Исследование способности жесткого пенополиуретана противостоять зажиганию искрой дуговой электросварки

Введение. Производство пожарно-технической экспертизы предполагает, что искры дуговой электросварки (далее — искры) являются эффективными источниками зажигания. Однако вероятность зажигания искрой горючего материала зависит от времени контакта между ними. В данной работе экспериментально показано отсутствие зажигания искрами вертикальной гладкой стенки из горючего жесткого пенополиуреана (ППУ). Для объяснения данного факта рассчитали время контакта искры и стенки τint, которое сравнили с оценкой минимального времени контакта τmin, необходимого для зажигания стенки.

Образец и методика испытаний. Воздействию искр (мощность дуги до 6 кВт, ток до 160 А) подвергался участок стенки из ППУ, расположенной на расстоянии от 0,1 до 0,15 м от дуги. Отдельный опыт продолжался до выгорания электрода.

Результаты исследований и их обсуждение. Ни в одном из опытов воспламенить образец ППУ искрами не удалось. Искры отскакивали от образца ППУ и падали вниз. Характерные размеры застывших капель железа принадлежали диапазону от 0,2 до 3 мм.

Оценка τint. Использовали модель упругого взаимодействия капли расплавленного железа с жесткой стенкой в предположении сохранения суммы потенциальной энергии капли, связанной с ее поверхностью, и кинетической энергией растекания капли при сплющивании. Наибольшее время контакта достигается для капель максимального диаметра (3 мм): τint ≈ 0,004 с.

Оценка τmin. Использовали экспериментальное моделирование процесса, при котором воздействие капли железа на ППУ заменяли регулируемым по времени воздействием пламени деревянного цилиндра диаметром 6 мм, горящего с торца. Получили τmin ≈ 0,3 с. Соотношение τint << τmin объясняет отсутствие воспламенения стенки из ППУ искрами дуговой электросварки.

Выводы. Искры дуговой электросварки диаметром до 3 мм не воспламеняют вертикальную стенку из жесткого горючего пенополиуретана при боковом соударении. Отсутствие воспламенения объясняется малым временем контакта искры со стенкой.

1. Статистика пожаров за 2020 год. Статистический сборник: Пожары и пожарная безопасность в 2020 году / под общ. ред. Гордиенко Д.М. М. : ВНИИПО, 2021.

2. Song Jiayun, Wang Supan, Chen Haixiang. Safety distance for preventing hot particle ignition of building insulation materials // Theoretical and Applied Mechanics Letters. 2014. Vol. 4. Issue 3. P. 034005. DOI: 10.1063/2.1403405

3. Tang Gang, Zhou Lin, Zhang Ping, Han Zhongqiang, Chen Depeng, Liu Xiuyu et al. Effect of aluminum diethylphosphinate on flame retardant and thermal properties of rigid polyurethane foam composites // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. Vol. 140. Pp. 625–636. DOI: 10.1007/s10973-019-08897-z

4. Pang Xiu-Yan, Xin Ya-Ping, Shi Xiu-Zhu, Xu Jian-Zhong. Effect of different size-modified expandable graphite and ammonium polyphosphate on the flame retardancy, thermal stability, physical, and mechanical properties of rigid polyurethane foam // Polymer Engineering & Science. 2019. Vol. 59. Issue 7. Pp. 1381–1394. DOI: 10.1002/pen.25123

5. Zheng Xiaorui, Wang Guojian, Xu Wei. Roles of organically-modified montmorillonite and phosphorous flame retardant during the combustion of rigid polyurethane foam // Polymer Degradation and Stability. 2014. Vol. 101. Pp. 32–39. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2014.01.015

6. Haynes W.M. CRC handbook of chemistry and physics. 95ed. CRC Press, 2014. Pp. 3–516.

7. Wang Supan, Chen Haixiang, Zhang Linhe. Thermal decomposition kinetics of rigid polyurethane foam and ignition risk by a hot particle // Journal of Applied Polymer Science. 2013. Vol. 131. Issue 4. DOI: 10.1002/app.39359

8. Urban J.L. Spot ignition of natural fuels by hot metal particles : doctor of Philosophy in Engineering. Mechanical Engineering in the Graduate Division of the University of California, Berkeley, 2017. 66 p.

9. Urban J.L., Zak C.D., Song J., Fernandez-Pello C. Smoldering spot ignition of natural fuels by a hot metal particle // Proceedings of the Combustion Institute. 2017. Vol. 36. Issue 2. Pp. 3211–3218. DOI: 10.1016/j.proci.2016.09.014

10. Urban J.L., Zak C.D., Fernandez-Pello C. Spot fire ignition of natural fuels by hot aluminum particles // Fire Technology. 2018. DOI: 10.1007/s10694-018-0712-4

11. Wang Supan, Zhang Yu, Huang Xinyan. Ignition of EPS foam by a hot moving hollow particle: Threshold, auto-ignition, and fire point // Combustion and Flame. 2021. Vol. 232. P. 111524. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111524

12. Glushkov D.O., Kosintsev A.G., Kuznetsov G.V., Vysokomorny V.S. Experimental research and numerical simulation of gel fuel ignition by a hot particle // Fuel. 2021. Vol. 291. P. 120172. DOI:10.1016/j.fuel.2021.120172

13. Glushkov D.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A., Taburchinov R.I. Numerical simulation of gel fuel gas-phase ignition by a local source of limited heat content // Acta Astronautica. 2019. Vol. 163. Pp. 44–53. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.11.050

14. Glushkov D.O., Legros J.-C., Strizhak P.A., Zakharevich A.V. Experimental and numerical study of heat transfer and oxidation reaction during ignition of diesel fuel by a hot particle // Fuel. 2016. Vol. 175. Pp. 105–115. DOI: 10.1016/j.fuel.2016.02.042

15. Shi Xueqiang, Zhang Yutao, Chen Xiaokun, Zhang Yuanbo, Ma Qian. Characteristics of coal dust ignited by a hot particle // Process Safety and Environmental Protection. 2021. Vol. 153. Pp. 225–238. DOI: 10.1016/j.psep.2021.07.021

16. Clay R., Keivens K., Carmignani L., Bhattacharjee S. Ignition of solid fuels: A new approach to study the time delay // 11th U.S. National Combustion Meeting Organized by the Western States Section of the Combustion Institute, March 24–27, 2019. Pasadena, California, 2019. URL: https://www.researchgate.net/publication/332182312

17. Günther M., Lorenzetti A., Schartel B. Fire phenomena of rigid polyurethane foams // Polymers. 2018. Vol. 10. Issue 10. P. 1166. DOI: 10.3390/polym10101166

18. Wille G., Millot F., Rifflet J.C. Thermophysical properties of containerless liquid iron up to 2500 K // International Journal of Thermophysics. 2002. Vol. 23. No. 5. Pp. 1197–1206. DOI: 10.1023/a:1019888119614

19. Riboux G., Gordillo J.M. Maximum drop radius and critical Weber number for splashing in the dynamical Leidenfrost regime // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 803. Pp. 516–527. DOI: 10.1017/jfm.2016.496

20. Yang Jiuling, Wang Supan, Chen Haixiang. Effect of interface thermal resistance on ignition of reactive material by a hot particle // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 97. Pp. 146–156. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.01.070