установка для испытания огнезащитных вспучивающихся покрытий по металлу

Формула изобретения

1. Установка для испытаний огнезащитных вспучивающихся покрытий по металлу, содержащая источник теплоизлучения, регистрирующий и управляющий блок теплового режима, держатель образца с теплоизолирующим или нагревательным элементом, компенсирующим тепловые потери с необогреваемой стороны образца, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность источника теплоизлучения выполнена в виде двух соосно совмещенных цилиндров большего и меньшего диаметров, при этом обогреваемая поверхность образца зафиксирована перпендикулярно общей оси цилиндров, которая проходит через геометрический центр плоской поверхности образца в свободной от совмещения с цилиндром меньшего диаметра плоскости основания цилиндра большего диаметра, а отверстие для отвода газообразных продуктов термического разложения и визуального наблюдения за экспериментом совмещено со свободным отверстием цилиндра меньшего диаметра.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплоизоляция наружной поверхности источника теплоизлучения выполнена из теплоизоляционного материала с температурой разложения не менее 900^oС, а свободная от образца поверхность основания цилиндра большего диаметра, в плоскости которой находится испытуемый образец, покрыта теплоотражающим слоем металлической фольги из нержавеющей стали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области испытаний огнезащитных покрытий, предназначенных для повышения огнестойкости строительных конструкций и инженерного оборудования.

Известны конструкции установок для проведения испытаний огнезащитных вспучивающихся покрытий (ГОСТ 30247.1-94, "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции"; ГОСТ 30247.0-94, "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования"). Основным недостатком этих установок являются их громоздкость, низкая воспроизводимость результатов, большие затраты на подготовку образцов и проведение эксперимента, значительный объем выброса продуктов сгорания и вследствие этого загрязнение окружающей среды.

Более предпочтительными являются установки, описанные в "Инструкции по определению теплоизолирующих свойств вспучивающихся покрытий по металлу". М. : ВНИИПО, 1980, позволяющие производить оценку огнезащитных свойств покрытий на небольших образцах.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является установка по авторскому свидетельству СССР 332356, принятая за прототип, которая содержит источник теплоизлучения, муфельную печь, нагреваемую в рабочем положении до температуры порядка 900^oС, подвижную испытательную камеру с торцевым отверстием, внутри которого установлен с возможностью перемещения вдоль корпуса держатель образца с нагревательным теплоизолирующим элементом, предназначенным для компенсации теплопотерь. Тепловой поток на испытуемый образец падает через открытую дверцу нагретой муфельной печи.

Недостатком установки является невысокая точность и воспроизводимость результатов испытаний. Это связано, с одной стороны, с необходимостью постоянного перемещения (приближения) образца в ходе эксперимента к источнику теплоизлучения (открытому окну нагретой до 900^oС муфельной печи), т.к. за счет этого происходит поддержание требуемого теплового режима "стандартного пожара". При этом температура перед образцом должна меняться согласно зависимости

T-T₀ = 3451g(8+1),

где -- время от начала эксперимента, мин;

Т - температура перед испытываемым покрытием;

Т₀ - начальная температура (20^oС).

С другой стороны, в ходе эксперимента по исследованию вспучивающихся огнезащитных покрытий происходит эффект неконтролируемого увеличения объема (толщины) покрытия вследствие образования пенистого коксового слоя, который и выполняет основные огнезащитные функции, замедляя прогрев металлической подложки образца.

Сам образец представляет собой металлическую пластину прямоугольной формы (14080 мм и толщиной 0,8-0,9 мм) с нанесенным на него огнезащитным покрытием. Критерием оценки является время прогрева металлической подложки образца до критической температуры металла (для стали - 500^oС, алюминия - 250^oС), при которой конструкция теряет свою несущую способность в условиях теплового воздействия, соответствующего "стандартному пожару".

Тепловой режим эксперимента в данном случае ведется по показанию термоэлектрического преобразователя (ТЭП), расположенного на расстоянии порядка 40 мм от плоскости поверхности образца. Увеличение теплового воздействия (температуры) достигается за счет постепенного приближения образца к источнику излучения. Учитывая, что образец при нагревании начинает постепенно вспучиваться, его поверхность, на которую падает тепловой поток, будет в свою очередь независимо от перемещения самого держателя образца дополнительно перемещаться, приближаясь к источнику тепла. Затем, когда вспучивание образца огнезащитного покрытия достигнет максимального эффекта (толщина слоя покрытия может увеличиться с 2-3 мм до 40-60 мм), происходит явление, связанное с уменьшением толщины огнезащитного слоя вследствие термодеструкции и выгорания кокса. Сама необходимость перемещения образца при испытании таит в себе другой недостаток, связанный с влиянием толчков и некоторой вибрации при вращении перемещающего штока, что может привести к частичному осыпанию рыхлого обугленного огнезащитного слоя. Учесть этот фактор объективно не представляется возможным, что также может приводить к искажению конечного результата и вследствие этого снижать его воспроизводимость.

ТЭП, по которому оператор регулирует режим теплового воздействия, согласуясь с режимом "стандартного пожара", в установке-прототипе должен располагаться на расстоянии не менее 40 мм от поверхности начального положения образца с целью обеспечения свободного пространства перед образцом для его вспучивания (зона вспучивания).

Последнее обстоятельство приводит к определенному роду недостатков, вытекающих из конструктивных особенностей установки-прототипа и выражающихся в наличии большого градиента теплового потока в пределах зоны вспучивания огнезащитного покрытия. Так, при одном и том же показании ТЭП, расположенного на расстоянии порядка 40 мм от поверхности образца, тепловой поток от источника может меняться в пределах 20% от начальной точки до границы выхода из зоны вспучивания. Ввиду того, что динамика вспучивания и последующего уменьшения толщины огнезащитного покрытия не предсказуема, воспроизвести строго одинаковые условия эксперимента при испытании различных огнезащитных покрытий не представляется возможным. Иными словами, каждый образец огнезащитного покрытия, имея собственную динамику изменения толщины огнезащитного слоя, в ходе эксперимента вносит свой вклад в режим теплового воздействия, не контролируемый оператором, в связи с чем результаты эксперимента становятся в недостаточной степени сопоставимыми.

Другим недостатком является то, что в установке - прототипе визуальное наблюдение возможно только через узкое боковое отверстие, при этом видно лишь торцевую часть образца, а не весь образец.

Целью изобретения является создание установки для испытаний малогабаритных образцов огнезащитных вспучивающихся покрытий, позволяющей получить в ходе эксперимента одинаковый режим теплового воздействия на поверхность огнезащитного покрытия для обеспечения лучшей воспроизводимости результатов независимо от динамики изменения толщины огнезащитного слоя покрытия в ходе эксперимента с сохранением преимуществ, связанных с малогабаритностью исходных образцов, и обеспечивающей возможность визуального наблюдения за образцом в ходе эксперимента.

Сущность изобретения заключается в том, что в установке для испытаний огнезащитных вспучивающихся покрытий по металлу, содержащей источник теплоизлучения, регистрирующий и управляющий блок теплового режима, держатель образца с теплоизолирующим или нагревательным элементом, компенсирующим тепловые потери с необогреваемой стороны образца, внутренняя поверхность источника теплоизлучения выполнена в виде двух соосно совмещенных, цилиндров большего и меньшего диаметра, при этом обогреваемая поверхность образца зафиксирована перпендикулярно общей оси цилиндров, которая в свою очередь проходит через геометрический центр плоской поверхности образца, в свободной от совмещения плоскости основания цилиндра большего диаметра, а отверстие для отвода газообразных продуктов термического разложения и визуального наблюдения за экспериментом совмещено со свободным отверстием цилиндра меньшего диаметра. Кроме того, теплоизоляция наружной поверхности источника теплоизлучения выполнена из теплоизоляционного материала с температурой разложения не менее 900^oС, а свободная от образца поверхность основания цилиндра большего диаметра, в плоскости которой находится испытуемый образец, покрыта теплоотражающим слоем металлической фольги из нержавеющей стали.

Предложенная конструкция установки имеет следующие существенные признаки, обеспечивающие достижение технического результата:

фиксация испытываемого образца в ходе эксперимента в стационарном положении по отношению к теплоизлучающей поверхности исключает непредсказуемое влияние вибрации и толчков при перемещении образца в ходе эксперимента;

исполнение внутренней поверхности источника теплоизлучения в виде двух соосно совмещенных цилиндров большего (ЦБД) и меньшего (ЦМД) диаметров обеспечивает отсутствие градиента теплового потока в зоне вспучивания образца;

размещение обогреваемой поверхности образца перпендикулярно общей оси цилиндров, которая в свою очередь проходит через геометрический центр поверхности образца, в свободной от совмещения с ЦМД плоскости основания ЦБД обеспечивает симметричность и равномерность теплового потока в плоскости образца;

отвод газообразных продуктов термического разложения и визуальное наблюдение за экспериментом через свободное отверстие ЦМД позволяет обозревать в ходе эксперимента всю поверхность образца;

в совокупности эти признаки обеспечивают лучшую воспроизводимость экспериментальных данных, а сама конструкция и форма теплоизлучающей поверхности обеспечивает отсутствие градиента теплового потока, несмотря на наличие отверстия над центром образца.

Кроме этого, задание и контроль теплового режима в предложенной установке осуществляются автоматически при помощи программируемого блока управления.

Применение в качестве теплоизоляции наружной поверхности источника теплоизлучения материала с температурой разложения не менее 900^oС и покрытие теплоотражающим слоем металлической фольги из нержавеющей стали свободного от образца поверхности основания ЦБД, в плоскости которой находится испытуемый образец, позволяет снизить энергетические затраты на проведение эксперимента.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают критерию "новизна".

При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень" был проанализирован уровень техники и, в частности, известные способы и устройства для испытаний огнезащитных вспучивающихся покрытий по металлу.

Исходя из проведенного анализа имеющихся сведений, ставших общедоступными в мире до даты приоритета предлагаемого изобретения, можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень", а само изобретение обладает новизной.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемой установки в виде фронтального сечения; на фиг.2 - схема блока держателя образца прямоугольной формы в виде фронтального разреза; на фиг.3 - схема держателя образца с теплоизоляцией без компенсационного подогрева в виде фронтального разреза; на фиг. 4 - принципиальная схема блока управления режимом нагрева, предназначенного для задания необходимого теплового режима.

Предлагаемая установка состоит из следующих основных элементов:

- испытательной печи 1 с теплоизоляционным кожухом 5;

- блока управления режимом нагрева 2;

- блока держателя образца 3;

- прибора, регистрирующего температуру 4.

Испытательная печь 1 с теплоизоляционным кожухом 5 предназначена для обеспечения необходимого теплового режима воздействия на испытуемый образец 6, представляющий собой металлическую пластину 7 с нанесенным на одну из его сторон огнезащитным покрытием 8. В испытательной печи 1 выполнено углубление цилиндрической формы, состоящее из соосно совмещенных большого (ЦБД) 9 и малого (ЦМД) 10 цилиндров, имеющих соответственно следующие габаритные размеры: диаметр 3205 мм и 705 мм и высоту 1605 мм. В качестве нагревательных элементов используются закрытые трубчатые электрические ТЭНы 11. Контроль режима нагрева ТЭНов 11 осуществляется с помощью ТЭП 12. Регистрация температурного режима нагрева печи осуществляется с помощью ТЭП 13, установленного на расстоянии 605 мм от плоскости установки образца 14. Контроль за прогревом образца 6 с огнезащитным вспучивающимся покрытием 8 осуществляется при помощи ТЭП 15, плотно прижатого к тыльной поверхности 16 металлической пластины образца 6. Выход газообразных продуктов и визуальное наблюдение за поведением образца осуществляются через отверстие 17 малого нагревательного цилиндра 10. В качестве теплоизоляционных материалов в установке 1 использовались каолиновая вата и асбосилит.

Блок держателя 3 образца прямоугольной формы с компенсацией теплопотерь состоит из следующих элементов (фиг.2): корпус 1 держателя 18 образца с огнезащитным покрытием 6, металлической мембраны 19, отделяющей область компенсационного нагрева, керамического пористого теплоизоляционного материала 20, спирали компенсационного нагрева 21, крепежных винтов 22 фиксаторов 23 образца 6, крепежных винтов 24 кабельных ТЭП 15, 25, кабельного ТЭП 15 для измерения температуры с тыльной стороны 16 образца 6, кабельного ТЭП 25 для измерения температуры на разделительной мембране 19, блока регистрации температур 4, блока 26 регулирования нагрева компенсационной спирали 21. В этом случае реализуется известный принцип, описанный в инструкции. Нагрев спирали 21 осуществляется с таким расчетом, чтобы разность температуры с тыльной стороны 16 образца 6 и мембраны 19, к которой она примыкает, была минимальной.

Держатель образца с теплоизоляцией без компенсационного подогрева (фиг. 3) имеет следующие основные элементы: корпус держателя 27, теплоизоляцию, пористый керамический материал 28, образец 6, фиксаторы 29 образца 6, винты 30 для зажима фиксаторов, кабельные ТЭП 15, фиксатор 31 кабельного ТЭП 15, регистрирующий прибор температуры 4.

Принципиальная схема блока управления режимом нагрева, предназначенного для задания необходимого теплового режима, имеет следующие основные элементы (фиг.4): испытательную печь 1, нагревательные элементы (ТЭНы) 11, блок управления режимом нагрева 2, регулятор температуры микропроцессорный КПС-11 32, кабельные ТЭП 12, тиристор 33.

Нагревательные элементы 11 выполнены в виде равномерно навитых витков в соответствии с формой внутренней поверхности ЦБД 9 и ЦМД 10 испытательной печи. Режим нагрева ТЭНов 11 задается с помощью микропроцессорных регуляторов температуры КПС-11 32. ТЭНы 11 распределены пофазно в трехфазной цепи питания установки. Регуляторы КПС-11 32 имеют шесть программируемых участков нагрева, позволяющих воспроизводить температурный режим "стандартного пожара" с требуемой точностью. Предварительно запрограммированные регуляторы 32 осуществляют управление ТЭНами 11 через тиристорный блок 33. В качестве элемента обратной связи используется кабельный ТЭП 12.

Установка работает следующим образом.

Подготовленный образец 6 (16080 мм) с огнезащитным покрытием 8 помещают в блок-держатель образца 3, блок держателя образца вставляют в испытательную печь 1 и фиксируют его заданным образом. При этом конец контрольной ТЭП 15 прижимается к тыльной поверхности 16 образца. После этого включают нагрев печи 1. Скорость нагрева и температура в печи контролируются ТЭП 13 и управляются блоком 2. Контрольная запись и регистрация температуры перед образцом и температуры с тыльной поверхности образца проводятся блоком 4.

По достижении критической температуры с тыльной поверхности 16 образца (500^oС для стали или 250^oС для алюминия) опыт заканчивается и нагрев печи 1 отключается, при этом фиксируется время от начала нагрева до момента достижения критической температуры. В ходе эксперимента поддерживается автоматически режим "стандартного пожара". Для этого блок управления 2 предварительно настраивается на его поддержание. С учетом наличия функции "памяти" у регулирующего устройства 32 (фиг. 4) требуемый температурный режим может многократно воспроизводиться и всякий раз контролироваться по записи показаний температур. В ходе эксперимента оператор наблюдает за динамикой вспучивания образца через отверстие 17 ЦМД печи 1 (фиг.1).

Сравнительные данные по результатам измерения плотности теплового потока (кВт/м²) на предлагаемой установке и установке-прототипе представлены в таблице 1.

В таблице 1 представлены данные по измерению теплового потока на установке (фиг.1) в точках с различными координатами в области вспучивания огнезащитных покрытий. Из данных видно, что тепловой поток (датчик интегрального типа РОП, погрешность 10%) изменяется в диапазоне технической погрешности самого измерения, т.е. поле теплового потока в области вспучивания образца покрытия является практически равномерным. В то время как для установки-прототипа характерно наличие градиента теплового потока.

Сравнительные данные по воспроизводимости результатов определения теплоизолирующей способности образцов с огнезащитными покрытиями на предлагаемой и установке-прототипе представлены в таблице 2.

В табл. 2 приведены данные эксперимента по определению теплоизолирующих свойств (времени прогрева необогреваемой поверхности образца до температуры 500^oС) образцов с огнезащитными вспучивающимися покрытиями ВПМ-2, ЭСМА, а также незащищенной металлической пластины, из которых следует, что результаты эксперимента имеют хорошую сходимость в случае предлагаемой установки.

Из данных, представленных в таблицах 1 и 2, следует, что задача обеспечения равномерного теплового воздействия на образцы в течение эксперимента и повышения воспроизводимости результатов испытаний достигнута.

Основные геометрические параметры установки: диаметр и высота ЦБД и ЦМД оптимизировались с учетом возможности обеспечения равномерного поля теплового потока, падающего в ходе эксперимента на поверхность образца огнезащитного покрытия, обеспечения свободного визуального наблюдения за образцом, быстрого удаления дыма и продуктов термического разложения из рабочей камеры установки. Размеры образца с огнезащитным покрытием брались согласно данным, приведенным в описании установки прототипа.

В предлагаемой установке возможность визуального наблюдения значительно увеличилась, т.к. отверстие ЦМД расположено непосредственно над центром образца, диаметр и расположение которого позволяют наблюдать всю его поверхность одновременно. Наряду с этим данное отверстие выполняет функцию вентиляционного окна, исключающего задымленность рабочего объема установки.

Высота ЦМД также оптимизировалась исходя из условия минимальной высоты при заданном внутреннем диаметре, обеспечивающем визуальное наблюдение, при котором влияние открытого отверстия на равномерность теплового потока в области вспучивания образца было с технической точки зрения практически незаметным.

Исходя из изложенного видно, что предложенная конструкция установки для испытаний вспучивающихся покрытий по металлу выгодно отличается от известной за счет:

равномерного теплового поля в зоне вспучивания огнезащитного покрытия;

получения результатов с большей воспроизводимостью;

возможности визуального наблюдения всей поверхности образца в ходе эксперимента.