Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние методического обеспечения установления причин пожаров автомобилей 11
1.1. Анализ статистики по пожарам транспортных средств в Российской Федерации 11
1.2. Характеристика пожарной опасности автотранспортных средств 15
1.2. Установление электротехнической причины пожара на автотранспорте 21
1.2.1. Аварийные режимы в электросети автомобиля 21
1.2.2. Анализ оплавлений проводников при исследовании пожаров на автотранспорте 30
1.3. Современные методики исследования габаритных металлических изделий автомобилей в пожарно-технической экспертизе 38
1.3.1 Следы теплового воздействия пожара на металлические элементы автомобиля 41
1.3.2 Современные методики фиксации структурных изменений, сопровождающих изменение физических и физико-химических свойств стали при исследовании пожаров 45
2. Исследование металлических элементов транспортных средств после пожара полевыми методами 53
2.1. Исследование магнитных характеристик стальных элементов автотранспортных средств после термического воздействия 53
2.2. Исследование методом вихретокового анализа стальных элементов автотранспортных средств после термического воздействия 71
2.3. Рентгенофлуоресцентный анализ окрашенных стальных элементов автотранспортных средств после термического воздействия 84
3. Комплексная методика исследования металлов и сплавов, с целью установления условий и причин пожаров автомобилей
4. Способ дополнительного исследования образцов оплавлений на медных проводниках электросети автомобиля для подтверждения версии о протекании аварийного режима короткого замыкания 113
4.1. Исследование влияния способа пробоподготовки на результат металлографического исследования медных проводников 113
4.2. Изучение распределения дендритного слоя в оплавлении для создания способа дополнительного металлографического исследования с целью подтверждения протекания в медном проводнике аварийного режима короткого замыкания 127
5. Заключение по работе 136
Список основных сокращений и обозначений 138
Список использованных источников 139
- Установление электротехнической причины пожара на автотранспорте
- Современные методики фиксации структурных изменений, сопровождающих изменение физических и физико-химических свойств стали при исследовании пожаров
- Исследование методом вихретокового анализа стальных элементов автотранспортных средств после термического воздействия
- Изучение распределения дендритного слоя в оплавлении для создания способа дополнительного металлографического исследования с целью подтверждения протекания в медном проводнике аварийного режима короткого замыкания
Установление электротехнической причины пожара на автотранспорте
При исследовании пожаров, в том числе на автомобилях, признаками интенсивности теплового воздействия на металлы (сплавы) и конструкции из них являются:
Результаты протекания этих процессов при осмотре места пожара можно фиксировать визуально или с помощью инструментальных средств, и затем использовать при поиске очага пожара на транспортных средствах.
Рассмотрим последовательно перечисленные выше процессы, методы фиксации их последствий на месте пожара и возможности использования полученных сведений в экспертизе.
Деформация – один из самых низкотемпературных процессов, происходящих с металлическими изделиями на пожаре [69,71].
Нагрев стали свыше 300-350 оС приводит к повышению ее пластичности и сопровождается снижением прочности и появлением заметных деформаций. При 500-600 оС прочность углеродистой стали снижается вдвое, деформации нагруженных элементов стальных конструкций становятся значительными по величине и 15-20 минутный нагрев может привести к их обрушению. При 1000 оС прочность стали снижается в 10 раз. Температура 450-500 оС считается температурой потери несущей способности стальных изделий. [69].
Металлоконструкции и их отдельные элементы деформируются, как правило, в сторону наибольшего нагрева. Величина деформации металлической конструкции пропорциональна температуре и длительности ее нагрева. На автотранспорте часто наибольшая деформация наблюдается именно там, где имело место наибольшее тепловое воздействие.
Требуют серьезного внимания локальные деформации металлоконструкций на отдельных участках, т.е. произвольно расположенные термические поражения. Четко выраженные и значительные по величине локальные деформации возникают, как правило, на начальной стадии пожара, когда все транспортное средство еще не охвачено горением и элементы конструкции нагреваются от очага пожара в ограниченной локальной зоне. Если указанное локальное термическое поражение не находит объяснения – оно должно восприниматься как очаговый признак. [13,113,115].
Образование окислов на поверхности стали Если поверхность обработанная, гладкая, то первый признак теплового воздействия, который можно обнаружить визуально - цвета побежалости. Они появляются при нагревании стали до температуры 200-300 оС благодаря образованию на ее поверхности пленки окисла микронной толщины. Толщина слоя окисла зависит от температуры, а за счет интерференции света с изменением толщины пленки меняется и ее цвет от светло-желтого до синего. Таким образом, получается, что цвет пленки окисла ("цвет побежалости") зависит от температуры нагрева стали и может использоваться для ее определения [41].
Следует отметить, что оценка нагрева металлических конструкций по цветам побежалости при поисках очага пожара транспортного средства используется при установлении причин пожаров, связанных с трением [50]. Окалина.
Интенсивное окисление стальных изделий протекает при температуре, выше 600 оС. При этом поверхность сталей покрывается продуктами газовой коррозии – окалиной. Формирование плотного слоя окалины в течение достаточно короткого периода времени начинается с температуры около 700 оС. Рост слоя окалины резко интенсифицируется с повышением температуры.
Окалина состоит из трех последовательных слоев окислов железа -вустита ( FeO), магнетита (Fe3O4) и гематита (Fe2O3). Толщина окалины и ее компонентный состав являются функциями температуры и длительности теплового воздействия. [8,23].
По цвету окалины и ее толщине ориентировочно можно оценивать температуру нагрева металлоконструкций. Низкотемпературная окалина (700 – 750 оС), в которой мало вустита, обычно имеет рыжеватый оттенок и достаточно тонкая. Окалина, образовавшаяся при 900-1000 оС и более - толстая и черная. Расплавления и проплавления металла Расплавления и проплавления (образование сквозных отверстий) металлов и сплавов на пожарах, особенно крупных, встречаются довольно часто. Считается, что это наиболее высокая степень термических поражений конструкций и отдельных предметов.
Однако, нужно иметь в виду, что "проплавления" в металле могут возникнуть и вовсе при температуре, ниже температуры плавления. Возможно это, как минимум, по двум причинам: локальный нагрев тонкого стального листа приводит к образованию слоя окалины, соизмеримого по толщине с самим изделием, поскольку окалина не обладает достаточной механической прочностью она может выкрошиться, и на изделии после пожара обнаружится "дырка". расплавленный в ходе пожара более легкоплавкий металл при попадании на металл более тугоплавкий может привести как бы к "растворению" последнего в расплаве первого металла, так способностью растворяться в расплавленном алюминии обладает сталь. [10,18,23]. Горение металлов и сплавов
В определенных условиях способны гореть (т.е. взаимодействовать с кислородом воздуха) многие металлы и сплавы. В случае транспортных средств, явление горения металлов может наблюдаться на конструкциях из алюмомагниевых сплавов.
Алюминий, нагретый до 660 оС, несмотря на существование оксидной пленки, все же начинает окисляться тем быстрее, чем ближе его температура к точке плавления, а горение алюминия в кислороде сопровождается значительно большим тепловыделением, чем горение других металлов (1675 кДж/моль). [2,4,8].
Температуры самовоспламенения алюмомагниевых сплавов, в зависимости от содержания магния в сплаве могут находиться в пределах 450-560 оС. Наименьшие температуры установлены для сплавов с содержанием магния 45-49%. Металлы лучше горят в мелкоизмельченном виде, тем не менее, на развившемся пожаре, при хорошей пожарной нагрузке способны гореть и сплавы в виде элементов конструкций.
Визуальными признаками горения металлов является разрушение конструкций в зоне горения. От выгоревшей детали часто остается ажурный скелет. Горение часто сопровождается разбрызгиванием металла, в результате чего на месте пожара обнаруживаются множественные мелкие частички металла и его окислов, аналогичные тем, которые образуются при дуговых процессах. [14,23].
Современные методики фиксации структурных изменений, сопровождающих изменение физических и физико-химических свойств стали при исследовании пожаров
По полученным данным был предложен расчетный критерий Тm, данный критерий позволяет количественно оценить степень термического воздействия на материал.
Получаемые по уравнению (4) значения близки к реальным температурам нагрева образцов, как видно из таблицы 6. Рассчитанные значения Тm наносятся на схему точек проведенных замеров и по ним строятся поля температурного воздействия на исследуемый стальной элемент автомобиля.
В методиках пожарно-технической экспертизы при исследовании стальных конструкций проводится сравнительный анализ, при котором на точки проводимых измерений наносятся непосредственно измеренные значения величины силы тока размагничивания. Кроме того, в специальной литературе по пожарно-технической экспертизе, предлагается для определения степени термических поражений холоднодеформированных стальных деталей кузова автомобиля магнитным методом использовать степень фактического термического поражения, которая определяется как отношение значение остаточной магнитной индукции в конкретной точке исследуемой поверхности к максимальному значению остаточной магнитной индукции на ней.
В отличии от этих методик, применение предлагаемого в работе критерия Тm позволяет не только сравнивать полученные в соседних точках результаты, но и проводить сравнение с данными полученными другими методами.
Проведенная статистическая обработка результатов измерения силы тока размагничивания стальных образцов, показала для всех рассмотренных в работе образцов и значений температур нагрева, высокую сходимость и воспроизводимость получаемых результатов, характерную и для получаемых значений Тm. По результатам проведенных измерений были рассчитаны значения показателя повторяемости и воспроизводимости для измерения величины силы тока размагничивания, так и для расчётного критерия Тm. Для измерения величины силы тока размагничивания показатель повторяемости r составляет 2,3% показатель воспроизводимости R – 2,5%.
Для расчётного критерия Тm показатель повторяемости r составляет 3,3 % показатель воспроизводимости R – 3,6%. Для определения показателя точности и воспроизводимости нужны стандартные образцы сталей, подвергнутые нужной степени термического воздействия, к сожалению получить такие образцы при проведении данного исследования не удалось.
Схема зон нагрева габаритных стальных изделий автомобиля, полученная по результатам расчета данного критерия можно рассматривать, как объективную доказательную информацию при расследовании пожаров на автотранспорте. При этом в качестве положительного момента, можно отметить, что поскольку критерий Тm характеризует температуру и выражается в оС, то данная информация будет понятная всем участника и следственных действий и судебных заседаний Исследование методом вихретокового анализа стальных элементов автотранспортных средств после термического воздействия
Метод вихретокового анализа основан на изучении взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Метод основан на изучении оксидных слоев (окалины), образующихся на поверхности стального изделия при нагревании выше 700 оС [69]. Окалина отличается по своему физико-химическому составу от металла, на котором она образуется. Слой окалины уменьшает действие электромагнитного поля и вихревые токи, возникающие в металле, слабеют. Для определения величины ЭДС использовался многофункциональный вихретоковый прибор МВП – 2М. Прибор МВП-2М состоит из электронного блока и накладного преобразователя [74,89].
Методом вихретокового анализа были исследованы те же образцы, что и при исследовании магнитным методом. Полученные данные статистически обрабатывались, результаты представлены в таблицах. Сначала была проведена оценка получаемых значений на однородность для этого по результатам исследования 10 образцов, для каждого из которых было проведено 10 параллельных измерений, были рассчитаны дисперсии выборок, по которым был рассчитан критерий Кохрена. Критическое значение критерия Кохрена в случае такого количества проведенных измерений - 0,25. Рассчитанное значение G во всех случаях, как для исходного, так и для нагретых образцов, было меньше, что говорит об однородности дисперсий (таблицы 7, 8, 9, 10). Однородность полученных результатов при измерении величины тока размагничивания характеризовалась тем же порядком значений критерия Кохрена, что говорит о высокой повторяемости получаемых результатов для обоих методов. Таблица 7. Результаты измерения значений тока размагничивания для исходных образцов
Регрессионный анализ полученных значений показал, что зависимость ЭДС от температуры имеет разный вид при различных температурных диапазонах. Во всем рассматриваемом диапазоне температур от 25 до 1000 оС зависимость ЭДС от температуры имеет вид полинома второй степени, при этом величина достоверности аппроксимации R2 составляет почти 0,95 (рисунок 16).
Поскольку изменение величины ЭДС стальных образцов, фиксируемое данным методом связано с ростом слоя окалины, то естественно, что до температуры 600 оС никаких существенных изменений не наблюдается. Зависимость величины ЭДС стальных образцов от температуры при нагреве выше 600 оС линейная (рисунок), при этом достоверности аппроксимации R2 составляет 0,97. Для возможности использования полученных данных в разрабатываемой методике значения ЭДС, как и в случае применения магнитного метода, были нормированы по максимальному значению и была
Исследование методом вихретокового анализа стальных элементов автотранспортных средств после термического воздействия
С физической точки зрения пожарной опасности помимо короткого замыкания, существуют еще два аварийных режима: токовая перегрузка и образование больших переходных сопротивлений.
Перегрузка - это прохождение по элементу электросети суммарного тока, превышающего его номинальное значение, на которое рассчитан данный элемент (провод, кабель, устройство электрозащиты), в результате чего происходят различного рода изменения или повреждения этого элемента. [69].
Самой распространенной пожароопасной неисправностью является ослабление соединений по причине вибраций, некачественного изготовления деталей разъемов, что может привести к образованию переходных сопротивлений. Большие переходные сопротивления, возникающие в зоне контактного соединения, приводят к нагреву токоведущих элементов до температур тления или самовоспламенения окружающих горючих материалов; образованию оплавлений контактных поверхностей в результате электродуговой эрозии металла, термодиффузионных процессов; термическим повреждениям изолирующих покровов на участках электропроводов, прилегающих к контактному соединению.
Однако наибольшую пожарную опасность представляет короткое замыкание - аварийный режим в электросети или электроустановке, при котором через очень малое сопротивление происходит соединение разнополярных проводников, находящихся под напряжением. Тем более, что как и перегрузка, так и большое переходное сопротивление могут привести к его возникновению [50].
Признаком короткого замыкания является образование оплавлений, характеризующихся выраженной локальностью. Форма оплавлений может быть шарообразной, овальной, конусообразной, в виде косого или поперечного среза. На прилегающей к оплавлению поверхности проводника, могут наблюдаться мелкие шарообразные капли металла. Существует резкая граница между зоной оплавления и прилегающей к ней зоной проводника. Участок дугового оплавления обычно вытянут вдоль оси проводника. Поверхность оплавления гладкая - без газовых пор и вырывов.
В пожарно-технической экспертизе принято дифференцировать первичные и вторичные короткие замыкания. Первичными называют короткие замыкания, произошедшие до пожара или на начальной его стадии и потенциально способные быть его причиной. Вторичными называют короткие замыкания, появившиеся в ходе пожара, вызванные термическим разрушением изоляции. При поиске оплавлений, образовавшихся вследствие первичного короткого замыкания, необходимо просмотреть всю электрическую цепь и найти оплавление, наиболее удаленное от источника электропитания. Однако нужно заметить, что при анализе обстоятельств предшествующих возникновению пожара, необходимо проводить исследования всех обнаруживаемых оплавления, поскольку выявляемые вторичные КЗ позволяют делать вывод о том, что провод, на котором они выявлены, в ходе пожара находился под напряжением. [3,49].
Помимо вызванных короткими замыканиями, в ходе пожара на проводниках могут образовываться оплавления, связанные с воздействием высоких температур. Такие повреждения на проводниках характеризуются заметными изменениями их сечения по длине и протяженностью зоны оплавления, без выраженной локальности. При этом оплавления обычно имеют форму капель, деформированных под действием силы тяжести.
Особенностью короткого замыкания, определяющей морфологические признаки по которым оно может быть выявлено, является то, что нагрев материала проводника происходит практически мгновенно и достигает температур более 4000 оС. [64]. Расплавление металла, а затем его резкое охлаждение приводит к образованию в оплавлениях дендритных структур, аналогичных образующимся при литье металлов и сплавов.
Из литературы известно, что при литье однофазного сплава обычно формируются дендриты двух типов: столбчатого и равноосного. После заливки устанавливается резкий положительный температурный градиент, температура увеличивается от стенок расплава к его центру. Образование кристаллов происходит на стенках расплава. При этом формируются равноосные охлажденные кристаллы. Зерна с нежелательной ориентацией подавляются, а оставшиеся зерна растут по направлению к центру, образуя параллельные столбчатые зерна. При охлаждении градиент постепенно уменьшается и может дойти до нуля даже в центральной точке. Столбчатый рост прекращается и заменяется дендритным ростом центральных равноосных зерен. Эти зерна ориентированы случайным образом и, поскольку каждое из них отводит скрытую теплоту, формируют отрицательный температурный градиент окружающего расплава. Если предположить, что используемый в проводниках сплав представляет собой чистую медь, что дендриты в нем могут формироваться только в термически переохлажденном расплаве и когда расплав попадает в холод. При этом рост имеет отрицательный градиент. Однако рост в литом состоянии будет полностью столбчатым, поскольку равноосный дендритный рост невозможен. Когда термическое переохлаждение завершается, столбчатый фронт становится плоским. На практике номинально в проводниках обычно содержится некоторая доля примесей, и столбчатый рост становится зернистым. [48,73,83].
На сегодняшний день дендритная структура в структуре оплавления является устойчивым признаком, позволяющим дифференцировать первичное КЗ (рисунок 29). При этом предполагается, что если короткое замыкание происходит в условиях развившегося пожара, то направление преимущественного отвода тепла отсутствует, а кристаллизация и рост зародышей в меди происходит приблизительно с одинаковой скоростью по всем направлениям. Однако учитывая, что даже в случае развывшегося пожара температура нагрева короткого замыкания будет существенно превышать температуру окружающей среды, поэтому температурный градиент также будет присутствовать. В следствии чего утверждать что результате вторичного КЗ будут образовываться только равноосные зерна не корректно [56].
Изучение распределения дендритного слоя в оплавлении для создания способа дополнительного металлографического исследования с целью подтверждения протекания в медном проводнике аварийного режима короткого замыкания
Особенностью пожаров на автотранспорте является локальность зоны горения, открытое пространство, обеспечивающее постоянный доступ кислорода, а также большое сосредоточение пожарной нагрузки и потенциальных источников зажигания. В классической пожарно-технической методике исследования оплавлений на проводниках главным признаком первичности является наличие дендритных структур. Их образование связано с возникновение резкого перепада температур при остывании расплавленного в следствие КЗ металла. Также на возможность формирования признаков ПКЗ влияет состав атмосферы, в которой оно притекает.
В проведенном исследовании все полученные в лабораторных условиях оплавления были по природе возникновения «первичными», однако даже в этом случае, возможность выявления таких структур при металлографическом исследовании определялась правильностью расположения образца при изготовлении шлифа. Кроме того при исследовании на некоторых образцах формировались крупные поры (рисунок 44), которые, согласно литературным источникам, указывают на то, что КЗ произошло во время пожара.
Таким образом, можно сделать вывод, что даже при правильной подготовке шлифа, возможность дифференциации ПКЗ при расследовании пожаров на транспорте по результатам исследования структуры оплавления медных проводников затруднено [90].
В случае спорных сложных случаях, если на найденных в очаговой зоне оплавлениях проведенные металлографические исследования не позволяют четко дифференцировать первичное КЗ, то необходимо проведение дополнительного исследования, заключающееся в проведении шлифовки перпендикулярно направления проводника и проводить послойное металлографическое исследование оплавления, в этом случае не только можно выявить дендритные структуры, но и проследить их распределение в оплавлении.
В работе проведен значительный объем исследований магнитных характеристики величины ЭДС поверхности стальных окрашенных изделий автомобиля. По полученным данным предложены расчетные критерии Тm и Тэ, эти критерии позволяют количественно оценить степень термического воздействия на материал. Проведенная статистическая обработка результатов измерения силы тока размагничивания и ЭДС стальных образцов, показала для всех рассмотренных в работе образцов и значений температур нагрева, высокую сходимость и воспроизводимость получаемых результатов, характерную и для получаемых значений расчетных критериев. Получаемые по расчетные значения Тm и Тэ, близки к реальным температурам нагрева образцов. Они могут быть нанесены на схему точек проведенных замеров и по ним могут быть построены поля температурного воздействия на стальной элемент автомобиля. Схема зон нагрева габаритных стальных изделий автомобиля, полученная по результатам расчета данных критериев можно рассматривать, как объективную доказательную информацию при расследовании пожаров на автотранспорте.
Результаты определения количественного содержания различных элементов на поверхности фрагментов стальных капотов автомобиля после нагрева до различных температур, проведенные с помощью портативного РФА спектрометра, позволили предложить расчетный критерий В, основанный на результатах определения элементов, не дифференцируемых прибором, определяемым в совокупности. Зависимость полученного значения В от температуры имеет линейный вид и позволяет проводить ее оценку при относительно невысоких температурах.
Предложены расчетные критерии Тр2 или Тр3, основанные на использовании комплекса полевых методов рассмотренных работе, позволяющих оценить степень термического воздействия на стальные окрашенные изделия автомобиля, разработана схема применения данных критериев для установления очаговых признаков, эффективность которой подтверждена при исследовании реальных пожаров. Полученные численные значения Тр2 или Тр3 наносятся на схему точек проведения измерений и по полученным данным с помощью любого программного пакета, позволяющего проводить графические построения строятся зоны температурного воздействия на изделие. Расчет всех предлагаемых в работе критериев может выполняться по мере фиксации результатов измерения в компьютере с помощью программ обработки табличных данных.
Разработана комплексная методика, основанная на совместном использовании рассмотренных в работе полевых методов с применением количественных критериев оценки термического воздействия на металлические изделия, для установления очага и причины пожара автомобиля, которая была успешно опробована при расследовании реального пожара на автомобиле.
В рамках комплексной методики разработан способ дополнительного исследования образцов оплавлений на медных проводниках электросети автомобиля, позволяющий в спорных, неочевидных случаях подтверждать протекание в них аварийного режима короткого замыкания. Предлагается проводить повторное металлографическое изучение проводников путем послойного исследования в направлении перпендикулярном их оси, в этом случае не только можно выявить дендритные структуры, но и проследить их распределение в теле оплавления.