firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2021.30.04.14-26firesmi-1010Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВSAFETY OF SUBSTANCES AND MATERIALSОценка огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий стальных конструкций в высокотемпературных газовых потокахThe evaluation of the fire-retardant efficiency of intumescent coatings of steel structures exposed to high-temperature gas flowshttps://orcid.org/0000-0002-7812-069XАндрюшкинА. Ю.AndryushkinА. Yu.

Андрюшкин Александр Юрьевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой технологии конструкционных материалов и производства ракетно­космической техники

190005, г. Санкт-Петербург, 1-ая Красноармейская ул., 1

РИНЦ ID: 717627; Scopus Author ID: 55603904600

Alexander Yu. Andryushkin, Cand. Sci. (Eng.), Assistant professor, Head of the Department of the Technology of Structural Materials and Production of Rocket and Space Technology

ID RISC: 717627; Scopus Author ID: 55603904600

1st Krasnoarmesky St., 1. Saint Petersburg, 190005

sascha1a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7564-6672КиршинаА. А.KirshinaA. A.

Киршина Алена Андреевна, ассистент кафедры двигателей и энергоустановок летательных аппаратов

190005, г. Санкт-Петербург, 1-ая Красноармейская ул., 1

Alyona A. Kirshina, Assistant of the Department Engines and Power Installations of Aircraft

1st Krasnoarmesky St., 1. Saint Petersburg, 190005

kirshinaalyona@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4577-390XКадочниковаЕ. Н.KadochnikovaE. N.

Кадочникова Елена Николаевна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры пожарной безопасности технологических процессов и производств

196105, г. Санкт-Петербург, Московский пр-т, 149

РИНЦ ID: 832642

Elena N. Kadochnikova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of Fire Safety of Technological Processes and Production

ID RISC: 832642

Moskovskiy Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105

vf10@yandex.ruБалтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. УстиноваРоссияBaltic State Technical University “VOENMEH”Russian FederationСанкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияSaint Petersburg University of State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural DisastersRussian Federation2021100920213041426Copyright © Андрюшкин А.Ю., Киршина А.А., Кадочникова Е.Н., 20212021Андрюшкин А.Ю., Киршина А.А., Кадочникова Е.Н.Andryushkin А.Y., Kirshina A.A., Kadochnikova E.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1010

Введение. При пожарах на объектах нефтегазовой отрасли часто возникают высокотемпературные газовые потоки, истекающие из отверстий, трещин, разрывов разгерметизированного оборудования и трубопроводов. Огнезащитная эффективность вспучивающихся покрытий стальных конструкций в высокотемпературных газовых потоках резко снижается, поэтому актуальна задача разработки методики адекватной оценки их огнезащитной эффективности.Цели и задачи. Целями проведенного исследования являлись разработка методики оценки огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий стальных конструкций в высокотемпературных газовых потоках и экспериментальная оценка огнезащитной эффективности различных вспучивающихся покрытий. Решались следующие задачи исследования: оценка скорости истечения высокотемпературных газовых потоков из работающих под давлением разгерметизированных объектов; анализ методики определения огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий стальных конструкций в спокойной (малоподвижной) газовой среде; разработка методики оценки огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий стальных конструкций в высокотемпературном газовом потоке; экспериментальная оценка огнезащитной эффективности различных вспучивающихся покрытий в высокотемпературном газовом потоке.Методы. В работе использовались расчет скорости истечения высокотемпературных газовых потоков из работающих под давлением разгерметизированных объектов; анализ действующей методики определения огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий стальных конструкций в спокойной (малоподвижной) среде, в которой учитывается только температура газа в печи. Предложена методика оценки огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий стальных конструкций в высокотемпературном газовом потоке, в которой учитывается температура и скорость газового потока. Для оценки огнезащитной эффективности вспучивающегося покрытия в высокотемпературном газовом потоке введен коэффициент относительной огнестойкости. Проведена экспериментальная оценка различных вспучивающихся покрытий, показавшая существенное снижение их огнезащитной эффективности в высокотемпературном газовом потоке, реализующем углеводородный температурный режим.Результаты и их обсуждение. Взаимное аэродинамическое и тепловое воздействие газового потока существенно снижает огнезащитную эффективность вспучивающихся покрытий стальных конструкций, что подтверждается результатами экспериментов, проведенных по предложенной методике. В методике оценки огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий стальных конструкций учитывается температура и скорость газового потока, воздействующего на образец.Выводы. Актуальна и необходима оценка огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий стальных конструкций на работающих под давлением объектах нефтегазовой отрасли, так как в высокотемпературном газовом потоке наблюдается существенное снижение их огнезащитной эффективности.

Introduction

Introduction. High-temperature gas flows often occur in case of a fire at oil and gas facilities; gas flows out of holes, cracks, ruptures in depressurized items of equipment and pipelines. The fire-retardant efficiency of intumescent coatings of steel structures, exposed to high-temperature gas flows, plummets. Hence, the task of developing a methodology for the adequate assessment of their fire-retardant efficiency is relevant.Goals and objectives. The purpose of the study was to develop a methodology for evaluating the fire-retardant efficiency of intumescent coatings for steel structures exposed to high-temperature gas flows and experimentally evaluate the fire-retardant efficiency of various intumescent coatings. The following research-focused tasks were solved: the evaluation of the velocity of high-temperature gas flows leaving depressurized items that normally operate under pressure; the analysis of the methodology designated for identifying the fire-retardant efficiency of intumescent coatings of steel structures in a calm (sedentary) gaseous medium; the development of a method for evaluating the fire-retardant efficiency of intumescent coatings of steel structures exposed to high-temperature gas flows; the experimental evaluation of the fire-retardant efficiency of various intumescent coatings in a high-temperature gas flow.Methods. The velocity of high-temperature gas flows, leaving depressurized items that normally operate under pressure, has been calculated. The co-authors have analyzed the established methodology used to identify the fire-retardant efficiency of intumescent coatings of steel structures in a steady (sedentary) environment, where gas temperature in a furnace is the only factor taken into account. The co-authors propose a method for evaluating the fire-retardant efficiency of intumescent coatings of steel structures exposed to high-temperature gas flows, which takes into account gas flow temperature and velocity. To evaluate the fire-retardant efficiency of an intumescent coating exposed to a high-temperature gas flow, a coefficient of relative fire resistance is introduced. An experimental evaluation of various intumescent coatings is carried out. It shows a substantial fire- retardant efficiency decrease in a high-temperature gas flow that fosters the hydrocarbon temperature regime.

Results and discussion

Results and discussion. Mutual aerodynamic and thermal effects of a gas flow substantially reduce the fire- retardant efficiency of intumescent coatings of steel structures, and this is proven by the results of experiments conducted according to the proposed method. The method for evaluating the fire-retardant effectiveness of intumescent coatings of steel structures takes into account the temperature and velocity of a gas flow that affects the sample.Conclusions. It is relevant and necessary to evaluate the fire-retardant efficiency of intumescent coatings of steel structures at oil and gas facilities, operating under pressure, since a substantial decrease in their fire-retardant efficiency is observed in high-temperature gas flows.

углеводородный температурный режимпредельное состояниевысокотемпературный газовый потокогнестойкостьметодика испытанийhydrocarbon temperature regimelimit statehigh-temperature gas flowfire resistancetesting methodologyReferencesАндрюшкин А.Ю. Применение сверхзвукового газодинамического напыления при многоструйной подаче газа для снижения вероятности отказа многослойных функциональных покрытий : монография. СПб., 2021. 258 с.Andryushkin A.Yu. Application of supersonic gas-dynamic sputtering with multi-jet gas supply to reduce the probability of failure of multilayer functional coatings : monograph. St. Petersburg, 2021; 258. (rus).Андрюшкин А.Ю., Цой А.А. Определение параметров высокотемпературного газового потока при испытаниях огнезащитных покрытий // Безопасность жизнедеятельности. 2016. № 7 (187). С. 35–39.Andryushkin A.Yu., Tsoi A.A. Methods of the determination parameter hot gas flow when test defensive covering. Life safety. 2016; 7(187):35­39. (rus).Phan L.T., McAllister T.P., Gross J.L., Hurley M.J. Best practice guidelines for structural fire resistance design of concrete and steel buildings. Gaithersburg, Maryland : NIST, 2010. 200 p. DOI: 10.6028/nist.tn.1681Phan L.T., McAllister T.P., Gross J.L., Hurley M.J. Best practice guidelines for structural fire resistance design of concrete and steel buildings. Gaithersburg, Maryland, NIST, 2010; 200. DOI: 10.6028/nist.tn.1681Garlock M., Kruppa J., Li G.-Q., Zhao B. White paper on fire behavior of steel structures. Gaithersburg, Maryland : NIST, 2014. 20 p. DOI: 10.6028/nist.gcr.15­984Garlock M., Kruppa J., Li G.­Q., Zhao B. White paper on fire behavior of steel structures. Gaithersburg, Maryland, NIST, 2014; 20. DOI: 10.6028/nist.gcr.15­984Morys M., Illerhaus B., Sturm H., Schartel B. Variation of intumescent coatings revealing different modes of action for good protection performance // Fire Technology. 2017. Vol. 53. Pp. 1569–1587. DOI: 10.1007/s10694­017­0649­zMorys M., Illerhaus B., Sturm H., Schartel B. Variation of intumescent coatings revealing different modes of action for good protection performance. Fire Technology. 2017; 53:1569­1587. DOI: 10.1007/s10694­017­0649­zKang J., Takahashi F., T’ien J.S. Computer tomography based structure characterization of expanded intumescent coatings for fire protection // Fire Technology. 2019. Vol. 55. Pp. 689–712. DOI: 10.1007/s10694­018­0796­xKang J., Takahashi F., T’ien J.S. Computer tomography based structure characterization of expanded intumescent coatings for fire protection. Fire Technology. 2019; 55:689­712. DOI: 10.1007/s10694­018­0796­xSchaumann P., Kirsch T. Protected steel and composite connections: simulation of the mechanical behaviour of steel and composite connections protected by intumescent coating in fire // Journal of Structural Fire Engineering. 2015. Vol. 6. Issue 1. Pp. 41–48. DOI: 10.1260/2040­2317.6.1.41Schaumann P., Kirsch T. Protected steel and composite connections: simulation of the mechanical behaviour of steel and composite connections protected by intumescent coating in fire. Journal of Structural Fire Engineering. 2015; 6(1):41­48. DOI: 10.1260/2040­2317.6.1.41Fox D.M., Cho W., Dubrulle L., Grützmacher P.G., Zammarano M. Intumescent polydopamine coatings for fire protection // Green Materials. 2020. DOI: 10.1680/jgrma.19.00065Fox D.M., Cho W., Dubrulle L., Grützmacher P.G., Zammarano M. Intumescent polydopamine coatings for fire protection. Green Materials. 2020. DOI: 10.1680/jgrma.19.00065Lucherini A., Giuliani L., Jomaas G. Experimental study of the performance of intumescent coatings exposed to standard and non­standard fire conditions // Fire Safety Journal. 2018. Vol. 95. Pp. 42–50. DOI: 10.1016/j.firesaf.2017.10.004Lucherini A., Giuliani L., Jomaas G. Experimental study of the performance of intumescent coatings exposed to standard and non­standard fire conditions. Fire Safety Journal. 2018; 95:42­50. DOI: 10.1016/j.firesaf.2017.10.004Puspitasari W.C., Ahmad F., Ullah S., Hussain P., Megat-Yusoff P.S.M., Masset P.J. The study of adhesion between steel substrate, primer, and char of intumescent fire retardant coating // Progress in Organic Coatings. 2019. Vol. 127. Pp. 181–193. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2018.11.015Puspitasari W.C., Ahmad F., Ullah S., Hussain P., Megat­Yusoff P.S.M., Masset P.J. The study of adhesion between steel substrate, primer, and char of intumescent fire retardant coating. Progress in Organic Coatings. 2019; 127:181­193. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2018.11.015Nolan D.P. Handbook of fire and explosion protection engineering principles for oil, gas, chemical and related facilities. Gulf Professional Publ., 2011. 340 p. DOI: 10.1016/C2009­0­64221­5Nolan D.P. Handbook of fire and explosion protection engineering principles for oil, gas, chemical and related facilities. Gulf Professional Publ., 2011; 340. DOI: 10.1016/C2009­0­64221­5Correia A.M., Pires T.A.C., Rodrigues J.P.C. Behaviour of steel columns subjected to fire // Proceedings of the Sixth International Seminar on Fire and Explosion Hazards. Leeds, UK : University of Leeds, 2011. Pp. 879–890. DOI: 10.3850/978­981­08­7724­8_13­01Correia A.M., Pires T.A.C., Rodrigues J.P.C. Behaviour of steel columns subjected to fire. Proceedings of the Sixth International Seminar on Fire and Explosion Hazards. Leeds, UK, University of Leeds, 2011; 879­890. DOI: 10.3850/978­981­08­7724­8_13­01Qing Xu, Guo-Qiang Li, Jian Jiang, Yong C. Wang. Experimental study of the influence of topcoat on insulation performance of intumescent coatings for steel structures // Fire Safety Journal. 2018. Vol. 101. Pp. 25–38. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.08.006Qing Xu, Guo­Qiang Li, Jian Jiang, Yong C. Wang. Experimental study of the influence of topcoat on insulation performance of intumescent coatings for steel structures. Fire Safety Journal. 2018; 101:25­ 38. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.08.006Meijing Liu, Shenggang Fan, Wenjun Sun, Runmin Ding, Ting Zhu. Fire­resistant design of eccentrically compressed stainless steel columns with constraints // Fire Safety Journal. 2018. Vol. 100. Pp. 1–19. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.06.006Meijing Liu, Shenggang Fan, Wenjun Sun, Runmin Ding, Ting Zhu. Fire­resistant design of eccentrically compressed stainless steel columns with constraints. Fire Safety Journal. 2018; 100:1­19. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.06.006Maciulaitis R., Grigonis M., Malaiskiene J. The impact of the aging of intumescent fire protective coatings on fire resistance // Fire Safety Journal. 2018. Vol. 98. Pp. 15–23. DOI: 10.1016/j. firesaf.2018.03.007Maciulaitis R., Grigonis M., Malaiskiene J. The impact of the aging of intumescent fire protective coatings on fire resistance. Fire Safety Journal. 2018; 98:15­23. DOI: 10.1016/j.firesaf.2018.03.007Korolchenko D., Eremina T., Minailov D. New method for quality control of fire protective coatings // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 471. Issue 11. DOI: 10.1088/1757­899X/471/11/112016Korolchenko D., Eremina T., Minailov D. New method for quality control of fire protective coatings. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019; 471(11). DOI: 10.1088/1757­ 899X/471/11/112016Андрюшкин А.Ю., Цой А.А. О методике определения эффективности огнезащитных покрытий для стальных конструкций в условиях факельного углеводородного горения // Вестник Санкт-­Петербургского университета государственной противопожарной службы МЧС России. 2016. № 2. С. 45–53. URL: https://vestnik.igps.ru/wp­content/uploads/V82/7.pdfAndryushkin A.Yu., Tsoi A.A. The methods of definition of fire rating of flame­retardant coating for steel structures in hydrocarbon jet fire. Vestnik Sankt-Peterburgskogo Universiteta GPS MCHS Rossii. 2016; 2:45­53. URL: https://vestnik.igps.ru/wp­content/uploads/V82/7.pdf (rus).Андрюшкин А.Ю., Цой А.А., Смирнова М.А. Об основных предпосылках метода испытаний огнезащитных покрытий в высокотемпературных газовых потоках // Проблемы управления рисками в техносфере. 2016. № 1 (37). С. 39–46. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25984067Andryushkin A.Yu., Tsoi A.A., Smirnova M.A. About the basic preconditions of creation of the me­ thod of testing fire­resistant coatings in high temperature gas flow. Problems of Risk Management in the Technosphere. 2016; 1(37):39­46. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25984067 (rus).Андрюшкин А.Ю., Цой А.А., Смирнова М.А. О методе испытаний огнезащитных покрытий в высокотемпературных газовых потоках // Проблемы управления рисками в техносфере. 2016. № 2 (38). С. 37–45.Andryushkin A.Yu., Tsoi A.A., Smirnova M.A. The method tests fire protective coatings in high­temperature gas flow. Problems of Risk Management in the Technosphere. 2016; 2(38):37­45. (rus).Цой А.А., Демехин Ф.В. Испытание огнезащитных материалов в условиях углеводородного температурного режима // Вестник Санкт-­Петербургского университета государственной противопожарной службы МЧС России. 2015. № 4. С. 139–142. URL: https://vestnik.igps.ru/wp­content/uploads/V74/4.pdfTsoy A.A., Demehin F.V. Testing of fire resistant materials in the conditions of the hydrocarbon temperature mode. Vestnik Sankt-Peterburgskogo Universiteta GPS MCHS Rossii. 2015; 4:139­142. URL: https://vestnik.igps.ru/wp­content/uploads/V74/4.pdf (rus).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.