Введение

Требования по обеспечению пожарной безопасности, предъявляемые к используемым материалам, изготавливаемым и применяемым изделиям, конструкциям или сооружениям являются одними из основных нормативных требований в большинстве стран мира. В мировой практике действуют как международные нормативные документы, так и региональные (федеральные, государственные). Например, в Российской Федерации действуют принятые федеральные законы и Распоряжение Правительства Российской Федерации [1–3], а также ряд других нормативных документов, требующих обеспечить выполнение установленных норм по пожарной безопасности применяемых материалов, конструкций, зданий и сооружений, транспортных средств или иных объектов.

В зависимости от типа объекта различаются как применяемые требования по нормируемым видам пожарной опасности и предельно допустимым значениям, так и сами методы огневых испытаний.

Например, для авиационной отрасли основополагающими документами являются Авиационные правила [4, 5], в которых имеются специальные разделы и параграфы, посвященные пожарной безопасности. Описываемые в этих нормах методы испытаний отличаются от применяемых для других видов транспорта или для зданий и сооружений.

Авиационная техника является одной из наиболее высоконагруженных и сочетает ограниченность пространства, в котором расположены пассажиры, большие запасы углеводородного топлива и сложность, связанную с быстрой эвакуацией людей в случае возникновения аварийной ситуации во время полета. В связи с этим требования по пожарной безопасности применяемых материалов, огнезащите пожароопасных зон и обеспечению работоспособности функциональных и управляющих устройств являются очень жесткими [6]. Одними из норм по пожаробезопасности материалов авиационного назначения являются требования по обеспечению огнестойкости и огненепроницаемости. Однако, в отличие от других обязательных методов огневых испытаний, используемых в авиационной отрасли, непосредственного описания метода испытаний на огнестойкость и огненепроницаемость (или ссылки на используемый метод испытания) в тексте авиационных правил не приведено. За рубежом эта проблема решается путем использования дополнительных вспомогательных материалов [7–11], расширенного издания авиационных норм [12], технических отчетов, например документ [13]. В Российской Федерации такие вспомогательные материалы применительно к авиационной отрасли в настоящее время практически отсутствуют, в связи с чем фактически существует нормативно-правовой вакуум по методологии проведения испытаний на огнестойкость и огненепроницаемость. В работе [14] рассмотрены возможные методы огневых испытаний для подтверждения соответствия требованиям по огнестойкости и огненепроницаемости материалов и конструкций мотогондол авиационных двигателей и других пожароопасных зон.

Для определения огнестойкости в авиастроительной отрасли наибольшее распространение получили два варианта испытаний: метод керосиновой горелки, описанный в американском отчете [13], и метод с использованием мультитопливной многорожковой горелки, изложенный в международном стандарте ISO 2685:1998(Е) [15]. Метод испытаний на огнестойкость с использованием горелки по ISO 2685:1998(Е) включен в номенклатуру рекомендованных методов испытаний в Европейском сообществе [12]. Испытания, выполненные в DGA Aeronautical Systems (ранее – Европейский центр испытаний авиационной техники в Тулузе, Франция – CEAT) [16–18], показали возможность использования многорожковой горелки для оценки огнестойкости авиационных материалов. Однако специалисты Технического центра Федерального авиационного управления (FAA) США считают допустимым для определения огнестойкости использовать только керосиновую горелку [19], хотя показано, что по интенсивности воздействия пламя многорожковой горелки не уступает керосиновой горелке [20].

Другим, не менее важным этапом работ, кроме проведения сертификационных огневых испытаний, является создание новых, более совершенных материалов [21–24], в том числе обеспечивающих выполнение требований по огненепроницаемости и созданию огнестойких конструктивных элементов [25–27]. В настоящее время наиболее эффективными с точки зрения огнезащиты являются интумесцентные (вспучивающиеся) покрытия, образующие при воздействии пламени (повышенной температуры, теплового потока) пенококс, затрудняющие дальнейший нагрев защищаемого материала и обеспечивающие сохранение работоспособности конструкции в течение необходимого времени.

Для сравнительной оценки новых разрабатываемых материалов с существующими аналогами необходимо проведение огневых испытаний. Однако в ряде случаев при проведении таких испытаний возникают методические проблемы, требующие последующего решения. Именно идентификации одной из проблем и поиску ее решения и посвящена данная статья.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ (далее – ВИАМ) в рамках реализации комплексной научной проблемы 2.2. «Квалификация и исследования материалов» стратегического направления 2. «Фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов, неразрушающий контроль» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [21–24].

Материалы и методы

Испытания на огнестойкость и огненепроницаемость материалов авиационного назначения в последние годы в ВИАМ выполнялись по методике, приведенной в стандарте организации СТО 1‑595‑20‑532‒2017 [28]. Данный стандарт разработан на основе части стандарта ISO 2685:1998(Е) и использует многорожковую газовую горелку. Конструкция горелки приведена на рис. 1, соотношение открытой поверхности образца (200×200 мм) и диаметра сопла горелки (Ø180 мм) обеспечивает создание практически равномерного температурного поля по большей части образца. В нижнюю часть горелки подается смесь воздуха и топлива (метан, пропан) в соотношении от 0,5 до 1,0 от стехиометрического. В верхнюю часть горелки подается дополнительное количество воздуха для охлаждения верхней панели горелки (сопла) и обеспечения лучшей полноты сгорания топлива. Точная регулировка количеств подаваемого воздуха и топлива в горелку осуществляется на этапе калибровки по температуре.

Рис. 1. Конструкция многорожковой мультитопливной горелки для испытаний на огнестойкость и огненепроницаемость

Согласно нормативным документам, используемым в авиационной отрасли [11, 12, 15, 29], испытания на огнестойкость и огненепроницаемость материалов авиационного назначения проводятся при постоянном температурном режиме, при котором температура пламени составляет 1100±80 °C в зоне воздействия пламени на образец.

Для испытаний, согласно разработанному и применяемому в ВИАМ стандарту организации СТО 1-595-20-532‒2017, используются образцы размером 250×250 мм, которые устанавливаются в держатель образца (рис. 2) на специальную монтажную раму. Жесткая фиксация образца при помощи крепежных рамок обеспечивает создание практически газоплотного соединения, предотвращающего выход открытого пламени, продуктов пиролиза и горения на необогреваемую сторону образца. 

Рис. 2. Конструкция держателя образца

Внешний вид монтажной рамы с установленной горелкой приведен на рис. 3.

Стандарт СТО 1-595-20-532‒2017 предусматривает несколько вариантов проведения испытаний: в условиях естественной конвекции (тыльная сторона охлаждается за счет свободного излучения и естественной конвекции), вынужденной конвекции (тыльная сторона охлаждается набегающим потоком воздуха) и с теплоизолированной тыльной стороной. Во всех трех вариантах испытаний, кроме контроля целостности образца, возможно проведение измерений температуры тыльной (необогреваемой) поверхности образца. Кроме того, при проведении испытаний по второму варианту возможно измерение температуры воздуха на расстоянии 100 мм над поверхностью образца.

Рис. 3. Монтажная рама с установленной в вертикальном положении горелкой

Для измерения, регистрации и контроля температуры пламени совместно с термопарными термодатчиками использовали регистрационно-измерительное устройство – регистратор многоканальный технологический РМТ-59М (НПП «ЭЛЕМЕР», Россия), который обеспечивает непрерывные измерение, регистрацию и запись данных одновременно со всех используемых термодатчиков. В данном случае при проведении испытаний использовали режим, обеспечивающий регистрацию информации 1 раз в секунду.

Проведение исследований выполнено на образцах интумесцентного огнезащитного покрытия разработки ВИАМ. Данный материал характерен тем, что для обеспечения эффективной теплозащиты при воздействии открытого пламени образуется прочный высокократный пенококс с относительно низкой теплопроводностью.

В соответствии со стандартом на метод испытания изготовлены образцы размером 250×250 мм. Образцы представляли собой лист из алюминиевого сплава Д16-АТ толщиной 2 мм, на который в несколько слоев нанесено огнезащитное покрытие. Общая толщина образца после высыхания покрытия составляла ~7 мм. Все образцы до проведения испытаний предварительно кондиционированы согласно ГОСТ 12423‒2013 при температуре 23±1 °C и относительной влажности 50±5 % в течение не менее 24 ч.

Результаты и обсуждение

Ранее проведенные экспериментальные и теоретические исследования [30, 31] показали работоспособность и адекватность используемого метода при выполнении испытаний образцов из металлических сплавов, полимерных композиционных или гибридных (металлополимерных) материалов. Однако при проведении испытаний интумесцентного покрытия возникли сложности.

Огнезащитное покрытие обладает ярко выраженным интумесцентным эффектом – при воздействии высоких температур происходит термодеструкция полимерной составляющей, вспенивание и коксование. При этом кратность образующегося пенококса (отношение толщины образовавшегося пенококса к толщине исходного материала) составляет ˃10 (рис. 4).

Высокая кратность образующегося пенококса приводила к расклиниванию образца между держателем и крепежной рамкой, что приводило к деформированию крепежных элементов и повышало сложность демонтажа испытанного образца.

Рис. 4. Внешний вид образца с интумесцентным покрытием в исходном состоянии (а)
и после огневых испытаний (б)

Конкретно для этих испытываемых образцов толщина образовавшегося пенококса превышала 80 мм. С учетом того, что расстояние от лицевой поверхности образца до среза сопла горелки составляет немногим более 5 см, расстояние от среза сопла горелки до форсунок 15 мм и толщина самого покрытия ~5 мм, то получаем, что пенококс заполняет собой все возможное пространство между металлическим листом основы и форсунками горелки.

Вследствие сильного коксообразования происходило изменение фронта пламени: частично пламя отклонялось в боковые стороны от образца, а частично (под действием избыточного давления газа, воздуха и образовавшихся продуктов горения горючего газа) ‒ вдувалось внутрь пенококса, где и происходило его догорание. Такое искажение фронта пламени приводило к получению некорректных результатов и сопровождалось большим разбросом данных параллельных испытаний одинаковых образцов – разброс данных по температурам на тыльной стороне образцов мог превышать 100 °C (рис. 5).

Рис. 5. Изменение температуры тыльной поверхности образцов с интумесцентным покрытием при жестком закреплении образцов 1‒3

Первоначально высказана гипотеза, что данный разброс значений может быть вызван искажением фронта пламени газовой горелки и большей степенью прогрева металлической конструкции держателя образца. Однако дополнительная теплоизоляция внешней поверхности держателя образца при помощи термостойкого неорганического покрытия с низкой теплопроводностью не привела к существенному изменению регистрируемых результатов.

Предложено попробовать увеличить расстояние между горелкой и поверхностью исходного образца. Однако увеличение изначального расстояния между срезом сопла горелки и лицевой поверхностью образца нежелательно, так как в этом случае в начальный период времени образец оказывается в зоне пламени с более низкой температурой ‒ на ~(50–150) °C меньше необходимых 1100 °C.

Для решения задачи постоянного (регулируемого) расстояния между источником нагрева и лицевой поверхностью испытываемого материала существует специальное испытательное оборудование [32]. В данном оборудовании имеется специальный механизм, позволяющий во время проведения испытания принудительно передвигать нагревательную панель относительно держателя с образцом, обеспечивая таким образом необходимое расстояние между нагревательными элементами и лицевой поверхностью образца, а также обеспечивая либо сохранение воздействия постоянного теплового потока на поверхность, либо изменение его интенсивности по заданному временно́му закону.

В используемом в данной работе испытательном оборудовании принудительное регулируемое изменение расстояния между срезом сопла горелки и поверхностью образца непосредственно во время испытаний потребовало бы внесения серьезных изменений в конструкцию оборудования, что фактически невыполнимо на данном этапе работ. Поэтому в качестве возможного устранения данной проблемы решено отказаться от необходимости закрепления испытываемого образца с помощью жестко фиксируемой крепежной рамки.

Данное решение несколько снижало газоплотность стыка между образцом и держателем образца, но одновременно обеспечивало свободное перемещение образца по мере вспучивания покрытия в зазоре между металлической основой образца и нижней крепежной рамкой. При этом хотя расстояние между лицевой поверхностью испытываемого образца и срезом сопла горелки несколько уменьшалось в процессе испытания, но перекрытия сопла горелки образующимся пенококсом не происходило.

Внедренное методическое решение позволило получать данные с хорошей воспроизводимостью (рис. 6). Выполненный комплекс испытаний образцов интумесцентного покрытия (более 10 различных комплектов образцов, по 3 образца для параллельных испытаний в каждом комплекте, т. е. всего >30 образцов) подтвердил правильность принятого технологического решения.

Рис. 6. Изменение температуры тыльной поверхности образцов с интумесцентным покрытием при свободно расположенных образцах 1‒3

Заключения

Проведены огневые испытания огнезащитного интумесцентного материала.

Установлено, что при стандартной процедуре проведения испытаний на огнестойкость получают некорректные данные вследствие образования высокократного пенококса, изменяющего работу газовой горелки.

Предложено методическое решение, позволяющее устранить проблему и добиться адекватных результатов огневых испытаний с удовлетворительной воспроизводимостью данных.