Полевые экспресс-методы исследования стальных конструкций и предметов при установлении очага пожара тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Шульгин, Сергей Олегович

• Шульгин, Сергей Олегович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шульгин, Сергей Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ; СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ОЧАГА

ПОЖАРА.

Формирование очаговых признаков на конструкциях и предметах.:.

Визуальный осмотр.

Исследование холоднодеформированных стальных изделий.

1.3.1. Рентгеноструктурный анализ;.!.

1.3.2. Металлографический анализ

1.3.3. Определение микротвердости.

1.3.4 Магнитный метод.

Исследование горячедеформированных стальных изделий.

Исследование сварных соединений стальных изделий.

Исследование окалины на стальных изделиях.

Выводы.

2. ПРЕВРАЩЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЯХ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА.

2.1. Номенклатура объектов исследования и технология их изготовления.

2.2. Превращения в горячедеформированных стальных изделиях при нагреве и охлаждении.

2.3. Образование окислов на поверхности стальных изделий.,',.,.,,,.

2.4. Выводы.

3. ВЫБОР ПОЛЕВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МЕТОДА ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ СТЕПЕНИ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОРАЖЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ.

3.1. Классификация неразрушающих методов контроля.

3.2. Акустический метод контроля.

3.3. Магнитный метод контроля.

3.4. Термоэлектрический метод контроля.

3.5. Радиационный метод контроля.

3.6. Контроль методом вихревых токов.

3.7. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА ВИХРЕВЫХ ТОКОВ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ СТЕПЕНИ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОРАЖЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ.

4.1. План проведения исследований.

4.2. Объекты исследования.

4.3. Методика проведения исследования и основная аппаратура.

4.4. Описание экспериментальной установки.

4.5. Определение оптимальной частоты вихретокового преобразователя.

4.6. Выбор полевого вихретокового прибора.

4.7. Математическая обработка экспериментальных данных.

4.8. Анализ экспериментальных данных.

4.8.1. Влияние времени и температуры нагрева.

4.8.2. Влияние атмосферы окисления.

4.8.3. Влияние химического состава стали.

4.8.4. Влияние скорости охлаждения.

4.8.5. Влияние состояния исходной поверхности образцов.

4.8.5.1. Ржавая поверхность.

4.8.5.2. Поверхность, покрытая лакокрасочными покрытиями.

4.8.5.3. Влияние механической обработки поверхности.

4.9. Выводы.

5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОЧАГОВЫХ ПРИЗНАКОВ ПОЖАРА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ.

5.1. Полевой оптический метод определения степени термических поражений стальных изделий.

5.2. Формирование комплекса полевых методов анализа степени термических поражений стальных изделий.

5.3. Методика комплексного использования полевых методов исследования стальных изделий на месте пожара.

5.4. Практическое использование методики.

5.4.1. Пожар в РосНИПИ Урбанистики.

5.4.2. Пожар в гаражном кооперативе КАС-15.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Полевые экспресс-методы исследования стальных конструкций и предметов при установлении очага пожара»

Экспертизы по делам о пожарах относятся к наиболее сложным видам криминалистического исследования. Основной вопрос, решаемый при исследовании и экспертизе пожаров - причина возникновения горения. Установлению причины пожара обязательно должно предшествовать установление первоначального места возникновения горения или очага пожара. Без установления очага работа по выявлению причины пожара обречена на малоэффективные поиски.

Определение очага пожара должно осуществляться на основе анализа всей совокупности данных по пожару: показаний свидетелей, данных по действиям пожарных подразделений при тушении, сведений о срабатывании средств сигнализации и т.д. Но основой для выводов по очагу должны являться результаты осмотра места пожара, изучение состояния конструкций, предметов и их обгоревших остатков и 1 выявление так называемых очаговых признаков, а также признаков направленности распространения горения. В настоящее время наиболее полно разработаны методики определения очаговых признаков путем визуального осмотра предметов, составляющих окружающую обстановку на месте пожаров. Для большинства происходящих пожаров результатов визуального осмотра бывает вполне достаточно для формирования выводов об очаге, но к таким пожарам относятся небольшие пожары, на которых горение не смогло или не успело развиться вследствие архитектурных особенностей помещений или своевременного и правильного тушения на большие площади. Крупные же пожары характеризуются тем, что горение распространяется на большие площади, практически полностью выгорает пожарная нагрузка и, соответственно, визуальные признаки очага оказываются "стертыми" интенсивным 1 тепловым воздействием. Поэтому необходимо

• - 6 использование инструментальных методов исследования для определения степени термических поражений предметов и конструкций, находящихся на месте пожара.

Как показывает практика исследования пожаров, стальные изделия практически всегда присутствуют на месте пожара и, учитывая то, что они относятся к несгораемым материалам и обладают высокой температурой плавления, на них необходимо обратить особое внимание при решении вопроса об установлении очага пожара. При этом задача установления очага пожара при исследовании стальных изделий базируется на определении изменения тех или иных физико-химических свойств этих изделий, коррелируемых со степенью термического поражения. На основании полученной информации выявляются очаговые признаки, подобные тем, что и при обычном визуальном осмотре.

Анализ литературных данных показывает, что, в основном, в настоящее время для исследования степени термического поражения стальных изделий разработаны методики, основанные на применении фундаментальных методов металловедения, а именно металлографического, рентгеноструктурного и химического анализов [23, 29, 33, 34]. Достоинством этих методов является то, что они обладают высокой степенью точности. Недостатки же их заключаются в высокой стоимости оборудования, длительности и трудоемкости подготовки проб, невозможности проведения замеров непосредственно на месте происшествия. Поэтому такие исследования на практике проводятся очень редко и на сегодняшний день актуальной является задача разработки простых и недорогих экспресс-методов анализа термических поражений стальных изделий, позволяющих производить исследование оперативно на месте пожара.

V . ' ' I 7

Единственным полевым экспресс-методом оценки степени термического поражения стальных изделий, в настоящее время существующим на вооружении специалистов, занимающихся установлением причин возникновения пожаров, является магнитный метод. Данный метод служит для оценки степени термического поражения холоднодеформированных стальных изделий и основан на измерении тока размагничивания последних, который зависит от степени развития рекристаллизационных процессов [23, 35] . Данный метод применим для температур отжига 200 - 700 °С, чего явно недостаточно для работы на месте крупных развившихся пожаров, температура нагрева конструкций на которых достигает 800-1000°С. Кроме того, холоднодеформированные стальные изделия не всегда встречаются на пожарах.

В значительно большем объеме применяются стальные изделия, получаемые путем горячей пластической деформации. Львиную долю их составляет сортовой прокат из низкоуглеродистых сталей. Поэтому именно они рассматривались в данной диссертационной работе в качестве основных объектов исследования.

На проведение диссертационного исследования были поставлены следующие задачи:

- проанализировать изменение структуры и свойств горячекатанных стальных изделий при нагреве и выявить параметры, наиболее стабильно коррелируемые с условиями нагрева;

- исследовать изменения данных параметров в условиях, характерных для пожара (температура нагрева, скорость охлаждения, время теплового воздействия, атмосфера и т.п.);

- выбрать полевой метод или методы, позволяющие быстро определять относительное значение данного параметра; ч . I 9

1, МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ОЧАГА ПОЖАРА

1.1. Формирование очаговых признаков на конструкциях и предметах

Под очагом пожара принято понимать место первоначального возникновения горения (место возникновения пожара) [1]. Установление места расположения очага - важнейшая и первоочередная стадия в исследовании пожара.

Как известно, определение очага пожара должно осуществляться на основе анализа всей совокупности данных по пожару: показаний свидетелей, данных по действиям пожарных подразделений при тушении, сведений о срабатывании средств сигнализации и т.д. Но основой для выводов по очагу должны являться результаты осмотра места по; / жара, изучение состояния конструкций, предметов и их обгоревших остатков.

Признаки очага пожара - это характерные зоны термических поражений конструкций и предметов, образовавшиеся в результате специфических для очага особенностей процесса горения [29].

Основателем отечественной пожарно-технической экспертизы Б.В.Мегорским очаговые признаки пожара были разделены на две основные группы [1]. Это признаки на участке очага и признаки направленности горения.

Термические поражения материалов и изделий в очаге пожара -более значительные, чем в других зонах пожара, возникают как следствие более длительного горения, более продолжительного воздействия высокой температуры в данной зоне. Явно выражены они бывают обычно на небольших (нера^вившихся) пожарах [4, 5, 6].

10

Сосредоточенные термические поражения, (разрушения, выгорания) материалов в месте ^возникновения пожара появляются при достаточно длительном тепловом процессе в очаге, например, при тлении. Такой ход процесса горения может быть обусловлен неблагоприятными условиями для развития горения, прежде всего, недостаточным воздухообменом, свойствами материала, относительно малой мощностью источника зажигания [7].

В других случаях горение в очаге развивается относительно динамично и основные очаговые признаки - поражения над очагом и "очаговый конус" формирует конвекция.

Теплопередача, в том числе и на пожаре, осуществляется конвективным теплообменом (конвекцией), теплопроводностью внутри твердых тел и при непосредственном их контакте (кондукцией) и лучистым теплообменом [3].

Конвективные потоки над очагом возникают сразу с началом активного горения в очаге. Действие конвекции стимулирует подсос воздуха в зону горения и, соответственно, развитие процесса. Нагревая на своем пути конструкции, конвективные потоки приводят к их прогреву, разрушению, воспламенению сгораемых материалов. Именно поэтому в зоне конвективной струи от очага образуются, часто имеющие ярко выраженный локальный характер, термические поражения материалов и конструкций. В спокойной атмосфере конвективный поток направлен вверх, поэтому локальные термические поражения образуются над очагом, а также на боковых ограждающих конструкциях. Вершина "конуса" обращена вниз, в сторону очага [1, 15].

Классический очаговый конус формируется далеко не на каждом пожаре и, тем более, не всегда сохраняется в ходе развития последнего. Элементы "конуса" часто отклоняются от вертикали под влиянием вози душных потоков в помещении. Если помещение, в котором происходит пожар, достаточно низкое, это тоже сказывается отрицательно на формировании конуса. Когда размер зоны горения увеличивается настолько, что высота факела пламени превышает высоту комнаты, происходит расширение пламени до припотолочной струи. Геометрические параметры конвективного потока над очагом начинают искажаться [8, 10,11,12].

В дальнейшем конвективный поток будет прогревать потолок и формировать под ним раскаленный слой дыма и газов, излучающий тепло на расположенные внизу объекты со все возрастающей интенсивностью. Такой ход событий может стимулировать развитие горения из очага по горизонтали, нарушая формирование очаговых признаков; способствовать воспламенению наиболее пожароопасных материалов и возникновению вторичных очагов горения [13, 14]. В конечном счете, если интенсивность теплового потока на уровне пола достигнет примерно 20 кВт/м2, то происходит, как правило, полный охват помещения пламенем [20, 21] так называемая "общая вспышка". После общей вспышки и следующего за ней горения очаговые признаки, сложившиеся на первом этапе, могут быть уничтожены вообще, но могут и сохраниться. Все зависит от конкретных условий пожара и примененных способов выявления очаговых признаков пожара.

Лучистый теплообмен формирует признаки направленности теплового воздействия. Под действием лучистой энергии может происходить заметный односторонний (от источника теплового излучения) нагрев и разрушение конструкций. Поверхности, обращенные в сторону очага, в результате получают большие термические повреждения. У сгораемых материалов это большее обугливание со стороны более интенсивного теплового воздействия. У металлоконструкций преимущественная деформация в сторону источника тепла [18, 19]. Указанные признаки часто используются при поисках очага пожара.

Признаки направленности распространения горения довольно разнообразны; они подробно рассмотрены в [1]. Основной признак -постепенно уменьшающиеся термические поражения по мере удаления от очага. Они также формируют своеобразный "очаговый конус", только в макромасштабе.

Выявить и оценить количественно тенденцию в изменении степени термических поражений материала, как признак направленности распространения горения, позволяют и инструментальные методы.

Формирование вторичных очагов, называемых, в отличие от очагов пожара, очагами горения, происходит в ходе развития пожара в местах сосредоточения пожарной нагрузки (горючих материалов), а также в зонах, где имеются более благоприятные условия для горения или менее эффективны действия по тушению [2, 17, 20]. Возможно образование вторичных очагов за счет плавления и растекания склонных к этому веществ, например, термопластичных полимеров.

Во вторичных очагах могут складываться многие из описанных выше признаков, характерных для очага пожара. Поэтому проблема дифференциации истинного очага пожара и вторичных очагов (очагов горения) - одна из самых сложных при исследовании или экспертизе пожара. Особенно трудно бывает решать эту задачу на крупных пожарах [18].

Итак, при постановке задачи на диссертационное исследование были приняты следующие основные положения:

1. Очаг пожара - место первоначального возникновения горения, уже по самому своему определению есть место, где горение началось раньше, чем в других местах и, как правило, происходило наиболее • * длительно. Исключения из этого правила возможны - они могут быть обусловлены неравномерным распределением пожарной нагрузки и ее относительно малым количеством в очаге, значительным разрывом во времени ликвидации горения в отдельных зонах, другими обстоятельствами пожара. Эти обстоятельства необходимо учитывать, но бесспорно, очаг - это действительно зона наиболее длительного горения. Таким образом, если исследуя темя или иными методами стальные предметы, можно установить длительность горения в различных зонах пожара и выявить зону наибольшей длительности горения, полученные данные могут быть использованы как вполне объективные основания для выводов о месте расположения очага;

2. При относительно равномерном распределении пожарной нагрузки, вследствие более длительного горения, в очаговой зоне степень термического поражения конструкций и материалов, как правило, выше, чем в других зонах. Часто из-за фактора времени горение в очаговой зоне успевает развиться более интенсивно, чем в других зонах. Поэтому и температура горения, и температура воздействия на конструкции в зоне очага выше чем на других участках пожара. Сочетание временного и температурного фактора еще более увеличивает экстремально высокую степень термического поражения в зоне очага, выделяя его по этому показателю среди других зон [29].

Ниже рассматриваются основные методы дифференциации степени термического поражения стальных изделий, известные в настоящее время.

1.2. Визуальный осмотр

Термическое воздействие на стальные изделия в ходе пожара приводит к определенным изменениям в их структуре и свойствах.

Некоторые из этих изменений необратимы и их фиксация после пожара

14 может дать важную для эксперта информацию, облегчающую поиски очага.

Наиболее простым, но в то же время и достаточно информативным способом фиксации степени термических поражений стальных изделий является их визуальный осмотр.

Деформации стальных конструкций (балок, ферм, колонн и др.) наблюдаются в той или иной степени практически на любом пожаре. Связано это с низкой огнестойкостью стальных конструкций. Нагрев стали уже выше 300-350 °С приводит к заметному повышению ее пластичности, сопровождающемуся снижением прочности и увеличением деформаций ползучести. При 500-600 °С прочность углеродистой стали снижается вдвое, при 1000 °С примерно в 10 раз. В результате уже при температуре 300 °С у металлоконструкций могут появляться заметные деформации; после 550-600 °С деформации нагруженных элементов стальных конструкций, как правило, значительны по величине и Л 5-20 минутный нагрев может даже привести к их обрушению [22].

Оценка величины и направленности деформаций металлоконструкций на пожаре способна дать определенную информацию об относительной интенсивности и направленности теплового воздействия в тех или иных зонах. Известно, что деформации происходят преимущественно в сторону источника тепла или более интенсивного теплового воздействия [1, 23, 24]. Также при осмотре места пожара оцениваются величины деформаций металлоконструкций в различных зонах пожара, » но к трактовке полученной информации нужно подходить достаточно осторожно. Наибольшую деформацию (прогиб) металлический элемент может иметь не там, где он нагревался до наиболее высокой температуры и более длительно, а там, где данный элемент имеет наиболее высокую нагрузку и (или) наибольшую, вследствие конструктивных особенностей, степень свободы. Поэтому величину деформации имеет смысл принимать во внимание только в том случае, если на месте пожара имеется несколько рассредоточенных по зоне горения однотипных и относительно одинаково нагруженных металлоконструкций или конструктивных элементов (балок, ферм, каркасных элементов и т.п.).

Другим важным критерием оценки термического воздействия пожара на стальные изделия является осмотр состояния поверхности, а именно - наличие окисных пленок. Так, если углеродистая сталь имеет обработанную, достаточно гладкую поверхность, то первым признаком теплового воздействия на нее будут так называемые цвета побежалости. По ним можно примерно оценить температуру нагрева стали и, в частности, нагрева на пожаре [25, 26]. Цвет побежалости зависит от толщины окисной пленки, а та, в свою очередь, от температуры нагрева металла (табл.1.). /

Оценка температуры нагрева стали до цветам побежалости при обнаружении очага пожара производится относительно редко, так-как в большинстве случаев исходные стальные изделия имеют окрашенную, ржавую или покрытую тонким плотным слоем окалины, образовавшейся при изготовлении изделия, поверхность. Чаще этот критерий используется при установлении причин пожаров, связанных с хрсиисм, локальным перегревом в технологических установках, двигателях и т.п.

Более информативной при поисках очага оказывается окалина -высокотемпературный окисел, образующийся на стали при более высокой температуре. На наиболее распространенных марках стали (углеродистых, обыкновенного качества) высокотемпературное окисление, приводящее к формированию плотного слоя окисла (окалины) в течение достаточно короткого времени (среднестатистического времени

16 пожара), начинается при температуре около 700 °С. Роет слоя окалины происходит по параболическому закону [27, 28] и резко интенсифицируется с повышением температуры.

Таблица 1

Окисные пленки, образующиеся на поверхности стали при нагревании, и их цвета (цвета побежалости) [25]

Цвет побежаяоети Толщина слоя окисла, мкм Температура нагрева, °С

Светло-желтый 0,04 220 - 230

Соломенно-желтый 0,045 230 - 240

Оранжевый 0,05 240 - 260

Красно-фиолетовый 0,065 260-280

Синий 0,07 280 - 300

Состав окалины также зависит от температуры ее образования. Окалина внешне выглядит однородной, но на самом деле процесс ока-линообразования на железе достаточно сложный, и окалина состоит из комбинаций вустита (РеО), магнетита (Ре304) и гематита (Ре203). Процентное содержание каждого из этих слоев зависит от разных факторов, но определяющим является температура нагрева [27].

По цвету эти окислы разные: вустит черного цвета, а гематит - рыжего. Это обстоятельство дает возможность на основании внешнего осмотра окалины приближенно оценить интенсивность теплового воздействия на конструкцию. Преобладание или достаточно большое содержание в окалине вустита проявляется в ее достаточно 1емном цвете. Таким образом, если окалина на конструкции толстая, плотная и 1 черная, то это свидетельствует о достаточно высокой температуре нагрева (900-1000 °С и выше). Напротив, светлая (рыжеватая) и тонкая

17 окалина указывает на относительно низкие температуры в исследуемой зоне (700-750 °С) [29]. Здесь же возникает опасность перепутать низкотемпературный окисел со слоем ржавчины. Поэтому визуальный осмотр поверхности стального изделия должен выполняться с учетом знания состояния ее поверхности до пожара, что в ряде случаев не реализуемо.

1.3. Исследование холоднодеформированных стальных изделий

Объектами исследования при поисках очага могут быть люоые холоднодеформированные изделия, рассредоточенные по зоне горения. Путем холодной деформации изготавливаются все наиболее распространенные типоразмеры крепежных изделий - болты, гайки, шпильки, винты, шурупы, скобы, гвозди. Последующей термической обработке на езаводе они не подвергаются, сохраняют структуру холодной деформации и чаще всего исследуются рассмотренными ниже методами.

Объектами исследования могут быть и любые стальные изделия, полученные методом холодной штамповки (если они имеют достаточно высокую степень деформации и не подвергались отжигу на заводе);

Структуру деформации имеют также трубы стальные бесшовные холоднодеформированные (ГОСТ 8733-74 и 8734-74). Они имеют наружный диаметр от 5 до 250 мм и, согласно ГОСТу, не проходят заводской термообработки (то есть сохраняют наклеп), если они тонкостенные (отношение наружного диаметра к толщине стенки равно 50 и более). Аналогичное правило действует для конструкционных труб, холоднотянутых и холоднокатаных (ГОСТ 21729-76). Без термической обработки могут выпускаться трубы электросварные холоднодеформированные (ГОСТ 10707-80), холоднодеформированные трубы из коррозионностойкой стали (ГОСТ 9941-80).

18

При обработке холодной деформацией зерна меняют форму и ориентировку, образуя волокнистую структуру с преимущественной ориентировкой кристаллов. Происходит разворот беспорядочно ориентированных зерен осями наибольшей прочности вдоль направления деформации. Зерна деформируются и сплющиваются,*вытягиваясь в направлении деформации.

Преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен вдоль направления деформации называется текстурой металла. Образование текстуры способствует появлению анизотропии свойств вдоль и поперек направления волокон.

В результате пластической деформации механические свойства (временное сопротивление, предел текучести, твердость), характеризующие сопротивление деформации повышаются, происходит деформационное упрочнение, а способность к пластической деформации (относительное удлинение) падает [30]. Также происходит увеличение электросопротивления металла из-за рассеяния электронов дефектами решетки. Меняются при наклепе и магнитные свойства. Коэрцитивная сила монотонно растет, магнитная проницаемость и остаточная индукция снижаются [31].

Упрочнение при пластической деформации объясняется существенным повышением несовершенств кристаллического строения металлического изделия.

Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводят к тому, что свободная энергия металла растет и он приходит в неравновесное, неустойчивое состояние. Поэтому нагрев должен способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние.

19

Ппежде всего уже при небольшом нагреве (до 400 °С для железа) происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение внутренних напряжений. Однако, видимых изменений структуры не происходит и вытянутая форма зерен сохраняется. Этот процесс называется возвратом металла.

При последующем нагреве происходит изменение микроструктуры наклепанного металла. С ростом температуры подвижность атомов растет и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование новых равноосных зерен называется рекристаллизацией.

Процесс рекристаллизации протекает в две стадии. Различают первичную и собирательную рекристаллизацию.

Первичной рекристаллизацией называют процесс образования новых равноосных зерен. Новые зерна возникают на границах старых зерен, т.е. там, где присутствуют наибольшие напряжения при наклепе. В результате первичной рекристаллизации наклеп металла снимается и свойства приближаются к исходным значениям.

Температуру начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. Температура начала рекристаллизации в основном зависит от температуры плавления и степени деформации. В большинстве случаев справедлива формула [30, 32]:

Трекр ~ аТпл, (1) где а - коэффициент зависящий от состава и структуры металла.

Для металлов и сплавов а = 0,3 - 0,6. Для низкоуглеродистой стали Трекр составляет порядка 600 - 650 °С.

Последующий рост температуры приводит ко второй стадии процесса - собирательной рекристаллизации, заключающейся в росте вновь образовавшихся новых зерен.

20

Величина зерна при собирательной рекристаллизации зависит от температуры нагрева, степени предшествующей пластической деформации и, в меньшей степени, от длительности выдержки при нагреве.

Для определения параметров нагрева холоднодеформированных стальных изделий на пожаре в настоящее время используются рентгено-структурный и металлографический анализы, измерение микротвердости, а также магнитный метод.

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Шульгин, Сергей Олегович

4.9. Выводы

По результатам исследований, проведенных в данной главе можно сделать следующие выводы:

1. Метод вихревых токов может быть применен для дифференциации степени термических поражений стальных конструкций и изделий на месте пожара. Оптимальным для определения степени термического поражения изделий, выполненных из качественных углеродистых сталей и сталей обы кновенного качества

Влияние механической обработки поверхности образцов на изменение вихретокового сигнала

Состояние поверхности: 1 -исходная (в состоянии поставки с завода-изготовителя), 2-механическая обработка до Ка=3,2 мкм.

Рис. 29.

Г 32 является диапазон частот возбуждения вихревых токов 1,5-2 МГц. При этом с температурой и длительностью нагрева наиболее стабильно коррелирует амплитуда вносимого напряжения в измерительной обмотке трансформаторного вихретокового датчика;

2. Вихретоковый прибор МКС-4, применяемый в промышленности для контроля толщины упрочненных слоев, получаемых химико-термической обработкой на стальных изделиях, может использоваться для определения степени термического поражения изделий из углеродистых сталей в полевых условиях (непосредственно на месте пожара). Для этого необходимо заменить штатный генератор возбуждения вихревых токов частотой 1 МГц на генератор с выходной частотой 1,7 МГц;

3. Основным фактором, влияющим на толщину образовавшейся окалины, является температура отжига. Время отжига в пределах 301

120 мин. для каждой температуры отжига очень слабо влияет на изменение вихретокового сигнала;

4. Характерные для пожара атмосфера и различные скорости охлаждения образцов практически не оказывают влияния на изменение вихретокового сигнала;

5. Вихретоковым методом можно определять степень термического поражения стальных изделий с изначальной (которая была до пожара) окрашенной и ржавой поверхностями. При этом необходимо удалить остатки краски и ржавчины с поверхности изделия. Удаление этих остатков не представляет особой трудности;

6. Температурный диапазон информативности метода вихревых токов (тот диапазон температур отжига, внутри которого можно провести дифференциацию изделий по различным температурам отжига) зависит от начальной (предпожарной) чистоты обработки поверхности

133 стальных изделий. С повышением чистоты обработки поверхности расширяется нижняя температурная граница информативности метода. Так, например, стальной прокат, который поставляется с завода-изготовителя и обработан дробеструем для удаления окалины, образовавшейся на нем после горячей деформации и последующей термообработки, имеет на поверхности остаточные окисные пленки и нижняя граница информативности для него по методу вихревых токов составляет 650 °С. Механическия обработка поверхности (например, до Яа=3,2 мкм) понижает нижнюю границу дифференциации до 400 °С.

7. С помощью метода вихревых токов можно определять степень термического поражения разнотипных изделий из углеродистых сталей в полевых условиях на пожаре. При этом не имеет значения, какую термообработку претерпевали на пожаре эти изделия и какое у них было изначально состояние поверхности. На рис. 30 приведена кривая, г связывающая показания прибора со степенью термического поражения стальных изделий, полученная в результате обработки всех полученных в результате проведения основного эксперимента данных (за исключением эксперимента по изучению влияния чистоты механически обработанной поверхности, т.к. встретить на месте пожара рассредоточенные однотипные стальные изделия с поверхностью, подвергнутой мехобработке, маловероятно). Доверительные границы определения показания прибора для данной зависимости не превышали 7,1%. Эту зависимость можно использовать также и для определения ориентировочной температуры нагрева стальных конструкций и изделий в ходе пожара;

8. Единственным возможным обстоятельством, ограничивающим применимость при исследовании пожаров вихретокового метода является то, что при высоких температурах отжига (900-1000°С) окалина

Зависимость изменения вихретокового сигнала от степени термического поражения стальных образцов, полученная в результате математической обработки всех варьируемых факторов проведенного эксперимента

600 700 800 900 1000

Рис. 30.

135 имеет слабую адгезию с изделием. Если окалина откололась, то при определении методом вихревых токов степени термического поражения стальных изделий можно получить неоднозначные или заниженные (по температуре) результаты. Поэтому необходимо предусмотреть дублирующий метод определения степени термического поражения стальных изделий в данном диапазоне температур.

9. Результаты металлографического анализа микроструктуры исследуемых сталей показали, что основным фактором, от которого зависит возможность дифференциации стальных изделий, является количество содержащегося в них углерода. Для образцов, выполненных из стали 08кп дифференциацию можно производить по относительному росту зерна феррита, начиная с температуры отжига 800 °С и выше. Чем выше степень термического воздействия, тем большие размеры имеет зерно. Для образцов, выполненных из стали СтЗ основным фактором, г влияющим на возможность дифференциации является скорость охлаждения. При малых скоростях охлаждения (10-15°С/мин) до завершения превращения аустенита в феррит дифференциацию можно производить, как и для стали 08кп, по размеру зерна феррита. Однако такой режим охлаждения маловероятен для реального пожара. Исключения могут составлять только особо массивные толстостенные конструкции и, возможно, конструкции, заваленные тлеющим пожарным мусором. При более высоких скоростях охлаждения с температур, превышающих температуру полного аустенитного превращения, всю поверхность микрошлифа заполняют собой пластины перлита и переохлажденного аустенита. Границы действительного зерна стали (аустенита) оказываются «затертыми» выделениями этих фаз. В результате этого можно только констатировать, нагревалось изделие или нет до температуры полного аустенитного превращения (около 900 °С)

137

5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОЧАГОВЫХ ПРИЗНАКОВ ПОЖАРА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Целью данной главы является формирование комплекса полевых методов определения степени термических поражений стальных изделий, разработанных на основе исследований, проведенных в данной диссертационной работе и по результатам исследований, проведенных ранее, а также разработка методики их применения на клесте пожара с целью установления очага пожара.

5.1. Полевой оптический метод определения степени термических поражений стальных изделий

На основании проведенных в главе 4 исследований был сделан вывод об эффективности применения метода вихревых токов для определения степени термических поражений стальных изделий по толщине образовавшейся на них окалины. Однако было установлено, что при высоких температурах отжига (900 °С и выше) окалина имеет слабую адгезию с металлической основой и, как следствие этого, на реальных пожарах она может не сохраниться на стальных изделиях. Вероятность такого события повышается тем обстоятельством, что исследуемые изделия могут деформироваться при термическом воздействии пожара и на них может попадать вода, подаваемая под давлением при тушении. Поэтому необходимо предусмотреть дублирующий метод анализа степени термических поражений стальных изделий. Как показали результаты аналитической работы, проведенной выше, в основу такого метода должно быть положено исследование внутренней микроструктуры стальных изделий.

138

Проведенные исследования в области применения методов неразрушающего контроля показали сложность контроля изменения внутренней микроструктуры сталей. Практически для всех разработанных методик объектами исследования являлись специальные стали - жаростойкие, жаропрочные, нержавеющие и т.п., т.е. относящиеся к ферритным или аустенитным классам и не испытывающим аллотропического превращения в широком диапазоне температур. Результаты металлографического исследования показали достаточное разнообразие образовавшихся микроструктур от содержания углерода и режимов охлаждения. Каждая структура может неконтролируемым образом влиять на физическую величину, на изменении которой основан тот или иной метод НК. Исходя из этого наиболее информативным является рассмотрение самой микроструктуры стального изделия для определения относительной степени 1 термического поражения. Для этого рекомендуется использовать металлографический анализ непосредственно в полевых условиях. В рамках диссертационного исследования разработаны основные принципы формирования полевого комплекта аппаратуры, необходимой для выполнения этой задачи.

Полевой комплект должен включать в себя оборудование для подготовки поверхности к проведению металлографического исследования, вспомогательные материалы для травления поверхности с целью выявления микроструктуры и полевой металлографический микроскоп.

Для подготовки поверхности предлагается использовать прямой наконечник стоматологической бормашины, служащий для закрепления стоматологических насадок [91]. Проведенные исследования по подготовке поверхности для , проведения металлографического

139 исследования на стоматологической бормашине БФ-3 [92] показали, что для получения необходимой чистоты поверхности достаточно выполнения следующих минимально необходимых условий: момент на валу привода - 0,1 кг-см при частоте вращения 2200 об./мин. Время подготовки поверхности составляло 15-20 мин.

Исходя из этого для подготовки поверхности к исследованию в полевых условиях предусмотрена замена гибкого рукава бормашины, служащего для передачи вращения на прямой наконечник, электродвигателем с динамическими характеристиками, соответствующими тем, которые были получены в процессе подготовки поверхности непосредственно на самой бормашине. При этом принимается электродвигатель постоянного тока, чтобы была обеспечена возможность работы в полевых условиях от аккумулятора в случае отсутствия внешней электросети. Наиболее целесообразно при этом использование электродвигателя ДП32-4-3-12-Р09 с следующими характеристиками: напряжение питания - 12В, частота вращения вала -3000 об./мин, момент на валу - 0,127 кг-см, номинальный потребляемый ток - 0,62А. Основные геометрические характеристики двигателя -диаметр - 32 мм, длина - 94 мм. Масса двигателя - 0,195 кг [93]. Для получения поверхности, пригодной для проведения металлографического исследования необходимо последовательное выполнение следующих операций:

1. Очистка поверхности от окалины и начальная грубая обработка поверхности. Используемый инструмент - фреза зуботехническая цилиндрическая с двойной нарезкой типа ФЗЦ или фреза зуботехническая колесовидная с одинарной нарезкой типа ФКВ или ФЗКЛ [94]; У

140

2. Чистовая обработка поверхности с помощью последовательного использования двух стоматологических абразивных головок цилиндрической или дисковой, с зерном от более крупного к более мелкому (первая - №12, вторая - №8 [94]);

3. Окончательная доводка поверхности до зеркального блеска при помощи специально разработанной насадки с фетром с периодическим нанесением на нее во время работы полирующей суспензии - пасты ГОИ. Хвостовик насадки имеет такие же геометрические размеры, что и применяемые в наконечнике стоматологические насадки. На рабочей поверхности насадки нарезана резьба, на которой посредством двух гаек с шайбами укреплено фетровое кольцо внешним диаметром 10 мм.

Травление поверхности должно производится 4% -ным раствором концентрированной азотной кислоты в этиловом спирте. Травитель наносится на исследуемую поверхность ватным тампоном в течении г

30 сек. После этого проводится протирка поверхности этиловым спиртом, промывка водой и просушка ватой или фильтровальной бумагой.

Изучение микроструктуры должно производится с помощью полевого металлографического микроскопа с возможностью увеличения не менее 100х. Для этого наиболее перспективно применение металлографического микроскопа фирмы «8Т1ШЕ118» (Япония), так как он имеет малые массогабаритные параметры (размеры футляра 200x120x65 мм, вес-0,8 кг) и возможность увеличения 100х. Питание осветительного элемента микроскопа осуществляться постоянным током напряжением 12В. Для обеспечения питания от внешней сети переменного тока 220В служит адаптер, входящий в комплект поставки микроскопа. Микроскоп предельно прост в эксплуатации.

141

Для обеспечения питания электродвигателя прямого наконечника от внешней электросети необходимо также предусмотреть адаптер ~220В/-12В. При этом для уменьшения количества оборудования целесообразно использовать адаптер питания, входящий в комплект поставки микроскопа.

Для определения величины зерна феррита в комплект входит сравнительная шкала зернистости стали ГОСТ 5639-82, а также фотоснимки возможных структур для сталей, содержание углерода в которых превышает 0,2%, полученные по результатам обработки экспериментальных данных диссертационной работы (рис. 16, 23).

Для обеспечения автономной работы микроскопа и прямого наконечника в полевых условиях необходимо использовать аккумуляторную батарею. При этом наиболее целесообразно использование полиблочного комплекта из 6-ти никель-кадмиевых аккумуляторных батарей вА 840 фирмы «1МОМАТ», размещенных на специальном поясе. Общая масса аккумуляторных батарей составляет 2,2 кг, ресурс - 8,2Ач, номинальное напряжение - 12В. Использование поясного расположения аккумуляторов упростит работу исследователя с прямым наконечником и микроскопом в труднодоступных местах на месте пожара. Ресурса аккумулятора хватит для подготовки 20-25 поверхностей на исследуемых объектах и их изучения с помощью микроскопа. С учетом использования комплексной методики применения полевых методов определения степени термического поражения стальных изделий (гл. 5, п. 5.3.) этого должно быть вполне достаточно.

Полевой металлографический комплект также можно будет использовать в стационарных условиях для определения причастности к

142 возникновению пожара медных и алюминиевых проводников с оплавлениями. Примерный вид комплекта представлен на рис. 31.

5.2. Формирование комплекса полевых методов анализа степени термических поражений стальных изделий

На основании проведенных исследований сформирован комплекс полевых экспресс-методов анализа степени термических поражений стальных изделий. В комплекс вошли два метода, разработанных в ходе диссертационного исследования - вихретоковый и полевой металлографический и один метод, разработанный ранее - магнитный

35]. Комплект аппаратуры включает в себя модернизированный прибор

МКС-4, реализующий вихретоковый метод, коэрцитиметр феррозондовый КФ-ЗМ, реализующий магнитный метод и набор оборудования для проведения металлографического исследования в полевых условиях. В принципе возможно применение любого другого как отечественного, так и зарубежного коэрцитиметра при предварительном получении на нем монотонно убывающей зависимости тока размагничивания от температуры отжига стальных холоднодеформированных изделий.

Температурная зона информативности комплекта составляет 2001300 °С, а объектами исследования - изделия из наиболее распространенных марок сталей (углеродистых доэвтектоидных обыкновенного качества ГОСТ 380-88 и качественных ГОСТ 1050-74), полученные как путем холодной, так и горячей деформации.

В зависимости от материальных возможностей отдельных экспертных подразделений и наличия на месте пожара тех или иных стальных изделий разработанные приборы можно использовать индивидуально. Однако предпочтительно использование такой аппаратуры в комплексе, т.к. это позволит анализировать практически все характерные для пожара температурные зоны (рис. 32.) и повысит достоверность определения очага.

5.3. Методика комплексного использования полевых методов исследования стальных изделий на месте пожара

Основные этапы работы и методические принципы выявления очага пожара на основе использования разработанного комплекса полевых экспресс-методов анализа степени термических поражений стальных изделий приведены ниже.

1. Проведение визуального осмотра места пожара. При осмотре необходимо дифференцировать зону горения и зону задымления; внутри зоны горения по визуальным признакам - последовательно убывающим (возрастающим) термическим поражениям территориально (насколько это возможно) ограничить зону, в которой следует предпринять поиски очага (очагов) пожара (в дальнейшем - исследуемая зона).

2. Составление плана исследуемой зоны. Необходимо установить, какие стальные изделия в ней присутствуют. При нахождении стальных изделий необходимо провести их селекцию по технологии изготовления, т.е. определить, получены они путем холодной или горячей деформации. Для этого необходимо руководствоваться следующим:

- изделиями, полученными путем холодной деформации являются все наиболее распространенные типоразмеры крепежных изделий: болты, гайки, шпильки, винты, шурупы, скобы и гвозди. Путем холодной деформации выпускаются также стальные бесшовные трубы. Они имеют наружный диаметр от;5 до 250 мм и отношение наружного диаметра к толщине стенки у них равно 50 и более;

146

- изделиями, полученными путем горячей деформации является весь сортовой прокат: равнобокие и неравнобокие уголки, швеллеры и двутавры;

- при выявлении рассредоточенных по месту пожара однотипных изделий, не относящихся к номенклатуре изделий, перечисленных выше, необходимо решить вопрос о способе получения данных изделий, т.е. имеют они структуру наклепа (получены путем холодной деформации) или нет. Для этого необходимо выявить аналогичное изделие в месте, куда не распространилось горение или воздействие пожара было минимальным. После этого необходимо провести металлографическое исследование данного изделия с помощью полевого металлографического комплекта. Если зерна имеют преимущественную ориентировку (вытянуты в одном направлении), то изделие имеет структуру наклепа и его можно отнести к разряду холоднодеформированных. Если зерна не имеют преимущественной ориентировки, то изделие можно отнести к разряду горячедеформированных.

3. Выбор объектов исследования для всех методов должен проходить с учетом выполнения условия их расположения по вертикале на одном уровне от пола.

4. В случае обнаружения в исследуемой зоне холоднодеформированных стальных изделий необходимо применение магнитного метода определения степени термического поражения таких изделий. Во первых данный метод, обладая диапазоном информативности в области низких температур отжига (200-^600-700 °С), позволит сузить исследуемую зону, а во. вторых, в случае незначительного теплового воздействия пожара позволит четко произвести определение экстремальной температурной зоны или

147 несвязанных между собой зон, что даст возможность разрабатывать версию о поджоге. Измерение коэрцитиметром проводятся обязательно на однотипных изделиях, расположенных в различных местах очаговой зоны. Особо тщательная подготовка поверхности изделия под установку феррозонда не требуется. Необходимо лишь счистить обгоревшие остатки краски и пузыри окалины. Феррозонд прибора устанавливается на изделии (элементе конструкции) и после цикла намагничивание-размагничивание определяется величина размагничивающего тока (1р, мА). На одном объекте необходимо провести 4-6 измерений, после чего расчитывается среднее значение 1р . Подробно работа с коэрцитиметром описана в инструкции по эксплуатации, прилагаемой к прибору. Результаты измерения величины тока размагничивания наносятся на план очаговой зоны, после чего на плане вычерчиваются области с одинаковым значением 1р , а также выявляются зона (зоны) с г экстремально низким значением данного параметра [23, 29].

5. При наличии в очаговой зоне горячедеформированных стальных изделий необходимо применение метода вихревых токов для определения степени термического поражения таких изделий. Исследование с помощью данного метода позволит выявить высокотемпературные зоны пожара, которые невозможно определить с помощью магнитного метода.

Измерения можно производить на разнотипных изделиях, выполненных из сортового проката. При этом в качестве объектов исследования могут выступать и холоднодеформированные изделия, выполненные из углеродистых сталей, у которых имеется хотя бы одна плоская поверхность, на которую можно будет установить вихретоковый преобразователь. Можно также производить измерения на других стальных изделиях, не относящихся к перечисленным выше. При этом измерения необходимо проводить на однотипных изделиях, чтобы исключить ошибку, вызванную различиями в элементном составе стали. Сопоставление полученных данных необходимо производить раздельно для индивидуальных изделий и изделий, выполненных из сортового % проката.

Для определения величины вихретокового сигнала служит прибор МКС-4, модернизированный по результатам данной диссертационной работы или любой другой прибор, соответствующий техническим требованиям, приведенным в Приложении 3 . Перед проведением исследования необходимо счистить с изделий обгоревшие остатки краски и ржавчины. Вихретоковый преобразователь устанавливается на изделие и определяется величина тока в измерительной катушке преобразователя (1в, мА). На одном объекте необходимо провести 3 измерения, после чего расчитывается среднее значение 1в. Измерения 1 вихретокового сигнала не следует проводить в точках, где слой окалины сколот, имеются пузыри окалины и т.д. Необходимо выбрать точки измерения имеющие не нарушенный, плотно прилегающий к металлу слой окалины.

6. Результаты измерения 1в наносятся на план места пожара, после чего на плане вычерчиваются области с одинаковым значением 1в, а также выявляются зона (зоны) с экстремально низким значением данного параметра. После этого проводится сопоставление данных, полученных с помощью магнитного и вихретокового методов или одного из методов в зависимости от того, какая группа стальных изделий (холодно- или горячедеформированных) присутствовала в очаговой зоне. Целью является выявление зоны (зон) с наименьшими значениями 1В и 1р.

В результате анализа могут быть получены следующие результаты:

149

6.1. Размер полученной зоны (зон) занимает малую площадь. По мере удаления от данной зоны (зон) наблюдаются последовательно возрастающие значения 1в и 1р или одного из них, что означает убывание термических поражений по мере удаления от данной зоны. В этом случае можно сделать предварительный вывод о нахождении в данной зоне очага пожара и приступить к действиям по п. 8;

6.2. Размер зоны занимает большую площадь, по мере удаления от данной зоны наблюдаются последовательно возрастающие значения 1в и 1Р или одного из них (в зависимости от того, какие стальные изделия исследовались), что означает убывание термических поражений по мере удаления от данной зоны. Ввиду больших размеров зоны установление очага пожара затруднено и необходимо продолжить исследование по п.

7;

6.3. Определена зона, по мере удаления от которой значения 1 вихретокового сигнала 1в последовательно возрастают, что означает убывание термических поражений по мере удаления от данной зоны. Внутри зоны окалина пузырится, сколота или наблюдаются скачки значения 1в, которые могут быть обусловлены скалыванием окалины с исследуемых изделий. При этом для сужения зоны поиска очага пожара необходимо продолжить проведение исследований по п.7.

7. Для уточнения размеров зоны наибольших термических поражений в случаях п.п. 6.2, 6.3 необходимо проведение металлографического исследования с помощью комплекта аппаратуры, разработанного в данной диссертационной работе. В качестве объектов исследования необходимо принять однотипные стальные изделия. Исследования микроструктур целесообразно проводить в тех же точках, что и при проведении замеров с помощью вихретокового метода. Определение степени термического поражения по данному методу необходимо проводить с учетом данных, полученных в главе 4 (п.п. 4.8.1, 4.8.4) настоящей диссертационной работы. В качестве эталонной структуры сравнения необходимо использовать структуру, полученную на однотипном изделии в области пожарища, где термического воздействия не было или где оно было минимальным.

В качестве меры термического поражения для изделий с малым содержанием углерода, т.е. в том случае, если отчетливо выявляется зерно феррита, а выделения перлита незначительны (рис 15, 22), наиболее целесообразно использовать шкалу зернистости ГОСТ 5639-82 и наносить на план очаговой зоны значения полученного балла. В случае, если при исследовании однотипных стальных изделий в некоторых случаях выделить зерно не представляется возможным ввиду выделения перлита по всей площади шлифа (рис. 16 б, в, рис. 23 б), а в некоторых случаях зерно выявляется (рис 16 а, рис 23 а), что в первом случае означает нагрев изделия выше 900 °С, а во втором - ниже этой температуры, можно ввести разные названия для этих структур (например, "Структ. №1" и "Структ. №2" и т.п.). Результаты исследования микроструктур наносятся на план исследуемой зоны, после чего на плане определяется область (области) с экстремально высокой степенью термического поражения.

8. После того, как выделена зона (зоны) с наиболее высокой степенью термического поражения, производится ее детальный осмотр, анализируются обстановка, предшествующая пожару, архитектурно-планировочные особенности объекта и свидетельские показания. Подробно методика такой работы изложена в [23]. После обобщения полученных результатов делается вывод о местоположении очага пожара.

151

5.4. Практическое использование методики

Апробация приборного парка и методики по его применению, разработанных в диссертационной работе, прошла на нескольких пожарах, произошедших в Санкт-Петербурге. Ниже рассмотрены наиболее сложные пожары, на которых установление очага без проведения инструментальных исследований было невозможно.

5.4.1. Пожар в РосНИПИ урбанистики

14 марта 1998 года произошел пожар в здании Российского государственного научно-исследовательского и проектного института урбанистики по адресу: Санкт-Петербург, ул. Бассейная, д.21. Здание 14 этажное, постройки 1969 года, размерами в плане 46 х 19м. К моменту локализации огнем полностью уничтожены помещения, расположенные на 7-13 этажах и частично повреждены огнем помещения, расположенные на 1-6 этажах на общей площади 7250 м2.

По динамике распространения горения и по показаниям свидетелей было установлено, что очаговая зона располагается на 7-м этаже со стороны южной части здания. По результатам визуального осмотра этого этажа установить точное местоположение очага не представлялось возможным ввиду уничтожения очаговых признаков интенсивным тепловым воздействием пожара. Пожарная нагрузка выгорела практически полностью и оставались только конструкции из неорганических строительных материалов и стальные изделия. Стальные изделия представляли собой дюбеля, служащие для крепления каркаса подвесного потолка (холоднодеформированные изделия) и оконные рамы, выполненные из П-образного профиля (горячедеформированные изделия). Сначала из потолка были извлечены дюбеля и производилось измерение тока размагничивания с помощью коэрцитиметра КФ-ЗМ.

Результаты были нанесены на план очаговой зоны. После предварительного анализа полученных данных зона наибольших термических поражений не была определена - все дюбеля имели примерно одинаково низкое значение тока размагничивания. Это было связано с тем, что температура пожара превышала температуру конца первичной рекристаллизации дюбелей - 600-700 °С, являющейся верхним пределом информативности данного метода.

Далее проводилось исследование с помощью метода вихревых токов. В качестве объектов исследования выступали стальные оконные рамы. Замеры производились на нижних поперечных элементах рам по поверхностям, обращенным в сторону помещения. Шаг измерения составлял 15-20 см. С помощью проведенного исследования была выявлена одна зона с экстремально низким значением 1в. По мере удаления от этой зоны значения 1„ монотонно возрастали, что позволяло t сделать предварительный вывод о положении очага пожара в районе четвертого окна от восточного края здания. Для повышения достоверности полученных данных было проведено металлографическое исследование, которое подтвердило результаты вихретокового исследования (рис. 33). Анализ распределения пожарной нагрузки до пожара показал ее примерно равномерное распределение в очаговой зоне, что позволяло сделать окончательный вывод о нахождении очага пожара в районе четвертого окна. В дальнейшем полученные результаты по местоположению очага были подтверждены показаниями свидетелей, проживающих в домах, расположенных напротив южной части здания.

5.4.2. Пожар в гаражном кооперативе КАС-15

9 декабря 1998 года произошел пожар в гараже №656, расположенном в гаражном кооперативе КАС-15 по адресу: ул. Кубинская, д.21. Гараж выполнен из бетонных плит, по внутренним

154 поверхностям стен и потолку был обшит вагонкой. Размеры в плане 6x3 м. К моменту локализации огнем практически полностью уничтожены все изделия из сгораемых материалов гаража и накодящегося в нем автомобиля. По результатам визуального осмотра и из объяснений сотрудников охраны кооператива место возникновения горения установить не представлялось возможным. Для решения вопроса о местоположении очага пожара необходимо было проведение инструментального исследования.

В результате осмотра стальных изделий, присутствующих на месте пожара, было установлено, что в качестве объектов исследования по разработанной методике определения степени термического поражения стальных изделий могут выступать гвозди, служащие для крепления вагонки к потолку (холоднодеформированные изделия) и стеллажи, выполненные из равнобокого уголка и расположенные вдоль стен гаража г горячедеформированные изделия).

Сначала было проведено измерение значения тока размагничивания гвоздей, расположенных на потолке, с помощью коэрцитиметра КФ-ЗМ. Результаты измерения были нанесены на план потолка гаража (рис. 34). В результате анализа полученных данных были выявлены две зоны с наименьшими значениями тока размагничивания 1р. Одна зона расположена в конце гаража, другая - в районе ворот. Наличие зоны с высокой степенью термического поражения в районе ворот гаража можно было объяснить подсосом воздуха в зону горения. Поэтому место возникновения горения следовало искать в конце гаража. Результаты определения тока размагничивания гвоздей позволили сузить у очаговую зону до площади примерно 8 м . Для дальнейшего сужения района поиска очага было предпринято исследование степени термического поражения горячедеформированных стальных изделий

- зона наибольших термических поражений Рис. 34/ 56 конструктивных элементов стеллажей) с помощью метода вихревых токов. Измерения вихретокового сигнала проводились по внешним поперечным уголкам, служащим для крепления настилов. Каждый стеллаж имел три таких поперечных уголка, расположенных соответственно на высоте 0.5, 1 и 1.5 м от уровня пола. Полученные результаты были нанесены на план гаража (рис. 35). Анализ результатов показал, что наибольшая зона термического поражения находится у западной стены на расстоянии 1-1.5 м от северо-западного угла гаража. После проведения раскопок в данном месте было обнаружено самодельное электротехническое устройство, которое было предназначено для зарядки аккумуляторов. Устройство имело локальное расплавление алюминиевых элементов корпуса, что позволило сделать предварительный вывод о причастности данного устройства к возникновению пожара. В дальнейшем выдвинутая версия нашла подтверждение: хозяин одного из соседних гаражей сообщил, что он накануне отдал аккумулятор от своего автомобиля на подзарядку хозяину сгоревшего гаража.

Проведенная апробация разработанного комплекса полевых экспресс-методов на реальных пожарах позволила констатировать следующее:

1. Методы, созданные на основе лабораторного моделирования оказались работоспособными в условиях реальных пожаров. Полученная информация позволяет выявлять зоны термических поражений на конструктивных элементах здания (или отдельного помещения), в ситуациях, когда это невозможно сделать визуальным осмотром, и, в совокупности с прочей информацией по пожару, позволяет находить в конечном счете его очаг, реконструировать пути распространения горения.

159

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Определены параметры структуры и свойств наиболее распространенных - горячекатанных стальных изделий, которые могут быть использованы для количественной оценки термического поражения последних в ходе пожара. Этими параметрами являются изменение внутренней микроструктуры металла и толщина окалины.

2. Проведены поисковые исследования возможности применения различных методов неразрушаютцего контроля для определения степени термического поражения стальных изделий. Установлено, что наиболее перспективным методом для решения поставленной задачи является метод вихревых токов.

3. Определены закономерности изменения вихретокового сигнала при анализе стальных изделий, подвергшихся высокотемпературному нагреву. Показано, что оптимальный диапазон частот возбуждения вихревых токов, при котором сигнал наиболее чувствителен к изменению толщины окалины, составляет 1,5-2 МГц. Величина зазора между изделием и преобразователем не оказывает влияния на сигнал до достижения им величины 0,1 мм. Усилие прижатия вихретокового преобразователя вплоть до нагрузки в 10 кг не влияет на сигнал. Наиболее стабильную корреляцию с толщиной окалины имеет амплитуда вихретокового сигнала.

4. С учетом проведенных исследований выбран и модернизирован промышленный вихретоковый прибор МКС-4, который предложено использовать для определения степени термических поражений стальных изделий непосредственно на месте пожара.

60

5. Исследован процесс окалинообразования в характерных для пожара условиях (в присутствии газообразных продуктов сгорания и при характерных для тушения скоростях охлаждения), а также в характерных для предпожарной и послепожарной обстановки ситуациях (наличие на поверхности стали ржавчины, лакокрасочных покрытий и их обгоревших остатков). Исследования проведены на наиболее распространенных -низкоуглеродистых качественных сталях и сталях обыкновенного качества, применительно к решению задачи определения степени термического поражения стальных изделий с помощью метода вихревых токов. По результатам исследования установлено следующее:

- температурный диапазон информативности метода вихревых токов (диапазон температур, внутри которого можно дифференцировать изделия с различной температурой отжига) зависит от чистоты поверхности изделия, которое оно имело до пожара. Чем выше степень г очистки поверхности, тем ниже нижняя граница диапазона;

- характерные для пожара атмосфера и скорости охлаждения стальных изделий, а также марка стали (в пределах выбранных на диссертационное исследование) практически не оказывают влияния на изменение вихретокового сигнала;

- вихретоковым методом можно определять степень термического поражения стальных изделий с изначальной (которая была до пожара), т.е. окрашенной и ржавой поверхностями. Для этого перед измерением остатки краски и ржавчины с поверхности изделия должны быть удалены.

6. Установлено, что при больших температурах отжига (выше 900 °С) окалина имеет слабую адгезию с стальными изделиями. Откалывание окалины на пожаре, особенно во время попадания воды на изделие при тушении, может . привести к тому, что значение

161 вихретокового сигнала будет завышено и соответствовать значению для изделия, подвергшегося более низкой температуре отжига. Поэтому для исследования металлоконструкций в точках, где произошло отслоение окалины, предложен дублирующий полевой металлографический метод оценки термических поражений.

7. Практическая апробация метода вихревых токов на реальных пожарах показала, что метод работоспособен при исследовании как крупных пожаров, происходящих в объеме высотного здания, так и при горении в ограниченных, замкнутых объемах.

8. Разработаны технические требования для проектирования специализированного вихретокового прибора, предназначенного для количественной оценки степени термических поражений стальных конструкций и изделий на месте пожара (прил. 3).

9. Предложена концепция комплексного использования неразрушающих методов исследования стальных конструкций для диагностики теплового воздействия пожара на элементы зданий и сооружений и, установления в конечном счете, очага пожара и путей распространения горения. Концепция предусматривает использование двух методов, разработанных в ходе диссертационного исследования -вихретокового и полевого металлографического и одного метода, разработанного ранее - магнитного [35]. Комплект аппаратуры включает в себя модернизированный прибор МКС-4, реализующий вихретоковый метод, коэрцитиметр феррозондовый КФ-ЗМ, реализующий магнитный метод и набор оборудования для проведения металлографического исследования в полевых условиях. Комплексное использование предложенных методов по разработанной методике позволяет проводить исследования стальных изделий, полученных как путем холодной, гак и горячей деформации. Температурный диапазон информативности применяемых в комплексе методов составляет 200-1300 °С. Данный диапазон практически полностью охватывает все характерные для пожара температурные зоны и поэтому позволяет успешно решать задачи как установления непосредственно очага пожара, так и путей распространения горения. Применение инструментального комплекса повысит достоверность и качественный уровень экспертиз по делам о пожарах и расследования пожаров в целом. Данные, полученные с помощью инструментальных методов, приобретают высокую доказательную силу в судопроизводстве.

10. Результаты диссертационной работы могут быть использованы не только подразделениями, занимающимися исследованием пожаров (испытательных пожарных лабораторий гарнизонов пожарной охраны, экспертно-криминалистических подразделений органов внутренних дел и Министерства юстиции), но и специалистами других специальностей для технической экспертизы объектов, поврежденных пожарами, в том случае, если решается вопрос о возможности (невозможности) восстановления и дальнейшей эксплуатации таких объектов.

163

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шульгин, Сергей Олегович, 1999 год

1. Мегорский Б.В. Методика установления причин пожаров.- М.: Стройиздат, 1966,- 347 с.

2. Кошмаров Ю.А., Астапенко В.М., Шевляков А.Н., Агапов B.C. Газообмен при пожаре в помещении с двумя проемами // Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр./ ВНИИПО МВД СССР. -М., 1981 .-С.22-32.

3. Алексашенко A.A., Кошмаров Ю.А., Молчадский И.С. Тепломассоперенос при пожаре.-М.:Стройиздат, 1982.-173 с.

4. Молчадский И.С., Зернов С.И. Определение продолжительности начальной стадии пожараУ/Пожарная профилактика: Сб. науч. тр./ВНИИПО МВД СССР.-М., 1981.-С.26-45.

5. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен: Пер. с англ.-М.:Мир, 1976.616 с.

6. Атабеков И.У., Молчадский И.С. Сложный теплообмен в закрытом помещении//Вопросы вычислительной и прикладной математики.- 1984.-Вып. 73.-С. 75-82.

7. Атабеков И.У., Молчадский И.С., Исаев Г.С. Численное моделирование начального развития горения в здании//Вопросы вычислительной и прикладной математики.-1985.-Вып. 78.-С.51-59.

8. Зернов С.И. Разработка расчетных методов прогнозирования параметров пожара в помещениях зданий с естественной вентиляцией: Автореф. дисс. канд. техн. наук.- М., 1984. -21 с.

9. Ильин H.A. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром.-М.:Стройиздат, 1983.-200 с.

10. Ю.Михайлов Д.Н., Федоров В.В. Развитие пожаров в производственных зданиях//Развитие пожара в помещении и его164математическое моделирование: Тр. совм. сов-америк. семинара. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1982.-С. 113-118.

11. Рыжов A.M., Молчадский И.С. Дифференциальный метод математического моделирования пожаров в помещении//Пожарная профилактика.- М.: ВНИИПО МВД СССР, 1983. С. 62-69.

12. Рыжов A.M., Молчадский И.С., Попов П.И. Моделирование движения газовых потоков в коридорах при пожарах в смежных с ними помещениях/УБезопасность людей при пожарах.- М.: ВНИИПО МВД СССР, 1984.-С. 4-13.

13. М.Валеев Г.Н., Ерофеев А.Н., Есин В.М. Температурные режимы в помещениях на этаже, где происходит пожар/Югнестойкость строительных конструкций. -М.: ВНИИПО МВД СССР, 1981,- С. 50-57.

14. Кошмаров Ю.А. Развитие пожара в помещении//Огнестойкость строительных конструкций: Сб. научн. тр. Вып. 5/ВНИИПО МВД СССР,- М., 1977.- с.31-45.

15. Алексашенко A.A., Кошмаров Ю.А., Молчадский И.С. Тепломассоперенос при пожаре.-М.: Стройиздат, 1982.-280 с.

16. Кошмаров Ю.А., Астапенко В.М., Шевляков А.Н. Анализ и разработка алгоритма развития пожара в помещении с проемами/УПожарная профилактика: Сб. научн. тр./ВНИИПО МВД СССР.-М., 1981.-С. 46-62.

17. Кошмаров Ю.А., Астапенко В.М., Шевляков А.Н., Зернов С.И. Экспериментальное исследование процесса развития пожара в помещении//Пожарная профилактика.: Сб. научн. тр./ВНИИПО МВД СССР.-М., 1983.-c.5-54.

18. Астапенко В.М., Козлов В.А., Кошмаров Ю.А., Шевляков А.Н. Математическая модель развития пожара в помещении с учетом подачи огнетушащих средств//Проблемы охраны труда: Тезисы докл. V научной конференции.-М.: ВМСИ, 1986.-С. 378.

19. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. Пер. с англ./Подред. Ю.А. Кошмарова и В.Е. Макарова.- М.: Стройиздат, 1990,- 424 с.22.3енков Н.И. Строительные материалы и поведение их в условиях пожара. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1974,- 176 с.

20. Смирнов К.П., Чешко И.Д., Егоров Б.С. и др. Комплексная методика определения очага пожара. Л.: ЛФ ВНИИПО МВД СССР, 1987.- 114 с.

21. Поль К.Д. Естественно научная криминалистика: Пер. с нем. -М.: Юридическая литература, 1985.- 304 с.

22. Серебряков В.Г., Таубкин И.С. К методике определения температуры и продолжительности нагрева изделий из металла//Экспертная практика и новые методы исследования. Экспресс-информ. Вып. 19. М.: ВНИИСЭ, 1979. - С 28-35166

23. Выскребцов В.Г. Экспертное исследование металлических объектов после пожара // Экспертная техника. Вып. 64. М.: ВНИИСЭ, 1979.-С. 37-74.

24. Тихомиров В.И. Окалинообразование на железе и железных сплавах при высоких температурах: Дис. д-ра хим. наук. Л.: ЛГУ, 1959.

25. Окисление металлов/Под ред. Бернара Ж. Пер. с фр. М.: Металлургия, 1969.-499 с.

26. Чешко И.Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования).-СПб.:СП6ИПБ МВД России, 1997.-560 с.

27. Геллер Ю.А., Рахштад А.Г. Материаловедение.-М. Металлургия, 1989.

28. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978.

29. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978.

30. Экспертное исследование металлических изделий (по делам о пожарах): Учебное пособие / Под ред. Колмакова А.И. М.: ЭКЦ МВД России, 1993,- 104 с.

31. А.с. 1313173 (СССР). Способ определения места возникновения пожара / Четко И.Д., Косарев Б.В., Голяев В.Г. 1987.

32. Пожарная тактика: Учебник для ВУЗов / Под ред. Повзика Я.С.-М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.с167

33. Чешко И.Д., Кутуев Р.Х., Голяев В.Г. Обнаружение и исследование остатков светлых нефтепродуктов методом флуориметрии // Экспертная практика и новые методы исследования. Вып. 19.- М.: ВНИИСЭ, 1981.-С. 13-28.

34. Плаченов Т.Г., Александров В.А., Белоцерковский Г.М. // Методы исследования структуры высокодисперсных и пористых тел. Изд. АН СССР, 1953.

35. Лемпицкий В.В. и др. Сортовые профили проката.-М.: Металлургия, 1981 г.

36. Полухин П.И., Федосов Н.М., Королев А.АГ. Матвеев Ю.М. Прокатное производство. Учебник для ВУЗов, 3-е изд.-М.: Металлургия, 1982, 696 с.

37. Беняковскии М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. Технология прокатного производства. Справочник. Т. 1.-М.: Металлургия, 1991, 440 с.

38. Райцес В.Б. Термическая обработка на металлургических заводах.-М.: Металлургия, 1971.-248с.

39. Жадан В.Т., Фейгин Т.Д., Герман Н.М. Производство двутавровых балок.-М.: Металлургия, 1972.-192 с.

40. Лахтин Ю.М., Леонтьева В Л Материаловедение: Учебник для ВТУЗов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

41. Сверхмелкое зерно в металлах. Сб М.: Металлургия, 1973.-384 с.

42. Величина зерна в стали: Сб М.: ОНТИ, 1935.-405 с.168

43. Болховитов Н.Ф. Величина зерна и свойства стали М.: Металлургиздат, 1943.-266 с.

44. Гузов Л. А. и др. Получение сверхмелкого зерна в сталях//Металлургия:Изв. ВУЗов, 1970. №12

45. Садовский В.Д., Малышев К.А., Сазонов Б.Г. Фазовые и структурные превращения при нагреве стали. -М.-Свердловск: Металлургиздат, 1954. -183 с.

46. Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. -М.¡Металлургия, 1973.-205 с.

47. Счастливцев В.М., Богачева Г.Н. Структурные и фазовые превращения при нагреве сталей и сплавов. Ч. 1.-Пермь: Книжное изд-во, 1969. с 58-64.

48. Металловедение и термическая обработка стали. Справ, изд. В 3-х т./Под ред. М.Л.Бернштейна, А.Г.Рахштадта 4-е изд., перераб. и доп. Т. 2. Основы термической обработки. В 2-х кн. Кн.1.-М.: Металлургия, 1995.-336 с.

49. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов.-М.: Металлургия, 1978.-400 с.

50. Тылкин М.А., Большаков В.И., Одесский П.Д. Структура и свойства строительной стали.-М.: Металлургия, 1983. -287 с.

51. Лысак Л.И., Николин Б.И. Физические основы термической обработки стали.-Киев: Техника, 1975.-304 с.

52. Окисление металлов, /под ред. Ж.Бенара. Т. 1.-М.: Металлургия, 1968. -499 с.

53. Окисление металлов, /под ред. Ж.Бенара. Т. 2.-М.: Металлургия, 1969. -448 с.

54. Архаров В.И. Окисление металлов. -Свердловск-Москва.: Металлургиздат, 1945.-171 с.169

55. Францевич И.H., Войтович РФ., Лавренко В.А. Высокотемпературное окисление металлов и сплавов.-М.: Гостехиздат, 1963. -323 с,

56. Pilling N.B., Bedworth R.E.- \J. Inst. Met.', 1923 v 1

57. Тихомиров В.И., Ипатьев В.В., Гофман И.А. Скорость окалинообразования на металлах и сплавах //Ученые записки ЛГУ № 175. -с 52-57

58. Кубашевский О., Гопкинс В. Окисление металлов и сплавов. Пер. с англ.-М.:Металлургия, 1965. -428 с.

59. Тихомиров В.И., Ипатьев В.В. Скорость окалинообразования на металлах и сплавах //Ученые записки ЛГУ № 227. -с 7-19

60. Филонов О.В. //Металлургическая и горнорудная промышленность, 1969, №1(55), с 16-18

61. Корочкин Е.И., Сельский Б.И., Меднокритский Е.Л. //Сталь, 1974, №10 с. 918-920.

62. Боровкин Л.А., Соколов А.К.-//Известия ВУЗов. Черная металлургия., 1972, №7, с 161-164.

63. Рудбах ВН., Сафонов С.М. //Прокатка и тепловая обработка стали. М.-Л.: ОНТИ, Московский институт стали, 1976, с. 80-98.

64. Копытов В.Ф. Нагрев стали в печах.-М.: Металлургиздат, 1955269 с.

65. Скворцов A.A., Акименко А. Д., Кузелев М.Я. Безокислительный и малоокислительный нагрев стали под обработку металлов давлением.-М.: Машиностроение, 1968.-269 с.

66. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов. Пер. с англ.-М.: Мир, 1969.-392 с.

67. Северденко В.П. и др. Окалина при горячей обработке металлов давлением.-М.:Металлургия, 1977.170

68. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник./Под ред. Г.С.Самойловича.-М.Машиностроение, 1976,516 с.

69. Испытания материалов. Справочник./Под ред. Х.Блюменауэра,-М.: Металлургия, 1979.- 380 с.

70. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник./Под ред. В.В.Клюева. М.¡Машиностроение, 1976.-420 с.

71. Клюев В.В. Методы, приборы и комплексные системы для неразрушающего контроля качества продукции заводов черной металлургии.-М.: Машиностроение, 1975.-534 с.

72. Контроль неразрушающий, классификация методов. ГОСТ 18353-73, группа Т.59.-М.:Изд-во Госкомитета стандартов СМ СССР, 1973.

73. Химченко Н.В. Ультразвуковой структурный анализ металлических материалов и изделий,- М.-.Машиностроение, 1976.-234 с.79.3ароченцев Г.В., Юшкевич И.Н. Реверберационный метод контроля структуры металлов. //Заводская лаборатория, № 2, 1965. с. 198-206.

74. Муравьев В.В. Взаимосвязь скорости ультразвука в сталях с режимами их термической обработки. //Дефектоскопия, №2, 1989.

75. Басацкая Л.В., Вожилкин А.Х., Шишов А.П. Дифракция ультразвуковых волн в поверхностно-закаленном слое металлов и метод измерения глубины закаленного слоя. // Дефектоскопия, №7, 1988.

76. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов.-М.: Энергия, 1969, 541 с.

77. Лухвич A.A., Каролик A.C., Шарандо В.И. Структурная зависимость термоэлектрических свойств и неразрушающий контроль.-Минск: HaByrcai тэхнжа, 1990,,-192 р.

78. Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Гусев Е.А. Неразрушающий контроль с источниками высоких энергий.- М.: Энергоатомиздат, 1989.-176 с.

79. Промышленная радиационная интроскопия / В.В. Клюев, Б.И. Леонов, Е.А. Гусев и др.-М.:Энергоатомиздат, 1985.-136 с.

80. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн./ Под ред. В.В. Клюева.-М: Машиностроение, 1981. Кн. 1.-431 с.

81. Горбунов В.И., Покровский А.В. Радиометрические системы радиационного контроля.-М.: Атомиздат, 1979.-221 с.

82. Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики.-Новосибирск: Наука, 1967.-143 с.

83. А.М.-З.Валитов, Т.И.Шилов. Приборы и методы контроля толщины покрьггтг.=Л.: Машиностроение, 1970. -120 с.

84. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатовизмерений.-Л.:Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991.-303 с.

85. Маркин А.И. Рукав бормашины и зубоврачебные наконечники.-М.: Медгиз, 1969. -34 с.

86. Бормашина комбинированная БФ-3 (БК-1) (Техническое описание и инструкция по эксплуатации).-М.: Внешторгиздат,1963.-18 с.

87. Справочник по электрическим машинам: В 2-х т. Т. 2/Под ред. И.П.Копылова, Б.К.Клюкова.-М.-.Энергоатомиздат, 1989.-688 с.

88. Боры зубные, фрезы зуботехнические. Каталог.-М.: ЦБНТИ мед. пром-ти, 1975.-19 с.

89. Физические величины. Справочник/под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова.-М.'.Энергоатомиздат, 1991.-1232 с.

90. Физико-химические свойства окислов. Справочник/под ред. Г.В.Самсонова.-М.Металлургия, 1978.-472 с.