В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Пожаробезопасные и огнестойкие кабели связи -теория и практика

С 2008 г. требования по пожарной безопасности кабелей регламентированы федеральным законодательством. В соответствии со ст. 82 гл. 19 раздела III Технического регламента "О требованиях пожарной безопасности":

• "кабели и провода систем противопожарной защиты... в зданиях, сооружениях и строениях должны сохранять работоспособность в условиях пожара в течение времени, необходимого для полной эвакуации людей в безопасную зону";
• "кабели,   прокладываемые   открыто, должны быть не распространяющими горение".

В обеспечение требований данного Технического регламента разработан ГОСТ Р 53315-2009 "Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности" для внутриобъектовых кабелей.

Это повлекло за собой ужесточение требований одновременно к горючести, воспламеняемости, дымообразующей способности и токсичности продуктов горения полимерных материалов, что уменьшило спрос на полимеры, содержащие в своем составе традиционные антипирены (полибромированные дифенилы и дифенилоксиды, оксиды сурьмы и т.д.), снижающие горючесть, но способствующие образованию при горении высокотоксичных соединений. Их применение являлось частным решением задачи и не обеспечило безопасность рабочих мест на объектах, где использовались эти кабельные изделия.

Комплексный подход к решению данной проблемы включает в себя:

• создание теории горения кабельного изделия;
• разработку соответствующих теоретическим рекомендациям материалов;
• создание конструкции необходимого кабельного изделия и технологии его изготовления.

При разработке теории горения кабельного изделия (модели горения полимерного материала) будем рассматривать пламя как пламя предварительно не перемешанной смеси (диффузионное пламя). Плоское ламинарное пламя предварительно не перемешанной смеси на плоской горелке представляет идеальную модель для математического моделирования процессов горения (рис. 1).

В пламени предварительно не перемешанной смеси топливо и окислитель реагируют по мере их перемешивания. Горючее и окислитель - в нашем случае это газофазные продукты разложения полимера и воздух - соответственно диффундируют к фронту пламени благодаря градиентам концентраций, поддерживаемым химическими реакциями.

Фронт пламени не может распространяться в сторону горючего без окислителя или в сторону окислителя без горючего. В результате он локализован на границе раздела "горючее-окислитель". Диффузионный и тепловой потоки определяются, исходя из свойств реагирующей смеси (давление, температура, состав). Температуру можно вычислить из уравнения сохранения энергии.

В результате молекулярного движения в газовой фазе в зоне горения радикалы, образованные при термическом разложении полимерной изоляции, сталкиваются друге другом, образуя промежуточные компоненты и конечные продукты реакций. Таких реакций может быть сотни, в зависимости от количественного состава газовой смеси над поверхностью полимера. Каковы бы ни были пути этих реакций, через некоторое время наступает химическое равновесие. Вся химическая кинетика может быть описана всего лишь единственной глобальной реакцией по принципу "что смешалось, то сгорело":

Горючее (Г) → Продукты (П), со скоростью реакции первого порядка

г = -ρwFk(T) = -ρwFkAexp(-E/(RT)),

где г - скорость химической реакции горения;

ρ - плотность полной массы смеси;

wF - относительная масса не сгоревших газов;

k - константа скорости химической реакции;

Т - температура;

А - фактор частоты;

Е - энергия активации химической реакции;

R = 8,314Дж/(моль.К) - универсальная газовая постоянная.

Для химических реакций горения типичное значение энергии активации Е = 180 кДж/моль. На рис. 2 показана температурная зависимость константы скорости химической реакции горения, полученная расчетным путем при горениии полимерной изоляции кабеля диаметром порядка 1 см.

Для конфигурации симметричного потока струйного пламени предварительно не перемешанной смеси (рис. 3) имеет место система дифференциальныхуравнений, определяющая зависимость температуры и концентрации горючих паров (топлива) и сгоревших газов от координаты z и времени t.

Не вдаваясь в математические выкладки из-за ограниченности объема статьи, отметим, что:

1. Скорость распространения пламени, или массовая скорость потока поступающих продуктов разложения полимера в зону реакции горения, не одинакова в различных его областях, а при наличии противотока окислителя она может быть отрицательной, но в целом при горении полимера скорость потока должна проходить через максимум в зоне с наивысшей температурой.
2. Оценка плотности теплового потока, испускаемого горящими продуктами разложения полимера и уже сгоревшими газами, позволяет оценить скорость выгорания кабельного изделия при известном внешнем диаметре и общем объеме полимерной изоляции на единицу длины кабельного изделия.
3. При значении отношения теплоты, выделенной при сгорании, к теплоте, возвращенной поверхности кабеля Н«25, процесс горения устойчив, то есть сгорает та масса вещества, которая испарилась с учетом недожога. Указанная величина определяется соотношением теплоты сгорания и теплоты разложения полимера.
4. Максимальную температуру, до которой нагреваются продукты горения, будем называть адиабатической температурой горения Тад. Недожог и потери на излучение приводят к снижению температуры горения от адиабатической (2100 °К) до (1800-1500) °К. При более низких температурах невозможно обеспечить необходимый обратный отвод тепла для поддержания процесса горения.
5. Максимальная температура горения при заданных потерях на недожог должна обеспечивать необходимый положительный ее градиент у поверхности кабеля для поддержания процесса горения.

Дополнительно к протекающим в газовой фазе процессам добавляются процессы в жидкой и твердой фазах, а также на межфазной границе. Кроме того, поток пламени становится не ламинарным, а турбулентным. Общая модель горения жидких или твердых веществ состоит из большого числа взаимодействующих друг с другом моделей. Каждая из этих моделей создается с точностью, необходимой для детализации основной, связанной с поставленной проблемой. Выбор максимального уровня детализации основной модели зависит от специфики рассматриваемой задачи, в частности от характеристик процесса, ожидаемых на выходе. При горении горючее и окислитель смешиваются либо до момента сгорания, либо непосредственно в процессе горения. В этой связи традиционно виды пламени подразделяются на пламя предварительно перемешанной и предварительно не перемешанной смесей. В процессе горения полимерных материалов горючее вначале находится в твердой или в жидкой фазе, а затем, испаряясь, сгорает под действием газообразного окислителя (обычно воздуха).

Еще раз отметим, что действительная или практическая температура горения всегда будет ниже из-за наличия потерь на физический и химический недожог, потерь на излучение факела пламени, кондуктивно-конвективных потерь тепла в окружающую среду. В процессе сгорания вещества наблюдается до 25-30% потерь теплоты на неполноту сгорания, до 30-40% - на излучение и т.д. Расчет температуры горения производят на основе уравнения теплового баланса и в простейшем случае возможен только методом последовательного приближения. Для расчета температуры горения необходимо знание объема и состава продуктов горения, низшей теплоты горения и других термодинамических параметров.

На основании теоретических предпосылок осуществляют разработку соответствующих теоретических рекомендаций к материалам для внутриобъектовых кабелей. Сейчас в качестве антипирена обычно используют гидроокись магния или алюминия, к которым иногда добавляют небольшое количество красного фосфора. Эффект огнестойкости основан на их эндотермическом разложении на воду и окись магния или алюминия, что снижает величину Н ниже значения 25. Возникающие в этом процессе продукты распада являются нетоксичными и некоррозийными. Потребляемое в процессе распада указанных веществ большое количество тепла отвлекается от процесса горения полимера. Тем самым обеспечивается защита полимера от термического разложения, сдерживается образование горючих продуктов распада, а образующийся водяной пар вытесняет кислород и выполняет защитную функцию. На поверхности полимера из окиси магния (алюминия) и продуктов обугливания образуется защитный слой кокса, замедляющий процесс горения.

Активная работа по созданию материалов, максимально удовлетворяющих всем требованиям пожаробезопасности, продолжается во всем мире.

При создании пожаробезопасных кабелей важно обращать внимание не только на материал оболочки, но и на свойства других конструктивных элементов. Так, например, нежелательно использовать в кабельных конструкциях гидрофобные заполнения, так как эти материалы в большинстве случаев хорошо горят и выделяют при этом значительное количество дыма. Водонабухающие ленты и нити также являются не самым подходящим вариантом - они "дымят" при прямом воздействии пламени, что сопровождается едким запахом. Поэтому при необходимости выполнения требований по продольной герметичности нужно изыскивать новые пути решения данной задачи. В качестве усиливающих элементов безопасным является применение арамидных нитей (русар, кевлар, тварон и т.п.), поскольку они не горят, не содержат коррозионно-активных и токсичных компонентов, а также практически не выделяют дыма. В отличие от этого материала упрочняющие стеклопластиковые элементы не столь безопасны, они поддерживают горение в течение некоторого времени после вынесения из источника пламени и выделяют достаточное количество дыма, но при этом не выделяют горящих капель.

Для определения возможности использования того или иного материала в пожаробезопасном кабеле чаще всего приходится пользоваться данными, предоставляемыми производителями и поставщиками данного материала.

Основными критериями, кроме уже указанного параметра Н, в справочной литературе часто приводятся различные показатели горючести полимерных материалов: кислородный индекс, температура воспламенения и самовоспламенения, скорость распространения пламени по поверхности материала, показатель горючести по стандарту UL-94 (США), группы горючести, воспламеняемости, дымовыделения, токсичности.

Отдельно в ряду требований пожаробезопасности следует рассматривать огнестойкость, то есть сохранение работоспособности в условиях воздействия пламени в течение заданного времени (ГОСТ Р МЭК 60331, ч. 11 и 25 - для ОК). Соответствие данной норме особенно важно для оптических кабелей, применяемых в системах управления и информационно-измерительных системах кораблей, самолетов и на атомных станциях. Из всех показателей пожаробезопасности именно параметры, определяющие работоспособность при воздействии пламени, существенно различаются у оптических и электрических кабелей. Для электрических кабелей важно сохранить диэлектрические свойства изоляции. Для ОК необходимо обеспечить оптическую целостность кабеля, то есть максимально защитить от высоких температур оптическое волокно (ОВ), которое и является средой, передающей оптический сигнал.

Само по себе кварцевое стекло, которое является основным материалом волоконного световода, обладает стойкостью к очень высоким температурам. Но волоконные световоды без защитных покрытий на практике не используются, так как обладают низкой механической прочностью при взаимодействии с внешней средой. При этом именно полимерное защитное покрытие в ОВ является "слабым звеном" при воздействии пламени. Деформация покрытий поддействием высоких температур за короткий промежуток времени приводит к разрушению волокна.

Самым явным путем защиты от огня кажется помещение ОВ в металлическую трубку.

В настоящее время широко используются меры огнезащиты, применяемые непосредственно после прокладки кабеля на объекте. Это огнезащитные краски, которые задерживают воспламенение материалов и уменьшают распространение пламени по поверхности материалов.

Также перспективна конструкция пожаростойкого ОК с использованием керамизирующейся под воздействием высоких температур кремнийорганической резины (рис. 4).

Конструкция содержит термостойкие волокна (2) в буферном покрытии, выполненном из силиконовой резины, скрученные вокруг центрального силового элемента из стеклопластикового прутка пониженной горючести (1), и имеет тройную механическую и противопожарную защиту в виде двух слоев плотной оплетки (3) из стеклонитей или базальтовых нитей с расположенной между ними внутренней оболочкой из керамизирующейся резины (4). Эти слои являются хорошим термическим барьером, способным относительно длительное время противостоять воздействию пламени. Наружная оболочка (5) выполнена из термостойкого пожаробезопасного полимерного материала. Предварительные испытания показывают, что данная конструкция является стойкой к воздействию агрессивных сред, широкого диапазона температур и пожаробезопасной, то есть не распространяет горение, при воздействии пламени выделяется лишь незначительное количество продуктов распада, которые не обладают токсичным или агрессивным действием.

Опубликовано: Каталог "Пожарная безопасность"-2013
Посещений: 9314

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций