Ретроспектива развития пожаробезопасных кабелей от нераспространяющих горение в одиночной прокладке до огнестойких
Д. В. ХВОСТОВ – генеральный директор ЗАО «СИМПЭК»
В. В. БЫЧКОВ – заместитель генерального директора ЗАО «СИМПЭК»
Вопросы пожаробезопасности промышленных и бытовых строений волнуют человечество не одно столетие, однако понимание необходимости предъявления специальных требований к применяемым материалам и изделиям стало формироваться только в двадцатом веке, с массовым применением электроэнергии для разных целей и электрических кабелей для ее передачи.
Для изоляции силовых кабелей начали использовать поливинилхлоридный пластикат, а для изоляции телефонных кабелей – полиэтилен [1]. Статистика пожаров показывала, что вплоть до настоящего времени более 50% пожаров в основе содержат неисправности, связанные с электропроводкой и кабелями. Так в 2008 году от общего числа пожаров, вызванных дефектами электрооборудования, 64,2% приходится на кабели и электропроводку [2].
Исследования поливинилхлоридного пластиката на стойкость к воздействию пламени показали, что по сравнению с полиэтиленом поливинилхлорид является самозатухающим материалом. Причина заключается в том, что половину молекулы поливинилхлорида составляет хлор, а хлор не только не поддерживает горение, но и подавляет его [1].
Исходя из этого, кабели и провода силовые низковольтные для цепей электропитания и внутренней электропроводки стали изготавливать преимущественно с изоляцией и оболочкой из поливинилхлоридного пластиката. А в 1976 г в СССР был введен в действие ГОСТ 12176-76, нормирующий требование испытания кабелей на нераспространение горения при одиночной прокладке.
Примерно в это же время в разных странах мира случилось несколько крупных пожаров в местах большого скопления людей – в концертных залах, дансингах, супермаркетах, а также на промышленных предприятиях с автоматизированными системами управления, связывающими удаленные друг от друга объекты сети каналами со значительным количеством кабелей, таких как аэродромы, электростанции. Анализ причин пожаров показал, что требование нераспространение горения при одиночной прокладке не обеспечивает безопасности при больших скоплениях горючей массы в пучке кабеля. Способ защиты пучков кабелей слоями специальной мастикой оказался неудачным: технология нанесения мастики была весьма трудоемкой при низкой надежности (мастика со временем растрескивалась и выкрашивалась, что приводило к необходимости через несколько лет наносить новый слой мастики).
Для решения этой задачи в ряде стран был разработан поливинилхлоридный пластикат, обеспечивающий нераспространение горения кабелей при прокладке в пучке с максимальным содержанием горючей массы 7 л на погонный метр. Характерным параметром для таких материалов является кислородный индекс. Дадим определение кислородного индекса по ГОСТ 12.1.044-89 [3].
Кислородный индекс – минимальное содержание кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно свечеобразное горение материала в условиях специальных испытаний.
В СССР также был разработан высококачественный поливинилхлоридный пластикат, получивший марки НГП 30-32 и НГП 40-32 с кислородным индексом 32. Основным компонентом таких пластикатов являются антипирены в виде гидрооксидов металлов.
Для проведение испытаний на нераспространение горение кабелей, прокладываемых в пучках была разработана методика, изложенная в Публикации МЭК 332-3-1992 [4]. Аналогичная отечественная методика была введена в действие в новой редакции ГОСТ 12176-86 [5]. А затем в виде аутентичного текста ГОСТ Р МЭК 332-3-96 [6]. Кабели, выдерживающие испытания на нераспространение горения при прокладке в пучке стали обозначаться индексом «нг».
Решенная задача снимала только часть проблем, возникающих при горении кабелей в процессе пожара.
Очередной проблемой стало выделение дыма при горении полимерных элементов кабельных конструкций и связанные с ним токсичность и выделение галогенов при горении и тлении. Причиной послужило то, что по статистике пожаров гибель людей в большинстве случаев вызывалась не ожогами, а отравлением продуктами горения, попадающими в организм человека при дыхании.
Для решения этой проблемы в ряде ведущих Европейских стран были разработаны безгалогенные полимерные материалы. Отсутствие галогенов в основе таких материалов резко снизило процентное содержание галогенсодержащих кислот в продуктах горения и тления, но при этом усложняло достижение требуемого нераспространения горения, выделения дыма при горении и его токсичности.
В Российской Федерации, основываясь на традиционном применении поливинилхлоридного пластиката в ряде конструкций кабелей (например, для использования во взрывоопасных зонах кабели должны иметь в соответствии с п. 7.3.102 ПУЭ [7] изоляцию и оболочку из поливинилхлоридного пластиката или резины), пошли по пути совершенствования поливинилхлоридного пластиката. Полученные материалы оказались близкими по уровню пожаробезопасности безгалогенным полимерным композициям, за исключением требования по выделению галогенсодержащих кислот при горении и тлении, что ограничило их применение в помещениях с электронным оборудованием.
В ГОСТ Р 53315-2009 [8], разработанном в дополнение к Федеральному Закону РФ от 22.07.08 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», были сформулированы технические требования к кабелям с изоляцией заполнителем и оболочкой из безгалогенной полимерной композиции и с изоляцией, заполнителем и оболочкой из специального поливинилхлоридного пластиката с пониженным дымогазовыделением, известным как поливинилхлоридный пластикат пониженной пожароопасности.
Типу исполнения кабелей с безгалогенной полимерной композицией был присвоен индекс «нг-HF», с пластикатом пониженной пожароопасности – индекс «нг-LS». В связи с тем, что методики испытаний на нераспространение горения при прокладке в пучках в зависимости от категории исполнения (объема горючей массы в пучке) были переоформлены в отдельных публикациях МЭК и аутентичных им государственных стандартах России (например, для категории А – ГОСТ Р МЭК 60332-3-22-2005 [9]) изменением №1 к ГОСТ Р 53315-2009 [8] была регламентирована запись индекса с указанием категории в скобке (например, для категории А – «нг(А)-HF» и «нг(А)-LS»).
Для кабелей с элементами конструкции из безгалогенной полимерной композиции согласно ГОСТ Р 53315-2009 [8] предъявляются требования по дымообразованию, согласно которому при испытании по ГОСТ Р МЭК 61034-2 [10] дымообразование не должно приводить к снижению светопроницаемости в камере более чем на 40%, значение показателя токсичности продуктов горения при испытании по ГОСТ 12.1.044-89 [3] должно быть не менее 40 г/м3.
Значения показателей коррозионной активности продуктов дымо и газовыделения при горении и тлении при испытании по ГОСТ Р МЭК 60754-1 [11] и ГОСТ Р МЭК 60754-2 [12] должно составлять:
- содержание газов галогенных кислот в пересчете на HCl не более 5,0 мг/г;
- проводимость водного раствора с адсорбированными продуктами дымо- и газовыделения не более 10,0 мкСм/мм;
- кислотное число (pH) не менее 4,3.
Для кабелей с элементами конструкций из поливинилхлоридного пластиката пониженной пожароопасности согласно ГОСТ Р 53315-2009 [8] предъявляются требования по дымообразованию, согласно которым при испытании по ГОСТ Р МЭК 61034-2 [10] дымообразование не должно приводить к снижению светопроницаемости в камере более чем на 50%, значение показателя токсичности продуктов горения при испытании по ГОСТ 12.1.044-89 [3] должно быть не менее 40 г/м3.
Требования к кабелям огнестойким появились в международных стандартах примерно в то же время, что и требования по нераспространению горения при прокладке в пучке. До настоящего времени сменилось несколько редакций стандартов.
Мы будем обращаться к последним из них, например, ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 [13].
Дадим определение огнестойкости: «Огнестойким называется кабель, сохраняющий работоспособность в условиях прямого воздействия пламени».
Работоспособность по ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 [13]: «Работоспособность – способность продолжать выполнять заданные функции при воздействии и после воздействия источником пламени в течение заданного периода времени».
Для электрического кабеля это означает, что в течение всего времени испытания (времени воздействия пламени) кабель должен выдерживать приложенное к нему рабочее электрическое напряжение. Время выдержки выбирают из диапазона от 30 до 180 минут по ГОСТ Р 53315-2009 [8].
Следует отметить, что существуют еще два стандарта испытаний на огнестойкость: для кабелей оптических – ГОСТ Р МЭК 60331-25-2003 [14] и для кабелей электрических для передачи данных – ГОСТ Р МЭК 60331-23-2003 [15].
Самыми последними по времени появления стали кабельные изделия с низкой токсичностью продуктов горения, обозначаемые дополнительной группой букв «LTx» в индексе.
Согласно ГОСТ Р 53315-2009 [8] их токсичность должна быть более 120 г/м3.
Однако, по нашему мнению, наиболее совершенным и на сегодняшний день следует считать огнестойкие кабели: причина заключается в том, что в сочетании с различными полимерными материалами, кабели огнестойкие могут обеспечивать любые другие требования пожарной безопасности.
Историю развития огнестойких кабелей в России целесообразно рассмотреть на основе появления патентов на полезные модели.
Несмотря на то, что сотрудники завода «Уралкабель» высказывались о готовности производить огнестойкие кабели еще двадцать лет тому назад, первые российские патенты на огнестойкие кабели появились в начале двадцать первого века.
Исторически первым решением было наложение поверх токопроводящей жилы (под изоляцию) огнестойкого или термического барьера в виде слюдинитовой или огнеупорной ленты с перекрытием. Слюдинитовая лента представляет собой композиционный материал в виде стекловолокнистой подложки и слюдинитовой бумаги, скрепленных между собой кремнийорганическим связующим. Под прямым воздействием пламени слюда в слюдинитовом слое остается хорошим диэлектриком, способным выдержать приложенное напряжении 0,5-0,7 кВ. Огнеупорная лента не раскрывает химический состав применяемого материала, но по сути, она обеспечивает физическую защиту также, как и слюдинитовая лента. Подобные решения представлены в российских патентах на полезные модели №№ 27732, 29610, 39968, 40523, 47131, 49348, 53492, 56059, 56062, 56063, 68759, 69306, 70405, 80270, 83874, 83875, 103662, 105522, 105523, 106432, 125386.
Сразу же оговоримся, что мы не стремились вычерпать все патенты, выданные на технические решения по данной теме. Предлагаемая выборка просто является на наш взгляд представительной.
Другим решением, которое в России появилось исторически несколько позже, является использование керамизирующейся силиконовой резины, в том числе резины на основе смеси каучуков. Под прямым воздействием пламени резина частично выгорает, а частично превращается в керамику, создающую сплошной диэлектрический слой поверх токопроводящей жилы. Образовавшийся керамический слой не разрушается под прямым воздействием пламени и обеспечивает выдерживание рабочего электрического напряжения 0,5-1,0 кВ. Подобные решения представлены в российских патентах на полезные модели №№ 44862, 49340, 53806, 53809, 57953, 57961, 58777, 67294, 77492, 88840, 89277, 89754, 90254, 97001, 98627, 99652, 102836, 106763, 111339,124977 и патентах на изобретения №№2249869, 2285306, 2370839.
Кроме того, можно указать ряд патентов на полезные модели огнестойких кабелей, в которых оба варианта образования огнестойкого барьера присутствуют наравне: №№ 53807, 63111, 91463, 96692, 96693.
Отсюда возникает вопрос: а на самом деле, одинаковы ли эти решения? Ответ неоднозначен.
Если рассматривать этот вопрос с позиции изготовителя, то выбор конструкции при изготовлении того или иного типа огнестойкого кабеля определяется имеющимся в наличии технологическим оборудованием. Для изготовления кабеля с огнестойким барьером в виде обмотки слюдинитовыми лентами нужны обмоточные машины, а для изготовления кабеля с изоляцией из керамизирующейся силиконовой резины, нужны агрегаты непрерывной вулканизации для наложения резиновой изоляции. А вот испытание готовых кабелей на огнестойкость производится по одному и тому же стандарту. Например, для силовых кабелей на напряжение 0,6/1,0 кВ это ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 [13]. И оба кабеля испытания выдерживают. Поэтому с точки зрения патентования наряду с огнестойкостью каких-либо других элементов конструкции, целесообразно использовать оба варианта достижения огнестойкости.
С точки зрения потребителя ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 [13] не отражает объективно состояние кабеля в реальных условиях при пожаре.
Это испытание предполагает, что пожар происходит в стабильной обстановке без вмешательства человека. Однако, это не так. Все производственные объекты оборудованы средствами пожаротушения.
Одним из наиболее часто используемых средств пожаротушения является вода. При этом во взрывоопасных зонах вода зачастую используется на пожаре для охлаждения технологического оборудования и емкостей для хранения взрывоопасных жидких и газообразных веществ [16].
Мы провели следующий эксперимент. Наложили на токопроводящие жилы обмотку из стеклослюдинитовых лент в два слоя с перекрытием 40% каждый. Жилы скрутили в пару длиной 5 м. При разомкнутом дальнем конце пары измеренное сопротивление между жилами превышало 1 МОм. Опустили изолированную часть пары в воду. При разомкнутом дальнем конце пары измеренное сопротивление между жилами было близким к нулю.
Этот эксперимент говорит о том, что при попадании в процессе тушения пожара воды на огнестойкий кабель, в котором огнестойкость обеспечивается обмоткой стеклослюдинитовыми лентами, в самом общем случае – огнеупорными, произойдет короткое замыкание жил через воду и нарушится требование работоспособности. В этом плане огнестойкость, обеспечиваемая силиконовой керамизирующейся изоляцией, будет иметь преимущество.
Известны также патенты на полезные модели, в которых огнестойкость обеспечивается наложением одной или двух стеклослюдинитовых лент, причем каждая обмотка дополнительно содержит слой кремнийорганического материала в виде невысыхающей пасты, в общем виде – герметизирующего состава: №№ 47131, 57958.
Однако это решение не даст положительного результата при пожаре, так как герметизирующий состав под воздействием огня выгорит и откроет доступ воде к токопроводящим жилам.
На основании вышеизложенного, мы считаем, что в целом следует отдать предпочтение огнестойким кабелям с изоляцией из силиконовой резины.
Хотим обратить внимание читателей на одно несоответствие, сложившееся в вопросах, связанных с пожаробезопасностью кабелей. Очень часто, особенно в переводах с иностранных языков, огнестойкими называются кабели, на самом деле являющиеся только пониженной пожароопасности или просто нераспространяющими горение в пучке. Поэтому при анализе кабельных конструкций следует обращать внимание на материал, примененный для изоляции токопроводящих жил, и, если этот материал не обеспечивает огнестойкости, то и кабель не может называться огнестойким.
Представляют интерес изменения в техническом регламенте о пожарной безопасности, регламентируемые редакцией изменения 117-ФЗ к закону 123-ФЗ.
В статье 82 сформулированы требования пожарной безопасности к электроустановкам зданий и сооружений: электроустановки должны соответствовать классу взрывопожарной зоны, в которой они установлены, а также категории и группе горючей смеси; кабели, прокладываемые открыто, должны быть не распространяющими горение; электрооборудование без средств взрывозащиты не допускается использовать во взрывоопасных, взрывопожаробезопасных и пожароопасных помещениях зданий и сооружений, не имеющих направленных на исключение опасности появления источника зажигания в горючей среде дополнительных мер защиты. Последнее означает, что в перечисленных условиях использовать кабели не соответствующие требованиям пожарной безопасности запрещается.
Статья 146 «Схемы подтверждения соответствия продукции требованиями пожарной безопасности» дополнена новым пунктом 16, заключающемся в обязательной сертификации кабельных изделий, к которым предъявляются требования пожарной безопасности:
- а – кабелей и проводов, не распространяющих горение при одиночной и (или) групповой прокладках;
- б – кабелей огнестойких;
- в – кабелей с пониженным дымо- и газовыделением.
Это дополнение выделяет кабели, как объект, который в обязательном порядке подлежит сертификации в системе пожарной безопасности.
Представляет интерес обговорить область применения огнестойких кабелей. Процитируем ГОСТ Р 53315-2009 [8] с изменением №1 для кабелей с обычной токсичностью продуктов горения (не менее 40 г/м3): «Для прокладки, с учетом объема горючей нагрузки кабелей, в системах противопожарной защиты, а также других системах, которые должны сохранять работоспособность в условиях пожара».
И для кабелей с низкой токсичностью продуктов горения (более 120 г/м3): «Для прокладки, с учетом объема горючей нагрузки кабелей, в системах противопожарной защиты, а также и других системах, которые должны сохранять работоспособность в условиях пожара, в зданиях детских дошкольных образовательных учреждений, специализированных домах престарелых и инвалидов, больницах, спальных корпусах образовательных учреждений интернатного типа и детских учреждений».
Если из приведенных определений выделить то, что касается промышленных производств, то получим: для прокладки в системах противопожарной защиты и в других системах, которые должны сохранять работоспособность в условиях пожара.
К системам противопожарной защиты относятся в соответствии со статьей 82 закона 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» средства пожаротушения, эвакуации (лифты, эскалаторы), аварийного освещения, пожарной сигнализации и аварийного оповещения. Для построения перечисленных систем противопожарной защиты достаточно двух типов кабелей: огнестойкого силового на напряжение до 1,0 кВ включительно и огнестойкого кабеля для пожарной сигнализации. Здесь все ясно и понятно.
Не очень понятно, что скрывается под определением других систем, которые должны сохранять работоспособность в условиях пожара, и какие кабели для их построения должны применяться? Перепишем этот вопрос по-другому: нужны ли какие-нибудь другие типы кабелей в огнестойком исполнении и для чего? Например, кабели монтажные?
Под монтажными кабелями (в ряде зарубежных стран они называются инструментальными) будем понимать кабели, применяемые для дистанционного подключения датчиков контрольно-измерительных приборов, исполнительных устройств (таких, как задвижки, перекрывающие подачу газообразных, жидких и сыпучих веществ по трубопроводам), и систем автоматики. Причем будем рассматривать монтажные кабели, применяемые во взрывоопасных зонах промышленных производств газового и нефтехимического комплексов.
Любой пожар определяется количеством горючих веществ, накопленных в месте возникновения пожара. И если горючие вещества являются основными перерабатываемыми или энергонесущими веществами, то главной задачей, с которой начинается тушение пожара, является прекращение доступа горючей массы к очагу пожара.
Когда читаешь описание реально происходивших пожаров и действий пожарных при их тушении, поражает однотипность этих событий. Большинство пожаров на взрывоопасных производствах начиналось с героического подвига пожарных и сотрудников предприятия, вручную вводивших задвижки в трубопроводы то ли деформировавшиеся в результате взрыва и воздействия пламени, то ли не закрывавшиеся так, без объяснения причин [16].
Очевидно, что кабель подающий электрическое напряжение к задвижке должен быть огнестойким. Но это не все. Прежде чем подать напряжение на задвижку, нужно убедиться, что она находиться вдалеке от очага пламени, хотя бы по температуре подаваемого вещества или трубы в месте установки задвижки.
Отсюда следует, что кабель для подключения термодатчиков, также должен быть огнестойким. Кроме того, необходимо с помощью расходомера убедиться, что подача массы прекратилась. Кабель к расходомеру также должен быть огнестойким.
С целью минимизации количества взрывоопасного вещества в трубопроводе целесообразно на территории помещения и за его пределами установить дополнительные задвижки и при условии безопасности с помощью специального резервного насоса откачать вещество в безопасное место. Таким образом, к каждой задвижке нужны огнестойкие кабели в вышеуказанном комплекте, а также нужен огнестойкий кабель для подключения резервного насоса.
Мы показали только одну точку на схеме промышленного предприятия, где необходимо обязательное использование огнестойких монтажных кабелей. Учитывая, что некоторые виды технологического перерабатывающего оборудования могут взрываться за счет перегрева во время пожара [16], то на них также должны быть установлены датчики, соединенные с диспетчерским пунктом огнестойкими кабелями. Возможно, что некоторые из них должны обеспечивать работу в штатном режиме.
По нашему мнению на взрывоопасных производствах большинство монтажных кабелей должны быть в огнестойком исполнении.
ЛИТЕРАТУРА
- Дж. Сальмерс, Ч. Уилки, Ч. Даниэлс «ПВХ (поливинилхлорид) Получение. Добавки и наполнители. Сополимеры. Свойства. Переработка». С-Пб, Издательство «Профессия», 2007 г.
- Г. И. Смелков, А. И. Рябиков «Проблемы обеспечения пожарной безопасности электропроводок и кабельных линий в свете требований действующих нормативных документов» «Кабель-news», №6-7 июнь-июль 2009 г.
- ГОСТ 12.1.044-89 «Система стандартов безопасности труда. Пожароопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения», М., ИПК Издательство стандартов, 2001 г.
- МЭК 332-3-1992 «Испытания кабелей на нераспространение горения. Испытание проводов или кабелей, проложенных в пучках».
- ГОСТ 12176-89 «Кабели, провода и шнуры. Методы проверки на нераспространение горения», М., Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, Издательство стандартов, 1990 г.
- ГОСТ Р МЭК 332-3-96 «Испытания кабелей на нераспространение горения. Испытание проводов или кабелей, проложенных в пучках», М., Госстандарт России, 1996 г.
- Правила устройства электроустановок», шестое издание, С-Пб, Издательство «ДЕАН», 2004 г.
- ГОСТ Р 53315-2009 «Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний», М., Стандартинформ, 2009 г.
- ГОСТ Р МЭК 60332-3-22-2005 «Испытания электрических и оптических кабелей в условиях воздействия пламени. Часть 3-22. Распространение пламени по вертикально расположенным пучкам проводов или кабелей. Категория А», М., Госстандарт России, 2005 г.
- ГОСТ Р МЭК 61034-2-2005 «Измерение плотности дыма при горении кабелей в заданных условиях. Часть 2. Метод испытания и требования к нему», М., Госстандарт России, 2005 г.
- ГОСТ Р МЭК 60754-1-99 «Испытания материалов конструкции кабелей при горении. Определение количества выделяемых газов галогенных кислот».
- ГОСТ Р МЭК 60754-2-99 «Испытание материалов конструкции кабелей при горении. Определение степени кислотности выделяемых газов измерением «pH» и удельной проводимости», М., Госстандарт России, 1999 г.
- ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 «Испытания электрических и оптических кабелей в условиях воздействия пламени. Сохранение работоспособности. Часть 21. Проведение испытаний и требования к ним. Кабели на номинальное напряжение до 0,6/1,0 кВ включительно», М., Госстандарт России, 2003 г.
- ГОСТ Р МЭК 60331-25-2003 «Испытания электрических и оптических кабелей в условиях воздействия пламени. Сохранение работоспособности. Часть 25. Проведение испытаний и требования к ним. Кабели оптические», Госстандарт России, 2003 г.
- ГОСТ Р МЭК 60331-23-2003 «Испытания электрических и оптических кабелей в условиях воздействия пламени. Сохранение работоспособности. Часть 23. Проведение испытаний и требования к ним. Кабели электрические для передачи данных», М., Госстандарт России, 2003 г.
- В. В. Теребнев, Н. С. Артемьев, А. В. Подгрушный «Объекты добычи, переработки и хранения горючих жидкостей и газов», М., Издательство «Пожнаука», 2007 г.
