high transmittance, high haze, and excellent flame-retardant performance / Y. Duan [et al.] // J. Appl. Polym. Sci. 2022. Vol. 139 (43). P. 53055. DOI:https://doi.org/10.1002/app.53055.
2. Transparent, highly thermostable and flame retardant polycarbonate enabled by rod-like phosphorous-containing metal complex aggregates / T. Sai [et al.] // Chemical engineering journal. 2021. T. 409. P. 128223. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128223.
3. Povyshenie bezopasnosti ob"ektov neftegazovogo kompleksa putem sovershenstvovaniya ognezashchitnyh sostavov / E.V. Golovina [i dr.] // Pozharovzryvobezopasnost'. 2022. T. 31. № 3. S. 24-33. DOI:https://doi.org/10.22227/0869-7493.2022.31.03.24-33.
4. Making polycarbonate flame retardant: Flame retardant selection and calorimetric analyses / De-jia Chen [et al.] // Polymer testing. 2023. Vol. 117. P. 107876. DOI:https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107876.
5. Sovershenstvovanie metodov i sredstv ognezashchity na osnove termostojkih mineral'nyh zapolnitelej dlya metallicheskih konstrukcij: monografiya / A.Yu. Akulov [i dr.]. Ekaterinburg: Ural'skij institut GPS MCHS Rossii, 2015. 161 s.
6. GOST R 53295-2009. Sredstva ognezashchity dlya stal'nyh konstrukcij. Obshchie trebovaniya. Metod opredeleniya ognezashchitnoj effektivnosti. Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».
7. GOST 9.401-2018. Metody uskorennyh ispytanij na stojkost' k vozdejstviyu klimaticheskih faktorov. Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».
8. Ocenka dopustimogo sroka ekspluatacii tonkoslojnyh ognezashchitnyh pokrytij v razlichnyh klimaticheskih usloviyah: metodika. M.: VNIIPO MCHS Rossii, 2015. 38 s.
9. GOST R 53293-2009. Pozharnaya opasnost' veshchestv i materialov. Materialy, veshchestva i sredstva ognezashchity. Identifikaciya metodami termicheskogo analiza. Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».
10. A review of environmental occurrence, fate, and toxicity of novel brominated flame retardants / P. Xiong [et al.] // Environmental science & technology. 2019. Vol. 53 (23). P. 13551-13569. DOI:https://doi.org/10.1021/acs.est.9b03159.
11. High-performance flame-retardant polycarbonate composites: Mechanisms investigation and fire-safety evaluation systems establishment / X. Mu [et al.] // Composites Part B: Engineering. 2022. T. 238. P. 109873. DOI:https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109873.
12. Krasheninnikova M.V. Tendencii i perspektivy razrabotki kompozicij vspuchivayushchihsya ognezashchitnyh pokrytij dlya povysheniya predelov ognestojkosti stroitel'nyh konstrukcij // Pozharovzryvobezopasnost'. 2008. № 2. S. 36-39.
13. Bezzaponnaya O.V., Golovina E.V. Effect of mineral fillers on the heat resistance and combustibility of an intumescent fireproofing formulation on silicone base // Russian journal of applied chemistry. 2018. T. 91. № 1. P. 96-100.
14. Li Y.M., Hu S.L., Wang D.Y. Polymer-based ceramifiable composites for flame retardant applications: A review // Composites communications. 2020. T. 21. P. 100405.
15. Design and application of highly efficient flame retardants for polycarbonate combining the advantages of cyclotriphosphazene and silicone oil / J. Jiang [et al.] // Polymers. 2019. T. 11. № 7. P. 1155. DOI:https://doi.org/10.3390/polym11071155.
16. Gao Z., Ren X., Miao Z. Research advances of phosphorus flame retardants in flame retardant polycarbonate // Chemistry. 2021. T. 84. № 11. P. 1191-1199.
17. Eremina T., Korolchenko D. Fire protection of building constructions with the use of fire-retardant intumescent compositions // Buildings. 2020. Vol. 10. P. 1-14.
18. Palazzi E., Fabiano B. Analytical modelling of hydrocarbon pool fires: Conservative evaluation of flame temperature and thermal power // Process. Saf. Environ. Prot. 2012. № 90. P. 121-128. DOI:https://doi.org/10.1016/j.psep.2011.06.009.
19. Papaspyrides C.D., Kiliaris P. Polymer green flame retardants. Chapter 6: Phosphorus-based and intumescent flame retardants. Elsevier, 2014. P. 221-254. DOI:https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53808-6.00006-8.
20. Eremina T.Yu., Gravit M.V., Dmitrieva Yu.N. Osobennosti i principy postroeniya receptur ognezashchitnyh vspuchivayushchihsya kompozicij na osnove epoksidnyh smol // Pozharovzryvobezopasnost'. 2012. № 7. S. 52-56.
21. Cirpici K.B., Wang Y.C., Rogers B.D. An analytical approach for predicting expansion of intumescent coating with different heating conditions // 12th International congress on advances in civil engineering. Istanbul, Turkey, 2016. P. 1-8.
22. Klement'ev B.A., Kalach A.V., Gravit M.V. Sravnitel'nyj analiz trebovanij Rossii i SSHA k ognestojkosti stroitel'nyh konstrukcij neftepererabatyvayushchih i neftekhimicheskih zavodov // Pozharovzryvobezopasnost'. 2021. T. 30. № 5. S. 5-22. DOI:https://doi.org/10.22227/0869-7493.2021.30.05.5-22.
