автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система оценки влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на пожароопасные характеристики древесных материалов

На правах-Рукопис

Тарасов Николай Иванович

СИСТЕМА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПОЖАРООПАСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005531114

Санкт-Петербург - 2013

005531114

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Алексеик Евгений Борисович

Официальные оппоненты: Минкин Денис Юрьевич, доктор технических

наук, профессор, ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России, профессор кафедры пожарной безопасности зданий и автоматизированных систем пожаротушения

Агеев Павел Михайлович, кандидат технических наук, Санкт-Петербургский филиал ФГБУ Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны, начальник отдела пожарной безопасности метрополитенов и гранспортных тоннелей

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский

государственный технологический институт (Технический университет)

Защита состоится 11 апреля 2013 г. в 14:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д205.003.04 при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России по адресу (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

Автореферат разослан « марта 2013 г.

Ученый секретарь У

диссертационного совета Д 205.003.04 " ' В.В.Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Древесина до настоящего времени остается одним из наиболее востребованных промышленностью материалов. Изделия из древесины широко используется в качестве строительных конструкций, сырья для производства индустриальных клееных композиционных материалов, бумаги и т.д. Высокая потребность в древесине предопределяет развитие лесодобывающей и деревообрабатывающей промышлености. Предприятия этих отраслей промышленности характеризуются наличием складов, площадок для хранения больших запасов древесины, имеющих высокую потенциальную пожарную опасность.

Несмотря на использование в строительстве промышленных зданий современных строительных материалов (бетона и металлоконструкций), традиционными для России остаются помещения из дерева. Особенно это характерно для складских помещений, бытовых, промышленных и производственных зданий, расположенных в сельской местности.

Срок службы конструкций из древесины при правильной их эксплуатации и своевременных текущих ремонтах может составлять 100 и более лет. Уникальными примерами длительной эксплуатации деревянных сооружений служат Преображенский храм на острове Кижи (1714 г.), Церковь Воскресения в г. Суздаль (1776 г.), Вознесенская кубоватая церковь в с. Кушерека, Онежского района (1669 г.), церковь Спаса в с. Фоминское, г. Кострома (XVIII в.) и многие другие.

Результаты проведенных исследований древесины свидетельствуют о влиянии различных физико-химических факторов на ее свойства. Наибольшие изменения древесина претерпевает вследствие сложных физико-химических превращений, приводящих к трансформации внутренней структуры древесины, а также изменению содержания

основных химических составляющих древесного комплекса при воздействии различных факторов и условий эксплуатации.

Многочисленные работы в области древесиноведения были направлены на исследование генетических, биологических и географических признаков различных древесных популяций, влияния биотических и абиотических факторов на физико-химические и эксплуатационные показатели древесины. Эти работы стали традиционными в области древесиноведения. Наиболее значимые результаты научных исследований связаны с именами таких ученых как Никитин Н.И., Перелыгин Л.М., Никитин В.М., Уголев Б.Н., Полубояринов О.И., Серговский П.С., Леонович A.A., Покровская E.H., Пищик И.И. и других.

Химический состав древесины различных пород непостоянен и зависит от района и условий произрастания, возраста дерева, места отбора пробы и др. На компонентный состав древесины оказывают значительное влияние различные эколого-географические, климатические, а также некоторые факторы биологического характера.

Исследования влияния различных факторов на пожарно-технические характеристики древесины имеют ограниченный характер. Известно, что пожарная опасность древесины во многом зависит от ее влажности, объемной массы, химического состава, которые изменяются от условий и времени эксплуатации, а также от условий огневого воздействия (величина плотности внешнего радиационного теплового потока, пространственная ориентация образца, скорость нагрева, количество сторон обогрева и др.).

Вопросы, связанные с изучением влияния некоторых эксплуатационных факторов на пожароопасные свойства древесины и особенности ее горения пока не получили должного развития. В настоящее время расчет опасных факторов пожара ведется по усредненным значениям пожарной нагрузки для основных пород древесины. Не установлены показатели пожарной опасности и характеристики опасных факторов

пожара для многих сортов древесины, использующихся в промышленности, а также для древесных материалов большого срока эксплуатации. Подобные исследования имеют большую актуальность и практическую значимость для обеспечения долговечности конструкций из древесины при проведении работ по реконструкции памятников деревянного зодчества. Как и насколько количественно изменяется пожарная опасность древесины различных пород с продолжительным возрастом эксплуатации остается неопределенным.

Научной задачей диссертационного исследования является разработка информационно-аналитической системы оценки влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на формирование опасных факторов пожара при горении древесных материалов.

Цель работы — совершенствование системы прогнозирования опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на пожароопасные характеристики древесных материалов.

Объект исследования - модели описания и оценки опасных факторов пожара, формируемых при горении древесных конструкций.

Предмет исследования — эксплуатационные и теплофизические факторы, влияющие на пожароопасные свойства древесины.

Задачи исследования:

1. Провести системный анализ пожароопасных свойств древесины на основе исследования кинетических закономерностей термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины.

2. В соответствии с предложенным комплексом аналитических методов, включающим методику искусственного старения древесины, получить регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины от ее эксплуатационного возраста.

3. Разработать расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных

факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.

Методы исследования. Системный анализ, математическое и эмпирическое моделирование, статистические методы обработки экспериментальных результатов, метод искусственного старения древесины, термическая и термоокислительная деструкция (ТОАУББС), элементный анализ (СН^), анализ химического состава целлюлозы и лигнина, регрессионный анализ.

Научная новизна.

1. На основе анализа параметров состояния древесных материалов, используемых в промышленности, установлены закономерности термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины, характеризующие ее пожарную опасность.

2. Предложен комплекс аналитических методов, включающий методику искусственного старения древесины, с использованием которого установлены регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины от ее породы и разновидности, продолжительности и условий ее эксплуатации.

3. Разработаны расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.

Практическая значимость работы.

Полученные массивы экспериментальных данных различных показателей пожарной опасности древесины в зависимости от ее разновидности, влажности, объемной массы, возраста, величины внешнего радиационного теплового потока, условий огневых испытаний и т.д. могут быть практически использованы при моделировании и оценке опасных факторов пожара при горении древесных материалов. Результаты работы

могут быть использованы при разработке новых высокоэффективных огнебиозащитных составов для древесины длительной эксплуатации.

Результаты работы могут быть использованы в экспертных органах МЧС России для повышения эффективности и достоверности оценки пожароопасных свойств древесных конструкций.

Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается комплексным характером исследований, данными лабораторных экспериментов, использованием как оригинальных, так и стандартных пожарно-технических и физико-химических методов, применением для обработки полученных данных современных методов математической статистики.

На защиту выносятся:

1. Закономерности термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины, характеризующие ее пожарную опасность.

2. Регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины в зависимости от факторов термического воздействия и срока эксплуатации древесных конструкций.

3. Расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.

Апробация работы. Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на научно-практических конференциях: XVII научно-технической конференции «Системы безопасности - СБ-2008» Международного форума информатизации 30 октября 2008 г., Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы образовательной и инновационной деятельности образовательных

учреждений МЧС России. Опыт, Проблемы, перспективы», АГПС МЧС России, Москва, 4 декабря 2008 г.; III Межведомственной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации»; X международной конференции по химии и физикохимии олигомеров, Волгоград, 2009 г.; VI международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести», Вологда, 2011 г., VIII Международной научно-практическая конференции «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам», Санкт-Петербург, 16-18 октября 2012 г.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Представленные в диссертационной работе результаты исследований нашли практическое применение на производственной базе научно-производственной фирмы ООО «СОФТ-КС» и ООО «ПлазСтрой».

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 3 статьях из списка журналов рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 90 наименований. Материалы изложены на 171 страницах машинописного текста, включающего 34 таблиц и 52 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбора диссертационного исследования, определяются цели и задачи исследования, приведены методы исследования, анализируется степень её научной разработанности и отражены положения, выносимые на зашиту, а также указаны сведения об апробации и реализации результатов диссертационного исследования.

В первой главе «Анализ влияния физико-химических особенностей состава и строения древесины на ее пожароопасные свойства» обосновывается необходимость создания системы оценки влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на пожароопасные характеристики древесных материалов.

В работе предложена функциональная схема сбора и обработки информации о влиянии различных факторов на пожарную опасность древесины. Схема состоит из двух блоков. Блок сбора информации включает комплекс параметров исходного состояния системы, факторы внешнего воздействия и комплекс аналитических исследований.

Блок обработки и анализа информации состоит из комплекса пожарно-технических характеристик и формируемой на его основе системы опасных факторов пожара.

Исходное состояние системы формируется за счет эколого-географических и биологических факторов (рисунок 1). Важнейшими внешними факторами являются возраст древесных конструкций и температурное воздействие.

Химический состав древесины строительных конструкций, изготовленных из различных пород и с разной продолжительностью эксплуатации весьма разнообразен. Так, в древесных конструкциях длительного срока эксплуатации существенно снижается содержание легкогидролизуемых компонентов и экстрагируемых веществ. В меньшей степени уменьшается содержание целлюлозы.

В процессе пиролиза древесина проходит четыре стадии изменения. При этом начало разложения приходится на интервал температур 150-275 °С, а образование и испарение основного количества продуктов разложения древесины происходит в интервале 275-450 °С.

Во второй главе «Кинетические особенности пиролиза и термоокислительного разложения древесины» в соответствие с функциональной схемой сбора и обработки информации о влиянии различных факторов на пожарную опасность древесины (рисунок 2), предложен комплекс аналитических исследований (рисунок 3).

Рисунок 1 - Комплекс параметров исходного состояния системы. В сочетании с методикой искусственного старения древесины, предложенная система аналитических методов позволяет устанавливать

характерные закономерности термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины в зависимости от эксплуатационных факторов и выявлять зависимости показателей пожарной опасности древесины от ее породы и разновидности, продолжительности и условий эксплуатации.

Рисунок 2 - Функциональная схема комплекса сбора и обработки информации о влиянии различных факторов на пожарную опасность

древесины.

В работе исследуются результаты термического и термоокислительного разложения различных пород древесины. Приводятся кинетические кривые ТСАЛЭЗС.

Аналитические исслеяованияя древесины

I

Фпзпко-хпмическпе свойства

¿Г N

а

о

3

1

а

Я

с.

2 а

2 Ь

с--а

£ ^

1-Н

2

г

= а И о

к 13

С.

I

з и

I

Теплофпзпческпе свойства 1111111

11

ЕЛ

и

тл

термоокислптельное разложение ТСАЛЭвС

Рисунок 3 - Комплекс аналитических исследований свойств древесных

систем.

ОС

Рисунок 4 - Результаты разложения (кривые ДСК, ТГ, ДТГ соответственно) древесины различных пород (1 — дуб; 2 — береза; 3 — ель; 4 - сосна) в окислительной среде кислорода воздуха и скорости нагрева 20

°С/мин.

По термоаналитическим (ТГ, ДТГ и ДСК) кривым вычислялись следующие характеристики кривых: температурные интервалы деструкции, потеря массы в температурных интервалах (%), температура максимума ДТГ (°С), скорость потери массы (%/мин), скорость окисления кокса (%/мин), тепловые эффекты деструкции (Дж/г)

В третьей главе «Исследование влияния эксплуатационного возраста древесины на ее пожароопасные свойства» рассмотрены результаты экспериментов по изучению пожароопасных характеристик древесины различного эксплуатационного возраста. Получены регрессионные зависимости пожароопасных свойств от критической плотности теплового потока (рисунок 5).

Dbu.IT.'B soc

TOO SOD 500 400 300 200 1Ш 0 ■100

DoM.jr.u

к e 0-

if 40 a. 1ST si-'

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента дымообразования древесины сосны естественно и искусственно состаренной от величины плотности теплового потока: 1 — сосна; 2 - сосна искусственно состаренная (100 - 150 лет); 3 - сосна (1784 г.), памятник деревянного зодчества; 4 - сосна, 1830 г.

(Дом Толстых).

Данные зависимости имеют полиномиальный вид. Для образца - сосна:

у = -2,2х2 + 82х - 22; (1) для образца - сосна искусственно состаренная (100 - 150 лет):

у = -2,1х2 + 75х - 13; (2) для образца - сосна (1784 г.), памятник деревянного зодчества:

у = -2х2 + 75х - 40; (3) для образца сосна, 1830 г. (Дом Толстых):

у = -1,7х2 + 60х - 6,4. (4) Показатель Dmmax сначала растет с повышением интенсивности теплового воздействия до qe=20 кВт/м2, а затем уменьшается. Экстремум на

кривых зависимости Отшах=А(Це) обусловлен самовоспламенением образцов. Положение экстремума соответствует значению критической плотности теплового потока, ниже которого пламенный процесс горения древесины без инициирующего источника зажигания не реализуется.

В работе получены регрессионные зависимости выхода монооксида углерода в режиме беспламенного горения (450 °С) и пламенного горения (500 °С) во время испытаний древесины современной (1) и искусственно состаренной (2). Данные зависимости носят экспоненциальный характер.

Нс150, г/мЗ

* Нс1 50, Г/мЗ в

Ч Квт/м

q Квт/м

Нс1 50. г/мЗ

39

37 -

35

33

31

29

27 -

О 10

Нс150, г/мЗ

q Квт/м

Я Квт/м

Рисунок 6 - Зависимость показателя токсичности продуктов горения: 1 — сосна; 2 - сосна (1784 г.) памятник деревянного зодчества; 3 - сосна, 1830 г. (Дом Толстых); 4 - сосна искусственно состаренная (100- 150 лет) от величины плотности теплового потока.

Зависимости показателя токсичности продуктов горения от величины плотности теплового потока имеют полиномиальный вид (рисунок 6.). Для образца - сосна:

у = 0,01х2 - 0,6х + 38; (5) для образца - сосна (1784 г.) памятник деревянного зодчества:

у = 0,02х2 - 0,9х + 45; (6) для образца - сосна, 1830 г. (Дом Толстых):

у = 0,03х2 - 1,7х + 56; (7) для образца - сосна искусственно состаренная (100 - 150 лет) у = 0,02х2 - 1,3х + 58. (8)

Как показывают результаты огневых испытаний, древесина искусственно состаренная имеют меньшие значения выхода монооксида углерода во время испытаний, чем древесина свежесрубленная.

Зависимость изменения показателя токсичности продуктов горения древесины сосны от ее времени эксплуатации характеризуется наличием нисходящих и восходящих участков изменения показателя токсичности продуктов горения древесины в определенные периоды времени, например, 100-150 лет. В целом данная зависимость имеет вид квадратного полинома.

В четвёртой главе «Расчетная оценка опасных факторов пожара на основании пожароопасных характеристик древесины различных пород и возраста» дается анализ особенностей оценки опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации. При возникновении пожара в зданиях и сооружениях, содержащих строительные конструкции из древесины, отделочных и облицовочных древесных материалов, возникают опасные факторы, угрожающие жизни людей и повреждению материальных ценностей. В главе проанализированы критические параметры опасных факторов пожара и нарастание опасных

факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации, проведена сравнительная оценка времени наступления опасных факторов пожара для древесных материалов различного эксплуатационного возраста и породы древесины. Проведенные исследования показывают, что наименьшее критическое время реализуется при действии на человека монооксида углерода. Сравнение расчетных данных с использованием стандартной базы данных по горючим материалам показывает в некоторых случаях существенные расхождения с уточненными данными с использованием значений низшей теплоты сгорания, коэффициента дымообразования и другими в зависимости от разновидности и возраста эксплуатации древесины.

Пожароопасные свойства древесины в во многом определяються ее объемной массой. Для исследуемых пород древесины был проведен анализ значений объемной массы, который показал ее сложную зависимость во времени эксплуатации древесного материала. Приведенные эмпирические зависимости показывают, что значения массовой скорости выгорания древесины состаренной на временном участке до 300 секунд значительно ниже по сравнению с современной древесиной, что обусловлено изменением содержания основных химических составляющих древесины, в частности увеличением содержания лигнина. При большем времени испытаний при воздействии теплового потока плотностью 40 кВт/м2 установлена максимальная массовая скорость выгорания, превышающая подобные значения для современной древесины, что определяется вкладом окислительного процесса углистого слоя древесины.

В работе проведены исследование токсичности продуктов горения по выходу наиболее опасных токсикантов при горении древесных материалов - монооксида и диоксида углерода (СО и СОг). Особое внимание в работе было уделено граничному режиму «пламенное горение — беспламенное горение», при котором наблюдается максимальный выход монооксида углерода.

Результаты проведенных экспериментов (таблица 1) свидетельствуют о том, что пожарно-технические характеристики древесины во многом определяются морфологической изменяемостью древесного комплекса во времени. Наибольшие изменения древесина претерпевает вследствие сложных физико-химических превращений, приводящих к трансформации внутренней структуры древесины, а также изменению содержания и соотношения основных химических составляющих древесного комплекса.

Таким образом, изменение пожароопасности древесины во времени имеет сложный характер, зависящий, прежде всего, от породы древесины и от условий ее эксплуатации.

В работе показаны особенности применения детерминированных методов расчета опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации. Рассмотрены результаты расчётов по изучению пожароопасных характеристик древесины различного эксплуатационного возраста. Даны рекомендации по особенностям оценки опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации.

На основании проведенных исследований предложена информационно-аналитическая система, позволяющая устанавливать пожароопасные характеристики древесных изделий (рисунок 7).

Таблица 1. Результаты определения горючих свойств в зависимости

Потер

№ п/ п Вид древесины Он, кДж/ г D , шах' м2/кг Ул., м/с 4', кг/м с Температура я видимости, Нп м2/кг о2, % СО, % со2 %

1 Хвойная древесина 13,8 61 0,0585 0,0063 43 30 48 95 129

2 Лиственная древесина 13,8 53 0,0585 0,014 33 24 36 73 99

3 Ель 18,9 175 0,08 0,0310 19 10 21 52 -

4 Сосна 19,62 175 0,075 0,0283 20 11 22 57 -

5 Береза 18,08 175 0,063 0,0280 23 12 26 61 -

6 Дуб 18,88 175 0,055 0,0245 26 14 29 72 -

7 Дуб, лавра, 1650 г. 18,0 105 0,055 0,0245 26 16 29 70 -

8 Сосна, Дом Толстых, 1830 г. 15,2 125 0,075 0,0283 22 13 24 50 -

9 Ель (искусственно состаренная), 100-150 лет 23,6 125 0,08 0,0310 17 11 20 - -

10 Сосна (искусственно состаренная), 100-150 лет 22,87 - 0,075 0,0283 19 12 21

11 Дуб (искусственно состаренный), 50-80 лет 18,20 - 0,055 0,0245 26 15 29 70

12 Береза (искусственно состаренная), 50-80 лет 18,45 - 0,063 0,0280 23 13 26 62

15 Деревянное строение 110 лет (ель) д. Демьяново 19,8 - 0,08 0,0319 18 11 20 53

16 Деревянное строение 150 лет (ель) д. Семишры 20,1 - 0,08 0,0357 17 11 20 52

Рисунок 7 - Информационно-аналитическая система оценки влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на формирование опасных факторов пожара при горении древесных материалов (Л* - характеристики, по которым получены регрессионные зависимости).

В заключении излагаются итоги работы. Перечисляются полученные научные и практические результаты, приводятся сведения о внедрении и практическом использовании полученных результатов.

Основные выводы по работе:

Сформулированные в работе предложения определяют круг проблем, связанных с оценкой влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на пожароопасные характеристики древесных материалов Математические модели, разработанные в диссертации, могут быть использованы для реконструкции, исследования и расследования пожаров, а именно:

1. Предложена система сбора и обработки информации о пожароопасных свойствах древесины на основе анализа параметров состояния древесных материалов, используемых в промышленности.

2. Проведен системный анализ кинетических закономерностей термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины, характеризующих ее пожарную опасность на основе предложенного комплекса аналитических методов, включающего методику искусственного старения древесины.

3. В соответствии с выбранной методикой искусственного старения древесины получены регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины от эксплуатационного возраста.

4. Разработаны расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.

Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Тарасов Н.И. Термоокислительное разложение древесины различного эксплуатационного возраста / Э.В. Пьядичев, А.Б. Сивенков, Н.И. Тарасов // Проблемы управления рисками в техносфере, 2011 г. - № 4, 1,1/0,4 п.л.

2. Тарасов Н.И. Тепловыделение древесины различного эксплуатационного возраста / P.M. Асеева, Н.И. Тарасов, и др. // Лесной вестник, Московский Государственный университет леса, 2010 г. - №5 (74), 1,2/0,2 п.л.

3. Тарасов Н.И. Особенности оценки опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации / Д.В. Косенко, Ю.Д. Моторыгин, Н.И. Тарасов // Проблемы управления рисками в техносфере, 2013 г. —№ 1,1,2/0,4 пл.

Статьи в иных научных изданиях:

4. Тарасов Н.И. Влияние возраста древесины на ее эксплуатационные и пожарно-технические характеристики / Р.В. Дегтярев, C.JI. Барботько, Е.Ю Круглое., Е.В. Сулейкин, Н.И. Тарасов // материалы XVII Научно-технической конференции «Системы безопасности — СБ-2008» Международного форума информатизации 30 октября 2008 г. - АГПС МЧС России, Москва, 2008 г. - 0,2/0,04 пл.

5. Тарасов Н.И. Влияние возрастного фактора на пожарную опасность древесины / Р.В. Дегтярев, Б.Б. Серков, А.Б. Сивенков, Н.И. Тарасов и др. // Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы образовательной и инновационной деятельности образовательных учреждений МЧС России. Опыт, Проблемы, перспективы», АГПС МЧС России,, 4 декабря 2008 г., Москва, 2008 г. - 0,4/0,08 п.л.

6. Тарасов Н.И. Влияние времени эксплуатации древесины на ее пожароопасные свойства / P.M., Асеева СЛ. Барботько, Б.Б., Н.И. Тарасов и др. // Научно-технический и производственный журнал «Все материалы. Энциклопедический справочник», 2010, №3, - 0,4/0,08 п.л.

7. Тарасов Н.И. Влияние возраста древесины на ее пожарную опасность / Дегтярев Р.В., C.JL, Серков Б.Б., Н.И. Тарасов и др. // материалы III Межведомственной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации» -Уральский институт государственной противопожарной службы, Екатеринбург, 2009. - 0,5/0,1 п.л.

8. Тарасов Н.И. Влияние времени эксплуатации древесины на ее пожароопасные свойства / Серков, А.Б. Сивенков, Н.И. Тарасов и др. // материалы X Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров, Волгоград, 2009 г. - 0,6/0,1 пл.

9. Тарасов Н.И. Влияние длительности температурно-влажностных условий эксплуатации древесины на ее пожароопасные свойства / Б.Б. Серков, А.Б. Сивенков, Тарасов Н.И. // материалы VI Международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести», Вологда, 2011 г.-0,3/0,1 п.л.

10. Тарасов Н.И. Анализ моделей развития пожаров на хранилищах ракетно-артиллерийского вооружения вызванных взрывом / Д.В. Костенко, Ю.Д. Моторыгин, Н.И. Тарасов // материалы VIII Международной научно-практическая конференции «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам», Санкт-Петербург, 18-19 октября 2012 г.. - 0,8/0,3 п.л.

Подписано в печать 28.02.2013 г. Формат 60><84 Х1\ь

Печать цифровая. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

Тарасов Николай Иванович

СИСТЕМА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ТЕШЮФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПОЖАРООПАСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

04201356761

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Алексеик Евгений Борисович

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................3

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ.....................9

1.1. Особенности строения и химический состав древесины.................................9

1.2. Влияние продолжительности срока эксплуатации древесины на ее физико-

химические характеристики.......................................................................................20

1.3.Особенности пиролиза и термоокислительного разложения древесины.... 43 Глава 2. КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПИРОЛИЗА И ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ.........................50

2.1. Объекты исследования.........................................................................................50

2.2. Методика искусственного старения древесины..............................................52

2.3. Аналитические методы исследования древесины...........................................54

2.4. Исследования особенностей пиролиза и термоокислительного разложения древесины.......................................................................................................................60

2.5. Исследование параметров горючести, воспламеняемости, распространения пламени по поверхности материалов, дымообразующей

способности, токсичности продуктов горения........................................................76

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ВОЗРАСТА ДРЕВЕСИНЫ НА ЕЕ СОСТАВ И ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА.......................................84

3.1. Определение химического состава древесины различного эксплуатационного возраста.......................................................................................84

3.2. Определение элементного состава древесины различного эксплуатационного возраста.......................................................................................87

3.3.Влияние эксплуатационного возраста строительных деревянных конструкций жилых и нежилых строений одного региона на ее физико-

химические и пожароопасные свойства...................................................................90

Глава 4. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА НА ОСНОВАНИИ ПОЖАРООПАСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕВЕСИНЫ РАЗЛИЧНЫХ ПОРОД И ВОЗРАСТА....................................................................122

4.1. Особенности оценки опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и возраста эксплуатации...........................................................122

4.2.Исследование пожароопасных свойств древесины в зависимости от ее эксплуатационного возраста.....................................................................................135

4.3. Анализ моделей развития пожаров на промышленных предприятиях с учетом пожарно-технических характеристик древесины различных пород и

возраста эксплуатации...............................................................................................154

Общие выводы и практическое использование научных результатов

исследования:...............................................................................................................161

Список использованных источников......................................................................162

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационного исследования. Древесина до настоящего времени остается одним из наиболее востребованных промышленностью материалов. Изделия из древесины широко используется в качестве строительных конструкций, сырья для производства индустриальных клееных композиционных материалов, бумаги и т.д. Высокая потребность в древесине предопределяет развитие лесодобывающей и деревообрабатывающей промышлености. Предприятия этих отраслей промышленности характеризуются наличием складов, площадок для хранения больших запасов древесины, имеющих высокую потенциальную пожарную опасность.

Несмотря на использование в строительстве промышленных зданий современных строительных материалов (бетона и металлоконструкций), традиционными для России остаются помещения из дерева. Особенно это характерно для складских помещений, бытовых, промышленных и производственных зданий, расположенных в сельской местности.

Срок службы конструкций из древесины при правильной их эксплуатации и своевременных текущих ремонтах может составлять 100 и более лет. Уникальными примерами длительной эксплуатации деревянных сооружений служат Преображенский храм на острове Кижи (1714 г.), Церковь Воскресения в г. Суздаль (1776 г.), Вознесенская кубоватая церковь в с. Кушерека, Онежского района (1669 г.), церковь Спаса в с. Фоминское, г. Кострома (XVIII в.) и многие другие.

Результаты проведенных исследований древесины свидетельствуют о влиянии различных физико-химических факторов на ее свойства. Наибольшие изменения древесина претерпевает вследствие сложных физико-химических превращений, приводящих к трансформации внутренней структуры древесины, а также изменению содержания основных химических

составляющих древесного комплекса при воздействии различных факторов и условий эксплуатации [1,2].

Многочисленные работы в области древесиноведения были направлены на исследование генетических, биологических и географических признаков различных древесных популяций, влияния биотических и абиотических факторов на физико-химические и эксплуатационные показатели древесины. Эти работы стали традиционными в области древесиноведения. Наиболее значимые результаты научных исследований связаны с именами таких ученых как Никитин Н.И., Перелыгин JI.M., Никитин В.М., Уголев Б.Н., Полубояринов О.И., Серговский П.С., Леонович A.A., Покровская E.H., Пищик И.И. и других [9,10].

Химический состав древесины различных пород непостоянен и зависит от района и условий произрастания, возраста дерева, места отбора пробы и др. На компонентный состав древесины оказывают значительное влияние различные эколого-географические, климатические, а также некоторые факторы биологического характера.

Исследования влияния различных факторов на пожарно-технические характеристики древесины имеют ограниченный характер. Известно, что пожарная опасность древесины во многом зависит от ее влажности, объемной массы, химического состава, которые изменяются от условий и времени эксплуатации, а также от условий огневого воздействия (величина плотности внешнего радиационного теплового потока, пространственная ориентация образца, скорость нагрева, количество сторон обогрева и др.).

Вопросы, связанные с изучением влияния некоторых эксплуатационных факторов на пожароопасные свойства древесины и особенности ее горения пока не получили должного развития. В настоящее время расчет опасных факторов пожара ведется по усредненным значениям пожарной нагрузки для основных пород древесины. Не установлены показатели пожарной опасности и характеристики опасных факторов пожара для многих сортов древесины, использующихся в промышленности, а также

для древесных материалов большого срока эксплуатации. Подобные исследования имеют большую актуальность и практическую значимость для обеспечения долговечности конструкций из древесины при проведении работ по реконструкции памятников деревянного зодчества. Как и насколько количественно изменяется пожарная опасность древесины различных пород с продолжительным возрастом эксплуатации остается неопределенным.

Научной задачей диссертационного исследования является разработка информационно-аналитической системы оценки влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на формирование опасных факторов пожара при горении древесных материалов.

Цель работы - совершенствование системы прогнозирования опасных факторов пожара на промышленных предприятиях с учетом влияния эксплуатационных и теплофизических факторов на пожароопасные характеристики древесных материалов.

Объект исследования - модели описания и оценки опасных факторов пожара, формируемых при горении древесных конструкций.

Предмет исследования - эксплуатационные и теплофизические факторы, влияющие на пожароопасные свойства древесины.

Задачи исследования:

1. Провести системный анализ пожароопасных свойств древесины на основе исследования кинетических закономерностей термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины.

2. В соответствии с предложенным комплексом аналитических методов, включающим методику искусственного старения древесины, получить регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины от ее эксплуатационного возраста.

3. Разработать расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.

Методы исследования. Системный анализ, математическое и эмпирическое моделирование, статистические методы обработки экспериментальных результатов, метод искусственного старения древесины, термическая и термоокислительная деструкция (ТОА/ОБС), элементный анализ (СШ^), анализ химического состава целлюлозы и лигнина, регрессионный анализ.

Научная новизна.

1. На основе анализа параметров состояния древесных материалов, используемых в промышленности, установлены закономерности термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины, характеризующие ее пожарную опасность.

2. Предложен комплекс аналитических методов, включающий методику искусственного старения древесины, с использованием которого установлены регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины от ее породы и разновидности, продолжительности и условий ее эксплуатации.

3. Разработаны расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.

Практическая значимость работы.

Полученные массивы экспериментальных данных различных показателей пожарной опасности древесины в зависимости от ее разновидности, влажности, объемной массы, возраста, величины внешнего радиационного теплового потока, условий огневых испытаний и т.д. могут быть практически использованы при моделировании и оценке опасных факторов пожара при горении древесных материалов. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых высокоэффективных огнебиозащитных составов для древесины длительной эксплуатации.

Результаты работы могут быть использованы в экспертных органах МЧС России для повышения эффективности и достоверности оценки пожароопасных свойств древесных конструкций.

Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается комплексным характером исследований, данными лабораторных экспериментов, использованием как оригинальных, так и стандартных пожарно-технических и физико-химических методов, применением для обработки полученных данных современных методов математической статистики.

На защиту выносятся:

1. Закономерности термической и термоокислительной деструкции различных пород древесины, характеризующие ее пожарную опасность.

2. Регрессионные зависимости показателей пожарной опасности древесины в зависимости от факторов термического воздействия и срока эксплуатации древесных конструкций.

3. Расчетные оценки, позволяющие с помощью математических моделей исследовать процессы нарастания опасных факторов пожара при горении древесины с учетом воздействия на нее различных эксплуатационных и теплофизических факторов.

Апробация работы. Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на научно-практических конференциях: XVII научно-технической конференции «Системы безопасности - СБ-2008» Международного форума информатизации 30 октября 2008 г., Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы образовательной и инновационной деятельности образовательных учреждений МЧС России. Опыт, Проблемы, перспективы», АГПС МЧС России, Москва, 4 декабря 2008 г.; III Межведомственной научно-

практической конференции: «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации»; X международной конференции по химии и физикохимии олигомеров, Волгоград, 2009 г.; VI международной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести», Вологда, 2011 г., VIII Международной научно-практическая конференции «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам», Санкт-Петербург, 16-18 октября 2012 г.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Представленные в диссертационной работе результаты исследований нашли практическое применение на производственной базе научно-производственной фирмы ООО «СОФТ-КС» и ООО «ПлазСтрой».

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 3 статьях из списка журналов рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 90 наименований. Материалы изложены на 171 страницах машинописного текста, включающего 20 таблиц и 39 рисунков.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ 1.1. Особенности строения и химический состав древесины

Древесина представляет собой многолетнее растение, состоящее из ствола, корней и кроны. Корни предназначены для укрепления дерева в грунте, для всасывания влаги и растворенных в ней минеральных веществ и подачи их к стволу. Ствол удерживает крону и служит для перемещения воды и питательных веществ от корней через ветви к листьям, а от листьев обратно к корням. Ствол состоит из коры, древесины и сердцевинной трубки. Сердцевинная трубка, состоящая из сердцевины и прилегающей к ней первичной древесной ткани, располагается по всей длине ствола и характеризуется рыхлым строением, низкой прочностью и легко подвергается загниванию [11,14,16,].

Микроструктура древесины состоит из большого количества живых и отмерших клеток различных размеров и форм. Живая клетка имеет протоплазму, ядро, оболочку и клеточный сок.

Протоплазма представляет собой зернистую, прозрачную, тягучую слизь (растительный белок), состоящую их углерода, водорода, кислорода, азота и серы.

Ядро от протоплазмы отличается лишь наличием фосфора. Оно обычно имеет овальную форму.

Главными составными частями клеточной оболочки являются целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин и пектин. Целлюлоза образует основу стенок оболочки, а гемицеллюлозы, лигнин и пектин заполняют промежутки между микрофибриллами целлюлозы [15].

Целлюлоза состоит из звеньев (З-О-глюкозы. Эмпирическая формула целлюлозы имеет вид СбНю05. В одной молекуле целлюлозы находится 10 ООО единиц глюкозы. Молекулы целлюлозы соединены друг с другом в пучки. Самый маленький пучок в стенке называется элементарной или начальной фибриллой. Фибриллы состоят приблизительно из 40

расположенных в одном направлении молекул целлюлозы. Элементарные фибриллы объединены в более крупные пучки - микрофибриллы, которые состоят из двух или более элементарных фибрилл. Микрофибрилла - это самая маленькая частица волокна [9].

Химический состав древесины различных пород в общем виде можно представить следующим образом [11,13]:

I. Главнейшие компоненты клеточной стенки:

A. Углеводная часть: Целлюлоза; Гемицеллюл озы:

1.1. Пентозаны:

1.1.1. Ксилан;

1.1.2. Арабан.

1.2. Гексозаны:

1.2.1. Маннан;

1.2.2. Глюкан;

1.2.3. Галактан.

1.3. Уроновые кислоты: Глюкоуроновая кислота; Галактуроновая кислота.

B. Лигнин.

II. Экстрактивные вещества:

A. Летучие масла и смоляные кислоты, летучие кислоты;

B. Связанные масла (жирные масла);

C. Природные красящие вещества; Танниды;

Е. Некоторые растворимые полисахариды и глюкозиды; Б. Зола (минеральные соли); в. Органические азотистые соединения;

Н. Другие органические компоненты, подобные смолам, фитостеролам и

Химический состав древесины различных пород существенно колеблется. Опираясь на данные по химическому составу можно сделать вывод о том, что в наших обычных хвойных породах (ель, сосна) содержится больше лигнина (27 - 28 %), меньше гемицеллюлоз (20 - 25 %), чем в лиственных (соответственно 18 - 22 и 25 - 40 %). При этом хвойные породы содержа�