Экспериментально-аналитические исследования пожарной опасности материалов, применяемых в оборудовании с обогащенными кислородом средамипри повышенных давлениях, и пути снижения их горючести

Введение. В различных отраслях народного хозяйства применяется герметичное оборудование (далее — гермокамера), в котором используется обогащенная кислородом атмосфера (в ряде случаев в условиях с изменяющимся давлением). Показано, что главной причиной пожаров в гермокамерах являлось нерегламентированное применение изделий электрооборудования, а также горючих веществ и материалов на основе органических соединений, входящих в состав применяемых в гермокамерах материалов.

Цель. Поиск способов снижения горючести материалов, применяемых в гермокамерах, и исследование параметров пожарной опасности гермокамер с повышенным содержанием кислорода и повышенным давлением.

Задачи. Определение граничных условий применения материалов при повышенных значениях темпе­ратуры, содержания кислорода и давления, анализ результатов экспериментальных исследований горючести материалов, применяемых в гермокамерах.

Методы исследования. Исследование характеристик процесса горения неметаллических материалов при повышенном давлении проводили на оригинальной установке, представляющей собой сосуд из нержавеющей стали высотой 750 мм и внутренним диаметром 155 мм. Для зажигания образца использовали спираль из нихромовой проволоки. Давление фиксировали при помощи манометра.

Результаты и их обсуждение. В результате экспериментальных исследований пожарной опасности строительных и конструкционных материалов в обогащенных кислородом средах и при повышенном давлении были определены пути повышения предельной концентрации кислорода (ПКК) и снижения горючести материалов: применение теплоотводящей поверхности, негорючей оболочки; введение ингибиторов в их состав и структуру; поверхностная обработка различными огнезащитными составами и пропитками. При исследованиях параметров пожарной опасности (скорость распространения пламени, теплота сгорания, температура самовоспламенения) материалов в условиях изменения состава азотно-кислородной атмосферы и давления получено, что при повышенных давлениях ПКК для всех материалов снижается.

Выводы. Установлено, что предельная концентрация кислорода зависит от геометрических размеров образца, а также от скорости газового потока. При повышенных давлениях ПКК для всех материалов снижается. Наличие теплоотводящей поверхности также ведет к повышению ПКК, которая возрастает с увеличением толщины подложки и уменьшением толщины материала на ней. Для материалов, не содержащих веществ, ингибирующих реакцию горения, характерно снижение значения ПКК при увеличении в макромолекуле полимера количества атомов водорода.

1. Ahmed A.F., Hoa S.V. Thermal insulation by heat resistant polymers for solid rocket motor insulation // Journal of Composite Materials. 2012. Vol. 46. Issue 13. Рр. 1544–1559. DOI: 10.1177/0021998311418850

2. Denison D.M., Ernsting J., Cresswell A.W. Hyperbaric oxygen // Lancet. 1966. Vol. 2. Pp. 1404–1406.

3. Denison D.M., Ernsting J., Tonkins W.J., Cresswell A.W. Problem of fire in oxygen-rich surroundings // Nature. 1968. Vol. 218. Р. 1110.

4. Мелихов А.С. Обеспечение пожарной безопасности гермоотсеков космических летательных аппаратов. М. : ВНИИПО МЧС России, 2021. 728 с.

5. Loganathan T.M., Hameed Sultan M.T., Ahsan Q., Jawaid M., Naveen J., Md Shah A.U. et al. Effect of cyrtostachys renda fiber loading on the mechanical, morphology, and flammability properties of multi-walled carbon nanotubes/phenolic bio-composites // Nanomaterials. 2021. Vol. 11. Issue 11. P. 3049. DOI: 10.3390/nano11113049

6. Bazaras Ž., Lukoševičius V., Bazaraitė E. Structural materials durability statistical assessment taking into account threshold sensitivity // Metals. 2022. Vol. 12. Issue 2. P. 175. DOI: 10.3390/met12020175

7. Болодьян И.А., Волохина А.В., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С., Потякин В.И. О способности тканей к горе­нию при повышенных давлениях // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обога­щенных кислородом средах : сб. науч. тр. Вып. 2. М. : ВНИИПО, 1977. С. 14–18.

8. Гриневич С.Н., Ермакова И.С., Жевлаков А.Ф., Мышак Ю.А., Селиванов А.П. Горючесть фосфор-бромсодержащих пенополиуретанов // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах : сб. науч. тр. Вып. 2. М. : ВНИИПО, 1977.С. 56–61.

9. Shebeko A.Y., Shebeko Y.N., Zuban A.V., Golov Т.V. Experimental investigation of the ignition of combustible gas mixtures by friction sparks // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2018. Vol. 54. Issue 3. Pp. 264–274. DOI: 10.1134/S0010508218030024

10. Korobeinichev O., Shmakov A., Paletsky A., Trubachev S., Shaklein A., Karpov A. et al. Mechanisms of the action of fire-retardants on reducing the flammability of certain classes of polymers and glass-reinforced plastics based on the study of their combustion // Polymers. 2022. Vol. 14. Issue 21. P. 4523. DOI: 10.3390/polym14214523

11. Фланкин Е.В., Востриков И.М., Синельщикова В.В. Исследование пожарной опасности кабелей на основе проводников с полиэтиленовой изоляцией // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах : сб. науч. тр. М. : ВНИИПО, 1981. С. 21–29.

12. Романенко И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. М. : Стройиздат, 1991. 321 с.

13. Jeon J., Shin D., Choi W., Kim S.J. Identification of the extinction mechanism of Lean limit hydrogen flames based on Lewis number effect // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 174. P. 121288. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121288

14. Konstantinova N.I., Smirnov N.V., Shebeko A.Y., Tanklevsky L.T. Flammability of polymeric materials used in construction // Magazine of Civil Engineering. 2021. Vol. 102. Issue 2. P. 10203. DOI: 10.34910/MCE.102.3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/flammability-of-polymeric-materials-used-in-construction

15. Braun U.,Bahr H., Sturm H., Schartel B. Flame retardancy mechanisms of metal phosphinates and metal phosphinates in combination with melamine cyanurate in glass-fiber reinforced poly(l,4-butylene terephthalate): the influence of metal cation // Polym. Advan. Technol. 2008. Vol. 19. Issue 6. Pp. 680–692. DOI: 10.1002/pat.1147

16. Ушаков В.А., Асеева P.M., Андриянов Р.А., Бикбулатова Е.Н. Пути снижения горючести полимерных материалов // Пластические массы. 1975. № 12. С. 36.

17. Daal M., Zobrist N., Sadoulet B., Robertson M., Kellaris N. Properties of selected structural and flat flexible cabling materials for low temperature applications // Cryogenics. 2019. Vol. 98. Pp. 47–59. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2018.10.019

18. Mascarenhas V.J., Weber C.N., Westmoreland P.R. Estimating flammability limits through predicting non-adiabatic laminar flame properties // Proceedings of the Combustion Institute. 2021. Vol. 38. Issue 3. Pp. 4673–4681. DOI: 10.1016/j.proci.2020.06.026

19. Меркулов В.А., Кузьменко К.П., Болодьян И.А. О предельных условиях горения материалов при повышенных давлениях в О2-N2 и О2-Не средах // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах : сб. науч. тр. М. : ВНИИПО, 1981. С. 60–63.

20. Ермакова И.С., Жевлаков А.Ф., Жаркова М.А., Соломон З.Г. Способность к горению тканей на основе комбинированных волокон // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кисло­родом средах : сб. науч тр. М. : ВНИИПО, 1981. С. 5–10.

21. Ермакова И.С., Демидов М.Л., Кербер М.Л., Селиванов А.П. О снижении способности к горению стеклопластиков при использовании соединений ряда фосфазена // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах : сб. науч. тр. М. : ВНИИПО, 1981. С. 10–14.

22. Жевлаков А.Ф., Грошев Ю.М., Волохина А.В., Щетинин А.М. Экспериментальное исследование скорости распространения пламени по тканям различного состава // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах : сб. науч. тр. М. : ВНИИПО, 1981. С. 15–20.

23. Мелихов А.С., Фланкин Е.В., Третьяков В.А., Синельщикова В.В. Исследование скорости распространения пламени и площади выгорания тканей в средах с различным содержанием кислорода при повышенных давлениях // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах : сб. науч. тр. Вып. 2. М. : ВНИИПО, 1977. С. 19–29.

24. De Ris J. Spread of a laminar diffusion flame // Symposium (International) on Combustion. 1969. Vol. 12. Issue 1. Pp. 241–252. DOI: 10.1016/s0082-0784(69)80407-8

25. Rodríguez-Prieto A., Camacho A.M., Sebastián M.A. Multicriteria materials selection for extreme operating conditions based on a multiobjective analysis of irradiation embrittlement and hot cracking prediction models // International Journal of Mechanics and Materials in Design. 2018. Vol. 14. Issue 4. Pp. 617–634. DOI: 10.1007/s10999-017-9393-2

26. Попов А.М., Николаев В.М., Мелихов А.С., Болодьян И.А. Расчетно-экспериментальные исследования горения полимерных материалов в замкнутых объемах при повышенном содержании кислорода в атмо­сфере // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах : сб. науч. тр. Вып. 2. М. : ВНИИПО, 1977. С. 31–38.

27. Ермакова И.С., Жевлаков А.Ф., Монахов Н.А., Мышак Ю.А. О теплоте сгорания полимерных материалов // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах : сб. науч. тр. Вып. 2. М. : ВНИИПО, 1977. С. 62–67.

28. Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. О способности полимеров к горению в кислородноазотной атмосфере, содержащей водород // Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащеных кислородом средах : сб. науч. тр. Вып. 2. М. : ВНИИПО, 1977. 6 с.