Стальные оцинкованные листы нашли широкое применение в современном строительстве как при для промышленных. Так и для гражданских зданий. Детали, изготовленные из этого материала применяются в ограждающих, несущих конструкциях, что определяет большую площадь покрытия оцинкованными листами объекта. Это обстоятельство делает конструкции, изготовленными из стального оцинкованного листа привлекательным объектом исследования для установления участков термического воздействия и очага пожара.
В соответствии с принятой в пожарно-технических исследованиях методикой [6], установление очага и путей распространения пожара производят на основе анализа характера и степени термических повреждений объекта. В настоящее время для стальных оцинкованных листов предложены критерии оценки степени теплового воздействия для температур свыше 400оС [3, 4]. В данной статье предложен критерий оценки степени теплового повреждения стальных оцинкованных листов, нагревавшихся до температур ниже 400оС.
Образцом для исследования послужил фрагмент стального оцинкованного листа размером 80×80 мм. До теплового воздействия была измерена концентрация цинка на поверхности образца. Точки измерения располагались с шагом 10мм. Таким образом имеется 49 точек измерения, расположенных равномерно по площади образца (см. рисунок 1).
Измерения проводились на приборе рентгенофлуересцентного анализа СУР-02 «Реном», производства ООО «НПЦ Экспертцентр» (г. Москва). Режим измерения: напряжение 40 кВ, ток 200 мкА. Фиксировалась концентрации цинка и концентрация железа таким образом, что:
Результаты измерения концентрации цинка до теплового воздействия на пластину приведены в таблице 1.
Далее образец был подвергнут воздействию температуры 200оС в течение 10 минут. После чего в установленных точках также была измерена концентрация металлов. Результаты измерения (для концентрации цинка) после теплового воздействия приведены в таблице 2.
Рисунок 1. Схема расположения точек измерения концентрации цинка по площади образца и их обозначение
Таблица 1.
Значение концентрации цинка в точках измерения до теплового воздействия на образец (% по отношению к концентрации железа)
| Точки измерения | А | Б | В | Г | Д | Е | Ж |
| 1 | 77,92 | 72,8 | 88,63 | 79,49 | 75,35 | 81,22 | 84,65 |
| 2 | 70,69 | 73,53 | 84,06 | 78,42 | 75,89 | 81,74 | 76,67 |
| 3 | 78,37 | 82,01 | 77,23 | 78,86 | 76,55 | 80,58 | 81,8 |
| 4 | 76,69 | 73,23 | 77,50 | 75,59 | 81,01 | 82,40 | 71,28 |
| 5 | 73,63 | 74,62 | 77,91 | 78,32 | 80,26 | 90,41 | 80,67 |
| 6 | 73,24 | 75,91 | 75,62 | 80,59 | 78,36 | 82,88 | 77,98 |
| 7 | 69,44 | 81,51 | 83,51 | 86,54 | 77,56 | 90,34 | 87,21 |
| Среднее значение | 78,99 | ||||||
Таблица 2.
Значение концентрации цинка в точках измерения после теплового воздействия на образец (% по отношению к концентрации железа)
| Точки измерения | А | Б | В | Г | Д | Е | Ж | |
| 1 | 77,34 | 74,47 | 78,69 | 77,74 | 71,31 | 82,36 | 79,36 | |
| 2 | 80,71 | 76,41 | 83,09 | 78,66 | 69,83 | 84,73 | 77,79 | |
| 3 | 77,56 | 84,19 | 76,71 | 70,91 | 80,84 | 79,96 | 83,85 | |
| 4 | 78,23 | 77,04 | 78,47 | 79,87 | 76,4 | 76,93 | 74,53 | |
| 5 | 72,28 | 76,2 | 76,42 | 76,42 | 82,42 | 88,69 | 77,77 | |
| 6 | 75,15 | 79,64 | 74,01 | 84,18 | 77,37 | 83,36 | 83,77 | |
| 7 | 71,32 | 83,47 | 83,36 | 78,81 | 80,63 | 84,58 | 84,86 | |
| Среднее значение | 78,83 | |||||||
Найдём максимальное и минимальное значение концентраций цинка по площади поверхности образца (пластины), которое в нашем случае составляет:
Результаты (см. формулы 2, 3) показывают, что диапазон возможного существования значений концентрации после температурного воздействия сужается.
Разделим диапазон измеренных значений концентрации цинка на интервалы, шаг которых примем 3 % таким образом, что:
Вычислим, какова вероятность того, что измеренное значение концентрации цинка будет находится в установленном интервале значений (4):
Получим следующее распределение вероятности (см. рисунок 2).
Рисунок 2. Распределение вероятности нахождения значения концентрации цинка на поверхности образца
Расчёт площади, ограниченной кривыми, показывает, что площади, ограниченные линией «Перед нагревом» и линией «Нагрев: 10 мин/200 грС» равны между собой, а именно:
Таким образом, тепловое воздействие сокращает участок возможного нахождения концентрации, приводя его к какому-либо значению, которое характерно для данного режима теплового воздействия.
Представим результаты в виде графика зависимости:
Рисунок 3. Распределение вероятности нахождения значения концентрации цинка на поверхности образца
Зависимость (7) в данном случае может бытьс достаточной степенью точности описана выражением:
В данном случае коэффициенты имеют следующие значения:A=-0,14; B=-0,15; C=1,24; D=0,033; k=3,1. Очевидно, что значение данных коэффициентов будет зависеть от режима теплового воздействия.
При построении графиков предлагаемых зависимостей (см. рисунок 2, 3) нам были известны значения концентраций в 49 точках измерения, расположенных с шагом 1 см по площади пластины. Однако в случае реальных измерений шаг может быть другим – более редким чем описано. Выберем несколько схем измерения, которые отличаются между собой расстоянием между точками измерения и, как следствие количеством точек измерения. Результаты расчёта представлены в таблице 2.
Обозначение схемы измерения в таблице 2 включает в себя точки, значение концентрации цинка в которых принимались в расчёте. Например, 1 – А; В; Д; Ж означает, что при расчёт вероятности учитывались значения концентраций в точка 1А, 1В, 1Д, 1Ж (см. рисунок 1) и т.д.
Для зависимости (5) справедливо, что тепловое воздействие сокращает участок возможного нахождения концентрации цинка, приводя его к какому-либо значению, которое характерно для данного режима теплового воздействия. В основном сокращение идет за счет снижения верхней границы диапазона. При этом:
При построении графиков зависимости 
, представленных в таблице 3– кроме строки А – в расчёт принимались результаты измерения концентрации цинка в точках, расположенных на равном удалении друг от друга по площади пластины начиная от ее края; в то время как при построении графика, представленного на рис А точки измерения начинались с некоторого расстояния от края – с расстояния 1 см. Кроме того, в расчёт не принимались значения вероятности ниже 0,03. Таким образом, на результаты расчёта существенно влияет выбор места расположения точек измерения.
Таблица 3.
Вид зависимостей P(n)1 и P(n)2 при различных схемах измерения
Значительное изменение концентрации цинка по поверхности образца (до 10 %) не может быть следствием только диффузии, протекающей между цинком и сталью. Также, поскольку температура нагрева не превышала температуру плавления цинка (419,58оС) Для выяснения причин изменения концентрации на поверхности образца выясним, как изменяются значения концентрации цинка в зависимости от толщины цинкового покрытия на стальной пластине. Для этого будем измерять концентрация цинка на поверхности, по мере механического удаления цинкового покрытия. Результаты измерения приведены на рисунке 4.
Сопоставим значения концентрации цинка, измеренные на пластине с графиком зависимости концентрации от толщины покрытия. Получим, что изменения концентрации в процессе теплового воздействия должны привести к значениям изменения толщины пластины, представленным в таблице 4. Между тем, в эксперименте толщина пластины менялась более значительно, а именно от 0,01 до 0,02 мм, из чего следует, что изменение концентрации цинка не может быть связано с каким-либо перераспределением его по поверхности в результате теплового воздействия, а является следствием изменения геометрии пластины и свойств цинкового покрытия – цинк становится хрупким при температуре 200-250оС.
Таблица 4.
Значение рассчитанного изменения толщины стальной оцинкованной пластины, полученные по зависимости концентрации от толщины, мм
| Точки измерения | А | Б | В | Г | Д | Е | Ж |
| 1 | -0,0001092 | 0,000315 | -0,00187 | -0,00033 | -0,00076 | 0,000215 | -0,001 |
| 2 | 0,00188701 | 0,000542 | -0,00018 | 4,52×10-5 | -0,00114 | 0,000563 | 0,000211 |
| 3 | -0,0001525 | 0,000411 | -9,8×10-5 | -0,0015 | 0,000808 | -0,00012 | 0,000386 |
| 4 | 0,00029002 | 0,000718 | 0,000183 | 0,000806 | -0,00087 | -0,00103 | 0,000612 |
| 5 | -0,0002542 | 0,000298 | -0,00028 | -0,00036 | 0,000407 | -0,00032 | -0,00055 |
| 6 | 0,0003597 | 0,000702 | -0,0003 | 0,000676 | -0,00019 | 9,04E-05 | 0,00109 |
| 7 | 0,00035405 | 0,000369 | -2,8E-05 | -0,00146 | 0,000578 | -0,00108 | -0,00044 |
| Среднее | 0,00035486 | 0,000434 | -0,0001 | -0,00025 | -5,8×10-5 | -0,00027 | 0,000187 |
| Максимальное значение | 0,001887 | ||||||
| Минимальное значение | -0,00187 | ||||||
Рисунок 4. Зависимость концентрации цинка на стальной металлической пластине от её толщины
Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы:
- Тепловое воздействие сокращает участок возможного нахождения концентрации цинка на графике распределения вероятностей (рисунок 2), приводя его к какому-либо значению, которое характерно для данного режима теплового воздействия – то есть сочетания температуры и длительности её воздействия на материал. Для количественной оценки данного процесса можно предложить коэффициент снижения диапазона вероятностей:
Также степень теплового воздействия можно оценить, используя зависимости:
- Механизм изменения концентрации цинка по поверхности оцинкованной стали при воздействии температур, не достигающих температуры плавления цинка, состоит в том, что при тепловом воздействии нарушается геометрия стального листа. Одновременно с этим цинковое покрытие становится хрупким, что приводит к неравномерному распределению концентрации по поверхности. Проиллюстрировать данный процесс можно следующим рисунком:
Рисунок 5. Иллюстрация механизма изменения распределения концентрации цинка по поверхности стального оцинкованного листа, происходящего при температурах, ниже температуры плавления цинка
При этом, повышение концентрации цинка по отношению к концентрации железа происходит за счёт отслаивания цинкового покрытия, что увеличивает расстояние от «чистой» стали до детектора прибора и, как следствие – к увеличению концентрации цинка.
- Поскольку тепловое воздействие «стремится» привести концентрации цинка на поверхности к какому-либо значению, характерному именно для данного режима (что следует из сокращения диапазона возможного нахождения концентрации цинка), представляется необходимым в дальнейших исследованиях установить такие характерные концентрации.
Список литературы:
- Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: АСТ:Астрель, 2008. – 991 с.
- Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 2005. – 479 с.
- Лобаев И.А., Плешаков В.В., Вечтомов Д.А., Григорьев Д.Ю. Изменения концентрации цинка на поверхности листов из оцинкованной стали при термическом воздействии //Технологии техносферной безопасности. – Вып. 6(58). – 2014 —
- Лобаев И.А., Вечтомов Д.А., Григорьев Д.Ю., Плешаков В.В. Разработка критериев теплового повреждения стальных оцинкованных листов. // Технологии техносферной безопасности. – Вып. 1(59). – 2015 —
- Старков С.Н. Справочник по математическим формулам м графикам функций для студентов. СПб.: Питер, 2010. – 235 с.
- Чешко И.Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования). СПб.: СПбИПБ МВД России, 1997. – 560 с.[schema type=»book» name=»ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ СТЕПЕНИ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ОЦИНКОВАННЫХ ЛИСТОВ, ПРИ ЭКСПЕРТИЗЕ ПОЖАРОВ» description=»Предложен способ оценки степени термического повреждения стальных оцинкованных листов, подвергшихся воздействию температур, не превышающих температуру плавления цинка. При таких температурах не происходит существенных изменений в системе «цинк-сталь», что осложняет процесс установления очага пожара при пожарно-технической экспертизе. При разработке применялись методы теории вероятностей и нечёткого моделирования. В результате предложен коэффициент снижения диапазона распределения вероятностей нахождения значений концентрации цинка на поверхности оцинкованных листов, величина которого зависит от интенсивности теплового воздействия; выведены зависимости изменения степени термического повреждения оцинкованной стали от значения диапазона распределения вероятностей. Описан механизм изменения концентрации цинка по поверхности листа при температурах, не превышающих температуру плавления цинка. » author=»Вечтомов Денис Анатольевич, Григорьев Денис Юрьевич, Зухбая Кахабер Емириевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]