СКОРОСТЬ ВЫГОРАНИЯ. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СКОРОСТЬ ВЫГОРАНИЯ – количество горючего вещества (материала) (см. ГОРЮЧИЕ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ), сгорающего на пожаре (см. ПОЖАР)  в единицу времени с единицы площади. [1]

Скорость выгорания горючих веществ (материалов) определяет интенсивность тепловыделения на пожаре, температуру пожара, интенсивность его развития и др. параметры.

Массовая скорость выгорания так же, как и скорость распространения пламени, зависит от физико-химических свойств веществ (материалов), их агрегатного состояния и др. факторов.

Скорость выгорания жидкостей зависит от: интенсивности внешнего теплового потока к поверхности жидкости; теплоёмкости жидкости и её теплоты парообразования; разности температуры кипения и начальной температуры.

Скорость выгорания твёрдых материалов зависит от их теплоёмкости, плотности, а также разности поверхностной температуры и температуры окружающей среды. Иногда пользуются приведённой скоростью выгорания твёрдых веществ (отношение потери массы не к фактической площади горения (см. ГОРЕНИЕ) вещества, а ко всей площади пожара).

Скорость выгорания используется при моделировании процесса развития пожара, оценке скорости тепловыделения и величины интенсивности подачи ОТВ для установок пожаротушения.

УДЕЛЬНАЯ МАССОВАЯ СКОРОСТЬ ВЫГОРАНИЯ — количество жидкости или твердого вещества (материала), сгорающего в единицу времени с единицы площади.

Примечание — Удельная массовая скорость выгорания характеризует интенсивность горения жидкости или твердого тела (ГОСТ 12.1.044-2018). [2]

МАССОВАЯ СКОРОСТЬ ВЫГОРАНИЯ ЖИДКОСТИ — масса жидкости или твердого горючего вещества, сгорающей в единицу времени (ГОСТ 12.1.044-2018). [2]

Метод экспериментального определения удельной массовой скорости выгорания (УМСВ) твердых веществ и материалов [2]

Основные положения

Метод определения удельной массовой скорости выгорания (УМСВ) твердых веществ и материалов (см. ГОРЮЧИЕ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ) распространяется на горючие твердые вещества и материалы, в том числе строительные, а также на лакокрасочные покрытия.

Метод УМСВ не распространяется на вещества в газообразном и жидком виде, пыли (см. ГОРЮЧАЯ ПЫЛЬ) и металлы.

Результаты испытаний применимы только для оценки свойств материалов в контролируемых лабораторных условиях и не отражают поведение материалов в реальных условиях пожара (см. ПОЖАР).

Метод испытания предназначен для экспериментального определения температуры воспламенения (см. ТЕМПЕРАТУРА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ) твердых веществ и материалов.

Метод испытания предназначен для испытания твердых веществ и материалов с целью определения их удельной массовой скорости выгорания.

Методы испытаний реализуют в диапазоне температур (см. ТЕМПЕРАТУРА. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ) от 25 до 600 °С.

Испытательное оборудование

Испытательное оборудование для определения УМСВ (см. рисунок 1) устанавливается в вытяжном шкафу и представляет собой вертикальную электрическую печь с двумя коаксиально расположенными цилиндрами 1 высотой 240 мм, выполненными из кварцевого стекла. Один из цилиндров внутренним диаметром (80±3) мм является реакционной камерой. Второй цилиндр имеет внутренний диаметр (101±3) мм. На внешних поверхностях цилиндров закреплен нагревательный элемент (спираль) из проволоки марки Х20Н80-Н (ГОСТ 12766.1) общей мощностью не менее 2 кВт, что позволяет создавать температуру рабочей зоны реакционной камеры не менее 600 °С за время не более 40 мин.

Рисунок 1. Общий вид установки для определения удельной массовой скорости выгорания твердых веществ и материалов

1 – цилиндры из кварцевого стекла; 2 – нагревательный элемент; 3 – теплоизоляционный материал; 4 – стальной экран; 5 – держатель образца; 6 – контейнер; 7 – газовая горелка; 8 – электропривод газовой горелки; 9, 10 – термоэлектрические преобразователи; 11 – ламинатор; 12 – весы; 13 – коромысло 

Для размещения образца исследуемого вещества (материала) используют держатель 5, представляющий собой металлическую трубку из жаростойкой стали с приваренным в нижней части кольцом диаметром (49,0±0,6) мм и контейнер из стальной сетки 6 диаметром (45±1) мм и высотой (18±1) мм. Контейнер устанавливается в кольцо держателя образца.

Устройство для перемещения держателя образца с контейнером состоит из металлического стержня, установленного в направляющие на боковой стороне корпуса установки, и горизонтального коромысла, сопряженного с весами. Устройство для перемещения держателя образца обеспечивает плавное его движение по вертикальной оси реакционной камеры, одновременную жесткую фиксацию образца в геометрическом центре рабочей зоны и коромысла на рабочей поверхности весов.

Газовая горелка 7 для воспламенения (см. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ) образца, представляющая собой трубку внутренним диаметром (6±1) мм, выполнена из жаростойкой стали, запаяна снизу и имеет на боковой поверхности отверстие диаметром (0,8±0,1) мм на расстоянии (5,0±0,3) мм от запаянного конца. Газовая горелка подсоединяется гибким шлангом через устройство, регулирующее расход газа (см. ВЗРЫВООПАСНЫЙ ГАЗ), к баллону (см. БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ) с пропан-бутановой фракцией (ГОСТ 20448). Давление газа должно находиться в диапазоне от 10 до 50 кПа.

Ламинатор, выполненный из листовой жаростойкой стали в форме конуса верхним диаметром не более 78 мм, нижним диаметром не более 11 мм и длиной (500±5) мм, служит для подачи естественного потока воздуха в реакционную камеру.

Для измерения температуры при испытании материалов и калибровки установки используют термоэлектрические преобразователи типа ТХА с диаметром термоэлектрода не более 0,5 мм, спай изолированный, с диапазоном измерения от 0 до 800 °С, не более 2 класса точности. Термоэлектрические преобразователи должны иметь защитный кожух из нержавеющей стали диаметром (1,6±0,1) мм.

Термоэлектрический преобразователь служит для измерения температуры образца и расположен таким образом, чтобы обеспечивался плотный контакт с дном и стенкой контейнера. Термоэлектрический преобразователь служит для контроля и регулирования температуры печи и расположен внутри реакционной камеры на расстоянии (140±5) мм от верхнего края камеры и (5±1) мм от стенки камеры. Погрешность измерения регулирующего и регистрирующего температуру средства измерения не должна превышать 0,5 %.

Весы с диапазоном измерения от 0 до 1000 г, не более III (среднего) класса точности.

При испытаниях используют следующие средства измерения, приборы контроля за условиями окружающей среды и оборудование:

- прибор для регулирования и регистрации температуры с диапазоном измерения от 0 до 800 °С, не более 0,5 класса точности;

- устройство для измерения времени (секундомер) с диапазоном измерения от 0 до 60 мин и ценой деления 0,2 с;

- компрессор с расходом до 40 дм/ч подсоединяется гибким шлангом к газовой горелке через устройство, регулирующее расход воздуха.

Примечание — В качестве устройства, регулирующего расход воздуха, может использоваться расходомер типа ротаметр или аналогичный прибор с диапазоном, обеспечивающим требования 3.8;

- зеркало для наблюдения за поведением образца в процессе испытания;

- шаблоны для определения расстояния от нижнего края горелки до поверхности образца и для центровки контейнера внутри камеры;

- для измерения атмосферного давления используют барометр с диапазоном измерения от 600 до 800 мм рт. ст. и ценой деления 1 мм рт. ст.;

- для измерения влажности воздуха используют гигрометр с диапазоном измерения от 20 до 93 %, от 15 до 40 °С и ценой деления 0,2.

Калибровка установки

Калибровка установки должна проводиться в помещении при температуре (23±5) °С и относительной влажности воздуха (50±20) %.

Калибровку установки проводят при периодической или повторной метрологической аттестации, а также при вводе в эксплуатацию, замене узлов после ремонта установки.

Калибровка установки заключается в проведении испытаний по определению температуры воспламенения стандартного образца — органического стекла (ГОСТ 10667), температура воспламенения которого составляет (265±10) °С.

Образцы для испытаний

Для испытания одного вида исследуемого вещества (материала) по определению температуры воспламенения изготавливают от 10 до 15 образцов массой по (3,0±0,1) г.

Пленочные и листовые материалы набирают в стопку, накладывая слои друг на друга, до достижения указанной массы.

Для испытания по определению удельной массовой скорости выгорания одного вида материала изготавливают три образца размером 1515 мм. Толщина образцов должна соответствовать толщине материала, применяемого в реальных условиях, но не более 10 мм. Если толщина материала составляет более 10 мм, необходимо срезать часть материала с нелицевой стороны.

Для сыпучих материалов используют поддон размером 1515 мм и глубиной 10 мм, изготовленный из алюминиевой фольги по ГОСТ 745, толщиной не менее 0,2 мм. Поддон с испытуемым материалом помещается в контейнер держателя образца и заменяется между испытаниями.

Кровельные мастики, мастичные покрытия и лакокрасочные покрытия наносят на алюминиевую фольгу (толщина фольги — не более 0,2 мм). Лакокрасочные покрытия следует наносить не менее четырех слоев с расходом каждого слоя в соответствии с технической документацией на материал. Масса фольги при расчетах не учитывается.

Образцы для испытаний кондиционируют при температуре (20±5) °С и относительной влажности воздуха (65±5) % до достижения постоянной массы, но не менее 72 ч.

Образцы должны характеризовать средние свойства исследуемого вещества (материала).

Проведение испытания

Определение температуры воспламенения твердых веществ и материалов:

Испытания должны проводиться в помещении при температуре (23±5) °С и относительной влажности воздуха (50±20) %.

Изготовить образцы исследуемого материала, выполнить процедуры по подготовке оборудования к работе.

Нагреть реакционную камеру до температуры начала разложения исследуемого материала или до 300 °С, убедиться в стабильности температурного режима.

При воспламенении образца испытание останавливают, горелку переводят в положении «вне печи», контейнер с образцом извлекают из камеры, фиксируют в протоколе температуру воспламенения и время ее достижения и проводят следующее испытание с новым образцом при меньшей температуре.

Если в течение 20 мин образец не воспламенится или ранее этого времени полностью прекратится дымовыделение, то испытание прекращают и в протоколе отмечают отказ.

Методом последовательных приближений, используя новые образцы и изменяя температуру реакционной камеры, определяют минимальную температуру образца, при которой за время выдержки в печи (не более 20 мин) образец воспламенится и будет гореть более 5 с после удаления газовой горелки. При температуре на 10 °С меньше образец не воспламенится.

За температуру воспламенения исследуемого вещества (материала) принимают среднее арифметическое двух температур, отличающихся не более чем на 10 °С, при одной из которых наблюдается воспламенение трех образцов, а при другой — три отказа. Полученное значение температуры округляют с точностью до 5 °С.

Сходимость метода при доверительной вероятности 95 % не должна превышать 7 °С.

Воспроизводимость метода при доверительной вероятности 95 % не должна превышать 20 °С.

Оценка результатов испытаний

Для каждого интервала разложения вычисляют удельную массовую скорость выгорания образца V_m, кг/(м²·с), по формуле:

,                 (17.1)

где m_i–m_i-1 — изменение массы образца в интервале разложения, кг;

s — площадь образца, м²;

τ_i–τ_i-1 — интервал времени разложения, с.

Для каждого опыта во всем интервале разложения вычисляют удельную массовую скорость выгорания.

Среднее значение удельной массовой скорости выгорания трех испытанных образцов принимают за удельную массовую скорость выгорания материала.

Оформление протокола испытаний

В протоколе испытания приводят следующие сведения:

а)     наименование испытательной лаборатории (см. ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ ПОЖАРНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ);

б)    наименование и адрес заказчика, изготовителя (поставщика) материала;

в)     условия в помещении (температура, °С; относительная влажность, %; атмосферное давление, кПа);

г)     описание материала или изделия, техническую документацию, торговую марку;

д)    состав, толщину, плотность, массу и способ изготовления образцов;

е)     толщину и характеристику материала каждого слоя — для многослойных материалов;

ж)   параметры, регистрируемые при испытаниях:

- численное значение температуры воспламенения материала;

- численное значение удельной массовой скорости выгорания материала;

- дополнительные наблюдения (поведение материала при испытаниях);

- исполнителей.

Требования безопасности

Помещение, в котором проводят испытания, должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией. Рабочее место оператора должно удовлетворять действующим требованиям по электробезопасности и санитарно-гигиеническим требованиям в соответствии с ГОСТ 12.1.005. Лица, допущенные в установленном порядке к испытаниям, должны быть ознакомлены с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации испытательного и измерительного оборудования.

Литература

1. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, ФГУ ВНИИПО МЧС РОССИИ, 2019.

2. ГОСТ 12.1.044-2018 Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.