Совершенствование системы оценки теплозащитных свойств пакетов огнетермостойких материалов

Специальная защитная одежда пожарных (далее – СЗО) должна защищать пожарного от тепловых и механических воздействий, воды и агрессивных сред при проведении работ по тушению пожаров и связанных с ними аварийноспасательных работ. Эксплуатационные свойства СЗО зависят как от конструктивного исполнения, так и от используемых для ее изготовления материалов. Полная и всесторонняя оценка защитных свойств материалов и тканей, используемых при изготовлении СЗО, позволяет снизить риск ее отказа во время эксплуатации.

Из множества поражающих факторов, действующих при тушении пожаров, наиболее часто к травматизму и гибели приводят воздействия высокой температуры окружающей среды, тепловых потоков, открытого пламени и контакт с нагретыми поверхностями. Человек, участвующий в тушении пожара, подвергается тепловым воздействиям в экстремальных ситуациях. Поэтому теплозащитные показатели используемых материалов и тканей являются наиболее важными при оценке эксплуатационных показателей комплекта СЗО пожарного.

Таблица – Теплофизические показатели пакета материалов БОП

Наименование показателя	Значение показателя
Устойчивость к воздействию теплового потока, с, не менее: – 5,0 кВт/м2 – 40,0 кВт/м2	240 5

Согласно действующим техническим нормативным актам [1, 2] требования к теплозащитным свойствам огнетермостойких тканей, применяемых для изготовления СЗО, при воздействии теплового облучения, задаются несколькими парами чисел: плотностью потока облучения и соответствующим минимальным временем его действия. В таблице представлены нормативные теплофизические показатели пакета материалов боевой одежды пожарного (далее – БОП), оценивающие устойчивость к воздействию теплового потока.

Данная форма оценки теплозащитных свойств материалов имеет ряд существенных недостатков:

• 1.    Оценка теплофизических показателей пакета материалов для определенного теплового воздействия происходит только на качественном уровне.

• 2.    Основным критерием для оценки результатов испытаний по определению устойчивости пакета материалов к воздействию теплового потока являются значения температуры на внутренней поверхности пакета материалов (не более 50 °C в течение испытания), хотя более значимым показателем является скорость

Требования к пакету материалов не содержат количественной оценки результатов испытания. Пакет материалов либо выдержал, либо не выдержал испытания. Следовательно, проведение сравнительного анализа уровня защиты двух, прошедших испытание пакетов материалов, не представляется возможным.

dT подъема температуры на внутренней поверхности пакета материалов VT =    [3].

d τ

Непосредственный контакт внутренней поверхности пакета материалов СЗО с кожным покровом пожарного во время теплового воздействия может привести к возникновению ожоговых травм различной степени. Когда температура ткани человека поднимается выше 44 °C, начинают возникать кожные ожоги со скоростью, которая зависит от уровня подъема температуры. Например, при 50 °C поражение кожи происходит в 100 раз быстрее, чем при 45 °C [4].

Целью исследований, представленных в данной работе, является разработка метода количественной оценки теплозащитных свойств пакетов огнетермостойких материалов.

Анализ работ Stoll A.M. и Chianta A.M. [3, 4, 5], проведенных в 1960-х гг., а также последующие исследования Gagnon B. D. и Cavanagh J. M. [6, 7] дают возможность количественно определить реакцию кожи человека на поглощаемую тепловую энергию. На рисунке 1 представлена зависимость плотности падающего на незащищенную поверхность кожи теплового потока q от времени достаточного для появления ожоговой травмы второй степени τ 0 . Данная зависимость получила название Кривая Stoll, а для ее количественного описания используется эмпирическая модель следующего вида [3 – 7]:

50 - 0 ,7087

,123 ⋅ τ ₀

, где q – плотность падающего на поверхность кожи теплового потока, кВт/м2, τ0 – время воздействия теплового потока до возникновения ожоговой травмы второй степени, с.

Кривая Stoll является удобным инструментом для оценки степени повреждения кожи человека от теплового воздействия различной мощности.

Для усовершенствования оценки защитных свойств материалов СЗО пожарных предлагается использовать коэффициент теплозащитных свойств пакетов огнетермостойких материалов E , имеющий следующий физический смысл. Коэффициент теплозащитных свойств пакетов огнетермостойких материалов E равен величине энергии, падающей на материал, в результате воздействия которой количество тепла, переданного через материал, достаточно для того, чтобы стать причиной возникновения ожоговой травмы второй степени:

Е = q_П ⋅ τ ₀ , (2)

где q п – плотность падающего на защитный материал теплового потока, кВт/м², τ о – время воздействия теплового потока до возникновения ожоговой травмы второй степени в соответствии с кривой Stoll, с.

Рисунок 1 – Зависимость плотности падающего на незащищённую поверхность тела теплового потока от времени появления ожоговой травмы второй степени [3 – 7]

Практическое использование введённого показателя теплозащитных свойств пакетов огнетермостойких материалов позволяет определить время потенциально безопасной эксплуатации СЗО при любом уровне теплового воздействия.

В ходе экспериментальных исследований была проведена количественная оценка теплозащитных свойств пакета огнетермостойких материалов, используемых в настоящее время в Республике Беларусь при изготовлении БОП. В качестве критерия оценки защитных свойств использовались нормативные требования по устойчивости пакета материалов к тепловому потоку [1], согласно которым во время теплового воздействия на внутренней поверхности пакета материала температура должно быть не более 50 °C и плотность теплового потока не должна превышать 2,5 кВт/м2, и сравнивались с данными Кривой Stoll.

Экспериментальные исследования проходили на базе научноисследовательского центра Витебского областного управления МЧС. Объектом исследования являлся пакет материалов БОП, состоящий из материала верха («Арселон-С», арт. 09с-368/1 саржевого переплетения, поверхностная плотностью 260 ± 14 г/м2), водонепроницаемого слоя (мембранный материал ТУ BY 300620644.017-2008), теплоизоляционной подстежки (ватин полушерстяной холстопрошивной, поверхностная плотность 235 г/м2) и подкладочной ткани (100 % х/б ткань, поверхностная плотность 140 г/м2). При проведении исследований использовалось следующее оборудование: установка для определения устойчивости к воздействию теплового потока, приемник теплового потока ПТПО

№192, измеритель-регулятор «Сосна-002», термоэлектрический преобразователь ТХА-1199/53, секундомер Интеграл С-01. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2.

Пробы пакета материалов БОП размером 210×70 мм подвергались воздействию теплового потока плотностью в диапазоне от 2 до 20 кВт/м2. В качестве источника излучения использовалась радиационная панель размером 200х150 мм с нагревательным элементом в виде спирали из нихромовой проволоки по ГОСТ 14081. Продолжительность цикла тепловой нагрузки ограничивалась временем достижения температуры на внутренней поверхности пакета, равной 50 °С. Для измерения значений плотности теплового потока использовался датчик типа Гордона с диапазоном измерения от 1 кВт/м2 до 50 кВт/м2 и погрешностью измерений не более 8 %, данные которого выводились на вторичный прибор с классом точности не менее 0,15. Для измерения температуры на внутренней поверхности пакета материалов использовались три термопары, прикрепленные под углом 120° друг к другу на расстоянии 20±2 мм от центра датчика. Измерение температуры и плотности теплового потока проводились одновременно.

Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки:

1 – платформа; 2 – груз; 3 – нити; 4 – датчик измерения плотности теплового потока; 5 – зажим; 6 – термопара; 7 – держатель пробы; 8 – экран; 9 – защитная заслонка; 10 – система охлаждения;11 – радиационная панель; 12 – проба

Комплексный анализ результатов экспериментальных исследований, некоторые из которых представлены графически на рисунке 3, позволяет отметить, что время эксплуатации исследуемого пакета огнетермостойких материалов в условиях повышенных тепловых воздействий, установленное согласно нормативным требованиям (температура и плотность теплового потока на внутренней поверхности исследуемого пакета материалов в процессе испытания не должны превышать 50 °C и 2,5 кВт/м² соответственно), является необоснованным. Например, при плотности падающего теплового потока q п = 5 кВт/м² время потенциально безопасной эксплуатации пакета согласно нормативным требованиям составляет 310 секунд, однако при данной скорости роста теплового потока на внутренней поверхности пакета высока вероятность получения ожога пожарным уже на 305-й секунде (рисунок 3, кривая 1). Для теплового воздействия в 10 и 20 кВт/м² время безопасной эксплуатации при оценке по нормативным требованиям завышено на 25 и 15 секунд соответственно (рисунок 3, кривые 2, 3).

По результатам экспериментальных исследований установлено, что коэффициент теплозащитных свойств пакета огнетермостойких материалов E не зависит от плотности падающего на его поверхность теплового потока qп , а определяется только теплозащитными свойствами материалов, входящих в состав данного пакета (для исследуемого пакета огнетермостойких материалов численное значение коэффициента теплозащитных свойств составляет 1500 кДж/м2).

На рисунке 4 представлена зависимость времени появления ожога второй степени τо от плотности падающего на поверхность исследуемого пакета материалов теплового потока qп. q, кВт/м2

Рисунок 3 – Зависимость плотности теплового потока на внутренней поверхности пакета огнетермостойких материалов q от времени τ при различных значениях уровня теплового воздействия на БОП q п : 1 – при q п = 5 кВт/м²; 2 – при q п = 10 кВт/м²; 3 – при q п = 20 кВт/м²; 4 – Кривая Stoll

0         4         8         12        16        20         q п , кВт/м²

Рисунок 4 – Зависимость времени потенциально безопасной эксплуатации пакета огнетермостойких материалов от плотности теплового потока, падающего на его поверхность τ о ( q п )

По результатам экспериментальных исследований разработана математическая модель, позволяющая осуществлять прогноз значений времени потенциально безопасной эксплуатации пакета огнетермостойких материалов при любом значении плотности падающего на его наружную поверхность теплового потока, имеющая следующий вид:

^Т 0

^n q max - q⁰ ) ^$

I k qп - qo J где qmax – плотность теплового потока, при котором использование данного пакета невозможно, кВт/м2; q0 – максимальная величина плотности теплового потока облучения, который не вызывает ожог второй степени при неограниченном времени теплового воздействия, кВт/м2; qп – текущее значение плотности падающего на пакет теплового потока, кВт/м2; k – темповой параметр модели, с-1; s – безразмерный параметр модели.

Для исследуемого пакета огнетермостойких материалов численные значения параметров модели (3) имеют следующие значения: q max = 40,1 кВт/м²; q 0 = 2,6 кВт/м²; k = 0,021 с^-1; s = 0,855. Величина достоверности модели (коэффициент детерминации) R² = 0,995.

Использование модели (3) позволяет повысить информативность соответствующего испытания и определить диапазон значений теплового потока, падающего на поверхность пакета огнетермостойких материалов, в пределах которого возможна его эксплуатация. Для исследуемого пакета огнетермостойких материалов максимальная величина плотности теплового потока облучения, при котором возможна его эксплуатация при неограниченном времени воздействия, составляет 2,6 кВт/м2, а пороговым предельным значением тепловой нагрузки – 40,1 кВт/м2.

Таким образом, по результатам проведенных исследований показано, что существующая форма оценки теплозащитных свойств огнетермостойких материалов и их пакетов не является совершенной. Для устранения данного недостатка предложен новый методологический подход к оценке теплозащитных свойств огнетермостойких материалов и их пакетов, практическое применение которого позволяет не только производить сравнительный анализ теплозащитных свойств пакета огнетермостойких материалов, но и произвести оценку времени его потенциально безопасной эксплуатации при любом уровне теплового воздействия.