Запобігання передчасного пожежонебезпечного займання піротехнічних металізованих сумішей на основі фторопластів

Abstract

Ковбаса В. О. Запобігання передчасного пожежонебезпечного займання піротехнічних металізованих сумішей на основі фторопластів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 261 ­ Пожежна безпека. – Національний університет цивільного захисту України, Державна служба України з надзвичайних ситуацій, Черкаси, 2025. Дисертацію присвячено вирішенню актуального науково­практичного завдання в галузі пожежної безпеки, яке полягає у розвитку наукового підґрунтя щодо запобігання передчасних пожежонебезпечних займань піротехнічних виробів із зарядами сумішей на основі порошків металевих пальних та фторопластів. Це досягається шляхом встановлення критичних режимів процесів їхнього нагрівання, займання та розвитку горіння, що слугує основою для запобігання виникненню пожежі у випадку зовнішніх термічних дій. У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету, завдання дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Також показано особистий внесок здобувача та представлено інформацію про апробацію результатів дисертаційного дослідження. У першому розділі проведено систематизацію та аналіз випадків пожежовибухонебезпечних руйнувань піротехнічних виробів, які відбулися у світі протягом останніх десятиліть під час їхнього зберігання, транспортування та застосування. Продемонстровано, що в умовах пожеж внаслідок вимушених зовнішніх термічних дій на вироби відбувається передчасне спалахування та вибухонебезпечний розвиток горіння зарядів сумішей в умовах підвищених температур нагріву та зовнішніх тисків. Це спричиняє пожежонебезпечні руйнування навколишніх об’єктів, значні матеріальні збитки та загибель людей. Відповідно, ключовим питанням у 3 підвищенні пожежної безпеки піротехнічних виробів при їхньому зберіганні, транспортуванні та застосуванні в умовах зовнішніх термічних дій є запобігання передчасних пожежовибухонебезпечних руйнувань виробів. Для досягнення цієї мети необхідно розробити науково обґрунтований метод визначення критичних значень параметрів зовнішніх термічних дій на вироби, перевищення яких індукує передчасне займання та вибухонебезпечний розвиток горіння зарядів сумішей в умовах зростання температури нагріву та тиску навколишнього середовища. Створення такого методу потребує наявності результатів теоретичних та експериментальних досліджень процесів зовнішнього нагріву, займання та розвитку горіння ущільнених сумішей з порошків металевих пальних та фторопластів, що становлять основу багатьох піротехнічних виробів. У другому розділі представлена загальна методика проведення досліджень щодо підвищення пожежної безпеки піротехнічних виробів на основі двокомпонентних сумішей з порошків металевих пальних та фторопластів із добавками органічних речовин. Методика сфокусована на визначенні критичних значень параметрів зовнішніх термічних дій та технологічних параметрів зарядів сумішей, перевищення яких призводить до їхнього передчасного займання, розвитку вибухового горіння та пожежонебезпечного руйнування виробів. Такий комплексний підхід до вирішення задачі передбачає дослідження наступних процесів: нагріву зразків сумішей зовнішніми тепловими потоками із осередків пожеж при зберіганні або транспортуванні; термічного розкладання окиснювачів – фторопластів; займання та горіння частинок металів у газоподібних продуктах розкладання окиснювачів; а також займання та розвитку горіння зарядів сумішей при підвищених температурах нагріву та зовнішніх тисках. В якості зразків використовувались ущільнені двокомпонентні суміші з порошків металевих пальних та фторопластів із добавками органічних речовин, які були виготовлені різними методами ущільнюючого формування. 4 У третьому розділі представлено результати досліджень температури на поверхнях зарядів сумішей різної геометричної форми та розмірів (плоско­паралельні пластини, прямокутні елементи різної товщини). Крім того, розроблено нелінійні нестаціонарні математичні моделі нагріву виробів зовнішніми тепловими потоками, які, на відміну від існуючих моделей, враховують температурні залежності теплофізичних властивостей заряду суміші та враховують вплив основних параметрів термовпливів: величини теплових потоків від зовнішніх джерел тепла та часів їхньої дії. З метою дослідження процесу нагріву виробів в умовах їхнього зберігання або транспортування розроблено математичні моделі нагріву поверхонь зарядів з різних матеріалів. На основі проведених експериментальних досліджень фізико­хімічних процесів, що протікають у різних зонах горіння двокомпонентних ущільнених сумішей з порошків металів та фторопластів, розроблено модель їхнього горіння в умовах зовнішніх термічних дій. Ця модель, на відміну від існуючих моделей горіння піротехнічних сумішей, враховує нові дані про високотемпературне окиснення, займання та горіння частинок металів у продуктах термічного розкладання окиснювачів. За результатами розрахунків були встановлені критичні діапазони зміни швидкості горіння сумішей при підвищених температурах нагріву та зовнішніх тисках для різних діапазонів зміни технологічних параметрів, перевищення яких спричиняє вибухонебезпечний розвиток горіння сумішей та пожежонебезпечне руйнування виробів. У четвертому розділі представлено результати експериментальних досліджень, спрямованих на встановлення нових закономірностей впливу на температуру займання Тз та час горіння г частинок порошків металів у продуктах розкладання досліджуваних сумішей. Для сумішей Mg + Ф – 3 та Al + Ф – 3 отримано нові дані по впливу температури нагріву Т0 та зовнішнього тиску Р на швидкість їх горіння. Представлено також дані про вплив на залежності u(T0) та u(Р) таких технологічних параметрів як природа та величина добавок органічних речовин, коефіцієнт ущільнення 5 суміші, діаметр і заряду, матеріал оболонки тощо. Розроблено нові експериментально­статистичні моделі, призначені для формування бази розрахункових даних (з відносною похибкою 4...7 %), які кількісно описують вплив ключових технологічних параметрів (α, ε, dм, dок, КУ) на швидкість розвитку процесу горіння сумішей за умов зовнішніх термічних впливів. Ці моделі забезпечують можливість підвищення пожежної безпеки піротехнічних виробів на стадії виготовлення шляхом цілеспрямованого регулювання технологічних параметрів в умовах їхнього зберігання, транспортування та застосування. Вперше встановлено, що регулювання технологічних параметрів сумішей на етапі їхнього виготовлення дозволяє запобігати нестійким, вибухонебезпечним режимам розвитку горіння в умовах зовнішніх термічних впливів, які призводять до передчасного пожежонебезпечного руйнування виробів. Це досягається шляхом керованої зміни швидкості горіння сумішей (або часу дії виробів в умовах їхнього бойового застосування) без необхідності зміни тактико­технічних показників піротехнічних виробів на основі металізованих фторопластовмісних сумішей. У п’ятому розділі на базі отриманих математичних та експериментально­статистичних моделей вперше розроблено науково обґрунтований метод визначення критичних діапазонів зміни параметрів зовнішніх термічних впливів та керованих технологічних параметрів зарядів сумішей на стадії їхнього виготовлення. Перевищення цих діапазонів призводить до передчасного вибухонебезпечного спрацьовування та пожежонебезпечного руйнування виробів. Зазначений метод знайшов практичне використання та був впроваджений у діяльність ДСНС України, а також та підприємствах та в організаціях України у вигляді засобів контролю та технологічних рекомендацій. Це дозволило на стадії виготовлення піротехнічних виробів шляхом керування технологічними параметрами зарядів сумішей (співвідношення компонентів, дисперсності металевого пального, фторопластів та добавок 6 органічних речовин) збільшити температуру та часу затримки їх займання у 1,2…1,7 раза та знизити ймовірність виникнення пожежовибухонебезпечних руйнувань виробів при зберіганні та транспортуванні з врахуванням зовнішніх термічних впливів у 1,5…2,0 раза. Отримані результати також впроваджено в освітній процес Національного університету цивільного захисту України при здійсненні підготовки фахівців для ДСНС України за спеціальністю 261 «Пожежна безпека» освітнього рівня «доктор філософії», «магістр» та за спеціальністю 263 «Цивільна безпека» освітнього рівня «бакалавр». Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному. 1. Вперше: – встановлено закономірності впливу технологічних параметрів сумішей (середнього розміру dм частинок порошків металевих пальних, коефіцієнта надлишку окиснювача ) та зовнішнього тиску Р на ключові характеристики процесів займання (температури займання Тз та часу горіння г частинок металевого пального у продуктах розкладу сумішей): зменшення dм від 310 мкм до 54 мкм,  від 1,5 до 0,5 та збільшення Р від 105 Па до 107 Па підвищує Тз у 1,3…1,8 разу; зменшення dм від 310 мкм до 54 мкм, збільшення  від 0,5 до 1,5 та Р від 105 Па до 107 Па зменшує г у 1,3…2,9 разу; – встановлено залежності швидкості розвитку процесу горіння сумішей від підвищених температур нагріву Т0 та зовнішніх тисків Р для практично використовуваних діапазонів зміни технологічних параметрів їх зарядів (співвідношення компонентів у суміші, дисперсність, коефіцієнт ущільнення, діаметр заряду суміші, матеріал оболонки): підвищення Т0 від 293 К до 873 К та Р від 105 Па до 107 Па може збільшувати швидкість горіння у 4…6 разів; при деяких діапазонах параметрів спостерігається також значне зменшення швидкості горіння сумішей (понад у 3…4 рази) та стабілізація процесу, що дозволяє керувати параметрами для запобігання нестійкому та вибухонебезпечному розвитку горіння; 7 – на отриманій базі теоретично­експериментальних досліджень розроблено науково обґрунтований метод визначення критичних діапазонів зміни параметрів зовнішніх теплових впливів (теплових потоків, часів їхньої дії) та технологічних параметрів зарядів сумішей, що дозволяє запобігати передчасному пожежонебезпечному спрацьовуванню виробів на їх основі в умовах зовнішніх термічних дій. 2. Удосконалено: – математичні моделі впливу зовнішніх термічних дій на заряди сумішей, які враховують їхню геометричну форму та розміри (плоско­паралельні пластини, прямокутні елементи різної товщини), а також температурні залежності теплофізичних властивостей сумішей (об’ємної теплоємності, коефіцієнта теплопровідності). Це забезпечує точніше визначення критичних параметрів термічних впливів і дозволяє запобігати розвитку пожежонебезпечного стану виробів. 3. Набули подальшого розвитку: – математична модель процесу горіння двокомпонентних ущільнених сумішей із порошків металевих пальних та фторопластів, яка враховує кінетичні характеристики термічного розкладу окиснювачів; закономірності передполум’яного окиснення та горіння частинок металу у продуктах розкладу; термодинамічні розрахунки температури продуктів згоряння та вмісту високотемпературного конденсату. Це дозволяє визначати критичні діапазони зміни швидкості горіння сумішей для різних значень технологічних параметрів і зовнішніх термічних впливів, керування якими запобігає вибухонебезпечному розвитку горіння та пожежонебезпечному руйнуванню виробів. Ключові слова: пожежна безпека, піротехнічні суміші та вироби, вибух, пожежа, горіння, вогонь, тепловий потік, термодинамічні розрахунки, математична модель, методика, поширення пожежі.