Реализации разработанной математической модели вспучивающихся огнезащитных покрытий

Характерные особенности практической реализации разработанной математической модели и результаты ее экспериментальной проверки рассмотрим на примере типичного представителя вспучивающихся водосодержащих покрытий — покрытия ОСП-1. Оно используется для огнезащиты несущих конструкций из стали и воздуховодов.

Покрытие состоит из жидкого стекла (95 % веса) и наполнителя из базальтовых волокон (2 %), перлита, глины, двуокиси титана и прочих добавок (3 %). Оно используется в составе трехслойной системы ОЗП-1, включающей слой грунта из хлорсульфированного полиэтилена ХП 1267-М и покрывной слой из ХП 1267-2М. Это устраняет основные недостатки, присущие жидкостекольным составам, и обеспечивает высокую адгезию покрытия к защищаемым поверхностям, а также его влагостойкость и долговечность.

Для уточнения особенностей поведения покрытия ОСП-1 при нагреве, а также определения комплекса характеристик, необходимых для проведения расчетов, но не определяемых традиционными методами, проведены две серии испытаний образцов на установке лучистого нагрева, конструкция которой описана. В первой серии использовались образцы до, а во второй — после изменения разработчиком его рецептуры.

Это изменение незначительно отразилось на соотношении основных компонентов, однако с его помощью удалось существенно увеличить вспучивание покрытия. В ходе испытаний измерялась температура образцов (стальных пластин толщиной 2 мм) и фиксировалась толщина вспученного слоя. С ненагреваемой стороны образцы изолировались базальтоволокнистыми плитами ПНТБ толщиной 30 мм.

Испытания проводились при величинах теплового потока, падающего на поверхность образца, от 40 до 60 кВт/м2. Для измерений толщины покрытия использовался электромагнитный вихретоковый толщиномер 54-362 М.

В ходе экспериментов зафиксировано в среднем 7-кратное вспучивание исследуемого материала до доработки его рецептуры и 13-кратное — после нее. Поверхностный унос и сползание вспученного слоя в ходе испытаний не фиксировались. Осмотр состояния образцов после испытаний показал, что структура вспученного слоя отличалась от структуры этого слоя у покрытий на органической основе наличием пустот и значительно большей прочностью. Типичные результаты испытаний представлены на рис. 1, 2.

На рис. 3 5 представлены результаты испытаний в огневых печах колонн, защищенных покрытием ОСП-1 (ОЗП-1). Как видно из рис. 1 5, ему свойственны все признаки материалов, содержащих воду. Однако наличие вспучивания существенно снижает уровень нагрева защищаемых элементов по сравнению с невспучивающимися материалами при сопоставимом уровне их толщин. Из приведенных данных видно, насколько существенно эффективность подобных средств огнезащиты зависит от величины вспучивания. На рис. 3, 4 представлены результаты испытаний колонн из двутавра № 20 и № 30 с покрытием ОСП-1 в огневой печи ВНИИПО, полученные до изменения разработчиком его рецептуры.

Рис. 2. Зависимости от времени температуры поверхности образца покрытия ОСП-1 после изменения его рецептуры и стальной пластины при испытаниях на установке радиационного нагрева: при толщине покрытия 0,78 мм и при тепловом потоке 55 кВт/м2 (а); толщине покрытия 1,08 мм и тепловом потоке 40 кВт/м2 (б)

На рис. 5 представлены результаты испытаний колонн из двутавра № 20 с покрытием ОСП-1 в огневой печи 26-го ЦНИИ МО РФ после доработки рецептуры. Сравнение этих результатов показало, что удалось добиться существенного роста огнезащитной эффективности покрытия за счет приблизительно двукратного увеличения величины его вспучивания.

Экспериментальная проверка разработанной математической модели проводилась путем сопоставления результатов расчетов с результатами огневых испытаний конструкций с огнезащитой в огневых печах ВНИИПО и 26-го ЦНИИ МО. Для апробирования определялся комплекс параметров для покрытия ОСП-1.

Рис. 3. Зависимости от времени температуры газовой среды (1) и стальных двутавровых колонн № 20 (2) с приведенной толщиной 3,4 мм, защищенных покрытием ОСП-1 толщиной 1,4 мм (а) и 3,8 мм (б), при испытаниях в огневой печи ВНИИПО

Массовые доли основных окислов, входящих в состав материала. Использовались также следующие исходные данные: р = 1440 кг/м3; Тнп = 100 °С; Ткп = 300 °С. Зависимость от температуры степени завершенности термического разложения покрытия представлена в табл. 1.

Т, °С	0	30	35	50	75	100	125	150	175
X	0	0	0,004	0,014	0,044	0,088	0,139	0,379	0,676
Т, °С	200	225	250	300	350	400	500	750	770
X	0,774	0,791	0,838	0,892	0,94	0,97	0,99	0,997	1

Характеристики	Значения характеристик при температуре К
	273	473	673	873	1173	1473
Теплопроводность, Вт/(мК)	0,045	0,062	0,082	0,110	0,150	0,210
Теплоемкость, Дж/(кгК)	716	987	1083	1150	1223	1286

Теплофизические характеристики базальтоволокнистых плит, используемых для теплоизоляции стальных пластин материала теплоизоляции, приведены в табл. 2 (р0 = 140 кг/м3).

Как отмечалось выше, коэффициент вспучивания определялся по результатам испытаний образцов на установке лучистого нагрева. При расчетах покрытия до изменения его рецептуры использовалось значения kv =7, а после изменения — kv = 13. Значения параметров математической модели были определенны методом известных коэффициентных обратных задач по результатам испытаний образцов на установке лучистого нагрева.

Рис. 5. Зависимости от времени температуры газовой среды (1) и стальных двутавровых колонн № 20 (2) с приведенной толщиной 3,4 мм, защищенных покрытием ОСП-1 толщиной 2,04 мм (а), толщиной 2,0 мм (б), при испытаниях в огневой печи 26-го ЦНИИ МО

Значения параметров модели оставались неизменным в ходе последующих расчетов, проводимых при различных величинах коэффициента вспучивания. О хорошем согласовании с экспериментами результатов расчетов, проведенных при использовании комплекса перечисленных выше параметров, можно судить по рис. 1,2.

Результаты экспериментальной проверки математической модели представлены на рис. 3-5. Согласование расчетных и экспериментальных данных при сложности процесса работы исследуемого материала следует признать удовлетворительным. Это свидетельствует о возможности и перспективности использования разработанной методики расчетов при проектировании огнезащиты из водосодержащих вспучивающихся материалов.