Temat rozprawy doktorskiej - wtmit.zut.edu.pl · materials react to fire using both small and big...

Mariusz Krzysztof Kopański

Temat rozprawy doktorskiej:

OPRACOWANIE METODY OCENY ZGODNOŚCI WYNIKÓW BADAŃ REAKCJI MATERIAŁÓW NA OGIEŃ METODAMI

W DUŻEJ I MAŁEJ SKALI NA PODSTAWIE LABORATORYJNYCH BADAŃ PORÓWNAWCZYCH

Devising the assessment method of results compatibility in the field of materials reaction to fire by means of a small and big scale on the basis of comparative research

Promotor: Dr hab. n.t. Zygmunt Sychta Recenzenci: Prof. dr hab inż. Rudolf Klemens Politechnika Warszawska; Instytut Techniki Cieplnej Dr hab. Marek Konecki, prof. SGSP Szkoła Główna Służby Pożarniczej; Katedra Podstaw Spalania, Wybuchu i Gaszenia

Szczecin, 12 czerwca 2018

Devising the assessment method of results compatibility in the field of materials reaction to fire by means of a small and big scale on the basis of comparative

research

ABSTRACT Aim: The main objective of the thesis is to establish the causes of considerable differences between intensity values of heat release using various methods and ways of their decrease. The same material may be applied to different technical objects on condition that it meets technical and fire requirements for these objects. Therefore, a question arises, whether or not, it is possible to provide a preliminary assessment of the material usability, from the fire posed threat perspective, for the maritime requirements based on the results of the research that confirms meeting both land and rail requirements and vice versa. This issue is especially essential at the stage of new materials development due to the sample dimensions. Materials and methods: Laboratory analyses have been conducted on the basis of 25 materials that are commercial products available on the European market and that are commonly used to equip building facilities and means of transport. In order to conduct the research about how materials react to fire using both small and big scale methods, the following techniques were applied EN 13823 (SBI), ISO 5660-1 as well as FTP part 5, IMO/ ISO 5658-2. Gordon type heat stream sensor as well as rod sensor were used to compare the conditions of thermal decomposition and discussed test rigs combustion. Additionally, the temperature profiles were determined on the samples surface, with the use of infrared thermal camera. Results: Having analyzed the conditions of thermal decomposition and combustion using the methods ISO 5660-1, EN 13823 (SBI) and FTP part 5, IMO/ ISO 5658-1, it has been concluded that where the heat stream density equals 50 kW/m² there are similar thermal conditions, in all types of methods in the initial stage of the research. Moreover, a comparative analysis of parameters such as HRRmax, MARHE and FIGRA has been carried out between individual research methods using linear regression technique. An increase of correlation factor R² among research results was obtained by converting HRRmax and MARHE parameters in relation to the unit of the combusted sample area (chapter 4.3). Conclusions: 1. On the basis of theoretical analyses and comparison of materials thermal decomposition

and combustion in the laboratory conditions, it has been concluded that it is possible to achieve comparable values of the same parameters on different test rigs only when both their thermal decomposition and combustion are examined in the same conditions.

2. The results of intensity heat release using the methods of ISO 5660-1, FTP part 5, IMO, and EN 13823 may be compared only in the first stage of analysis up to the first maximum intensity of heat release. It is due to the fact that at this stage thermal decomposition and combustion process of the samples takes place in similar thermal conditions.

3. It is feasible to obtain a good reproducibility of testing results on a particular test rig, by maintaining stable conditions of rig elements heat exchange and of thermal decomposition and combustion of the tested material samples as well as careful maintenance of measuring device after each of the test series.

4. On the basis of the measurement of heat release intensity in a small scale (ISO 5660-1, FTP part 5, IMO/ ISO 5658-2) it is possible to estimate the value of maximum heat release intensity in a big scale (method EN 13823).

5. The best compatibility of heat release intensity tests has been achieved while comparing the results obtained from EN 13823 and FTP part 5, IMO / ISO 5658-2 methods, when the correlation factor R² equals 0,95.

Key words: Reaction to fire, flashover, Cone Calorimeter, ISO 5660, Single Burning Item, SBI, EN 13823, ISO 5658, FTP part 5, IMO, FIGRA, MARHE, CFE, classification, correlation, fire

2

1. Wprowadzenie

Każdy układ techniczny ma określony dopuszczalny awaryjny zakres zmian parametrów eksploatacyjnych od

wartości projektowych w zakresie, których może jeszcze pracować. Daje to możliwość przeprowadzenia skutecznych działań korekcyjnych, naprawczych, reakcji automatycznych systemów bezpieczeństwa, itd.

Utrata kontroli nad rozwojem sytuacji powstaje, gdy działania systemów sterowania i systemów bezpieczeństwa oraz ekip remontowo-konserwatorskich nie są w stanie skorygować niebezpiecznego trendu w wartościach parametrów wyznaczających obszar bezpiecznej pracy instalacji i/lub urządzeń, co prowadzi do uszkodzeń i eskalacji zdarzeń, którym towarzyszy zazwyczaj znaczne uwalnianie substancji niebezpiecznych i/lub energii. Częstym skutkiem utraty kontroli nad rozwojem sytuacji awaryjnej jest pożar – niekontrolowany w czasie i przestrzeni proces spalania materiałów.

Podstawowym warunkiem bezpieczeństwa pożarowego jest czas niezbędny do usunięcia awarii (ogniska pożaru) – kontrolowana sytuacja awaryjna (rys.1). Spowolnienie rozwoju pożaru w fazie przedrozgorzeniowej jest wynikiem zastosowanych barier, których wartości powinno się dobierać dla warunków eksploatacyjnych obiektu [32].

Bariery stanowić mogą: osłony bierne lub czynne, cechy pożarowe materiałów i konstrukcji, systemy kontroli dynamiki rozwoju pożaru i rozprzestrzeniania się jego produktów, wymagania administracyjne, itd. Potencjał energetyczny zgromadzony w materiałach może, ale nie musi, wyzwolić się w czasie pożaru.

Zależeć to będzie od:

odporności materiałów na działanie zewnętrznych źródeł podpalania,

intensywności wydzielania ciepła w czasie ich rozkładu termicznego i spalania,

w wyniku intensywności której mogą, ale nie muszą, ulec zapłonowi kolejne partie palącego się materiału lub materiały sąsiednie.

Intensywność wydzielania ciepła decyduje również o szybkości zmian temperatury pożaru, emisji dymu i toksycznych produktów rozkładu w czasie rozkładu termicznego i spalania materiałów. Zatem z punktu widzenia zapobiegania rozprzestrzenianiu się pożaru w dowolnym obiekcie technicznym przedmiotem zainteresowania jest między innymi:

odporność materiału lub wyrobu na działanie zewnętrznych źródeł podpalania,

analiza możliwości wywołania przez ten materiał lub wyrób pożaru kolejnych elementów jego powierzchni i sąsiednich materiałów.

Reakcja spalania materiału rozprzestrzenianie się płomieni po jego powierzchni może rozwinąć się jedynie wtedy, gdy ogólny bilans cieplny (1) jest dodatni:

�� + ��𝑧 − ��𝑠 > 0 (1) i temperatura reagentów wzrasta (rys. 2).

gdzie: �� - intensywność wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania materiału, kW,

��𝑠 - straty ciepła w jednostce czasu, kW, ��𝑧 - moc cieplna pochodząca z zewnętrznych źródeł ciepła, kW.

W przeciwnym przypadku szybkość reakcji, osiągnąwszy pewną wartość, zaczyna stopniowo maleć w związku ze zmniejszaniem się w tej strefie koncentracji reagentów.

W przypadku działania płomienia zapłon materiału następuje mniejszej wartości natężenia zewnętrznego źródła podpalania (rys. 3, rys. 4).

Rys. 1. Zależność rozwoju pożaru od możliwości systemów kontroli jego rozwoju (Źródło opracowanie na podstawie literatury [32])

Rys. 2. Model procesu rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni poziomej [32]

3

Rys. 3. Zależność: szybkości wydzielania ciepła w czasie trwania badania dla XPS, przy natężeniu strumienia ciepła na powierzchni próbki 50 kW/m², w obecności/ braku źródła zapłonu, wg metody FTP-5, IMO (Badania własne)

Rys. 4. Porównanie minimalnego czasu potrzebnego do zapłonu różnych odmian Poliamidu 6,wg metody ISO 5660-1/FTP-10, IMO (Badania własne)

Z równania bilansu cieplnego (1) wynika, że proces spalania danego materiału możemy przeprowadzić na

nieskończenie wiele sposobów i w zależności od mocy i rodzaju źródeł podpalania oraz wartości strat ciepła, inna będzie ilość wydzielonego ciepła i intensywność jego wyzwalania, inny skład fizykochemiczny produktów jego rozkładu termicznego i spalania (rys. 5, rys. 6).

Rys. 5. Szybkość wydzielania ciepła w funkcji czasu, dla płyty z polistyrenu ekstrudowanego (XPS) grubości 3 mm, badana metodą wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO, przy różnych wartościach natężenia strumienia cieplnego padającego na jej powierzchnię (Badania własne)

Rys. 6. Zależność szybkości wydzielania ciepła od czasu przy różnych podkładach pod próbką – wykładziny, wg badania ISO 5660-1/FTP-10, IMO (Badania własne)

1.1. Odporność materiału na działanie zewnętrznych źródeł podpalania

Z równania bilansu cieplnego (1) wynika, że dla każdego materiału istnieje charakterystyczna wartość 𝑞𝑧

zewnętrznego strumienia ciepła padającego na jego powierzchnię, przy której zachodzi jeszcze jego płomieniowe spalanie.

�� + 𝑞�� − 𝑞�� = 0 (2) Wielkość tę przyjęto nazywać krytycznym strumieniem ciepła (CFE). Jej wartość jest miarą odporności

materiału na działanie zewnętrznych źródeł podpalania. Do spowodowania zapalenia się materiału potrzebna jest pewna określona energia cieplna, zwana ciepłem

podtrzymującym płomieniowe spalanie (Qsb). Za miarę ciepła podtrzymującego płomieniowe spalanie materiału przyjęto wartość średnią iloczynu natężenia strumienia cieplnego I(li) i czasu Δt jego oddziaływania na powierzchnię materiału, po którym wystąpi jej zapłon. Ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie charakteryzuje również dynamikę rozprzestrzeniania się płomieni po powierzchni materiału w danych warunkach rozkładu termicznego i spalania.

4

Im mniejsza jest wartość tego iloczynu tym szybciej płomienie rozprzestrzeniają się po powierzchni.

1.2. Parametry podpalania O dynamice rozprzestrzeniania płomienia decyduje szybkości wydzielania ciepła:

q = ηsp ∙ m ∙ csp (3)

gdzie: �� - intensywność wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania materiału, kW,

ηsp - współczynnik niecałkowitości spalania,

m - masowa szybkość rozkładu termicznego i spalania materiału, kg/s, csp - ciepło spalania materiału, kJ/ kg.

Szybkość wydzielania ciepła zależy od masowej szybkości spalania i ciepła spalania materiału. Wyzwalana

energia cieplna nagrzewa sąsiadującą z płomieniem powierzchnię materiału, która po uzyskaniu temperatury zapłonu zapala się. Stopień nagrzania powierzchni materiału jest efektem działania nie tylko intensywności wydzielania ciepła, ale i czasu ekspozycji na jej działanie zależnego od potencjału cieplnego objętego spalaniem materiału. W rezultacie obserwuje się rozprzestrzenianie się płomienia po powierzchni materiału. Miarą tego potencjału jest całkowite ciepło (Qt) wyzwolone w czasie rozkładu termicznego i spalania materiału:

Qt = ∫ 𝑡𝑘

0ηsp ∙ m ∙ csp ∙ 𝑑𝑡 (4)

Źródłem zapłonu kolejnych nie objętych

jeszcze pożarem materiałów są opadające palące się krople stopionego materiału – opad kroplisty (rys. 7). Zjawisko charakterystyczne dla większości tworzyw sztucznych, które zanim się zapalą, miękną, tworząc ciekłe warstwy powierzchniowe.

Zjawisko opadu kroplistego przyspiesza proces rozprzestrzeniania się pożaru.

Naturalnym kierunkiem rozszerzania się płomienia jest kierunek od dołu ku górze po płaszczyznach pionowych. Zjawisko rozprzestrzeniania się płomieni ku górze po powierzchniach pionowych (ścian, materiałów wolno zwisających, itp.) może przebiegać lawinowo, to jest ze stale rosnącym przyspieszeniem proporcjonalnym do sumującej się ilości ciepła wytworzonego w danej chwili w poprzedzającym ten moment okresie (rys. 8). Oprócz tego oddziałuje na powierzchnię energia cieplna pochodząca z zewnętrznych źródeł ciepła 𝑞𝑧 (spalanych w pewnej odległości przedmiotów). Oznacza to konieczność stosowania różnych metod badań lub różnych kryteriów oceny przydatności tego samego materiału w zależności od jego przeznaczenia.

Zatem rozprzestrzenianie się płomieni po powierzchni materiału determinują: - krytyczny strumienia ciepła, - ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie, - intensywność wydzielania ciepła, - ciepło wydzielone w czasie rozkładu termicznego i spalania, - możliwość tworzenia opadu kroplistego.

Rys. 7. Opad kroplisty – opadające palące się krople stopionego materiału a) badanie wg PN-EN 45545-2 aneks B, b) badanie według FTP część 5, IMO (Badania własne)

Rys. 8. Model procesu rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni pionowej [32]

5

Pierwsze dwa parametry odpowiadają za odporność materiału (wyrobu) na działanie zewnętrznych źródeł podpalania, pozostałe trzy za możliwość wywołania przez ten materiał pożaru sąsiednich materiałów.

2. Problemy badawcze

Badając w warunkach laboratoryjnych stopień palności materiałów, ich dymotwórczość i emisję toksycznych produktów określa się jedynie zachowanie tych materiałów i ich właściwości w określonych umownych warunkach rozkładu termicznego i spalania, nie zaś ich zachowanie i ich właściwości w warunkach rzeczywistego pożaru. Nie oznacza to, że uzyskane wskaźniki nie mają praktycznego zastosowania. Konieczna jest właściwa interpretacja fizyczna mierzonych parametrów i dobór odpowiednich wartości krytycznych (barier), które stanowią podstawę do oceny (klasyfikacji) materiałów z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów morskich i lądowych.

Ponieważ wartości barier spowalniających proces rozwoju pożaru w fazie przedrozgorzeniowej dobiera się dla warunków eksploatacyjnych obiektu, inne metody badań stosuje budownictwo lądowe, inne morskie, jeszcze inne kolejnictwo, transport lądowy, lotnictwo, itd.

Jako źródła podpalania w badaniach laboratoryjnych stosuje się:

tlący się papieros,

płomień zapałki,

płomień palnika gazowego,

promiennik podczerwieni,

promiennik podczerwieni i płomień palnika gazowego.

Do ważniejszych parametrów materiału decydujących o pożarowym zagrożeniu obiektów technicznych należą intensywność wydzielania ciepła i jego potencjał cieplny. Opracowano wiele metod badań materiałów [4, 32, 18, 19, 37], które umożliwiają pomiar intensywności wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania próbek tych materiałów. Analiza literaturowych i własnych wyników badań intensywności wydzielania ciepła uzyskanych różnymi znormalizowanymi metodami dla tych samych warunków termicznych rozkładu i spalania wykazała, że nie ma korelacji między uzyskanymi wynikami (rys. 9 - 10).

Rys. 9. Porównanie wartości maksymalnych intensywności wydzielania ciepła uzyskanymi metodami wg FTP-5, IMO i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO przy natężeniu strumienia ciepła na powierzchni próbki 50 kW/m² (Badania własne)

Rys. 10. Porównanie własnych wyników badań wartości maksymalnych intensywności wydzielania ciepła uzyskanymi metodami opierającymi się na zasadzie pomiaru ubytku tlenu wg PN-EN 45545-2, Aneks B i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO przy natężeniu strumienia ciepła na powierzchni próbki 50 kW/m² (Badania własne)

Na tej podstawie można wyszczególnić następujące problemy badawcze. Problem badawczy nr 1. Podstawowym nierozwiązanym problemem jest określenie przyczyn znacznych

różnic między wartościami intensywności wydzielania ciepła określonymi różnymi metodami i sposobu ich zmniejszenia.

Problem badawczy nr 2. Ten sam materiał może być stosowany w różnych obiektach technicznych pod warunkiem, że spełnia różne wymagania techniczne dla tych obiektów. W związku z tym pojawia się drugi nierozwiązany problem badawczy, czy istnieje możliwość wstępnej oceny przydatności materiału z punktu

6

widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów morskich na podstawie wyników badań potwierdzających spełnienie wymagań lądowych lub kolejowych oraz możliwość wstępnej oceny przydatności materiału na podstawie badań w małej skali. Problem szczególnie ważny w fazie opracowywania nowych materiałów ze względu na wymiary próbek (rys. 11).

Rys. 11. Proporcje próbek w rozpatrywanych metodach badawczych (Opracowanie własne) Przygotowanie próbek nowych prototypowych materiałów w warunkach laboratoryjnych o dużych wymiarach

jest bardzo trudne. W szczególności dotyczy to układów wielowarstwowych i kompozytów. Jednorodność i powtarzalność wewnętrznej struktury przekazanych do badań próbek decyduje o powtarzalności wyników badań.

3. Tezy i cel pracy

Analiza wyników badań szybkości wydzielania ciepła różnymi metodami pozwala na sformułowanie następujących tez pracy:

1. Korelacja między wynikami pomiaru szybkości wydzielania ciepła, określonymi różnymi metodami badań jest możliwa w przypadkach zbliżonych warunków rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów.

2. Istnieje możliwość wstępnej oceny przydatności materiału z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów technicznych lądowych i morskich na podstawie wyników badań w małej skali.

3. Zmierzona szybkość wydzielania ciepła musi być odniesiona do jednostki powierzchni objętej spalaniem. Celem pracy jest rozwiązanie poniższych problemów: 1. Określenie przyczyn znacznych różnic między wartościami intensywności wydzielania ciepła określonymi

różnymi metodami i sposobu ich zmniejszenia. 2. Określenie możliwości wstępnej oceny przydatności materiału z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia

pożarowego dla obiektów technicznych lądowych i morskich na podstawie wyników badań w małej skali. 3. Określenie możliwości wstępnej oceny przydatności materiału z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia

pożarowego dla obiektów technicznych lądowych i morskich na podstawie wyników badań potwierdzających spełnienie lądowych lub kolejowych i odwrotnie.

4. Kryteria selekcji metod badawczych

Zgodnie z równaniem bilansu cieplnego (1) proces rozkładu termicznego i spalania materiału w czasie badań

laboratoryjnych materiałów możemy przeprowadzić na nieskończenie wiele sposobów w zależności od kombinacji rodzaju i wielkości źródeł podpalania i warunków odprowadzania ciepła oraz udziału ciepła

7

wyzwalanego przez palący się materiał na nagrzewanie kolejnych jego partii otrzymując za każdym razem inną ilość wydzielonego ciepła i intensywność jego wyzwalania, inny skład fizykochemiczny produktów jego rozkładu termicznego i spalania.

Oznacza to, że dobrą powtarzalność i odtwarzalność wyników pomiarów, w granicach dopuszczalnego błędu, można uzyskać zachowując stałość warunków rozkładu termicznego i spalania próbek badanego materiału. Oznacza to bezwzględną konieczność zachowania, określonych normą dla danej metody badań, warunków termicznych rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów. Dotyczy to także układu geometrycznego stanowiska, który ma znaczący wpływ na wymianę ciepła między poszczególnymi jego ścianami i w strefie rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów.

Z stosowanych w praktyce metod badań szybkości wydzielania ciepła wybrano metody: ISO 5660-1 /FTP-10, IMO, FTP-5, IMO/ ISO 5658-2 i PN-EN 13823. Analizowane metody badań różnią się

między sobą warunkami rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów (Tabela 1).

Tabela 1. Porównanie warunków rozkładu

termicznego i spalania (Opracowanie własne)

Metoda badań

ISO 5660-1/ FTP-10, IMO

FTP-5 IMO/ ISO 5658-2

PN-EN 13823

Orientacja badanej próbki

Pionowa, pozioma Pionowa Pionowa

Źródło podpalania

Elektryczny promiennik stożkowy,

iskrowa zapalarka elektryczna

Gazowy płytowy promiennik,

palnik pilotowy

Palnik gazowy emitujący płonący

przedmiot

Rozkład gęstości strumienia ciepła na powierzchni próbki

Stały, równomierny Zmienny Zmienny

Podkład pod próbką

Płyta krzemieniowo-wapienna z folią

aluminiową, wełna szklana z folią

aluminiową

Płyta krzemieniowo-wapienna z folią

aluminiową, płyta betonowa z folią

aluminiową lub bez niej

Płyta krzemieniowo-wapienna,

płyta nie palna z pustką powietrzną, brak podkładu pod

badaną próbką

Rys. 12. Mapa rozkładu temperatury/rozkład punktów pomiarowych na próbce zastępczej w metodzie wg FTP-5, IMO/ISO 5658-2 (Badania własne)

Rys. 13. Wykres rozkładu natężenia strumienia ciepła, dla stanowiska według Kodeksu FTP-5, IMO/ISO 5658-2, wraz z odchyleniami (Badania własne)

Wyniki badania rozkładu natężenia strumienia ciepła wzdłuż próbki miernikiem z czujnikiem typu Gardona

dla stanowiska do badania reakcji na ogień metodami, wg Kodeksu FTP-5, IMO/ISO 5658-2 przedstawiono na rysunkach 12 i 13 natomiast dla metody wg PN-EN 13823 (SBI) poza strefą oddziaływania płomienia (rys. 14) w tabeli 2.

8

Tabela 2. Rozkład natężenia strumienia ciepła na dłuższym skrzydle próbki w metodzie wg PN-EN 13823 (Badania własne)

Położenie (wysokość) 750 mm

Dystans wzdłuż próbki, mm 60 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Wartość średnia gęstości strumienia ciepła, kW/m² 40,25 27,59 15,80 7,43 2,80 1,16 0,94 0,42 0,27 0,16

Odchylenie standardowe, kW/m² 0,53 0,54 0,86 0,35 0,26 0,09 0,02 0,01 0,01 0,01

Położenie (wysokość) 1000 mm

Dystans wzdłuż próbki, mm 60 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Wartość średnia gęstości strumienia ciepła, kW/m² 25,53 20,05 9,81 4,04 1,86 0,93 0,67 0,42 0,26 0,16

Odchylenie standardowe, kW/m² 0,51 0,31 0,41 0,03 0,02 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01

Oszacowanie stałych warunków (rys. 15, rys. 16) rozkładu

termicznego w określonym punkcie, w pobliżu oddziaływania płomienia w metodzie badań według PN-EN 13823 jest trudne. Przyczyną tego jest nieustabilizowany ruch we wszystkich kierunkach płomienia, który dynamicznie obwiewa płaszczyznę próbki i ją nagrzewa. Wykorzystując czujnik prętowy do pomiaru dużych wartości natężenia gęstości strumienia ciepła w strefie oddziaływania płomienia z piaskowego palnika określono całkowitą gęstość strumienia ciepła, będącego sumą konwekcyjnego i radiacyjnego strumienia ciepła, na poziomie

51 ±2 kW/m² (rys. 17).

Z przeprowadzonej analizy literaturowej wynika, że maksymalne natężenie gęstości strumienia ciepła padającego na powierzchnię próbki, w badaniu PN-EN 13823, osiąga wartość 54,81 ± 4,17 kW/m² [2, 25].

Przeprowadzone pomiary w podczerwieni stanowią jakościową analizę różnych warunków rozkładu termicznego i spalania stanowisk według metod PN-EN 13823 i FTP-5, IMO (rys. 18, rys. 19, rys 20).

Rys. 15. Oddziaływanie źródła zapłonu w badaniu PN-EN 13823 trójkątny palnik piaskowy (Badania własne)

Rys. 16. Obraz zarejestrowany za pomocą kamery termowizyjnej, źródła zapłonu w metodzie PN-EN 13823 (Badania własne)

Rys. 14. Rozpieszczenie otworów w strefie LFS w badaniu wg PN-EN 13823 (Opracowanie własne)

9

Temperaturową charakterystykę warunków rozkładu termicznego i spalania próbek materiałów, metodami według PN-EN 13823 i FTP-5, IMO, określono przy pomocy kamery na podczerwień.

Na rysunku 18 i w tabeli 3 przedstawiono wyniki pomiaru temperatur, po upływie 180 s trwania procesu nagrzewania próbki zastępczej wg. metody FTP-5, IMO. Analizę rozkładu temperatur przeprowadzono dla trzech profili: P1, P2 i P3.

Badanie próbki zastępczej metodą wg PN-EN 13823 przeprowadzono zgodnie z wymaganiami normatywnymi. Na rysunku 18, 19 oraz w tabeli 3 przedstawiono wyniki pomiaru temperatur powierzchni próbki zastępczej po 300 s trwania procesu jej nagrzewania (normatywny, charakterystyczny czas dla palnika). Analizę rozkładu temperatur przeprowadzono dla trzech orientacji i pięciu profili: P1, P2, P3, P4 i P5. W wariancie poziomym dwa profile (P1, P3) przechodzą przez punkty pomiaru natężenia strumienia ciepła.

Analizując wyniki badań rozkładu temperatury na dłuższym skrzydle, w metodzie wg PN-EN 13823, można stwierdzić, że wzdłuż i wszerz próbki temperatura maleje. Maksymalną temperaturę, ok. 550°C (rys. 21), na próbce zastępczej odnotowano na wysokości ok. 200 mm nad płaszczyzną głównego palnika trójkątnego. Taką maksymalną wartość temperatury potwierdza dostępny raport z badań.

<< Rys. 17. Porównanie natężenia gęstości strumienia ciepła oddziaływującego na próbkę wg metody PN-EN 13823 i metody wg FTP-5, IMO/ISO 5658-2, przy wykorzystaniu czujnika typu prętowego i czujnika typu Gardona (Badania własne)

10

Rys. 19. Rozkład temperatur na próbce zastępczej, wg PN-EN 13823, z profilami temperatur

dla orientacji poziomej (Badania własne)

Rys. 18. Rozkład temperatury i gęstości strumienia ciepła popadającego na próbkę, wg FTP-5, IMO/ ISO 5658-2 (Badania własne)

Rys.20. Rozkład temperatur na próbce zastępczej, wg PN-EN 13823, z profilami temperatur dla orientacji ukośnej (Badania własne)

11

Duży rozmiar badanej próbki i usytuowanie

źródła ciepła w narożu powoduje, że gęstość strumienia ciepła, będący sumą konwekcyjnego i radiacyjnego strumienia ciepła, nie oddziałuje bezpośrednio na większą płaszczyznę próbki. Średnia temperatura szacowana jest na ok. 150°C. Analizowano zasięg ok. 45 cm oddziaływania konwekcyjnego i radiacyjnego strumienia ciepła pochodzącego ze spalającego się gazu energetycznego. Średnia temperatura zarejestrowana przy użyciu kamery termowizyjnej przyjmuje wartość 200°C.

Wystąpienie zbliżonych warunków rozkładu termicznego i spalania do pozostałych metod w metodzie wg PN-EN 13823 znajduje się w obszarze bezpośredniego oddziaływania płomienia – co potwierdzają zarejestrowane wartość temperatur dla metod wg PN EN 13823 i FTP część 5 IMO.

W tabeli 3 przedstawiono wartości z sześciu pomiarów z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. Pomiary termograficzne wykonano w odstępie co 4 minuty.

Tabela 3. Wartości temperatury powierzchni badanej próbki po procesie nagrzewania

Na podstawie analizy warunków rozkładu termicznego i spalania metodami: ISO 5660-1/FTP-10 IMO, FTP-5,

IMO/ISO 5658-2 oraz PN-EN 13823 ustalono, że we wszystkich metodach występują, w początkowej fazie badania, warunki termiczne, w których gęstość strumienia ciepła wynosi 50 kW/m² ± 2 kW/m².

Rys. 21. Histogram temperatury, w bezpośrednim oddziaływaniu źródła podpalania, w metodzie według PN-EN 13823 i wg FTP-5, IMO/ISO 5658 (Badania własne)

Wartość mierzona Wartość średnia temperatury

Mediana Odchylenie standardowe

FTP-5, IMO / ISO 5658

Minimalna temperatura, °C 97,67 98,55 3,51

Maksymalna temperatura, °C 550,10 551,85 5,28

Średnia temperatura, °C 257,63 257,35 2,57

PN-EN 13823 – długość całej próbki 100 cm




PN-EN 13823 – fragment próbki 50 cm




12

5. Przegląd wyników badań literaturowych Rozwiązaniem wspomnianych problemów badawczych zajmuje się wiele ośrodków naukowo-badawczych –

głównie europejskich po wprowadzeniu normy PN-EN 13823 (duża skala). Do ważniejszych, moim zdaniem, prac w tym zakresie należą: V. Babrauskas [1], Z. Sychta [31], R.E. Lyon i A.

Abramowitz [14], M. Konecki [10], B.Kristoffersen [11], L. Tsantaridis [34], B. A.Östman, R. M. Nussbaum [17], B. Papis [20], T. Hakkarainnen i M. Kokkala [5], R. Getka [4], K.Sychta [30], A. Kolbrecki [8], Yoh Chyurn Ding, Ding Ping Yen [36].

W raporcie [12] napisanym przez L. Tsantaridis i B. Östman porównano maksymalne szybkości wydzielania ciepła, określone metodami: wg ISO 5660-1 i PN-EN 13823 dla dwudziestu siedmiu materiałów (rys. 22). Podobne badania wykonali A. Kolbrecki, M. Konecki, B. Papis [2,3] (rys. 23).

<< Rys. 22. Porównanie wartości maksymalnych szybkości wydzielania ciepła uzyskane metodami opierającymi się na zasadzie ubytku tlenu według PN-EN13823 i wg ISO 5660-1 (Źródło: opracowanie własne na podstawie literatury [12])

Natomiast w pracach B. Östmana,T [19], Hakkarainnen [6], A. Steen Hansen [27], a także M. Koneckiego [10] do określenia intensywności wydzielania ciepła metodą ISO 5660-1 przyjęto wartość natężenia strumienia cieplnego 50 kW/m². Była to wartość przy której otrzymano najlepsze korelacje doświadczalne pomiędzy metodami: według PN-EN 13823 oraz wg ISO 5660-1.

A. Lukošius razem z V. Vekteris [13] brak korelacji pomiędzy wynikami badań, metodami wg PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1, tłumaczyli dużą niepewnością pomiaru intensywności wydzielania ciepła spowodowany pomiarem udziału molowego tlenu w spalinach oraz masowym przepływem gazów w kanale wylotowym mierzonym za pomocą sondy dwukierunkowej, która ulegała zapychaniu przez produkty niecałkowitego spalania.

Badano również korelację wskaźnika szybkości wzrostu pożaru (FIGRA) [12]. Duży rozrzut otrzymanych wyników badań metodami ISO 5660-1 i PN-EN 13823 (rys.24) tłumaczono dużymi różnicami w ich składzie chemicznym. W związku z tym zaproponowano podział na materiały naturalne (drewnopochodne), tworzywa sztuczne oraz materiały trudnopalne oraz wyroby wielowarstwowe (Tabela 4).

Rys. 23. Zależność między wynikami maksymalnej

szybkości wydzielania ciepła uzyskanymi metodami: według PN-EN 13823 i ISO 5660-1 (Źródło: opracowanie własne na podstawie literatury [8, 9])

Rys.24. Korelacja (R²) wskaźnika wzrostu pożaru FIGRA na podstawie danych z Raportu Trätek [12]

13

Tabela 4. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) FIGRA dla różnych metod badawczych – dane literaturowe

Autor/ Instytucja

FIGRA współczynnik korelacji R²

Materiały drewnopochodne

Tworzywa sztuczne

Materiały typu sandwich

ISO 5660-1 do ISO 9705

Tsantaridis [12] 0,72 – -0,24

PN-EN 13823 do ISO 5660-1

Tsantaridis [12] 0,78 0,27 -0,24

Yoh Chyurn [36] 0,74 0,20 –

VTT [24] 0,75 – –

ISO 9705 do PN-EN 13823

Tsantaridis [12] 0,91 0,35 0,997

Źródło: opracowanie własne na podstawie literatury

Zgodnie z sugestiami wspomnianych autorów istnieje potrzeba prowadzenia dalszych prac naukowo-badawczych w tym zakresie.

14

6. Badania własne

6.1. Charakterystyka badanych materiałów/wyrobów

Do badań wybrano materiały z tworzyw naturalnych i sztucznych o zróżnicowanym składzie i właściwościach fizycznych (tabela 5).

Tabela 5. Wybrane właściwości fizyczne i termochemiczne badanych materiałów

Oznaczenie materiału wyrobu

Materiał/ wyrób Grubość,

mm

Gęstość powierzchniowa,

kg/m²

Opis składu materiału/producent

Wyroby lignocelulozowe (drewnopochodne)

D1 Płyta wiórowa laminowana

10 7,13

SWISS KRONO sp. z o.o.

D2 28 18,81

D3 Płyta wiórowa

10 7,59

D4 28 17,95

D5 Płyta wiórowa STOP FIRE 18 12,49

D6 Płyta OSB

10 6,54

D7 28 15,14

D8 Płyta OSB STOP FIRE 12 8,61

D9 Płyta MDF

10 7,98

D10 28 21,57

D11 Płyta MDF laminowana 18 16,02

D12 Płyta MDF STOP FIRE

laminowana 18 17,57

Płyty (ścienne / dekoracyjne) na bazie płyt karton gipsu

D13 Płyta karton gips (k/g) 7,1 7,90 Norgips Sp. z o.o.

D14 Tapeta papierowa

klejona na płycie k/g 7,2 8,20

Tapeta papierowa nr 1641403 Trend Tapety Sp. z o.o.

D15 Płyta k/g z powłoką

malarską 7,6 8,85

Farba lateksowa DULUX na płycie karton gips

D16 Tapeta z włóknem

mineralnym klejona na płycie k/g

8,2 11,51 PS-International

Pickhardt + Siebert GmbH

Wyroby z tworzyw sztucznych

D17 Wykładzina CP 51 8 14,38 RADICI PIETRO Industrles &Brands S.p.A.

D18 Laminat poliestrowo

szklany STOP FIRE 15 15,56

Cztery warstwy laminatu poliestrowo szklanego z żywicą Crystic 344 A z

dodatkiem wypełniacza Crystic Filler CO


szklany 4 5,08

Żywica: BUFA Firestop; mata szklana; farba podkładowa: Etokat Primer; farba

nawierzchniowa: Nuvovern


szklany z pianą 8 6,85

Żywica: BUFA Firestop; mata szklana; farba podkładowa: Etokat Primer; farba

nawierzchniowa: Nuvovern Piana Airex

D21 Plandeka

Mata z pianki PE z folią 3 0,38

Grupa ART-POL Polietylen

D22 Pianka XPS 7 0,31 polistyren ekstrudowany

D23 EPDM – Mieszanka gumowa na bazie

kauczuków 5 10,55 CO.ME.T S.r.I

D24 Panele PCV 2,2 11,80 -

D25 Pianka PP 1,3 0,29 Polipropylen

6.2. Wyniki badań własnych

Wyniki badań przedstawiono graficznie na rysunkach od numeru 25 do 36 oraz w tabelach 6-8.

.

15

Rys. 25. Porównanie wartości maksymalnej szybkości wydzielania ciepła w kW z materiałów metodą

według ISO 5660-1/ FTP-10, IMO, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ISO 5658-2

16

Rys. 26. Porównanie wartości MARHE badanych materiałów metodą według ISO 5660-1/ FTP-10, IMO, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ISO 5658-2

17

Rys. 27. Porównanie wartości FIGRA badanych materiałów metodą według ISO 5660-1/ FTP-10, IMO , PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ ISO 5658-2

18

Rys. 28. Porównanie wartości HRRmaks uzyskanych metodami wg PN-EN 13823 i wg FTP -5, IMO dla wszystkich materiałów

Rys. 29. Porównanie wartości HRRmaks uzyskanych metodami wg PN-EN 13823

i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów

Tabela 6. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) maksymalnej szybkości wydzielania

ciepła (HRR) -kW

Współczynnik korelacji R² maksymalnej szybkości wydzielania ciepła


Tworzywa sztuczne

Materiały trudnopalne

PN-EN13823 do ISO 5660-1 / FTP-10, IMO

0,62 0,14 0,45

PN-EN13823 do FTP-5, IMO/ISO 5658-2

0,82 0,02 0,52

FTP-5, IMO/ISO 5658-2 do ISO 5660-1 /FTP-10, IMO

0,49 0,77 0,84

Rys. 30. Porównanie wartości HRRmaks uzyskanych metodami wg FTP-5, IMO i wg ISO 5660-1/ FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów

19

Rys. 31. Porównanie wartości MARHE uzyskanych metodami według PN-EN 13823 i wg FTP-5, IMO dla wszystkich materiałów

Rys. 32. Porównanie wartości MARHE uzyskanych metodami według PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1/FTP-10,IMO dla wszystkich materiałów

Tabela 7. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) MARHE – kW

Współczynnik korelacji R² MARHE - kW


Tworzywa sztuczne


PN-EN13823 do ISO 5660-1 /FTP-10, IMO

0,66 0,05 0,27


0,86 0,49 0,06


0,61 0,84 0,67 Rys. 33. Porównanie wartości MARHE uzyskanych metodami według FTP- 5, IMO i wg

ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów

20

Rys. 34. Porównanie wartości FIGRA uzyskanych metodami wg PN-EN 13823 i wg FTP -5, IMO dla wszystkich materiałów

Rys. 35. Porównanie wartości FIGRA uzyskanych metodami wg PN-EN 13823

i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów

Tabela 8. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) FIGRA –W/s

Współczynnik korelacji R² FIGRA – W/s


Tworzywa sztuczne



0,83 0,05 0,04


0,88 0,49 0,37

FTP-5, IMO/ISO5658-2 do ISO 5660-1/ FTP-10, IMO

0,45 0,36 0,81 Rys. 36. Porównanie wartości FIGRA uzyskanych metodami wg FTP-5, IMO i wg ISO 5660-1

/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów

21

Uzyskane wyniki potwierdzają brak korelacji między metodami badawczymi ISO 5660-1/FTP-10, IMO, FTP-5, IMO/ISO 5658-2 oraz PN-EN 13823.

7. Analiza wyników badań własnych

7.1. Kształt funkcji krzywych szybkości wydzielania ciepła

Analizując wyniki badań właściwości pożarowych materiałów zauważa się, że kształt krzywych szybkości wydzielania ciepła, tzn. zmienność ich przebiegu w różnych fazach spalania materiału palnego jest zbliżony do siebie w sensie jakościowym (rys. 37). Krzywe szybkości wydzielania ciepła mają najczęściej kształt niesymetryczny i uzależnione są od rodzaju włókien materiału palnego naturalnego czy sztucznego, a mianowicie:

tworzywa sztuczne spalają się gwałtownie z jednoczesnym wydzielaniem się bardzo dużych ilości ciepła; przebieg rozkładu termicznego przybiera zazwyczaj skokowy „ostry” jeden pik lub też pik rozciągnięty w czasie z powodu uplastycznienia materiału termoplastycznego.

tworzywa naturalne (drewno) wykazują charakterystyczny „dwugarbny” przebieg zmian szybkości wydzielania ciepła w czasie. Powstanie charakterystycznego tzw. „siodełka” na krzywej szybkości wydzielania ciepła jest typowe dla procesu tworzenia się na powierzchni materiału warstwy zwęglonej, która stanowi barierę penetracji płomienia w głębszych ich warstwach. W ten sposób powstaje naturalna blokada utrudniająca przepływ energii cieplnej przez produkty powstałe w trakcie rozkładu termicznego.

W analizie porównawczej uzyskanych

wyników badań oraz w oparciu o studium literatury przedmiotem zainteresowania staje się pierwsza faza oddziaływania źródła podpalania próbki od zapłonu do osiągnięcia maksymalnej wartości –charakterystycznego pierwszego piku (garbu). Początkowy pik (garb) jest najbardziej reprezentatywny i można go porównywać z innymi wynikami uzyskanymi w odmiennych metodach badań palności materiałów. Ponadto opisuje stan i reakcję oddziaływania strumienia ciepła pochodzącego od źródła podpalania. Początkowy szybki rozwój procesu spalania wytwarza warstwę zwęgloną, która stanowi „blokadę” do wnikania ciepła i tlenu do wnętrza spalanego materiału, ograniczając intensywność wydzielania ciepła. Drugi pik (garb) odnosi się do spalania podpowierzchniowych warstw materiału badanego oraz oddziaływania dodatkowego strumienia ciepła (w badaniu wg metody PN-EN 13823) pochodzącego od drugiego skrzydła testowanej próbki która pali się pod kątem prostym.

7.2. Określenie efektywnej powierzchni wydzielania ciepła

Tak duże różnice maksymalnych wartości intensywności wydzielania ciepła, MARHE i FIGRA spowodowane są różnymi wielkościami badanych próbek. Oznacza to występowanie różnych wielkości powierzchni czynnych objętych spalaniem.

Rys. 37. Krzywe szybkości wydzielania ciepła dla drewna i tworzywa sztucznego w różnych metodach badań (Drewno –płyta OSB grubości 10 mm; Tworzywo sztuczne –polistyren spieniony grubości 6 mm) (Badania, opracowanie własne)

22

Masowa szybkość spalania jest funkcją powierzchni A objętej spalaniem:

m = mA ∙ A, kg ∙ s−1 (5)

Oznacza to, że również intensywność wydzielania ciepła (HRR) jest funkcją powierzchni objętej spalaniem:

HRR = ηsp ∙ mA ∙ csp ∙ A = 𝐻𝑅𝑅𝐴 ∙ 𝐴, kW (6)

Zatem intensywność wydzielania ciepła z jednostki powierzchni objętej spalaniem określa wzór:

HRRA =HRR

A, kW ∙ m−2 (7)

W związku z tym AVHRA i jego maksimum MARHEA wyznacza się z zależności:

HRRA(t) =HRR

A, kW ∙ m−2 (8)

AVHRA(t) =1

(t−t1)∙ ∫ HRRA (t) ∙ dt,

t

t0 kW ∙ m−2 (11)

MARHEA = max AVHRA (t) (12)

gdzie: HRRA(t) - intensywność wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni, kW/m², A - powierzchnia czynna eksponowanej próbki materiału, m², HRR - intensywność wydzielania ciepła, kW, t - czas początku pomiaru, s, t1 - czas zakończenia pomiaru, s.

Algorytmy określenia powierzchni czynniej objętej spaleniem dla poszczególnych metod są następujące:

ISO 5660-1 / FTP-10, IMO (mała skala) - cała powierzchnia próbka materiału (0,0088 m2) poddana oddziaływaniu stożkowego promiennika podczerwieni. W związku z tym AVHRA i jego maksimum MARHEA wyznacza się z zależności:

HRRA(t) =HRR

A, kW ∙ m−2 (8)

FTP część 5, IMO / ISO 5658-2 (średnia skala) – zmienną w czasie powierzchnię czynną próbki AFTP określa się na postawie średniej szybkości rozprzestrzeniania się płomienia wzdłuż próbki:

AFTP(t) = d ∙ v(t) ∙ tstrefa , m2 (13)

gdzie: 𝐴𝐹𝑇𝑃(𝑡) - powierzchnia czynna eksponowanej próbki materiału w badaniu FTP cz.5 IMO, m2,

d - szerokość próbki w badaniu FTP cz.5 IMO, m, v(t) - prędkość rozprzestrzeniania się czoła płomienia po i-tej strefie, m/s, tstrefa - czas przejścia czoła płomienia przez i-tą strefę , s.

PN-EN 13823 (duża skala) – zmienne w czasie pole powierzchni. Pola bezpośredniego oddziaływania płomienia na próbce, w pierwszej fazie badania metodą PN-EN 13823, określono doświadczalnie. Próbki materiałów poddano oddziaływaniu płomienia palnika głównego, o normatywnej mocy 30 kW, w czasie 5. minut. Dyfuzyjny płomień z trójkątnego piaskowego palnika przybiera kształt stożka, który bezpośrednio oddziaływuje na powierzchnię próbki. Po oględzinach próbek poddanych działaniu płomienia przyjęto powierzchnię czynną, która przybiera kształt paraboli (rys. 38), Przyjmuje się, że powierzchnie oddziaływania ognia przyjmują kształt figur prostych. Parametry paraboli uwarunkowane są rodzajem badanego materiału. Na podstawie dokonanych obserwacji (rys. 38) dla pola powierzchni objętej spalaniem zastosowano kształt paraboli

23

ASBI(t) =4

3∙ L(t) ∙ h(t), 𝑚2 (14)

7.3. Skorygowane wyniki badań własnych

Graficznie przedstawiono, odniesione do jednostki powierzchni, wartości średnie: maksymalnej szybkości wydzielania ciepła (rys. 39) oraz maksymalnej średniej całkowej szybkości wydzielania ciepła – MARHE (rys. 40).

Przeprowadzono również analizę porównawczą wymienionych parametrów pomiędzy poszczególnymi metodami przy pomocy regresji liniowej. Wyniki analizy przedstawiono graficznie na rysunkach 41 ÷ 46.

W tabelach 9 i 10 przedstawiono współczynniki korelacji – R2. Uzyskano zadawalającą zgodność wyników w badaniach dotyczących maksymalnej szybkości wydzielania ciepła.

gdzie: 𝐴𝑆𝐵𝐼(𝑡) - powierzchnia czynna eksponowanej próbki materiału w badaniu PN-EN 13823, m

2,

L(t) - przejście przez i-tą strefę przy podstawie , m,

h(t) - wysokość powierzchni czynnej od 1m do 1,5m, m,

Rys. 38. Mechanizm oszacowania powierzchni czynnej, w czasie 5 minut oddziaływania płomienia z palnika, w metodzie wg PN-EN 13823 (Badania własne)

24

Rys. 39. Porównanie wartości maksymalnej szybkości wydzielania ciepła w przeliczeniu na jednostkę powierzchni materiału uzyskane metodami według ISO 5660-1/

FTP-10, IM0, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ISO 5658-2

25

Rys. 40. Porównanie wartości MARHE, w przeliczeniu na jednostkę powierzchni materiału, metodą według: ISO 5660-1/ FTP-10, IMO, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ISO 5658-2

26

Rys. 41. Porównanie wartości HRR, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg PN-EN 13823 i wg FTP-5, IMO dla wszystkich materiałów

Rys. 42. Porównanie wartości HRR, na jednostkę powierzchni, uzyskanych

metodami kalorymetrycznymi wg PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów

Tabela 9. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) maksymalnej szybkości wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni

Współczynnik korelacji R² maksymalnej szybkości wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni


Tworzywa sztuczne



0,94 0,89 0,72


0,94 0,96 0,93


0,91 0,89 0,71

Rys. 43. Porównanie wartości HRR, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg FTP-5, IMO i wg ISO5660-1/FTP-10, IMO, dla wszystkich materiałów

27

Rys. 44. Porównanie wartości MARHE, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg PN-EN 13823 i wg FTP-5, IMO dla wszystkich materiałów

Rys. 45. Porównanie wartości MARHE, na jednostkę powierzchni, uzyskanych

metodami kalorymetrycznymi wg PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów

Tabela 10. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) MARHE na jednostkę powierzchni

Współczynnik korelacji R² MARHE na jednostkę powierzchni


Tworzywa sztuczne


PN-EN13823 do ISO 5660-1 / FTP-10, IMO

0,91 0,67 0,75


0,57 0,23 0,92

FTP-5, IMO/ISO 5658-2 do ISO 5660-1 / FTP-10, IMO

0,57 0,33 0,19

Rys. 46. Porównanie wartości MARHE, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg FTP-5, IMO i wg ISO5660-1 /FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów

28

Brak zgodności wyników z badań wartości maksymalnej średniej całkowej intensywności wydzielania ciepła – MARHE (rys. 44÷ 46, Tabela 10), spowodowane jest przejściem tego maksimum w drugą fazę spalania, co skutkuje zmianą warunków rozkładu termicznego i spalania (rys.48). Stąd też należy rozpatrywać uzyskane wyniki z badań w pierwszym okresie badania, gdy warunki termiczne są zbliżone we wszystkich metodach badawczych.

Rys. 48. Szybkość wydzielania ciepła oraz średnia całkowa szybkość wydzielania ciepła (AVHR) z jednostki powierzchni

materiału płyta wiórowa laminowana grubości 10 w funkcji czasu (Badania własne)

8. Podsumowanie

Przeprowadzone badania porównawcze szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni objętej spalanie metodami wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO, FTP część 5, IMO/ISO 5658 i PN EN 13823 wykazały, że istnieje korelacji między uzyskanymi wynikami.

Wykazano, że jedną z przyczyn powodujących brak korelacji jest nieuwzględnienie powierzchni objętej spalaniem.

Uzyskanie porównywalnych wartości tych samych parametrów, na różnych stanowiskach badawczych, można osiągnąć wtedy i tylko wtedy, gdy bada się je w tych samych warunkach rozkładu termicznego i spalania. W związku z tym, przystępując do badań korelacji wyników badań uzyskanych różnymi metodami, należy przeprowadzić dokładną analizę warunków rozkładu termicznego i spalana badanych próbek. Poza tym wielkości porównywane muszą być odniesione do jednostki powierzchni objętej spalaniem.

Na podstawie analizy warunków rozkładu termicznego i spalania metodami: ISO 5660-1/FTP-10 IMO, FTP-5, IMO/ISO 5658-2 oraz PN-EN 13823 ustalono, że we wszystkich metodach występują, w początkowej fazie badania, warunki termiczne, w których gęstość strumienia ciepła wynosi 50 kW/m² ± 2 kW/m².

Uzyskana zgodność wyników badań szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni badanych materiałów pozwala na wstępną ocenę ich przydatności, z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów technicznych lądowych i morskich, na podstawie wyników badań w małej skali.

Problem szczególnie ważny w fazie opracowywania nowych bezpiecznych materiałów ze względu na wymiary próbek.

W celu potwierdzenia słuszności stosowania zaproponowanej metody należy

przeprowadzić jeszcze dalsze badania, w tym polepszenia zgodności wyników pozostałych parametrów klasyfikacyjnych – maksymalnej średnie całkowej szybkości wydzielania ciepła (MARHE) i wskaźnika wzrostu pożaru (FIGRA).

29

9. Wnioski

1. Na podstawie analizy badań literaturowych i własnych, w warunkach laboratoryjnych, rozkładu

termicznego i spalania, uzyskanie porównywalnych wartości tych samych parametrów, na różnych stanowiskach badawczych, można osiągnąć wtedy i tylko wtedy, gdy bada się je w tych samych warunkach rozkładu termicznego i spalania.

2. Dobrą powtarzalność wyników pomiaru na danym stanowisku można uzyskać zachowując stałość warunków wymiany ciepła elementów stanowiska oraz rozkładu termicznego i spalania próbek badanego materiału oraz konserwacji urządzeń pomiarowych po każdej serii testu.

3. Przeprowadzone badania porównawcze intensywności wydzielania ciepła z jednostki powierzchni objętej spalanie metodami wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO, FTP część 5, IMO/ISO 5658 i PN EN 13823 wykazały, że istnieje korelacji między uzyskanymi wynikami.

4. Można ze sobą porównywać wyniki badań szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni metodami: ISO 5660-1/FTP-10, IMO; FTP-5, IMO/ISO 5658; PN-EN 13823 tylko w pierwszej fazie badania do wystąpienia pierwszego maksimum szybkości wydzielania ciepła, ponieważ w tym okresie proces rozkładu termicznego i spalania próbek (danego materiału) zachodzi w zbliżonych warunkach termicznych.

5. Pomiary szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni w małej skali (metoda ISO 5660-1/FTP-10, IMO) pozwalają oszacować wartości maksymalnej szybkości wydzielania ciepła w dużej skali (metoda PN-EN 13823).

6. Na podstawie pomiaru szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni metodą FTP-5, IMO/ ISO 5658-2 pozwalają oszacować wartość maksymalną szybkości wydzielania ciepła określoną metodą wg PN-EN 13823 (SBI).

7. Materiał/ wyrób, który spełnia, podczas badania wg FTP-5, IMO określone w Kodeksie FTP:2010 parametry to przewidywalnie spełni również wymagania dla budownictwa kolejowego (PN-EN 45545-2: 2012) dla wymagania R1, R2, R3 w kategoriach projektowych taboru kolejowego HL1, HL2 i HL3 oraz ten sam materiał może również spełnić wymagania budownictwa lądowego (PN-EN 13501-1:2010) dla klasy reakcji na ogień B.

8. Konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań, w tym dotyczących polepszenia zgodności wyników pozostałych parametrów klasyfikacyjnych - maksymalnej średnie całkowej intensywności wydzielania ciepła - MARHE i wskaźnika wzrostu pożaru FIGRA.

30

10. Zastosowanie wyników badań materiałów w małej skali do wstępnej oceny przydatności dla różnych obiektów technicznych

Ten sam materiał może być stosowany w różnych obiektach technicznych pod warunkiem, że spełnia różne

wymagania techniczne dla tych obiektów. W związku z tym opracowano możliwość wstępnej oceny przydatności danego materiału z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla wymagań morskich na podstawie wyników badań potwierdzających spełnienie wymagań lądowych lub kolejowych i odwrotnie.

Pożarowe wymaganie techniczne dla obiektów technicznych określają w:

budownictwie morskim – Kodeks FTP:2010,

budownictwie kolejowym – PN-EN 45545-2:2012,

budownictwie lądowym – PN-EN 13501-1:2010.

Przy klasyfikacji ogniowej zazwyczaj wymagane jest spełnienie kilku parametrów. Na podstawie przeprowadzonych badań wg metody ISO 5660-1 / FTP-10, IMO przy ekspozycji

promieniowania cieplnego 50 kW/m² w obecności elektrycznej zapalarki iskrowej, gdy równocześnie spełnione będą warunki:

średniej maksymalnej szybkość wydzielania ciepła ≤ 1,3 kW,

MARHE ≤ 50 kW, to spełnione mogą być wymagania:

kolejowe wg PN-EN 45545-2:2013 na poziomie R1/ R7 (HL1, HL2, HL3) oraz R3 (HL1, HL2, HL3),

lądowe wg PN-EN 13501-1:2010,

morskie wg Kodeksu FTP-5, IMO. Badając materiał na stanowisku wg metody ISO 5658-2/ FTP-5 IMO, gdy równocześnie uzyska :

gęstość krytycznego strumienia ciepła ≥ 20 kW/m²,

maksymalną szybkość wydzielania ciepła ≤ 5,5 kW, to może spełnić wymagania kolejowe wg PN-EN 45545-2:2013 na poziomie R1/R7 (HL2) oraz budownictwa

lądowego na poziomie klasy reakcji na ogień C. Jeżeli natomiast materiał/ wyrób spełnia, podczas badania wg FTP-5, IMO określone w Kodeksie FTP:2010

parametry to przewidywalnie spełni wymagania dla budownictwa kolejowego (PN-EN 45545-2: 2012) dla wymagania R1, R2, R3 w kategoriach projektowych taboru kolejowego HL1, HL2 i HL3. Ten materiał może również spełnić wymagania budownictwa lądowego (PN-EN 13501-1:2010) dla klasy reakcji na ogień A2 lub B.

Gdy materiał osiągnie klasę C reakcji na ogień wyrobów to jednocześnie może spełnić wymagania dla taboru kolejowego R1 i R7 dla poziomu zagrożenia HL2 oraz dla R3 w kategorii HL1, HL2 I HL3. Natomiast gdy materiał wyrób uzyska klasę C to najprawdopodobniej nie będzie mógł być stosowany w środkach transportu kolejowego i morskiego.

31

11. Literatura autoreferatu 1. Babrauskas,V. Bench – scale methods for prediction of full – scate fire behaviour of furnishings and wall linings.

Technical Report 84-10, Society of Fire Protection Engineers Boston, USA, b.m.r.w. 2. F. H. Prager, H. Rosteck, Polyurethane and Fire: Fire Performance Testing under Real Conditions, WILEY VCH Verlag

GmbH& Co. 2006, s. 113 –119. 3. FTP, Part 5 IMO, Test for Surface flammability. Res. A.653(16) IMO Recommendation on improved fire test

produres for surface flammability of bulkhead, ceiling and deck finish materials. 4. Getka R., Contribution to the concept of the constructional fire protection of accommodation spaces on ships,

Szczecin 2011. 5. Hakkarainnen T., Kokkala M. Two wood products- A comparison of test results between ISO 5660 and EN 13823,

DBI Report 2006:01, Danish Institute of Fire and Security Technology. 6. Hakkarainnen T., Kokkala M., Application of a one-dimensional thermal flame spread model on predicting the rate

of heat release in the SBI test, Fire and Materials Vol. 25, Issue 2, March 2001. 7. ISO 5660-1: 2015 Reaction to fire tests. Heat release, smoke production and mass loss rate. Part 1: Heat release

rate (cone calorimeter method) and smoke production rate (dynamic measurement). 8. Kolbrecki A., Konecki M., Papis B., Badania parametrów emisji ciepła i dymu wybranych materiałów

wykończeniowych metodą SBI, Prace instytutu Techniki Budowlanej nr 3 (151) 2009. 9. Kolbrecki A., Konecki M., Papis B., Badanie emisji ciepła i dymu z materiałów budowlanych metodą kalorymetru

stożkowego według ISO 5660, Prace instytutu Techniki Budowlanej nr 3 (151) 2009. 10. Konecki M., Wpływ szybkości wydzielania ciepła i emisji dymu na rozwój pożaru w układzie pomieszczeń. SGSP.

Warszawa 2007. 11. Kristoffersen B., Using the Cone Calorimeter for screening and control testing of fire retarded wood products,

Nordtest project 1526-01, Trondheim 2003. 12. L. Tsantaridis, B. A. Östman, Cone Calorimeter Data and Comparisons for the SBI RR Products, Trätek, Rapport I

9812090, Stockholm 1999. 13. Lukošius A., Vekteris V., Precision of Heat Release Rate Measurement Results, Measurement Science Review,

Vol. 3, Section 3, 2003. s. 13-16. 14. Lyon R.E., Abramowitz A., Effect of instrument response time on heat release rate measurement, Fire and

Materials, Vol. 19, 1995, s. 11-17. 15. Mikkola E., Östman B. A., , European classes for the reaction to fire performance of wood products, Holz als Roh-

und Werkstoff, Germany 2006. 16. Östman B. A., Mikkola E., European Classes for the Reaction to Fire of Wood Products (Excluding Floorings), Trätek

Report I 0411025, SP Report 2004:11025, SP Technical Research Institute of Sweden, Borås 2004. 17. Östman B. A., Nussbaum R. M., Correlation between Small-Scale Rate of Heat Release and Full-Scale Room

Flashover for Surface Linings in Fire Safety Science—Proceedings of the Second International Symposium, T Wakamatsu, Y. Hasemi, A. Sekizawa, P. G. Seeger, P. J. Pagni and C. E. Grant, ed., New York 1989, Hemisphere Publishing Corporation, s. 823-832.

18. Östman B. A., Tsantaridis L. D., Correlation between Cone Calorimeter Data and Time to Flashover in the Room Fire Test, Fire and Materials, Vol. 18, Issue 4 1994, s. 205-209.

19. Östman B. A., Tsantaridis L., Fire retardant treated wood products, SP Technical Research Institute of Sweden Wood Building Technology, Lisbon 2016.

20. Papis B., Metoda kalorymetru stożkowego w ocenie reakcji na ogień wyrobów budowlanych. Autoreferat rozprawy doktorskiej, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2011.

21. Parker W.J Calculation of heat release rate by oxygen consumption for various applications, J. Fire Sciences. 2 1984 22. PN-EN 13823: 2014 Badania reakcji na ogień wyrobów budowlanych. Wyroby budowlane, z wyłączeniem posadzek,

poddane oddziaływaniu termicznemu pojedynczego płonącego przedmiotu. 23. PN-EN 45545-2+A1: 2012, Kolejnictwo, Ochrona przeciwpożarowa w pojazdach szynowych, Część 2: Wymagania

dla materiałów i elementów w zakresie właściwości ogniowych. 24. Predicting SBI test results on the basis of cone calorimeter data http://virtual.vtt.fi (dostęp: czerwiec 2016) 25. PSTM Headquarters,E119-16a, Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials, ASTM

International, West Conshohocken, http://www.astm.org (dostęp: wrzesień 2016). 26. Steen Hansen A., Kristoffersen B., Prediction of fire classification for wood based products. A multivariate statistical

approach based on the cone calorimeter, Fire and Materials Vol. 25, Issue 3, April 2007, s.207-223. 27. Steen Hansen A., Prediction of heat release in the single burning item test, Fire and Materials, Vol. 26, Issue 2

March 2002, s. 87–97. 28. Steen-Hansen A., Kristoffersen B. Prediction of fire classification for wood based products. A multivariate statistical

approach based on the cone calorimeter Fire and Materials Volume 31, Issue 3, April/May 2009.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/fam.934/abstract

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/fam.934/abstract

32

29. Sudoł, E, Kolbrecki. A., Trwałość zabezpieczeń ogniochronnych drewna gatunków egzotycznych. Przegląd Budowlany 5/2014 s.62-65.

30. Sychta K., Analiza porównawcza badań intensywności wydzielania ciepła przez materiały okrętowe oraz metoda poprawy dokładności pomiaru, Rozprawa doktorska, Politechnika Szczecińska, Szczecin 2006.

31. Sychta Z., Badania materiałów i kryteria oceny z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego, Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej nr 570, Szczecin 1996.

32. Sychty Z., Spowolnienie procesu rozkładu termicznego i spalania materiałów. Podstawowym warunkiem bezpieczeństwa pożarowego obiektów technicznych, Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej nr 570, Szczecin 2002.

33. Tsantaridis L., Precision of Heat Release Rate Measurement Results, Measurement Science Review, Vol. 3, Section 3, 2003.

34. Tsantaridis L., Reaction to fire performance of wood and other building products – Cone Calorimeter results and analysis, Doctoral Thesis, KTH- Royal Institute of Technology, Department of Civil and Architectural Engineering, Stockholm 2003.

35. Van Hees P., Hertzberg T., Steen Hansen A., Development of a Screening Method for the SBI and Room Corner using the Cone Calorimeter, Nordtest project 1479-00, SP Swedish National Testing and Research Institute. Borås 2002.

36. Yoh Chyurn Ding, Ding Ping Yen, Chiun Hsun Chen, The combustibility and toxicity research of new and innovative building materials, Architecture and Building Research Institute, Ministry of the Interior, ROC (Taiwan). New Taipei City 2005.

12. Publikacje własne 1. Kopański M.: Badania laboratoryjne pożaru siedzisk tapicerowanych starszego typu w wagonie kolejowym,

Przegląd komunikacyjny. 2/2013. 2. Kopański M.: Politechnika Krakowska. Pasywne środki ochrony transportu materiałów niebezpiecznych drogą

morską. Konferencja „Nauka i Przemysł”, Kraków . 3. Kopański M.: Bezpieczeństwo pożarowe taboru kolejowego w województwie zachodniopomorskim, 2013.

Transport w rejonie Pomorza Zachodniego, pod red. I. Semenova i A. Wiktorowskiej-Jasik. 4. Kopański M.: Wpływ barwników na stopień palności poliamidu 6. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza. 3/2013 . 5. Kopański M.: Zastosowanie metod kalorymetrycznych do oceny zagrożenia pożarowego środków transportu

stwarzanego przez meble tapicerowane. Logistyka 5/2014. 6. Kopański M.: Bezpieczeństwo na terenie budowy domu jednorodzinnego. III Konferencja „Inżynieria

Bezpieczeństwa a zagrożenie cywilizacyjne, zagrożenia CBRNE” Częstochowa 2014. 7. Kopański M.: Badanie palności mebli tapicerowanych. Technika, Informatyka, Inżynieria Bezpieczeństwa. Prace

Naukowe Akademii im. Jana Długosza w Częstochowie. Częstochowa 2014. 8. Kopański M.: Sposoby badania układów tapicerowanych będących na wyposażeniu obiektów mieszkalnych. 9. I Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Bezpieczeństwo techniczne 2014”, Grudzień 2014.

10. Kopański M.: Fotele tapicerowane jako źródło zagrożenia pożarowego sal kinowo- widowiskowych. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza. 3/2015.

11. Kopański M.: Komunikacyjna (r)ewolucja w miastach. Studium na przykładzie Szczecina. Logistyka 3/2015. 12. Kopański M.: Palność siedzisk w środkach transportu. XII Konferencja Naukowo-Techniczna LogiTrans Szczyrk 20-

23.04.2015- materiały konferencyjne. 13. Kopański M.: Palność poliamidu 6. Tworzywa sztuczne w Przemyśle.5/2015.

Temat rozprawy doktorskiej - wtmit.zut.edu.pl · materials react to fire using both small and big...

Documents

Transcript of Temat rozprawy doktorskiej - wtmit.zut.edu.pl · materials react to fire using both small and big...