Візуальні ознаки термічних уражень на конструкціях з металів та сплавів

Деформації сталевих конструкцій спостерігаються майже на будь-якій пожежі.

Відомо, що нагрівання стали

вище 300-350оС призводить до помітного підвищення її пластичності та супроводжується зниженням міцності, у сталі можуть з'явитися помітні деформації,

при 500-600оС міцність вуглецевої сталі знижується вдвічі, деформації навантажених елементів сталевих конструкцій значні за величиною і 15-20 хвилинний нагрівання може призвести до їхнього обвалення.

Температура 450-500 оС вважається температурою втрати несучої здатності сталевих виробів.

при 1000оС міцність сталі знижується в 10 разів,

Температура втрати здатності конструкцій з алюмінієвих сплавів становить 250 оС.

Що означає втрата несучої здатності у металоконструкції? У чому вона проявляється? Звісно, ​​конструкція не ламається; насамперед вона гнеться, деформується. Ці деформації під час огляду місця пожежі можна побачити та потрібно оцінити.

Оцінка величини та спрямованості деформацій дає важливу інформацію про відносну інтенсивність та спрямованість теплового впливу в тих чи інших зонах.

Візуальні ознаки деформації, які слід фіксувати та оцінювати:

1. Напрямок деформації металевих елементів. Металоконструкції та їх окремі елементи деформуються, як правило, у бік найбільшого нагріву. До речі, це властивість не тільки металів, а й багатьох інших негорючих матеріалів, наприклад скла.

2. Розмір деформації.

З суто теоретичної точки зору, величина деформації конструкції повинна бути пропорційна температурі та тривалості її нагрівання. Тому, здавалося б, очевидно, що на місці пожежі найбільш "гарячою" зоною можна вважати ту, де металоконструкція має найбільшу деформацію. ОднакНайбільша деформація відбувається не завжди там, де була найбільша температура або найбільш інтенсивне нагрівання. Вона може бути там, де конструктивний елемент має найбільший ступінь свободи або більш високе навантаження. Якщо, наприклад, сталева балка перекриття має найбільшу деформацію посередині прольоту, то це ще не означає, що саме в цій точці було найінтенсивніше нагрівання - просто тут на балку діє найбільший згинальний момент. Проте на розосереджених по зоні горіння однотипних і відносно однаково навантажених конструкціях оцінити ступінь деформації в порівнянні один з одним дуже корисно. Це (при відносно рівномірному пожежному навантаженні у приміщенні) можна як явний ознака спрямованості поширення горіння.

Щоб кількісно оцінити рівень деформації, розраховують так звану величину відносної деформації. Це відношення величини прогину до величини ділянки конструкції, де цей прогин спостерігається (b/l) (рисунок).

Розмір b/l для однотипних конструкцій наноситься план місця пожежі. Така інформація у першому наближенні характеризує розподіл зон термічних уражень дома пожежі і може бути використана у пошуках його вогнища. Ці дані відносяться до групи термічних поразок, що послідовно наростають (зменшуються).

Вимагають серйозної уваги локальні деформації металоконструкцій окремих ділянках, тобто. довільно розташовані термічні поразки. Чітко виражені та значні за величиною локальні деформації виникають, як правило, на початковій стадії пожежі, коли горіння в усьому обсязі приміщення ще немає та конструкції нагріваються від вогнища пожежі в обмеженій локальній зоні. Якщо вказана локальна термічна поразка не знаходитьпояснення – воно має сприйматися як осередкова ознака.

Б. Утворення оксидів на поверхні металу.

Алюміній та його сплави.

Відомо, що на поверхні алюмінію та його сплавів вже за кімнатних температур існує мікронна товщина окисного шару, який захищає алюміній від окислення. Окисел цей виконує свою функцію при нагріванні алюмінієвого виробу на пожежі, аж до досягнення температури плавлення алюмінію. Якоїсь корисної експертної інформації з дослідження окисного шару на алюмінії витягти не вдається.

На поверхні мідних виробів до температури приблизно 100 оС - є чорна плівка оксиду (CuO, окис міді). При нагріванні вище 100 оС та достатньої тривалості – утворюється плівка закису міді – червоного кольору (Cu2O). Ця обставина дає можливість в окремих ситуаціях оцінювати, чи перевищувала температура в зоні, де знаходиться мідний виріб, вказану температуру.

Якщо поверхня оброблена, гладка, то перша ознака теплової дії, яку можна виявити візуально – кольору втечі. Вони з'являються при нагріванні сталі до температури 200-300 оС завдяки утворенню на поверхні плівки окислу мікронної товщини. Товщина шару оксиду залежить від температури, а за рахунок інтерференції світла зі зміною товщини плівки змінюється її колір. Таким чином, виходить, що колір плівки оксиду ("колір втечі") залежить від температури нагрівання сталі і може використовуватися для її визначення. Існує приблизно наступна колірна шкала кольорів втечі на сталях.

Колір втечі	Товщина шару оксиду Мкм	Температура нагрівання оС
Світло-жовтий	0,04	220-230
Солом'яно-жовтий	0,045	230-240
Помаранчевий	0,05	240-260
Червоно-фіолетовий	0,065	260-280
Синій	0,07	280-300

Слід зазначити, що оцінка нагріву металевих конструкцій за кольорами втечі при пошуках вогнища пожежі використовується рідко. Найчастіше це робиться при встановленні причин пожеж, пов'язаних із тертям, локальним перегрівом у технологічних установках, двигунах тощо.

Високотемпературний окис - окалін - утворюється на сталях звичайної якості при температурі більше 700оС.

Зростання товщини окалини відбувається за параболічним законом. Чим більша температура і тривалість нагріву, тим вона товща.

Від температури освіти залежить склад окалини. Вона може складатися з трьох шарів різних оксидів (малюнок) (починаючи від поверхні металу):

вуститу (оксиду двовалентного заліза, FeO), що має чорний колір

проміжного шару - магнетиту (оксиду дво-тривалентного заліза, Fe3O4,),.

гематиту (оксиду тривалентного заліза, Fe2O3), що має рудий колір.

Спочатку при відносно високому вмісті кисню відбувається утворення гематиту. Потім у міру зростання температури та зменшення кисню в повітрі під шаром гематиту утворюється шар магнетиту і нижче шар вуститу. Таким чином, чим вище температура, тим більше в окалині вуститу і менше гематиту

Ця обставина дозволяє за кольором окалини та її товщиною орієнтовно оцінювати температуру нагрівання металоконструкцій. Низькотемпературна окалина (700 - 750 оС), в якій мало вустита, зазвичай має рудуватий відтінок і досить тонка. Окалина, що утворилася при 900-1000 оС і більше – товста та чорна.

Обов'язково треба пам'ятати, що окалина – це дужещільний матеріал, міцно пов'язаний із самим металом: тому якщо окис на поверхні сталевої конструкції хоч і має рудий колір: але пухкий і неміцний, то це, швидше за все, взагалі не окалина, а звичайна іржа.

Колір окалини та її товщина дають можливість приблизної оцінки температури нагріву сталевих конструкцій на пожежі. При цьому, однак, не виключені помилки, тому краще все-таки проводити інструментальні дослідження окалини і визначати таким чином не тільки температуру, але і тривалість нагрівання конструкції.

Інструментальні методи дослідження окалини будуть розглянуті нижче.

Розплавлення та проплавлення металу

Розплавлення та проплавлення (освіта наскрізних отворів) металів і сплавів на пожежах, особливо великих, зустрічається не так вже й рідко. Можна вважати, що це найвищий ступінь термічних уражень конструкцій та окремих предметів.

У 70-х роках В.Г.Віскребов (ВНДІСЕ) запропонував навіть використовувати так званий "метод температур плавлень" для пошуків вогнища пожежі. Метод полягав у фіксації місць, де розплавився той чи інший матеріал, та визначення таким чином розподілу температурних зон за місцем пожежі. Відомо, наприклад, що температура плавлення становить:

- у алюмінію - 600 оС

- бронзи литої - 880-1040 оС

- сталі - 1300-1400 оС

Таким чином, якщо в зоні А розплавився алюмінієвий провід, слід зробити висновок, що температура там перевищувала 600 оС, а в зоні Б, де оплавилися мідні проводи, вона була, як мінімум, 1080-1090 оС.

Звісно, ​​фіксувати дома пожежі зони, де розплавився той чи інший матеріал, дуже корисно. Але вважати це самостійним способом встановлення вогнища пожежі було б нерозумно; та й температурні зонивстановлюються таким шляхом досить умовно. Якщо розплавився алюміній, це не означає, що температура була 600 оС, вона могла бути і 700-900-1000 оС.

Крім того, потрібно мати на увазі, що "проплавлення" в металі можуть виникнути і зовсім при температурі нижче температури плавлення. Можливо це, як мінімум, із двох причин:

1. Локальне нагрівання тонкого сталевого виробу (аркуша, дроту тощо) призводить до утворення шару окалини, порівнянного по товщині з самим виробом. Окалина, не володіючи достатньою механічною міцністю, потім може викришитися, і на виробі після пожежі виявиться "дірка".

Розчинення металу у металі.

Розплавлений в ході пожежі більш легкоплавкий метал при попаданні на метал більш тугоплавкий може призвести до "розчинення" останнього в розплаві першого металу. Причому відбувається це при температурі нижче температури плавлення "тугоплавкого" металу.

Такий процес можливий, наприклад, при попаданні розплавленого алюмінію на мідь та її сплави. Відбувається це за рахунок утворення евтектичного металу міді з алюмінієм. Відомо, що чиста мідь має температуру плавлення 1083 оС. У той же час евтектичні (спільно плавляться) сплави "мідь + розплавлений алюміній" - 660 оС, "мідь + розплавлена ​​латунь" - 870-980 оС

Так само здатністю розчинятися в розплавленому алюмінії має сталь.

Розчин стали в алюмінії

Розчинення відбувається у три етапи:

а) окалиноутворення на сталі, що протікає під впливом розплавленого алюмінію, що потрапив на неї; (для цього достатньо температури утворення гематиту – 700-750 оС)

б) хімічна взаємодія оксидів заліза, що утворилися, з розплавленим алюмінієм (термітна реакція):

Fe2O3 +2Al ---> Al2O3 + 2Fe + 847,8 кДж

Ця реакція, як видно з рівняння, супроводжується сильним тепловиділенням, що призводить до додаткового розігріву в зоні реакції і, відповідно, інтенсифікації останньої.

в) розчинення відновленого з оксиду заліза за рахунок тепловиділення при термітній реакції (для цього теж не обов'язково досягнення температури плавлення сталі, наприклад, при температурі 900 оС в алюмінії може розчинитися до 10% заліза).

Кінцевим результатом перебігу зазначених реакцій може бути проплавлення (дірка) в тонкому сталевому листі, стінці сталевої труби і т.д.

Кваліфікаційною ознакою, що дозволяє відрізнити таку дірку від проплавлення, що виникло, наприклад, під дією електричної дуги, є характерний контур проплавлення (у формі калюжі, потік) і тонка облямівка алюмінію, що зазвичай зберігається по периметру дірки.

Г. Горіння металів та сплавів

Відома здатність до горіння лужних та лужноземельних металів (K, Na, Mg). Менш відомо, однак, що в певних умовах здатні горіти (тобто взаємодіяти з киснем повітря) та інші метали та сплави. Прикладом у цьому випадку можуть бути широко поширені як конструкційні матеріали алюмомагнієві сплави.

Алюміній, нагрітий до 660 оС, незважаючи на існування оксидної плівки, все ж таки починає окислюватися тим швидше, чим ближче його температура до точки плавлення, а горіння алюмінію в кисні супроводжується значно більшим тепловиділенням, ніж горіння інших металів (1675 кДж/моль).

Візуальними ознаками горіння металів є руйнування конструкцій у зоні горіння. Від деталі, що вигоріла, часто залишається ажурний скелет. Горіння часто супроводжується розбризкуванням металу, в результатічого дома пожежі виявляються множинні дрібні частинки металу та її оксидів, аналогічні тим, що утворюються при дугових процесах.

---