автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Повышение огнезащитной способности вспучивающихся покрытий для объектов нефтегазовой отрасли

На правах рукописи . - (

Ямщикова Светлана Алексеевна

ПОВЫШЕНИЕ ОГНЕЗАЩИТНОЙ СПОСОБНОСТИ ВСПУЧИВАЮЩИХСЯ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Специальности: 05.26.03 — «Пожарная и промышленная

безопасность» (нефтегазовая отрасль) 05.02.01 — «Материаловедение» (машиностроение в нефтегазовой отрасли)

Автореферат ,

а соискание ученой с: кандидата технических наук

диссертации на соискание ученой степени^. ^

Уфа - 2009

003477391

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» на кафедре «Материаловедение и защита

от коррозии».

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Кравцов Виктор Васильевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Хафизов Фаниль Шамильевич;

кандидат технических наук Черкасов Николай Михайлович.

Ведушая организация Государственное унитарное

предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов».

Защита состоится 16 октября 2009 года в 14 — на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (УГНТУ).

Автореферат разослан 16 сентября 2009 г.

Ученый секретарь совета

Лягов А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современные темпы капитального строительства и интенсивное развитие металлоемких отраслей промышленности предъявляют особые требования к решению огнезащиты металлических изделий, оборудования и конструкций. В Российской Федерации ежегодно происходит около 250 тыс. пожаров, в результате которых уничтожается материальных ценностей более чем на 6,5 млрд р. и погибает свыше 18 тыс. человек. Самые значительные убытки от пожаров отмечаются в топливно-энергетическом комплексе.

В современной практике строительства нефтегазовых объектов широкое распространение получили металлические конструкции, обладающие высокой прочностью, относительной легкостью, долговечностью. Однако под воздействием высоких температур при пожаре они деформируются, теряют устойчивость, несущую способность. Поэтому огнезащита металлических конструкций является одной из актуальных проблем повышения огнестойкости зданий и сооружений. При защите стальной конструкции вспучивающимся (интумесцентным) покрытием ее предел огнестойкости может составить от 0,5 до 2,5 часов. Для этих целей в настоящее время применяются краски, лаки, мастики и другие материалы, которые постепенно вытесняют громоздкую конструкционную защиту. Явление вспучивания, или интумесценции, на поверхности в процессе горения происходит под действием одновременного вспенивания и карбонизации горящей полимерной системы. Такие покрытия в последнее время находят широкое применение в нефтегазовой, нефтехимической и химической промышленности.

Согласно ГОСТ Р 12.3.047-98 Ф.4.3.2, гарантийный срок эксплуатации покрытия, нанесенного на конструкцию, должен быть равен расчетному сроку эксплуатации оборудования (до капитального ремонта), но не менее 10 лет, при этом гарантийный срок подтверждается методом ускоренных климатических испытаний по ГОСТ 9.401-91.

Хотя вспучивающиеся покрытия способны придать полимерным композициям высокую огнестойкость, они имеют недостаточно высокую стойкость к воздействию производственной атмосферы и повышенной влажности, в результате чего на поверхности стальной конструкции и под покрытием в течение длительной эксплуатации (3 года и более) возникают и развиваются очаги коррозии, снижается адгезионная прочность, происходит отслоение

и растрескивание покрытий, что в конечном счете ведет к снижению длительности огнезащиты. Поэтому разработка вспучивающихся покрытий с повышенной огнезащитной способностью, работающих в сложных условиях эксплуатации, характерных для предприятий нефтегазовой отрасли, является актуальной проблемой в области повышения пожарной и промышленной безопасности оборудования и сооружений.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка лакокрасочных композиций, обеспечивающих повышение пожарной безопасности и эффективность защиты от коррозии металлических конструкций нефтегазовой отрасли.

Задачи исследования:

1 Разработать рецептуры вспучивающихся лакокрасочных композиций, обеспечивающих защиту от коррозии стальных конструкций в условиях воздействия промышленной атмосферы предприятий нефтегазовой отрасли.

2 Определить теплоизолирующие свойства разработанных огнезащитных покрытий и выполнить оценочные расчеты несущих металлоконструкций с нанесенными вспучивающимися покрытиями.

3 Изучить свойства металла под огнезащитными покрытиями после теплового воздействия в режиме "стандартного пожара".

4 В соответствии с ГОСТ 9.401-91 определить гарантийный срок эксплуатации покрытий в промышленной атмосфере.

5 Разработка технологического регламента нанесения полученных в работе вспучивающихся покрытий.

Научная новизна

1 Установлено, что введение в состав огнезащитной вспучивающейся краски цинкового порошка приводит к повышению огнезащитной эффективности покрытия за счет образования сшивок между полимерно-олиго-мерными фрагментами карбонизата, приводящих к увеличению плотности структуры пенококса при действии высоких температур.

2 Определено, что гарантийный срок эксплуатации вспучивающихся покрытий толщиной 0,95-1 мм увеличивается на 16,4 и 32,7 % при модифицировании известных композиций, содержащих расширенный графит, антикоррозионными добавками —■ ингибитором коррозии (смесь хромата и фосфата гуанидина) или цинковым порошком — вследствие замедления коррозии стальной подложки и повышения долговечности покрытий при их старении в промышленной атмосфере.

Практическая ценность

1 Разработанные композиции огнезащитных вспучивающихся красок и технология их нанесения применяются в ООО "Центр технических систем «БАТЫР»" при проведении огнезащитных работ.

2 Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО УГНТУ при проведении лекционных и практических занятий, а также при выполнении курсовых и дипломных проектов по специальности 240801 "Машины и аппараты химических производств" по дисциплинам "Теория химического сопротивления материалов", "Техника эксперимента в химическом сопротивлении материалов" и "Коррозия и защита нефтезаводского и нефтехимического оборудования".

На защиту выносятся основные положения:

1 Аналитическое обоснование выбора рецептуры предложенных в работе вспучивающихся лакокрасочных материалов, модифицированных металлическим цинком и ингибитором коррозии, представляющим собой смесь фосфата и хромата гуанидина в соотношении 100 : 1,5 мае. ч.

2 Обоснование выбора расширенного графита в составе вспучивающей добавки.

3 Повышение теплоизолирующих свойств разработанных покрытий.

4 Расчетное повышение огнестойкости металлоконструкций, защищенных разработанными составами.

5 Влияние толщины слоя состава на обеспечение заданной огнезащитной эффективности.

6 Результаты микроструктурного анализа вспученного покрытия с цинковым наполнителем.

7 Результаты металлографического анализа с нанесенным вспученным покрытием после теплового воздействия в режиме "стандартного пожара".

8 Результаты оценки гарантийного срока эксплуатации покрытий при действии промышленной атмосферы.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции "Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли" (г. Тюмень, 2007 г.); на 57-й. 59-й и 60-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2006, 2008, 2009 гг.), студенческой научно-технической конференции молодых ученых "Неделя науки" УГАТУ (г. Уфа, 2009 г.), Международной научно-технической конференции

"Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук" (г. Уфа, 2009 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов, содержит 144 страницы машинописного текста, в том числе 30 рисунков, 22 таблицы, список использованных источников из 117 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность рассматриваемой темы и научное значение, изложена цель исследования.

В первой главе отражено современное состояние проблемы в области разработки и применения вспучивающихся покрытий.

Произведен анализ действующих стандартов и других нормативных документов в области нормирования качества огнезащитных вспучивающихся красок. Актуальными для России в настоящее время являются вспучивающиеся материалы, превращающиеся при нагревании (пожаре) в толстый слой негорючей пены с низкой теплопроводностью. Большой вклад в изучение огнезащитных вспучивающихся красок внесли С. В. Баженов, Н. М. Бессонов, А. Н. Гаращенко, Г. Н. Давыдкин, Т. Ю. Еремина,

A. М. Зайцев, М. В. Крашенинникова, А. Я. Кузин, А. С. Мельников,

B. Л. Страхов, Ф. Ш. Хафизов, А. И. Яковлев.

Процесс вспучивания красок при тепловом воздействии заключается в комбинации коксообразования и вспучивания слоя горящей краски. Образующийся при этом вспененпый ячеистый коксовый слой, плотность которого уменьшается с ростом температуры, предохраняет горящий материал от воздействия теплового потока и пламени. Предполагаемый защитный механизм основан на действии коксового слоя в качестве физического барьера, который снижает тепло- и массоперепосы от газовой к конденсированной фазам. Кроме того, вспучивающийся слой поглощает горючие газообразные продукты пиролиза полимера и затрудняет попадание газообразного топлива в пламенную зону. И, наконец, он ограничивает поступление кислорода воздуха к полимерному слою. Снижение скорости распада

полимера под влиянием вспучивающегося материала ограничивает соответственно образование газообразного топлива и приводит к самозатуханию в стандартных условиях.

Целью разработки и первой областью применения вспучивающихся красок была защита от перегрева спускаемых аппаратов космических кораблей в 50-60-е годы прошлого века. Разработки велись независимо как в Советском Союзе, так и в США. А первое применение в строительстве покрытий такого рода имело место в 1973 г. в Соединенных Штатах при строительстве одного из небоскребов в Чикаго. С тех пор производство и использование вспучивающихся огнезащитных покрытий развивалось стремительно, достигнув к 2001 г. объема мирового выпуска около 30 ООО т в год (около 200 млн долларов в денежном выражении).

Несколько типов вспучивающихся красок в России в настоящее время уже производится в промышленных масштабах. Однако недостатком ряда таких красок является низкая защитная способность от действия коррозионных сред. Поэтому производители вспучивающихся красок рекомендуют перекрывать их атмосферостойкими лаками в 2-3 слоя.

Представляет научный и практический интерес создание многофункциональных лакокрасочных материалов, выполняющих роль грунтовки, антикоррозионной защиты в нормальных условиях эксплуатации и огнезащиты в экстремальных ситуациях.

Во второй главе дана характеристика методов исследования и образцов. Для оценки огнезащитной эффективности разработанных составов использовалась установка, выполненная в соответствии с ГОСТ 30402-96, обеспечивающая температурный режим "стандартного пожара".

В качестве основного критерия оценки огнезащитных свойств принимали время прогрева необогреваемой стороны стального образца до критической температуры (500 °С для стали) при тепловом воздействии на него со стороны огнезащитного покрытия. В качестве образца использовали стальные пластины размером 165 х 165 мм, толщиной 1 мм, материал СтЗ ГОСТ 380-94. Температуру стальной пластины измеряли с помощью термоэлектрического преобразователя, который устанавливали на необогреваемой стороне образца. В процессе проведения испытаний регистрировали: время наступления предельного состояния, изменение температуры в экспериментальной камере, поведение огнезащитного покрытия (вспучивание, обугливание, отслоение, выделение дыма, продуктов горения и т. д.), изменение температуры металла образца.

Для установления взаимодействия цинка с компонентами в структуре покрытия, вспученного в режиме "стандартного пожара", проводили съемку с помощью лазерного сканирующего микроскопа "LSM-5-Exciter" (Carl Zeiss, Germany) с длиной волны X = 453 нм при оптическом увеличении ~1000* (разрешение ~0,2 мкм) в режиме -100 оптических послойных срезов по оси "Z".

С целью определения происшедших в результате воздействия высоких температур структурных изменений в металле проводили сравнительные исследования параметров микротвердости и исследование микроструктуры металла. Для этого использовали автоматическую приставку "МНТ-10" на базе оптического микроскопа "Axiovert-IOOA" (Carl Zeiss, Germany), позволяющую измерять отпечатки при увеличении 1000х с погрешностью менее 1 %. Режимы нагружения: нагрузка 100 г; скорость нагружения 50 г/с; время выдержки под нагрузкой 10 с.

Защитные свойства ЛКП определяли по изменению электрического сопротивления с помощью мультиметра марки U1251A.

Для установления физико-механических свойств покрытий определяли: предел прочности пленки при растяжении и относительном удлинении при разрыве; прочность при ударе; твердость; адгезионную прочность; водопоглощение; вязкость; коэффициент вспучивания покрытий по стандартным методикам.

Оценку гарнтийного срока эксплуатации покрытий определяли по изменению комплексного показателя, учитывающего степень разрушения покрытия. Размеры растрескивания, отслаивания, выветривания (растворения) характеризовали глубиной разрушения покрытия — верхнего слоя, до грунтовки, до окрашиваемой поверхности — и определяли с помощью лупы.

Расчет обобщенной оценки состояния защитных свойств покрытия A3 для атмосферных условий производили в соответствии с ГОСТ 9.407-89 по уравнению

АЗ=ХП+ХТ+ХС+ХК, ' (1)

где A3 — комплексный показатель;

X — коэффициент весомости каждого вида разрушения;

77, Т,С,К — количественные оценки образования пузырей, растрескивания, отслаивания коррозии металла.

Третья глава посвящена разработке универсальной системы вспучивающегося лакокрасочного покрытия.

Дано аналитическое обоснование выбора рецептуры вспучивающихся ЛКМ. Разработаны огнезащитные вспучивающиеся краски (ЛКПЦ и ЛКПИ) (таблица!).

Таблица 1 — Составы вспучивающихся красок

Компонент, % мае. ЛКПЦ ЛКПИ

Полимерное связующее 32,0-35,0 25,0-30,0

Вспучивающаяся добавка 45,0-50,0 50,0-68,0

Цинковый порошок 8,0-10,0 —

Антикоррозионная добавка — 0,8-1,0

Растворитель остальное остальное

В краске в качестве полимерного связующего использовали перхлорвиниловый лак. Вспучивающая добавка содержит пентаэритрит, полифосфат аммония и расширенный графит в соотношении (10,0-19,0): (18,0— 32,0): (5,0-15,0). Металлический цинк используется в виде порошка дисперсностью 5...8 мкм. Для установления взаимодействия цинка с компонентами в структуре вспучивающегося покрытия использовали лазерный сканирующий микроскоп "Ь8М-5-Ехсиег", с помощью которого на темных поверхностях графитовых чешуек обнаружены выходы базисных плоскостей в виде пакетов ступенек (как при деформации или "растрескивании") с расположенными на них светлыми дисперсными округлыми частицами 7л\. Локальные измерения показали, что размер чешуек графита составляет ~22 мкм, а дисперсных частиц 2п ~ 4 мкм. По различиям цветовой гаммы при перепаде высот (2 ~ 50 мкм для области сканирования ХУ = 140 х 140 мкм2) видна степень неоднородности 3-мерной структуры волокон. Огнезащитная вспучивающаяся краска (ЛКПИ) содержит антикоррозионную добавку, представляющую собой смесь фосфата гуанидина и хромата гуанидинав соотношении 100:1,5. Данная смесь, находящаяся в составе лакокрасочного покрытия, при адсорбции покрытием воды из окружающего пространства образует на металлической статьной поверхности (дно пор и других дефектов в покрытии) пассивные пленки, оказывающие тормозящее действие на процесс коррозии.

Составы наносили на образцы кистью. Сушку каждого слоя проводили в течение 2 часов. Окончательная сушка всех слоев покрытия 36 часов.

При сравнительных испытаниях экспозицию образцов проводили путем погружения в 3 % раствор КаС1.

Таблица 2 — Результаты проверки физико-механических свойств покрытий

Показатель Требования ГОСТ Р 12.1.044-89 лкпо ЛКПЦ ЛКПИ

пвх Акрил

Кратность вспучивания,

раз, не менее 10 21,6- 21,2- 20,8- 20,1-

24,8 22,9 22,9 23,3

Прочность пленки при

ударе по прибору У-1А,

см, не менее 20 25,2 27,4 32,6 30,8

Прочность пленки

при растяжении, Н/мм2 — 38,8 36,5 46,8 44,3

Относительное удлине-

ние при разрыве, % — 44,5 42,8 36,3 40,5

Твердость пленки

по маятниковому

прибору М-3, усл. ед,

не менее 0,15 0,16 0,18 0,25 0,20

Адгезия по методу

решетчатых надрезов,

балл, не выше 1 1 1 1 1

Адгезия методом

отслаивания, Н/м — 13Д 16,6 17,7 18,8

Водопоглощение, % — 0,032 0,048 0,018 0,038

Измерение электрического сопротивления образцов показало, что покрытия, полученные нанесением ЛКПЦ и ЛКПИ, содержащие расширенный графит (рисунок 1), обладают меньшим сопротивлением, что объясняется лучшим контактом между частицами расширенного графита, имеющего развитую поверхность, в отличие от довольно гладких частиц литейного графита. Видно, что в результате воздействия среды сопротивление покрытия (Лк) снизилось с 200 до 98 Ом.

В случае применения литейного графита разрушение Пк привело к уменьшению его сопротивления с 1625 до 4 Ом. Полученные данные свидетельствует о том, что использование расширенного графита в составе вспучивающихся добавок позволяет получать Пк с высокой коррозионной стойкостью, которая зависит от количества слоев Пк при одном и том же

а

о

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

-д и

3=

г

-1 Х-

с литеиным графитом с расширенным графитом

0 2 4 6 8 Продолжительность экспозиции т-103, с

10

Рисунок 1 — Кинетика изменения электрического сопротивления покрытий при экспозиции образцов в 3 % №С1

расходе ЛКМ. Огнезащитные свойства лакокрасочных композиций оценивали по методике, описанной в главе 2.

Результаты опытов приведены в таблице 3.

Разработан технологический регламент по нанесению и методы контроля качества вспучивающихся составов на промышленные конструкции.

В четвертой главе проведено определение теплоизолирующих свойств вспучивающихся покрытий, огнезащитной эффективности и гарантийного срока эксплуатации разработанных покрытий.

По результатам, полученным при оценке теплоизолирующих свойств в лабораторных условиях по ГОСТ 30402-96 с использованием малогабарит-

Таблица 3 — Огнезащитные свойства лакокрасочных композиций

Характеристика ЛКМ Наличие коррозионных очагов после экспозиции в 3 %-ном ЫаС1 через 30 сут Температура на тыльной стороне образца через 15 мин огневого воздействия, °С Температурный интервал вспучивания, °С Коэффициент вспучивания

ЛКПЦ Металл чистый 132-151 220-610 20,80-22,9

ЛКПИ Металл чистый 138-146 200-680 20,15-23,3

ЖПО Точечная кор- 100-140 250-700 21,60-24,8

розия— 100%

поверхности

ных образцов, проведены испытания для прогнозирования динамики нагрева металлоконструкций со вспучивающимися покрытиями без антикоррозионных добавок ЛКПО, с добавками цинка ЛКПЦ и ингибиторов коррозии ЛКПИ.

Испытания проводили в соответствии с методикой, описанной в главе 2.

Были приготовлены три вида образцов огнезащитного состава с толщиной огнезащитного слоя, мм:

ЛКПО..........................................................0,95-1,0;

ЛКПЦ..........................................................0,95-1,0;

ЛКПИ..........................................................0,95-1,0.

В ходе эксперимента определяли динамику нагрева образца металлической пластины по показаниям термопары, расположенной в центре образца на его необогреваемой стороне.

Результаты динамики нагрева образцов металлических пластин и изменение температуры печи представлены на рисунке 2.

Теплоизолирующие свойства покрытий оценивали по времени нагрева до температуры 500 °С, которое составило 68 мин — для покрытия типа ЛКПЦ; 60 мин — для покрытия типа ЛКПИ; 30 мин — для ЛКПО. По НПБ 236-97 огнезащитные покрытия ЛКПЦ и ЛКПИ отнесены ко 2-й группе, т. е. время нагрева колонны № 20 с приведенной толщиной 3,4 мм находится в пределах 120-125 мин. Видно, что наличие антикоррозионных добавок практически не влияет на динамику нагрева пластин.

1000

800

600

400

о. Ö

200

уА —

и

г

ЛКПО -О- ЛКПЦ -г- ЛКПИ

•а- Температура печи

0

80

Рисунок 2

20 40 60 Время нагрева, мин - Динамика нагрева пластин при лабораторных испытаниях

Для определенного фиксированного малого промежутка времени Ах эффективное значение коэффициента теплопроводности рассчитывали по формуле

К = ß (А/с /Д/п-с),

(2)

где

ß — это постоянный коэффициент, равный произведению массы образца, теплоемкости стали и длины отрезка нормали к плоскости образца, определяющей глубину рабочей зоны (линейное расстояние от термопары, фиксирующей температуру стали с необогреваемой стороны, до термопары, фиксирующей температуру печи), деленному на площадь образца;

Дtc — разность температур металла пластины за установленный промежуток времени; - среднее значение разности температур в печи и температуры металла пластины за тот же промежуток времени (в экспериментах этот промежуток времени составил 30 с). Для практических целей пользовались не Äg, а условным эффективным коэффициентом теплопроводности Х^ (частное, получаемое при делении на ß).

Данные по изменению значений условной эффективной теплопроводности покрытий обеих марок в зависимости от времени эксперимента приведены на рисунке 3. Во всех случаях наблюдается за короткие отрезки

Л'п

лкпо

ЛКПЦ

лкпи

5 10 15 Время т, мин

Рисунок 3 — Изменение коэффициента теплопроводности от времени нагрева

времени резкое снижение куъ. Характер изменения Хуэ вспучивающихся покрытий в зависимости от времени имеет общие закономерности, которые заключаются в относительно быстром снижении ЛуЭ на начальной стадии, в пределах 1-2 мин, с последующим переходом в зону более плавных изменений, в пределах 1-4 мин, и далее с выходом значений, в пределах времени более 4 мин, на пологий участок, где происходит лишь незначительное (близкое в постоянному) колебание значений, Изменение обусловлено процессами, протекающими в огнезащитном покрытии, при тепловом воздействии на которое происходит его размягчение, вспучивание, образование коксового пористого слоя и т.д. Характер изменения зависит от сложности процессов, происходящих в огнезащитном покрытии, и представляет собой некий суммарный процесс, обусловливающий теплоизолирующие свойства данного огнезащитного покрытия.

Для воспроизведения динамики нагрева "условно-реальной" конструкции с огнезащитным покрытием в работе использованы общепринятые представления о приведенной толщине металла, которая определяется как отношение площади поперечного сечения конструкции к ее обогреваемому периметру. В рассматриваемом случае при лабораторных испытаниях приведенная толщина металлической пластины равна 1 мм. Поскольку приведенная толщина двутавра № 20 составляет 3,4 мм, то в качестве примера рассчитали динамику нагрева конструкции с такой же приведенной толщиной с учетом экспериментально полученных зависимостей значений от температуры подложки.

Температурный режим воздействия принимали из условия стандартных испытаний (НПБ 236-97; ГОСТ 30247.0-97).

При этом время достижения критической температуры 500 °С (для условной конструкции с приведенной толщиной 3,4 мм) было определено равным 65 мин для конструкции с покрытием марки ЛКПИ и ЛКПО и 68 мин для конструкции с покрытием марки ЛКПЦ, что соответствует данным испытаний покрытий (рисунок 4).

Выполнен расчет предела огнестойкости однопролетной свободно опёртой стальной двутавровой балки № 20 в условиях экстремального пожара. Нами было принято, что огнезащищенные конструкции с начального момента пожара подвергаются воздействию пламени углеводородного топлива с температурой горения, равной 1100 °С. Среднюю температуру огнезащитного слоя приняли равной 540 °С.

Рассчитан прогрев и определен предел огнестойкости огнезащи-щенной однопролетной свободно опёртой стальной двутавровой

лкпо -О- лкпц

-т- ЛКПИ

-¿г- Температура печи

О 20 40 60 80 100 120 140 Время нагрева, мин

Рисунок 4 — Динамика нагрева двутавровой балки (профиль № 20Б1) толщиной 3,4 мм с различными огнезащитными покрытиями

балки № 20 (ГОСТ 8239-56 "Двутавры стальные горячекатаные"), находящейся под действием нормативной равномерно распределенной нагрузки (с учетом собственного веса) = 5886 Н/пм. Пролет балки — 6 м; марка стали — Ст 3; критическая температура — 477 °С. Балка окрашена вспучивающимся покрытием толщиной 1,5 мм; рс = 1930 кг/м3; м> = 2 %.

Расчет показал, что при экстремальном температурном воздействии пожара предел огнестойкости строительных конструкций значительно снижается. Уменьшение времени наступления предела огнестойкости по сравнению с температурным режимом стандартного пожара составляет 50 %.

Определены пределы огнестойкости металлоконструкций, покрытых вспучивающимися составами в режиме "стандартного пожара".

Если методы моделирования теплопереноса в обычных материалах при пожарах разработаны в достаточной степени (А. И. Яковлев, И. Ф. Астахова, В. В. Жуков и др.), то применительно к вспучивающимся материалам опубликованных данных мало. Выполненные нами расчеты относятся к области моделирования процессов тепло- и массопереноса во вспучивающихся материалах.

В диссертационной работе предполагается, что защищаемые металлоконструкции имеют вытянутую форму (двутавровый, швеллерный профили) и процесс тепло- и массопереноса в них можно рассматривать в двумерной постановке.

Перенос тепла в расчетной области описывается нестационарным уравнением теплопроводности

dt д Л dt

^дх (bcV дх

л

д +—

dt

+Ф, (3)

где ср -— коэффициент удельной теплоемкости, Дж/(кг • К); р — плотность, кг/м3; t — температура, °С; т — время, с;

X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К); Ф — внутреннее тепловыделение, Дж/м3. В рассматриваемом случае теплофизические характеристики в уравнении зависят от температуры и координат. При повышении температуры в любой точке состава выше температуры вспучивания /всп, что соответствует переходу состава во вспученное состояние, теплофизические характеристики резко меняют свое значение, и для проведения расчетов по определению огнезащитных свойств состава необходимо задать также и величину коэффициента теплопроводности состава после вспучивания.

При температурах, меньших температуры вспучивания /всп, теплопроводность состава определяли из справочных данных. Основная тепло-физическая характеристика, которая влияет па указанные свойства состава, — это коэффициент теплопроводности состава после вспучивания Х-2 при значениях температуры в диапазоне от /ЕСП до 1000 °С.

В методике расчета пористая среда рассматривается как периодически повторяющаяся совокупность характерных элементарных ячеек пространства. Каждая из ячеек представляет собой воздушную полость, окруженную твердыми стенками. Путем численного моделирования теп-лопереноса через такую ячейку сначала определяли эффективный коэффициент теплопроводности элементарной ячейки /*3ф при различных сочетаниях теплофизических и геометрических параметров, а затем коэффициент эффективной теплопроводности всей пористой среды.

Граничное условие на обогреваемой поверхности расчетной области нами задан в виде

. dt , ч

(/пож ~1)> (4)

ще п — внешняя нормаль к поверхности;

схПож — коэффициент конвективной теплоотдачи при пожаре, Вт/(м2-К); /„ож — температура пожара.

Изменение внешней температуры пожара во времени задавалось зависимостью для стандартного температурного режима пожара, согласно ГОСТ 30247.0-94:

'пож = 34518(0,133т+1) + 273, (5)

где г— время, с.

Коэффициент теплоотдачи при стандартном температурном режиме пожара рассчитывали в соответствии с ГОСТ 30247.0-94 по формуле

Опож +273)4 -(/+273)4 /(/пож-0 . (6)

апож =29+3,9-10-

Для численного решения уравнений (3)-{6) применяли известный метод конечных объемов, реализованный на неравномерной ортогональной разностной сетке. Формулы для расчета изменения температурного поля в конструкции использовали в соответствии с работами А. И. Яковлева, Т. Ю. Ереминой.

Теплофизические характеристики стали принимались следующими: р = 7800 кг/м3; ср = 50 Дж/(кг • К); X = 35...25 Вт/(м • К) при / = 20.. .500 °С. Свойства состава: р2 =1800 кг/м3; ср =1000 Дж/(кг -К); = 2 Вт/(м • К); р2 = 20 кг/м3; ср2 =1000 Дж/(кг ■ К); Х2 = 0,02...0,1 Вт/(м • К) при Г = 100... 1000 °С; коэффициент вспучивания к = 20.

Использована расчетная схема, принятая для стального двутаврового профиля толщиной 10 мм, покрытого равномерным слоем состава с начальной толщиной 1 мм. Учитывая симметрию задачи, доя расчета выбирали 1/4 часть конструкции.

График изменения средней температуры в стальном двутавровом профиле показан на рисунке 5. Видно, что рост температуры в двутавровом профиле резко замедляется после 2 мин эксперимента. Это объясняется тем, что к данному моменту поверхность двутаврового профиля уже полностью закрыта вспученным составом. Сводные результаты расчетов требуемой толщины слоя состава для обеспечения огнестойкости, равной соответственно 0,5; 0,75; 1 и 1,5 ч для указанных выше типовых конструкций, представлены в таблице 4.

Сравнение огнестойкости двутавровых профилей 20Б1 и 60Б2, погонная масса которых отличается почти в 5 раз, показывает, что для достижения равной огнестойкости требуется практически удвоить толщину слоя состава для более легкого двутаврового профиля 20Б1.

средняя температура двутавровой балки -о- кривая "стандартного пожара"

О 20 40 60 80 Время нагрева, мин

Рисунок 5 — Изменение средней температуры в двутавровой балке

(профиль № 20Б2):

Таблица 4 — Толщина состава, мм, обеспечивающая заданную огнезащитную эффективность

Тип профиля Коэффициент вспучивания Толщина покрытия, мм, при времени достижения огнезащитной эффективности г, ч

0,5 0,75 1 1,5

Двутавровый 20,8 0,55 1,00 1,60 3,20

20Б1 22,9 0,48 0,85 1,41 2,92

Двутавровый 20,8 0,30 0,55 0,80 1,30

60Б2 22,9 0,27 0,49 0,71 1,25

Проведена проверка изучения свойств стального субстрата (Ст 3) с нанесением покрытия после воздействия высоких температур (900 °С).

В результате исследования с помощью лазерного сканирующего микроскопа "Ь8М-5-Ехскег" на темных поверхностях графитовых чешуек в структуре вспученного слоя обнаружены выходы базисных плоскостей в виде пакетов ступенек (как при деформации или "растрескивании") с расположенными на них светлыми дисперсными округлыми частицами Ъп (рисунок 6). Локальные измерения показали, что размер чешуек графита составляет ~ 22 мкм, а дисперсных частиц Хп ~А мкм. По различиям цветовой гаммы при перепаде высот (2 ~ 50 мкм для области сканирования ХУ = 140 х 140 мкм2) видна степень неоднородности 3-мерной структуры волокон.

i 9

Рисунок 6 — Микрофотография 3-мерной поверхности вспученного покрытия

При нагревании вспучивающейся добавки возможна местная теломе-ризация (образование олигомеров небольшой величины), которая вызывает неоднородность углеродной составляющей композиции, в результате чего формируются поры разного размера. Цинк при повышенной температуре является активным восстановителем, способствует более равномерному формированию углеродной пленки (так как этот процесс окислительно-восстановительный) и принимает участие в структурировании пенококса за счет образования сшивок между полимерно-олигомерными фрагментами карбонизата.

В результате проведения сравнительных исследований установлено, что более высокое значение микротвердости в образце № 1 (рисунок 7) указывает на то, что температура под данным типом покрытия при действии огня была ниже из-за хорошей изоляции и металл не "отжегся". Образец № 2 (имеющий наименьшее значение микротвердости) "отжегся" в большей степени. Разница в значениях НУ между "наилучшим" и "наихудшим" образцом составляет около 7 %.

1350

1300

о

Е-

1250

2 3

Номера образцов

Рисунок 7 — Соотношение микротвердости НУ (по Виккерсу)

для разных типов образцов: № 1 — Пк с цинком; № 2 — Пк без антикоррозионных добавок; № 3 — Пк с ингибитором коррозии

0 5 15 25 35 мкм д е

Рисунок 8 — Микроструктуры поверхности образца из СтЗ и гистограммы распределения зерен после теплового воздействия, с использованием огнезащитных красок ЛКПЦ (а, б), ЛКПО (в, г), ЛКПЩд, е)

Внешний вид микроструктур (рисунок 8) подтверждает увеличение размера зерна у металлических образцов с покрытием без антикоррозион-

ных добавок. Из гистограммы распределения зерен по размеру (см. рисунок 8) видно, что средний размер увеличился с 5,2 мкм (в образце № 1) до 5,6 мкм, что отразилось на микротвердости: она снизилась на 7 %. Доля крупных зерен в образце №2 возросла по сравнению с таковой в образце № 1, это согласуется с зависимостью Холла-Петча. Таким образом, кроме интегральной механической характеристики (микротвердость) получено и структурное подтверждение (средний размер зерна и доля разных размеров зерен) более высокой температуры в образце № 2 по сравнению с образцом № 1 за счет положительного влияния цинка на вспучивающиеся свойства покрытия.

Для оценки степени повышения защитных свойств исследуемых покрытий проведены исследования старения вспучивающихся покрытий и расчет гарантийного срока их эксплуатации в коррозионно-активной атмосфере.

При старении вспучивающихся покрытий, исследуемых в данной работе, важно сохранение огнезащитных и коррозионно-защитных свойств.

Поэтому в работе измеряли толщину вспученного при действии огня слоя (рисунок 9) и определяли комплексный показатель стойкости покрытий к действию промышленной атмосферы (рисунок 10).

а

ч о Н

36 34 32 30 28 26 24 22 20 18

-1

ЛКПО ЛКПИ ЛКПЦ

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 Продолжительность экспозиции, ч

Рисунок 9 — Динамика изменения огнезащитных свойств образцов с вспучивающимися ЛКП после экспозиции в климатической камере

(ГОСТ 9.401-91)

<

1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65

V

\

\

ч>

1 1

1 1 1 ( 1 1 1

ЛКПЦ ЛКПИ ЛКПО

0 5 10 15 20 25 Продолжительность эксплуатации т, годы

Рисунок 10 — Динамика изменения комплексного показателя стойкости покрытий к действию промышленной атмосферы

Экспозицию образцов с нанесенными покрытиями ЛКПО, ЛКПЦ и ЛКПИ проводили в климатической камере в режиме 30 °С, влажность 100 %, "соляной туман". Толщину вспученного слоя определяли по фотографиям (по отношению к размерам образцов, которые нам известны). Значение комплексного показателя определяли в соответствии с методикой, приведенной в главе 2.

Расчетный гарантийный срок эксплуатации новых покрытий (рисунок 10) составляет 14,2 и 16,1 лет против 12,2 лет у покрытий без антикоррозионных добавок. Результаты расчета гарантийного срока эксплуатации на основании полученных зависимостей приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Гарантийные сроки эксплуатации огнезащитных покрытий

Тип покрытий Начальная толщина, мкм Толщина вспученного слоя, мм Гарантийные сроки эксплуатации, годы

по достижении • значения комплексного показателя, АЗ = 0,75 из условия снижения вспучивания на 25 %

ЛКПО 150 30 12,2 10,3

ЛКПЦ 150 35 16,1 11,6

ЛКПИ 150 33 14,2 10,8

Таким образом, проведенные исследования показали, что огнезащитные вспучивающиеся покрытия с добавками цинка или ингибитора коррозии обеспечивают необходимую антикоррозионную защиту металлических поверхностей в штатном режиме эксплуатации и сохранение огнезащитных свойств в течение 16,1 (ЛКПЦ) и 14,2 (ЛКПИ) лет.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Разработаны огнезащитные вспучивающиеся композиции с антикоррозионными добавками, которые обеспечивают повышение предела огнестойкости металлических конструкций в 2 раза.

2 Показано, что введение порошкообразного цинка в состав вспучивающейся краски способствует повышению огнезащитных свойств покрытий за счет формирования плотного вспученного слоя на стальной поверхности при действии огня.

3 Установлено, что применение разработанных вспучивающихся покрытий ЛКПИ и ЛКПЦ в качестве средств огнезащиты позволяет сохранять исходную структуру и прочностные свойства металла подложки.

4 Ускоренные испытания покрытий по ГОСТ 9.401-91 показали, что их гарантийные сроки эксплуатации составляют, год: для ЛКПИ — 14,2; для ЛКПЦ — 16,1; для покрытий, полученных с помощью аналогичного вспучивающегося состава без антикоррозионных добавок, —12,2.

5 Предложена технология нанесения огнезащитных вспучивающихся покрытий на поверхность стали, исключающая применение грунтовочного слоя и атмосферостойкого лака и тем самым позволяющая сокращать продолжительность их нанесения.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1 Кравцов, В. В. Огнезащитная вспучивающаяся краска с повышенной защитной способностью к коррозионному действию / В. В. Кравцов, С. А. Ямщикова, А. Н. Габдрахманов // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: материалы международной научно-технической конференции.—Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый университет», 2007.—С. 245-247.

2 Хайруллина, Э. Р. Огнестойкие вспучивающиеся покрытия с повышенной коррозионной стойкостью / Э. Р. Хайруллина, С. А. Ямщикова //

Материалы 59-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.— Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008,— С. 158-159.

3 Шайбаков, А. В. К вопросу о проблеме оценки химической стойкости огнезащитных покрытий / А. В. Шайбаков, С. А. Ямщикова,

B. В. Кравцов // Материалы 57-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.— Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006.—С. 140.

4 Ямщикова, С. А. Повышение долговечности интумесцентных покрытий при эксплуатации конструкций в промышленной атмосфере /

C. А. Ямщикова, В. В. Кравцов // Коррозия «Территории "Нефте-газ"».—2009.—№2(13).—С. 14-17.

5 Ямщикова, С. А. Разработка огнестойких покрытий повышенной коррозионной стойкости / С. А. Ямщикова, В. В. Кравцов, Д. Е. Бугай // Проблема сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов.— 2007,—№3,—С. 47-49.

6 Пат. № 2312878 Рос. Федерация: Огнезащитная вспучивающаяся краска / В. В. Кравцов, А. Н. Габдрахманов, С. А. Ямщикова.— № 2006124674; опубл. 20.12.2007, Бюл. № 35.

7 Пат. №2313550 Рос. Федерация: Огнезащитная вспучивающаяся краска / В. В. Кравцов, А. Н. Габдрахманов, С. А. Ямщикова.— № 2006123311; опубл. 27.122007, Бюл. № 36.

8 Ямщикова, С. А. Огнезащита металлических конструкций модифицированными вспучивающимися покрытиями / С. А. Ямщикова, В. В. Кравцов // Управление качеством в нефтегазовом комплексе.— 2009,—№3,—С. 41-43.

9 Ямщикова, С. А. Повышение огнестойкости металлических конструкций нанесением интумесцентных составов / С. А. Ямщикова, В. В. Кравцов, А. В. Сисанбаев, А. Р. Искандаров // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: материалы международной научно-технической конференции.— Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009.—С. 112-114.

Подписано в печать 10.09.09. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 120. Заказ 198. Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Введение.

Глава 1 Современное состояние проблемы в области разработки и применения вспучивающихся покрытий.

1.1 Эффективные средства огнезащиты и их характеристики.

1.2 Принцип действия вспучивающихся покрытий при действии огня.

1.3 Защитные свойства цинкосодержащих ЛКМ при действии электролитов.

1.4 Влияние фосфатов и хроматов в составе ЛКП на защитную способность покрытий в коррозионных средах.

1.5 Анализ действующих стандартов и других нормативных документов в области нормирования качества огнезащитных вспучивающихся- красок.

Глава 2 Характеристика методов исследования и образцов.

2.1 Общая характеристика условий проведения испытаний.

2.2 Определение теплоизолирующих свойств огнезащитных покрытий по металлу.

2.3 Испытания, воспроизводящие атмосферные условия.:.

2.4 Оценка защитных свойств покрытий по значению комплексного показателя стойкости покрытий.

2.5 Импедансный метод оценки защитных свойств лакокрасочных покрытий.

2.6 Измерение толщины покрытий.

2.7 Определение коэффициента вспучивания огнезащитного покрытия.

2.8 Определение предела прочности лакокрасочной пленки при растяжении и относительного удлинения при разрыве.

2.9 Определение прочности пленки на удар.

2.10 Определение твердости окрасочной пленки.

2.11 Определение адгезии методом отслаивания.

2.12 Определение адгезии методом решетчатых надрезов.

2.13 Определение водопоглощения.

2.14 Определение вязкости.

2.15 Определение долговечности покрытий при старении в промышленной атмосфере по данным испытаний в климатической камере.

2.16 Исследования на мезоуровне.

Глава 3 Разработка вспучивающихся лакокрасочных покрытий с повышенной долговечностью в промышленной атмосфере.

3.1 Аналитическое обоснование выбора рецептуры вспучивающихся ЛКМ.

3.2 Разработка вспучивающихся цинкосодержащих лакокрасочных материалов (ЛКПЦ) с повышенной защитной способностью.

3.3 Разработка вспучивающихся ЛКМ с ингибитором коррозии (ЛКПИ).

3.4 Подготовка образцов к проведению лабораторных исследований.

3.5 Исследование защитных свойств покрытий.

3.6 Рекомендации по нанесению покрытий на промышленные конструкции.

Глава 4 Оценка эффективности огнезащиты стальных конструкций, окрашенных вспучивающимися красками с противокоррозионными добавками.ЮС

4.1 Определение теплоизолирующих свойств огнезащитных покрытий и прогнозирование динамики нагрева металлоконструкций с вспучивающимися покрытиями.ЮС

4.2 Последовательность расчета прогрева огнезащищенных стальных конструкций в условиях воздействия экстремального температурного режима пожара.

4.3 Расчет прогрева предела огнестойкости однопролетной свободно опертой стальной двутавровой балки № 20.

4.4 Определение пределов огнестойкости металлоконструкций, покрытых разработанными вспучивающимися составами.

4.5 Старение вспучивающихся покрытий и долговечность при эксплуатации конструкций в коррозионно-активной атмосфере.

4.6. Влияние огнезащитных покрытий на микроструктуру СтЗ .^

Выводы.

Актуальность темы

Современные темпы капитального строительства и интенсивное развитие металлоемких отраслей промышленности предъявляют особые требования к решению огнезащиты металлических изделий, оборудования и конструкций.

В Российской Федерации ежегодно происходит около 250 тыс. пожаров, в результате которых уничтожается материальных ценностей более чем на 6,5 млрд р. и погибает свыше 18 тыс. человек. Самые значительные убытки от пожаров отмечаются в топливно-энергетическом комплексе.

В современной практике строительства нефтегазовых объектов широкое распространение получили металлические конструкции, обладающие высокой прочностью, относительной легкостью, долговечностью. Однако, под воздействием высоких температур при пожаре они деформируются, теряют устойчивость, несущую способность. Поэтому огнезащита металлических конструкций является одной из актуальных проблем повышения огнестойкости зданий и сооружений.

При защите стальной конструкции вспучивающимся (интумесцентным) покрытием ее предел огнестойкости может составить от 0,5 до 2,5 часов. Для этих целей в настоящее время применяются краски, лаки, мастики и др. материалы, которые постепенно вытесняют громоздкую конструкционную защиту. Явление вспучивания или интумесценции на поверхности в процессе горения происходит под действием одновременного вспенивания и карбонизации горящей полимерной системы. Такие покрытия в последнее время находят широкое применение в нефтегазовой, нефтехимической и химической промышленности.

В соответствии с ГОСТ Р 12.3.047-98 0.4.3.2. гарантийный срок службы покрытия, нанесенного на конструкцию, должен быть равен расчетному сроку эксплуатации оборудования (до капитального ремонта), но не менее 10 лет, при этом гарантийный срок подтверждается методом ускоренных климатических испытаний по ГОСТ 9.401-91.

Хотя вспучивающиеся покрытия способны придать полимерным композициям высокую огнестойкость, они имеют недостаточно высокую стойкость к воздействию производственной атмосферы и повышенной влажности, в результате чего на поверхности стальной конструкции и под покрытием в течение длительной эксплуатации (3 и более лет) возникают и развиваются очаги коррозии, снижается адгезионная прочность, происходит отслоение и растрескивание покрытий, что в конечном счете ведет к снижению длительности огнезащиты. Поэтому разработка вспучивающихся покрытий с повышенной огнезащитной способностью, работающих в сложных условиях эксплуатации, характерных для предприятий нефтегазовой отрасли, является актуальной проблемой в области повышения пожарной и промышленной безопасности оборудования и сооружений.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка лакокрасочных композиций, обеспечивающих повышение пожарной безопасности и эффективность защиты от коррозии металлических конструкций нефтегазовой отрасли.

Задачи исследования:

1 Разработать рецептуры вспучивающихся лакокрасочных композиций, обеспечивающих защиту от коррозии стальных конструкций в условиях воздействия промышленной атмосферы предприятий нефтяной отрасли.

2 Определить теплоизолирующие свойства разработанных огнезащитных покрытий и выполнить оценочные расчеты несущих металлоконструкций с нанесенными вспучивающимися покрытиями.

3 Изучить свойства металла под огнезащитным покрытием после теплового воздействия в режиме «стандартного пожара».

4 В соответствии с ГОСТ 9.401-91 определить гарантийный срок эксплуатации покрытий в промышленной атмосфере.

5 Разработка технологического регламента нанесения полученных в работе вспучивающихся покрытий.

Научная новизна

1 Установлено, что введение в состав огнезащитной вспучивающейся краски цинкового порошка приводит к повышению огнезащитной эффективности покрытия за счет образования сшивок между полимерно-олигомерными фрагментами карбонизата, приводящих к увеличению плотности структуры пенококса при действии высоких температур.

2 Установлено, что гарантийный срок эксплуатации вспучивающихся покрытий толщиной 0,95-1 мм увеличивается на 16,4 и 32,7 % при модифицировании известных композиций, содержащих расширенный графит, антикоррозионными добавками - ингибитором коррозии (смесь хромата и фосфата гуанидина) или цинковым порошком — вследствие замедления коррозии стальной подложки и повышения долговечности при их старении в промышленной атмосфере.

Практическая ценность

1 Разработанные композиции огнезащитных вспучивающихся красок и технология нанесения применяются в ООО «Центр технических систем БАТЫР» для проведения огнезащитных работ.

2 Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО УГНТУ при проведении лекционных и практических занятий, а также выполнении курсовых и дипломных проектов для специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» по дисциплинам «Теория химического сопротивления материалов», «Техника эксперимента в химическом сопротивлении материалов», «Коррозия и защита нефтезаводско-го и нефтехимического оборудования».

На защиту выносятся основные положения

1 Аналитическое обоснование выбора рецептуры предложенных в работе вспучивающихся лакокрасочных материалов модифицированных металлическим цинком и ингибитором коррозии представляющим собой смесь фосфата и хромата гуанидина в соотношении 100:1,5 мас.ч.

2 Обоснование выбора расширенного графита в составе вспучивающей добавки.

3 Повышение теплоизолирующих свойств разработанных покрытий.

4 Расчетное повышение огнестойкости металлоконструкций, защищенных разработанными составами.

5 Влияние толщины слоя состава на обеспечение заданной огнестойкости.

6 Результаты микроструктурного анализа вспученного покрытия с цинковым наполнителем.

7 Результаты металлографического анализа с нанесенным вспученным покрытием, после теплового воздействия в режиме «стандартного пожара».

8 Результаты оценки гарантийного срока эксплуатации покрытий при действии промышленной атмосферы.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (г. Тюмень, 2007 г.); на 57-й, 59-й и 60 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2006 и 2008, 2009 гг.), студенческой научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки» УГАТУ (г. Уфа, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (г. Уфа, 2009 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК Минобразования и науки РФ.

Выводы

1 Разработаны огнезащитные вспучивающиеся композиции с антикоррозионными добавками, которые обеспечивают повышение предела огнестойкости металлических конструкций в 2 раза.

2 Показано, что введение порошкообразного цинка в состав вспучивающейся краски способствует повышению огнезащитных свойств покрытий за счет формирования плотного вспученного слоя на стальной поверхности при действии огня.

3 Установлено, что применение вспучивающихся красок ЛКПИ и ЛКПЦ в качестве средств огнезащиты позволяет сохранять исходную структуру и прочностные свойства металла.

4 Ускоренные испытания покрытий по ГОСТ 9.401-91 показали, что гарантированные сроки службы составляют, год: для ЛКПИ - 14,2 лет; для ЛКПЦ - 16,1 лет; для покрытий, полученных с помощью аналогичного вспучивающегося состава без антикоррозионных добавок, — 12,2.

5 Предложена технология нанесения огнезащитных вспучивающихся красок на поверхность стали, исключающая применение грунтовочного слоя и атмосферостойкого лака, тем самым позволяющая сокращать продолжительность их нанесения.

132

1. Баженов, С. В. Прогнозирование срока службы огнезащитных покрытий. Проблемы и пути решения / С. В. Баженов // Пожарная безопасность.— 2005.— № 5 с. 97-102.

2. Баженов, С. В. Определение срока службы огнезащитных покрытий по результата натурных и ускоренных климатических испытаний / С. В. Баженов, Ю. В. Наумов / / Пожаровзрывобезопасность.— 2005.— № 6.— С. 5967.

3. Баженов, С. В. Определение теплоизолирующих свойств огнезащитных покрытий по металлу: методика / С. В. Баженов, Ю. В. Наумов, Л. В. Мотина.—М.: ВНИИПО, 1998.

4. Баратов, А. Н. Пожарная безопасность / А. Н. Баратов.— М., 1997.—160 с.

5. Бартелеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций; пер. с франц.; под ред. В. В. Жукова / Б. Бартелеми, Ж. Крюппа.— М.: Стройиздат, 1990.—- 112 с.

6. Бартелеми, Б. Огнестойкость строительных конструкций / Б. Бартелеми, Ж. Крюппа.— М.: Стройиздат, 1985.— С. 112-125.

7. Бокшицкий, М. Н. Длительная прочность полимеров / М. Н. Бокшиц-кий.— М.: Стройиздат, 1978.— 312 с.

8. Бунин, К. П. Металлография / К. П. Бунин, А. А. Баранов.— М.: Металлургия, 1970.— 380 с.

9. Бушев, В. П. Огнестойкость зданий / В. П. Бушев, В. А. Пчелинцев,

10. B. С. Федоренко, А. И. Яковлев.— М.: Стройиздат, 1986.— 224 с.

11. Вахитова, Л. Н. Армирование вспученного слоя огнезащитных покрытий / Л. Н. Вахитова, К. В. Калафат, М. П. Лапушкин, П. А. Фещенко // Лакокрасочные материалы и их применение.— 2007.— № 7-8.— С. 81-85.

12. Веденяпина, М. Д. Стабилизирующие компоненты для лакокрасочных защитных покрытий с графитовыми наполнителями / М. Д. Веденяпина, А. А. Веденяпин, А. М. Скундин, А. В. Чебышев // Лакокрасочные материалы и их применение.— 2006.— № 7.— С. 20-23.

13. Визек, Ф. Цинковые хлопья — эффективное средство антикоррозионной защиты / Ф. Визек // Лакокрасочные материалы и их применение.— 2006.— № 2-3,— С. 50-52.

14. Еремина, Т. Ю., Модель оценки огнезащитной эффективности вспучивающихся водосодержащих составов / Т. Ю. Еремина, Н. М. Бессонов // Пожаровзрывобезопасность.— 2000.— № 3.— С. 17-20.

15. Еремина, Т. Ю. К вопросу оценки коэффициента эффективной теплопроводности вспученных составов / Т. Ю. Еремина, Н. М. Бессонов, П. В. Дьяченко // Пожаровзрывобезопасность.— 2002.— № 5.— С. 13-18.

16. Еремина, Т. Ю. Нормирование качества огнезащитных вспучивающихся красок / Т. Ю. Еремина, Ю. Н. Дмитриева, М. В. Крашенинникова // Лакокрасочные материалы и их применение.— 2006.— № 11.— С. 8—11.

17. Зайцев, А. М. Аналитическое решение задачи прогрева теплоизолированных стальных конструкций при пожарах / А. М. Зайцев // Пожаровзрывобезопасность,— 2004.— Т. 6, № 3— С. 22-29.

18. Зайцев, А. М. Расчет огнестойкости элементов строительных конструкций / А. М. Зайцев, Г. Н. Крикунов, А. И. Яковлев.— Воронеж: Изд-во ВГУ, 1982.— 116 с.

19. Зайцев, А. М. Методика расчета прогрева огнезащищенных стальных конструкций в условиях воздействия экстремального температурного режима пожара / А. М. Зайцев // Пожаровзрывобезопасность.— 2006.— №6.— С. 15-18.

20. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре: учебник /

21. B. Н. Демехин и др.— М.: Академия ГПС МЧС России, 2003.— 656 с.

22. Зыбина, О. А. Проблемы адгезии огнезащитных вспучивающихся тонкослойных покрытий по металлу / О. А. Зыбина и др. // Химическая промышленность.— 2003.— № 9.— 38—39 с.

23. Исаков, Г.Н. Моделирование тепло- и массопереноса в многослойных тепло- и огнезащитных покрытиях при взаимодействии с потоком высокотемпературного газа / Г. Н. Исаков, А. Я. Кузин // Физика горения и взрыва.— 1998.— 34, № 2.— С. 82-89.

24. Исаков, Г. Н. Моделирование тепло- и массопереноса в многослойных тепло-и огнезащитных покрытиях при взаимодействии с потоком высокотемпературного газа / Г. Н. Исаков, А. Я. Кузин // Физика горения и взрыва.— 1998.— 34, № 2.— С. 82-89.

25. Клубань, В. С. Пожарная безопасность предприятий промышленности и агропромышленного комплекса / В. С. Клубань, А. П. Петров.— М.: Стойиздат, 1987.— 477 с.

26. Корольченко, А. Я. Средства огнезащиты: справочник / А. Я. Ко-рольченко, О. Н. Корольченко.— М.: Пожнаука, 2006.— 258 с.

27. Кравцов, В. В. Огнезащитная вспучивающаяся краска с повышенной защитной способностью к коррозионному действию / В. В. Кравцов,

28. C. А. Ямщикова, А. Н. Габдрахманов // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: материалы Междунар. науч.-техн. конф.— Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый университет», 2007.— С. 245-247.

29. Крашенинникова, М. В. Огнезащитные вспучивающиеся материалы на основе органорастворимых пленкообразователей / М. В. Крашенинникова // Лакокрасочные материалы и их применение.— 2006.— № 12.— С. 14-19.

30. Крашенинникова, М. В. Тенденции и перспективы разработки композиций вспучивающихся огнезащитных покрытий для повышения пределов огнестойкости строительных конструкций / М. В. Крашенинникова // Пожа-ровзрывобезопасность.— 2008.— № 2.— С. 36-39.

31. Кривцов, Ю. В. Безопасность энергетических объектов — широкое использование огнезащитных покрытий / Ю. В. Кривцов // Пожарная безопасность.— 2006.— № 2 — С. 132-134.

32. Лапушкин, М.П. Влияние неорганических антипиренов на огнезащитную эффективность составов интумесцентного типа / М. П. Лапушкин, П. А. Фещенко, Р. А. Вахитов // Лакокрасочные материалы и их применение.— 2007.— № 1-2.— С.48-54.

33. Машляковский, Л. Н. Органические покрытия пониженной горючести / Л. Н. Машляковский и др.— Л.: Химия, 1989.— С. 132-144.

34. Можарова, Н. П. О целесообразности применения отечественных огнезащитных материалов / Н. П. Можарова // Пожаровзрывобезопасность.— 2004.—№2.—С. 15-17.

35. Мосалков, И. Л. Огнестойкость строительных конструкций / И. Л. Мосалков, Г. Ф. Плюснина, А. Ю. Фролов.— М.: ЗАО «Спецтехника», 2001.— 496 с.

36. Пехотиков, А. В. Расчет огнестойкости конструкций из стали с повышенными показателями огнестойкости для объектов нефтегазовой промышленности / А. В. Пехотиков, В. И. Голованов, В. В. Павлов // Территория «Нефтегаз».— 2007.— № 4.— С. 72-77.

37. Розенфельд, И. Л. Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями / И. Л. Розенфельд и др.— М.: Химия, 1987.— 223 с.

38. Ройтман, В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий / В. М. Ройтман.— М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001.— 382 с.

39. Ройтман, М. Я. Противопожарное нормирование в строительстве / М. Я. Ройтман.— М.: Стройиздат, 1985.— 390 с.

40. Романенков, И. Г. Огнестойкость строительных конструкций из эффективных материалов / И. Г. Романенков, В. Н. Зигерн-Корн.— М.: Изд-во Стройиздат, 1984.— С. 28-56.

41. Рубан, Л. В. Роль интумесценции в проблеме огнезащиты полимеров / Л. В. Рубан, Г. Л. Заиков // Текстильная химия — 2008,— № 4 — С. 93-104.

42. Собурь С. В. Огнезащита строительных материалов и конструкций: справочник / С. В. Собурь.— М.: Спецтехника, 2001.—112 с.

43. Современные способы и средства огнезащиты строительных конструкций // Пожаровзрывобезопасность.— 2002.— № 4.— С. 93-95.

44. Стебунов, С. В. Сравнительная оценка пожарной опасности лакокрасочных покрытий / С. В. Стебунов // Пожаровзрывобезопасность.— 2006,—№ 1.—С. 18-23.

45. Страхов, В. Л. Огнезащита строительных конструкций / В. Л. Страхов, А. М. Крутов, Н. Ф. Давыдкин; под ред. Ю. А. Кошмарова.— М.: Информационно-издательский центр "ТИМР", 2000.— 433 с.

46. Страхов, В. Л. Математическое моделирование работы и определение комплекса характеристик вспучивающейся огнезащиты / В. Л. Страхов,

47. A. Н. Гаращенко, В. П. Рудзинский // Пожаровзрывобезопасность.— 1997.— №3.—С. 21-30.

48. Страхов, В. Л. Математическое моделирование работы огнезащиты, содержащей в своем составе воду / В. Л. Страхов, А. Н. Гаращенко,

49. B. П. Рудзинский // Пожаровзрывобезопасность.— 1998.— № 2.— С. 12-19.

50. Страхов, В. Л. Исследование и перспектива использования композиционной огнезащиты на основе термостойких базальтоволокнистых материалов / В. Л. Страхов, А. Н. Гаращенко // Пожаровзрывобезопасность.— 2004.— № 4.— С. 43^17.

51. Страхов, В. Л. Математическое моделирование работы и определение комплекса характеристик вспучивающейся огнезащиты / В. Л. Страхов,

52. A. Н. Гаращенко, В. П. Рудзинский // Пожаровзрывобезопасность.— 1997.— №3.—С. 21-30.

53. Страхов, В. Л. Математическое моделирование работы огнезащиты, содержащей в своем составе воду / В. Л. Страхов, А. Н. Гаращенко,

54. B. П. Рудзинский//Пожаровзрывобезопасность.— 1998.— № 2.— С. 12—19.

55. Страхов, В. Л. Огнезащита строительных конструкций / В. Л. Страхов, А. М. Крутов, Н. Ф. Давыдкин; под ред. Ю. А. Кошмарова.— М.: Информационно-издательский центр «ТИМР», 2000.— 433 с.

56. Страхов, В. Л. Огнезащита строительных конструкций / В. Л. Страхов, А. М. Крутов, Н. Ф. Давыдкин; под ред. Ю. А. Кошмарова.— М.: ТИМР, 2000,— 433 с.

57. Страхов, В. Л. Уточненная математическая модель работы вспучивающейся огнезащиты на минеральной основе / В. Л. Страхов, А. С. Мельников // Пожарная безопасность.— 2007.— № 4.— С. 26—33.

58. Строение и свойства конструкционных материалов; под ред. В. М. Качалова.— М.: Изд-во МЭИ, 1992.— 96 с.

59. Тони Гичуи, Аманда Адаме, Шонда Принс, Эндрю Балгеман. Новые ингибиторы коррозии для ЛКМ // Лакокрасочные материалы и их применение,— 2009.— № 1 — С. 24-28.

60. Филимонов, В. П. Тенденция развития рынка материалов для пассивной огнезащиты / В. П. Филимонов // Пожаровзрывобезопасность.— 2003.—№4.—С. 49-55.

61. Хайруллина, Э. Р. Огнестойкие вспучивающиеся покрытия с повышенной коррозионной стойкостью / Э. Р. Хайруллина, С. А. Ямщикова // Материалы 59-й науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.—Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008.— С. 158-159.

62. Чеботоревский, В. В. Лаки и краски / В. В. Чеботоревский.— М.: Химия, 1983.

63. Чернявский, К.С. Стереология в металловедении / К. С. Чернявский.— М.: Металлургия, 1977.— 279 с.

64. Шайбаков, А. В. К вопросу о проблеме оценки химической стойкости огнезащитных покрытий / А. В. Шайбаков, С. А. Ямщикова, В. В. Кравцов // Материалы 57-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.— Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006.— С. 140.

65. Шароварников, А. Ф. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. / А. Ф. Шароварников, В. П. Молчанов, С. С. Воевода, С. А. Шароварников.— М.: Калан, 2002.— 437 с.

66. Шишаков, Н. А. Основные понятия структурного анализа / Н. А. Шишаков.— М.: Химия, 1961.— 366 с.

67. Энтин, Р. И. Превращения аустенита в стали / Р. И. Энтин.— М.: Металлургия, 1960.— 278 с.

68. Яковлев, А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций / А. И. Яковлев.— М.: Стройиздат, 1988.— 143 с.

69. Яковлев, А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций / А. И. Яковлев.— М.: Стройиздат, 1988.— 143 с.

70. Яковлев, А. И. Огнестойкость строительных конструкций: учеб. пособие / А. И. Яковлев, В. М. Ройтман — М.: МИСИ, 1979.— 114 с.

71. Ямщикова, С. А. Разработка огнестойких покрытий повышенной коррозионной стойкости / С. А. Ямщикова С. А., В. В. Кравцов, Д. Е. Бугай // Проблема сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов.— 2007.—№3.—С. 47-49.

72. Пат. 2140400 Российская Федерация: МПК 6 С 04 В 28/261/С04 В 111:28, С 09 Б 5/18,С 09 К 21/02. Огнезащитный состав для бетона, металла и дерева «Файрекс» / Кривцов Ю. В., Ладыгина И. Р.; № 98122889/03; за-явл. 23.12.1998; опубл. 27.10.1999.

73. Пат. 2180741 Российская Федерация. Установка для испытаний огнезащитных вспучивающихся покрытий по металлу / Баженов С. В., Наумов Ю. В., Лакшин С. М., Капранов А. В.; заявка № 99117132/28; заявл. 04.08.1999; опубл. 20.03.02, Бюл. № 8.

74. Пат. 2244727 Российская Федерация. Огнезащитная вспучивющиеся краска / Аверченко А. С., Варюхин В. А., Жидков С. А., Карцев В. К., Объедков А. М., Рябов С. А.; заявка № 2003133194/04; опубл. 20.01.05, Бюл. № 2.

75. Пат. 2312878 Российская Федерация. Огнезащитная вспучивющиеся краска / Кравцов В. В, Габдрахманов А. Н., Ямщикова С. А.; заявка № 2006124674; опубл. 20.12. 07, Бюл. № 35.

76. Пат 2313550 Российская Федерация. Огнезащитная вспучивющиеся краска / Кравцов В. В., Габдрахманов А. Н., Ямщикова С. А.; заявка № 2006123311; опубл. 27.12.07, Бюл. № 36.

77. ГОСТ 21513-76. Материалы лакокрасочные. Методы определения водо- и влагопоглощения лакокрасочными пленками.

78. ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля

79. ГОСТ 9.401-91. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Общие требования и методы ускоренных испытаний на стойкость к воздействию климатических факторов.

80. ГОСТ 9.407-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Метод оценки внешнего вида.

81. ГОСТ 9.509. Единая система защиты от коррозии и старения. Средства временной противокоррозионной защиты. Методы определения защитной способности.

82. ГОСТ 4765-73. Материалы лакокрасочные. Метод определения прочности при ударе

83. ГОСТ 5233-89. Материалы лакокрасочные. Методы определения твердости

84. ГОСТ 5639—82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.— М.: Изд-во стандартов, 1994.— 23 с.

85. ГОСТ 8420-74. Материалы лакокрасочные. Методы определения условной вязкости.

86. ГОСТ 8832—76. Материалы лакокрасочные. Методы получения лакокрасочных покрытий для испытаний.

87. ГОСТ 14243-78. Материалы лакокрасочные. Методы получения свободных пленок

88. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии.

89. ГОСТ 18299-72. Материалы лакокрасочные. Метод определения прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве и модуля упругости.

90. ГОСТ 21513-76. Материалы лакокрасочные. Методы определения водо- и влагопоглощения лакокрасочными пленками.

91. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.

92. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.

93. НПБ 236-97. Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности.

94. СНиП 21-01-97. Строительные нормы и правила. Пожарная безопасность зданий и сооружений.— М.: Госстрой России, 1997.— 15 с.

95. Химический энциклопедический словарь; гл. ред. И. Л. Кнунянц. М.: Сов. энциклопедия.— 1983.— 792 с.

96. Инструкция по определению теплоизолирующих свойств вспучивающихся покрытий по металлу.— М.: ВНИИПО, 1980.— 9 с.

97. СНиП 2.03.11—85. Защита строительных конструкций от коррозии.

98. Cagliostro D. EJnlumescent coating modeling./ Cagliostro D. E. Ricci-tielio S. K., Clare K. J. // J. Fire and Flammabie.— 1975.—№ 2.—P. 205-291.

99. Cullis C. F., Hirshchler M. M. The combustion of organic polymers, Oxford.—1981.—P. 417.

100. Roitman V.M. Fire testing of Bilding Materials in View of the Moisture Factor.— First European Symposium of Fire Safety Sicience (Abstracts).— Zurich. ETH. 1995.—P. 135-136.

101. Grabner R. Halogenfreier Flammschutz auf Melaminbasis. // Kunststoffe.—1998.— 88, № 11.— P. 2050-2052.