Совершенствование методов и средств огнезащиты на основе термостойких минеральных заполнителей для металлических конструкций нефтегазового комплекса Акулов, Артем Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ существующих методов и средств огнезащиты, и компонентов входящих в их состав 12

1.1. Основные виды и область применения средств огнезащиты стальных конструкций 12

1.2. Анализ существующих методов и средств огнезащиты металлических конструкций

1.2.1. Вспучивающиеся огнезащитные составы 19

1.2.2. Легкие штукатурки и невспучивающиеся высокоэффективные составы 38

1.3. Анализ компонентов огнезащитных покрытий 56

1.3.1. Анализ минеральных термостойких заполнителей 56

1.3.2. Анализ минеральных вяжущих 63

1.3.3. Анализ дополнительных добавок 66

1.4. Обоснование выбранного направления работ 68

Выводы по первому разделу 69

ГЛАВА 2. Методика подбора приведенной толщины металла конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости 71

2.1. Разработка огнезащитных составов на основе минеральных термостойких заполнителей 71

2.1.2. Подбор соотношения компонентов 71

2.1.3. Огневые испытания по определению огнестойкости покрытий 118

2.2. Разработка методики подбора приведенной толщины металла конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости 126

Вывод по второму разделу 131

ГЛАВА 3. Методика проектирования огнезащитныхсоставов на основе термостойких минеральных заполнителей 131

3.3.1. Определение процентного состава огнезащитных покрытий в зависимости от заданного значения водопоглащения 133

3.3.2. Определение процентного состава огнезащитных покрытий в зависимости от заданного значения прочности 138

3.3.3. Определение процентного состава огнезащитных покрытий в зависимости от заданного значения объемного веса 143

3.4. «Общие» номограммы для определения необходимых свойств и блок схема методики проектирования огнезащитных составов 148

3.4.1. «Общие» номограммы для огнезащитного состава №1 148

3.4.2. «Общая» номограмма для огнезащитного состава №2 1 3.5. Экономическая оценка разработанных составов 154

3.6. Алгоритм проектирования огнезащитных составов 157

3.5. Технология нанесения разработанных огнезащитных составов 159

Вывод по третьему разделу 164

Выводы по работе 165

Приложения 166

Список литературы

• Легкие штукатурки и невспучивающиеся высокоэффективные составы
• Обоснование выбранного направления работ
• Разработка методики подбора приведенной толщины металла конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости
• Определение процентного состава огнезащитных покрытий в зависимости от заданного значения объемного веса

Введение к работе

Актуальность работы

Фактический предел огнестойкости стальных конструкций, объектов нефтегазовой отрасли при пожаре в зависимости от толщины элементов сечения металлической конструкции (МК) и величины действующих нагрузок составляет 15 минут при требуемой огнестойкости до 360 минут. Следовательно, область применения металлических конструкций ограничена по огнестойкости, так как не выполняется условие безопасности, т.е. фактический предел огнестойкости П^о_ф должен быть больше, либо равен пределу требуемой огнестойкости: П^о_ф П^о_т. Это условие является основным для обоснования необходимости огнезащиты металлических конструкций: если П^о_ф П^о_т, огнезащита не требуется, а при П^о_ф < П^о_т огнезащита необходима. Большое влияние на предельное время огнестойкости до разрушения металлоконструкций оборудования нефтегазового комплекса (НГК) оказывает оперативное реагирование пожарных подразделений, которое включает в себя временные фазы: самостоятельное распространение пожара; локализация пожара; тушение пожара и время удаления остаточных температур. В это время развиваются от воздействия огня высокие температуры, что приводит к частичному разрушению МК.

Одним из эффективных методов повышения огнестойкости МК объектов НГК является нанесение на поверхность конструктивной огнезащиты. В связи с этим совершенствование методов и средств огнезащиты на основе термостойких минеральных заполнителей с высокими физико-механическими свойствами и огнестойкостью является своевременной и актуальной задачей.

Цель работы – обеспечение безопасной эксплуатации оборудования нефтегазового комплекса совершенствованием методов и средств огнезащиты на основе термостойких минеральных заполнителей для металлических конструкций.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих методов и средств огнезащиты металлоконструкций (вспучивающихся и других огнезащитных покрытий) и выбрать наиболее перспективное направление для разработки новых методов;

2. Разработать огнезащитные составы (ОС) для металлоконструкций с возможностью нанесения и эксплуатации их при положительных и отрицательных температурах окружающего воздуха;

3. Разработать методику подбора приведенной толщины металлоконструкций с огнезащитной толщиной покрытия с учетом требуемой огнестойкости;

4. Разработать методику расчета для индивидуального проектирования огнезащитного покрытия.

Методы решения поставленных задач

Теоретические исследования по разработке средств и способов огнезащиты выполнены с использованием современных подходов теории огнестойкости и огнезащиты строительных конструкций. При проведении исследований использовались лабораторные установки по определению огнестойкости конструкций с огнезащитой, современное измерительное оборудование, стандартные методики.

Научная новизна результатов работы

1. Разработан состав с высокой огнестойкостью для защиты металлоконструкций на основе магнезиального цемента, стойкого к атмосферному и влажностному воздействию и обладающего высокими физико-механическими свойствами.

2. Разработана методика подбора приведенной толщины металла конструкций разнотолщинным покрытием с учетом требуемой огнестойкости.

3. Разработана методика индивидуального проектирования составов для огнезащиты металлических конструкций объектов нефтегазовой отрасли.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа существующих методов и способов огнезащиты металлических конструкций;

2. Результаты экспериментальных исследований по определению физико-механических и огнезащитных свойств разработанных огнезащитных составов;

3. Методика подбора сечения приведенной толщины металла конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости конструкций объектов НГК;

4. Методика индивидуального проектирования разработанных составов для металлических конструкций нефтегазовой отрасли.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Разработанные методики применяются при чтении лекций по применению огнезащитных веществ и материалов в Уральском институте Государственной противопожарной службы МЧС России, а также при разработке раздела проектно-сметной документации «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности» различных объектов защиты. Практическая ценность работы подтверждается актами о внедрении.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях:

- 65-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2008 г.);

- учебно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений» (г. Екатеринбург, 2008 г.);

- межвузовской научно-практической конференции «Совершенствование противопожарной защиты объектов с повышенной пожарной опасностью», посвященной 80-летию Уральского института ГПС МЧС России (г. Екатеринбург, 2008 г.);

- 66-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2009 г.);

- межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений»
(г. Екатеринбург, 2009 г.);

- Международной научно-практической конференции «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири» (г. Тюмень, 2009 г.);

- учебном семинаре «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий» (г. Екатеринбург, 2009 г.);

- 67-ой Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (г. Самара, 2010 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта», посвященной 10-летию со дня основания Института транспорта Тюменского государственного нефтегазового университета (г. Тюмень, 2009 г.);

- Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений»
(г. Екатеринбург, 2010 г.);

- IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации», посвященной 20-летию образования МЧС России (г. Екатеринбург, 2010 г.);

- Межвузовской научно-практической конференции курсантов, студентов и молодых ученых Уральского института ГПС МЧС России, посвященной 20-летию образования МЧС России (г. Екатеринбург, 2010 г.);

- круглом столе «Тепло-, звуко- и огнезащита всех видов строительных конструкций. Опыт и перспективы» при Министерстве строительства и архитектуры Свердловской области (г. Екатеринбург, 2010 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы

Легкие штукатурки и невспучивающиеся высокоэффективные составы

Выбор конкретного типа огнезащитного состава и материала, установление их областей применения производился на основе технико-экономического анализа с учетом: величины требуемого предела огнестойкости конструкции; типа защищаемой конструкции; вида нагрузки; температурно-влажностных условий эксплуатации; технологии производства монтажных работ; степени аїрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкции; увеличения нагрузки на конструкцию за счет увеличения массы от огнезащиты; трудоемкости монтажа огнезащиты; эстетических требований к конструкции; технико-экономических показателей.

Наиболее надежными методами и способами огнезащиты в настоящее время являются [50; 51]: облицовки из негорючих материалов, т.е. огнезащитные покрытия.

В качестве облицовочных материалов для огнезащиты различных конструкций используются бетон, кирпич, гипсокартонные и гипсоволокнистые листы (ГКЛ, ГВЛ), и другие плитные и листовые изделия, а также различные типы штукатурок.

Обетонирование. Огнезащита металлических конструкций при помощи бетона в отечественном строительстве применяется сравнительно часто. Применение бетонной защиты наиболее рационально в том случае, когда одновременно производится усиление металлических конструкций, например, при реконструкции зданий и сооружений. Обетонирование производят после прикрепления к колонне армирующей сетки. Толщина слоя бетона составляет 5 см, если требуется предел огнестойкости 60 минут; и 6 см, если требуется 120 минут [38].

Облицовка из кирпича. Кирпичную облицовку наиболее часто применяют для повышения предела огнестойкости вертикальных стержневых металлических конструкций. Кладку для огнезащитной облицовки выполняют из глиняного обожженного и силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе марки не ниже 50. Устройство огнезащитной облицовки из пустотелых и щелевых кирпичей допускается толщиной только в 1/2 кирпича (120 мм). При устройстве облицовки кирпичом учитывают, что у стали и кирпича коэффициенты линейного расширения отличаются в 3 раза. Поэтому устраивают зазор между металлической конструкцией и кирпичной кладкой. Для получения предела огнестойкости 120 минут достаточен слой кирпича толщиной 6,5 см.

Облицовки из бетона и кирпича не боятся сырости, могут применяться практически при любых температурно-влажностных условиях, при наличии агрессивной среды, они устойчивы к атмосферным воздействиям и динамическим нагрузкам. Но эти способы огнезащиты связаны с трудоемкими опалубочными и арматурными работами, малопроизводительны, значительно утяжеляют каркас здания, увеличивая вес конструкций, и как следствие, происходит увеличение нагрузки на остальные конструкции здания [38].

Облицовки из теплоизоляционных плит. Наиболее перспективны облицовки из теплоизоляционных плит на основе перлита, вермикулита и цемента, асбестоперлитоцементных и полужестких минераловатных плит. При толщине плит 5 см, обеспечивается предел огнестойкости до 120 минут при условии надежного крепления плит к конструкции [38].

Облицовка гнпсокартонными и гипсоволокнистыми листами (ГКЛ, ГВЛ). В настоящее время разработана огнезащитная облицовка из гипсокартонных и гипсоволокнистых листов. Эти конструкции значительно легче кирпичной или бетонной облицовки, индустриальны, эффективны с точки зрения огнестойкости. При применении ГКЛ или ГВЛ допускается демонтаж огнезащитной облицовки и выполнение различных работ по усилению несущих конструкций, а также повторного нанесения антикоррозионного покрытия несущих конструкций здания. Один слой толщиной 16 мм может обеспечить предел огнестойкости металлических конструкций до 60 минут. Но, учитывая возможность преждевременного разрушения гипсокартонных или гипсоволокнистых листов при пожаре из-за технологических дефектов, рекомендуется устраивать огнезащиту не в один, а в два слоя [50; 51].

Штукатурка. Традиционным видом огнезащитного покрытия является цементно-песчаная штукатурка. Для ее приготовления используются цемент и песок. Ее применение возможно для большинства металлоконструкций зданий.

Использование цементно-песчаной штукатурки обусловлено такими достоинствами, как недефицитность материалов для приготовления состава, простота изготовления, возможность механизированного нанесения, обеспечение значительного предела огнестойкости защищаемой конструкции. При нанесении слоя штукатурки толщиной 5 см предел огнестойкости металлической конструкции возрастает до 120 минут.

В то же время этот вид огнезащиты имеет ряд недостатков, ограничивающих его применение, к которым относятся: большая трудоемкость работ по нанесению покрытия из-за необходимости армирования стальной сеткой; большие нагрузки на фундаменты зданий за счет утяжеления каркаса; необходимость применения антикоррозионных составов[38].

Легкие штукатурки и нсвспучивающисся высокоэффективные составы. Стремление снизить массу огнезащитной облицовки привело к разработке легких штукатурок и покрытий на основе асбеста, перлита, вермикулита, фосфатных соединений и других эффективных материалов. Эти облицовки имеют малую плотность (200 - 600 кг/м3) и поэтому низкую теплопроводность. В случае пожара они не выделяют дыма и токсичных продуктов.

В последнее время применяются облегченные штукатурки, наносимые механическим способом. Примером является перлитовая или вермикулитовая штукатурка. Так при толщине слоя 2,5 см предел огнестойкости металлической конструкции может достигать 90 минут.

Легкие огнезащитные штукатурки более эффективны по сравнению с цементно-песчаными, т.к. обеспечивая практически одинаковый предел огнестойкости конструкции, они в 1,5 раза утяжеляют каркас здания. В то же время этому виду покрытий свойственны недостатки: материал покрытий мягкий, имеет небольшую конструктивную прочность, легко отслаивается от поверхности металла. Такое покрытие нельзя использовать для открытых поверхностей, незащищенных от механических повреждений, а также для наружных работ. Эти покрытия не защищают от коррозии и не отвечают эстетическим требованиям. Необходимость применения арматурных сеток увеличивает трудоемкость работ [38].

Вспучивающиеся составы. Одним из перспективных способов огнезащиты металлических конструкций являются вспучивающиеся или вспенивающиеся составы, которые наносят на поверхность конструкции сравнительно тонким слоем. Так огнестойкость металлических конструкций, при нанесении на их поверхность вспенивающихся составов толщиной до 1 см, может увеличиваться до 120 минут. Но при этом существует отрицательный момент применения таких видов огнезащиты, после воздействия высоких температур в условиях пожара необходима повторная обработка конструкций, даже если вспучивание материала произошло не по всей поверхности конструкции [38].

Обоснование выбранного направления работ

Применение легких штукатурок и невспучивающихся высокоэффективных материалов в современной огнезащите относится к конструктивным способам огнезащиты металлических конструкций и, следовательно, имеет более высокие показатели, которые необходимо проанализировать на существующих примерах.

Фосфатное огнезащитное покрытие по стали [32], состоит из следующих компонентов: асбест хризолитовый III-V сортов полужесткий; калиевое жидкое стекло или натриевое жидкое стекло; нефелиновый антипирен в виде мелкодисперсного порошка. При нанесении покрытия температура окружающего воздуха должна быть не ниже +5 С, влажность воздуха не выше 75 %, кроме того, в условиях строительной площадки конструкции должны быть защищены от атмосферных осадков. Огнестойкость при толщине защитного слоя 10 мм составляет 30 минут, при толщине слоя 50 мм - 180 минут.

Фосфатное огнезащитное покрытие на основе минеральных волокон [32], компоненты покрытия: гранулированное минеральное волокно; калиевое жидкое стекло или натриевое жидкое стекло; нефелиновый антипирен в виде мелкодисперсного порошка. При нанесении покрытия температура окружающего воздуха должна быть не ниже +5 С, влажность воздуха не выше 75 %. Конструкции должны быть защищены от атмосферных осадков. Огнестойкость, при толщине защитного слоя 10 мм, составляет 45 минут, при толщине слоя 50 мм - 180 минут.

Сырьевая смесь для изготовления огнезащитного покрытия [73]. Смесь предназначена для огнезащиты металлических строительных конструкций. Содержит силикатсодсржащее связующее 49 - 55 (массовые проценты), измельченный бой ячеистого бетона 40 - 46 (массовые проценты), продукт газоочистки стекловаренных печей 4-6 (массовые проценты). Обеспечивает предел огнестойкости покрытия толщиной 10 мм - 45 минут, сопротивление сдвигу 0,52 - 0,55 МПа.

Штукатурный состав для огнезащиты строительных стальных конструкций [56]. Относится к штукатурному составу для огнезащиты строительных стальных конструкций и обладающий повышенными огнезащитными свойствами и адгезионной прочностью. Данный состав для огнезащиты строительных конструкций, включающий портландцемент, волокнистый наполнитель, вспученный перлитовый песок, содержит в качестве волокнистого наполнителя эковату на основе целлюлозных волокон, содержащую до 20 % нелетучих соединений бора, а также сверх 100 % от суммарной массы основных компонентов состава, в него добавлено 0,01 - 0,3 массовых процента метилгидрокси-этилцеллюлозы в виде мелкого порошка с фракциями менее 0,125 мм, в котором фракции менее 0,063 лш составляют 35 % и более, до 2 массовых процента порошка винилацетата и/или акрилата при следующем соотношении основных компонентов в процентах по объему: портландцемент 7 - 10, вспученный перлитовый песок 65 - 70, эковата 20 - 28. Силикатная композиция для получения теплоизоляционного материала [69]. Композиция может быть использована для огнезащиты конструкций. Техническим результатом является повышение равнопористости, степени поризации, снижение плотности до 490 кг/м3, снижение коэффициента теплопроводности до 0,1 Вт/мК, сохранение конструкционной прочности, а также повышение водостойкости, обеспечение оптимальной степени оформления изделия. В силикатной композиции для получения теплоизоляционного пеноматериала, включающей в качестве связующего жидкое стекло, огнеупорный наполнитель в виде полых микросфер, кремнийсодержащий агент отверждения, дополнительно содержится модифицирующий агент - смесь простых солей щелочных металлов и кислородсодержащих солей меди, а в качестве огнеупорного наполнителя зольные микросферы при следующем соотношении компонентов, (массовые проценты): модифицирующий агент 2 - 5, в том числе простые соли щелочных металлов 0,6 - 1,8; кислородсодержащие соли меди (II) 1,4 - 3,2; кремнийсодержащий агент отверждения 0,01 - 1,5; зольные микросферы 30 - 40; жидкое стекло - остальное. Причем в качестве кислородсодержащей соли меди силикатная композиция может содержать сульфат меди, а в качестве простой соли щелочного металла - хлорид натрия при массовом соотношении 1:3 соответственно. Кроме того, она может содержать в качестве связующего жидкое стекло с плотностью 1,40- 1,42 кг/м3.

Сырьевая смесь для изготовления огнезащитного покрытия [66]. Предназначена для изготовления огнезащиты стальных, железобетонных и армоцементных конструкций. Особенностью смеси является - повышенная атмосферостойкость покрытия, технологичности его изготовления и нанесения, а также снижение стоимости. Сырьевая смесь содержит, (массовые проценты): 35 - 45 портландцемента, 5 - 10 комплексной добавки ННХК, 15-20 легкоплавкой глины, 3-5 вспученного вермикулита фракции менее 1,25 мм, 0,3 — 0,6 стекловолокна длиной меньше 10 лиг, остальное вермикулит необожженный.

Огнезащитная композиция [64]. Применяется для огнезащиты конструкции при пожаре в качестве покрытия или слоя многослойного материала. Цель: повышение огнестойкости композиции и технологичности ее изготовления и нанесения на поверхность. Огнезащитная композиция включает следующие компоненты, (массовые проценты): смола 10 - 30, интеркалированное соединение графита 5 - 30, инертный наполнитель 1 - 20, растворитель - остальное. В качестве интеркалированного соединения графита может быть использован окисленный графит.

Огнезащитная сырьевая смесь [75]. Используется для огнезащиты строительных конструкций. Огнезащитная сырьевая смесь повышает огнестойкость за счет улучшения трещиностойкости покрытия. В состав входят следующие компоненты (известная огнезащитная сырьевая смесь, включающая жидкое стекло, вспученный и невспучелный вермикулит), дополнительно содержит отход производства высших жирных спиртов при следующем соотношении компонентов, (по массе): жидкое стекло 32,00 - 85,00; вспученный вермикулит 3,05 - 6,00; невспученный вермикулит 0,15 - 60,00; отход производства высших жирных спиртов 2,00 - 3,50. Добавка отхода производства высших жирных спиртов снижает воздушную и огневую усадку, повышает пластичность огнезащитной смеси, что в конечном итоге улучшает трещиностойкость и, следовательно, огнестойкость покрытия.

Сырьевая смесь для изготовления огнезащитного покрытия [74]. Используется для огнезащиты строительных конструкций. Состав: жидкое стекло, вермикулит вспученный и наполнители, в качестве последних содержит вермикулит иевспученный и отход катализаторного производства при следующем соотношении компонентов, (массовые проценты): жидкое стекло 61,00 - 70,00; вермикулит вспученный 4,59 - 17,33; вермикулит иевспученный 22,50 - 26,50; отход катализаторного производства 2,00 - 4,00.

Способ изготовления теплоизоляционного и огнезащитного покрытия [62]. Используется при противопожарной защите и тепловой изоляции металлических, в частности стальных, элементов строительных конструкций. Способ изготовления теплоизоляционного и огнезащитного покрытия включает получение гранулированного минерального волокна заданного фракционного состава посредством его измельчения в течение 10-15 мил, гранулирования, сепарации и смешивания гранул минерального волокна и нефелинового антипирена в соотношении, (массовые проценты): минеральное волокно 80, нефелиновый антипирен 20, и последующее смешивание полученной смеси с жидким стеклом непосредственно перед нанесением покрытия, причем минеральное волокно получено из расплава доменного шлака и/или щебня и боя глиняного кирпича, взятых в соотношении 11 - 17:1. Возможно использование доменного шлака и/или щебня Магнитогорского металлургического комбината, имеющего следующий состав, (мае. %): Si02 39,3; СаО 35,3; К 1,35; Мп 1,21; FeO 0,3; Mo 1,19; А1203 П,78; MgO 7,93; S 0,65; Ті02 1,28; и боя глиняного кирпича, имеющего состав, (массовые проценты): А120з 15,50; Si02 55,12; СаО 6,02; MgO 1,91.

Композиция для огнезащитного покрытия [58]. Композиция может быть использована на заводах строительных конструкций, элементов с защитным слоем. Композиция для огнезащитного покрытия содержит, (массовые проценты): жидкое стекло 56 - 77, сопутствующие гидрослюдам минералы с размером частиц 14х10"5 -31,5х10"5 м.

Разработка методики подбора приведенной толщины металла конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости

Дальнейший анализ таблицы 2.9 показывает, что наибольшая ошибка в определении функции отклика до 20 % наблюдается для смеси № 1 для второго типа портландцемента (ПЦ-500-ДО). Такое значение ошибки в восстановлении поверхности отклика можно объяснить тем, что, скорее всего, для ее адекватного описания требуется модель более высокого порядка относительно концентрационных переменных. Однако, изучение этой смеси было приостановлено из-за наличия сильных эффектов растрескивания (неприемлемые нарушения сплошности покрытия), и поэтому модель более высокого порядка не рассматривалась. Таким образом, выбранный вариант аппроксимации данных на основе трехфакторной модели второго порядка гарантирует, для описания изучаемых свойств, по крайней мере, 10 % точность.

Именно эта модель принимается за основу при описании остальных свойств смеси типа №1 на основе портландцемента М200.

Следующая группа результатов относится к составу №2, в котором в качестве связующего, выступает магнезиальный цемент (магнезит и бишофит).

Для обозначения используемых далее факторов используется следующий набор переменных: Обработка результатов эксперимента по значениям времени начала и конца твердения по составу №2 в виде коэффициентов МНК приведены в следующей таблице 2.13. Выделить явно значимые и не значимые коэффициенты достаточно сложно, однако заметно, что влияние концентрации магнезиального цемента на длительность твердения заметно ниже, чем всех остальных компонент, если исходить из абсолютных значений коэффициентов которые учитывают влияние соответствующей концентрации компонента.

Расчет с помощью этих коэффициентов поверхности отклика дает очень хорошее согласие с экспериментом. Численные значения, отражающие адекватность используемого вида функции поверхности отклика, представлена в таблице 2.14.

Интерес вопрос о наличии экстремума у этой функции. Оказалось, что минимум времен начала и конца времени твердения, найденные по упоминавшейся выше методике привели к следующему набору концентраций, которые представлены в таблице 2.15.

Можно заметить, что экстремум времен (времени начала твердения и времени окончания твердения) находится приблизительно в одном и том же районе концентраций.

Третий этап. Подбор оптимального количества минеральных термостойких заполнителей и окончательное определение физико-механических свойств различных композиций разрабатываемых огнезащитных составов.

В процессе проведения испытаний были учтены результаты исследований предыдущих этапов, которые приведены в таблицах 2.16, 2.17

Для первого огнезащитного состава в качестве отвердителя принят портландцемент марки М200 в количестве от 5 до 70 %, для второго состава отвердителем принят магнезиальный цемент в количестве 30 - 70 %.

Для придания пластичности, повышения адгезии, однородности и равномерности сцепляемости композиций огнезащитного состава №1 вводились дополнительные добавки: водоудерживающая добавка 0 - 3 %, сухой латекс 0 - 7 %, пластификатор 0 - 3 %.

В качестве термостойких минеральных заполнителей, состава №1, приняты вспученный вермикулит фракции 2 лш, перлит вспученный, асбест хризотиловый АбК 30, микросфера алюмосиликатная.

Для придания водоотталкивающих свойств огнезащитных составов № 1 и № 2 минеральные термостойкие компоненты подвергались поверхностной гидрофобизации.

Испытания на определение физико-механических свойств включали определение следующих показателей:

Методика исследований адгезии [30] и водопоглощения [31] приведены в предыдущих этапах. Показатели адгезии принимаются из второго этапа испытаний при окончательном определении свойств композиций огнезащитных составов.

Для состава № 1 и № 2 показатель водопоглощения композиции № 8 принимался из первого этапа испытаний (таб. 2.5), для композиций № 1 - 7 и № 9 - 14 (таб. 2.16) показатель водопоглащения определялся в данном этапе испытаний.

Испытаниям на определение объемной массы подвергались образцы, в форме куба, размерами не менее 50x50x50 мм [31]. Для каждой композиции было изготовлено не менее трех образцов. К испытаниям допускались образцы, выдержанные в сушильном шкафу не менее суток и имеющие правильную форму. При испытаниях фиксировались размеры образцов (длина, ширина, высота) в трех местах каждого размера (по краям и в середине). Каждое испытание повторялось не менее 10 раз. За окончательный размер принималось среднее арифметическое трех измерений с округлением до 1 мм. После определения геометрических размеров вычислялся объем и масса каждого образца с точностью до 0,01 г.

Данные полученных результатов по прочности приведены в таблицах 2.16, 2.20. В ходе экспериментов ставилась задача выбора оптимального соотношения исследуемых минеральных термостойких заполнителей, минерального вяжущего и дополнительных добавок, с целью придания высоких физико-механических показателей огнезащитным составам № 1 и № 2 (таб. 2.16, 2.20 рис. 2.6 - 2.12).

Исследования состава № 1 показали отрицательные свойства композиций № 1, 2 - это повышенное водопоглощение композиции (79 и 69 %), неудовлетворительная адгезия и низкая прочность на сжатие (0,3 и 0,6 МПа), хрупкость при наборе окончательной прочности и длительное время схватывания композиций, неоднородность массы во влажном состоянии. Наличие отрицательных свойств обуславливается высоким процентным содержанием минеральных термостойких заполнителей, низким процентным содержанием цемента и отсутствием дополнительных добавок. Однако наряду с отрицательными свойствами данные композиции обладают самым малым объемным весом 130 - 134 кг/м3, что объясняется низким содержанием минерального вяжущего и высоким содержанием легких термостойких минеральных заполнителей.

Определение процентного состава огнезащитных покрытий в зависимости от заданного значения объемного веса

Работа с номограммами, приведенными на рисунках 3.16 - 3.20 заключается в следующем. На первом этапе необходимо определится с заданными свойствами (водопоглощения, объемного веса, прочности), далее на кривой диаграммы рисунка 3.16 необходимо определить точку соответствующую требуемому свойству. После этого необходимо по пересечению параллельных, противоположным сторонам, линий через эту точку определить необходимое количество минерального вяжущего, дополнительных добавок и минеральных термостойких заполнителей. Далее в зависимости от суммы найденного количества минерального вяжущего и дополнительных добавок, по пересечению противоположным сторонам параллельных линий, по кривым на диаграммах рисунков 3.17 - 3.20 находятся необходимое количество вспученного вермикулита, вспученного перлита, асбеста и микросферы алюмосиликатной. Также при определении искомого количества компонентов необходимо выполнять проверку правильности полученных результатов - сумма компонентов найденных по каждой номограмме должна составлять 100 % и общее количество всех компонентов в огнезащитном составе с заданными свойствами должно составлять 100 %. Итогом по разработке общих номограмм для методики проектирования разработанных составов стали номограммы, приведенные на рисунках 3.16 и 3.21. ., Впученный перлит, микросфера аллюмошликатная Вспученный дермикулит Искомый компонент Рисунок 3.21. Процентное содержание искомых компонентов при различных заданных свойствах огнезащитного состава №1. С помощью номограммы на рисунке 3.16 определяется необходимое количество цемента и добавок, она является ключевой в дальнейшем определение необходимого количества минеральных термостойких компонентов. Работа с данной номограммой описана выше.

Номограмма, приведенная на рисунке 3.21 позволяет определить необходимое количество вспученного вермикулита и перлита, асбеста и микросферы алюмосиликатнои, методика работы с данной номограммой

Работа с номограммой заключается в следующем. На первом этапе необходимо определится с заданными свойствами (водопоглощения, объемного веса, прочности), далее на кривой диаграммы необходимо определить точку соответствующую требуемому свойству. После этого необходимо по пересечению параллельных, противоположным сторонам, линий через эту точку определить необходимое количество магнезиального цемента, вспученного перлита и вспученного вермикулита. Также при определении искомого количества компонентов необходимо выполнять проверку правильности полученных результатов - сумма найденных компонентов должна составлять 100 %. Разработанные номограммы «состав - свойство» позволяют определять не только процентный состав огнезащитного покрытия, но и предусмотренные в них физико-механические свойства покрытий, что значительно упрощает процесс проектирования огнезащиты для металлических конструкций НГК. где: Цл - цена огнезащитного состава за 1 кг, руб/кг; св - количество вермикулита вспученного; %, г/, - цена вермикулита вспученного за 1 кг, руб/кг; сп - количество перлита вспученного, %; цп - цена перлита вспученного за 1 кг, руб/кг; са - количество асбеста, %; ца - цена асбеста за 1 кг, руб/кг; с„ - количество микросферы алюмосиликатной, %; цм - цена микросферы алюмосиликатной за 1 кг, руб/кг; сц - количество портландцемента, %; цц - цена портландцемента за 1 кг, руб/кг; с, - количество сухого латекса, %; ц, - цена сухого латекса за 1 кг, руб/кг; ст - количество пластификатора, %; цп1 - цена пластификатора за 1 кг, руб/кг; свд - количество водоудерживающей добавки, %; цбд - цена водоудерживающей добавки за 1 кг, руб/кг. где: Це2 - цена огнезащитного состава за 1 кг, руб/кг; сп - количество перлита вспученного, %; цп цена перлита вспученного за 1 кг, руб/кг; с, - количество вермикулита вспученного, %; цв - цена вермикулита вспученного за 1 кг, руб/кг; с - количество магнезиального цемента, %; цмч - цена магнезиального цемента за 1 кг, руб/кг.

Магнезиальный цемент 50 12 Стоимость, приведенная в таблице, не учитывает площадь нанесения покрытия на металлические конструкции. В данной таблице приведена стоимость одного квадратного метра покрытия на основе композиции 3 для огнезащитного состава №1 и №2. Расчет стоимости покрытия производился по формулам 3.1 - 3.5. Объемный вес принят в соответствии с таблицей 3.1: для состава №1 360 кг/м3, для состава №2 425 кг/м3. При индивидуальном проектировании составов под требования заказчика (изменение объемного веса, прочности, водопоглощения и/или огнестойкости) необходим пересчет стоимости покрытия с учетом получившегося объемного веса, рассчитанного по номограммам, приведенным ранее. Для более точного определения стоимости покрытия необходимо учитывать площадь нанесения состава, для чего необходимо использовать формулу 3.5.

Похожие диссертации на Совершенствование методов и средств огнезащиты на основе термостойких минеральных заполнителей для металлических конструкций нефтегазового комплекса

Совершенствование методов идентификации и контроля пожароопасных свойств строительных материалов и средств огнезащитыНагановский Юрий Кузьмич

Совершенствование комплекса диагностических и профилактических методов обеспечения безопасности оборудования объектов добычи и переработки сероводородсодержащего газаМитрофанов Александр Валентинович

Повышение безопасности промышленных объектов на основе совершенствования методов и средств дистанционного детектирования газовых утечекВласов Валерий Александрович

Безопасность механически неоднородных элементов конструкций нефтегазового комплексаРябов Игорь Анатольевич

Методологические основы совершенствования автоматизированных систем противопожарной защиты предприятий нефтеперерабатывающего комплекса с применением видеотехнологийДемехин Феликс Владимирович

Совершенствование методов анализа промышленной безопасности нефтеперерабатывающих производствТокарев Дмитрий Владимирович

Совершенствование метода прогноза метаноносности угольных пластов для обеспечения безопасных условий труда в шахтах Грибанов Евгений Николаевич

Совершенствование методов и практики горного надзора безопасного обслуживания горно-транспортного оборудования на разрезах Билибин Владимир Валентинович

Совершенствование методов анализа причин разрушения аппаратов при техногенных авариях Ягафаров Рустем Равилевич

Совершенствование методов определения остаточного ресурса газопроводов с дефектами формы трубАгишев Вадим Наилович