RU2303617C2 - Композиционная теплозащитная система и способ теплозащиты - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к композиционной системе и способу защиты подложки от струйного огня или гипертепловых условий. Система включает два слоя теплозащитных композиций: нижний из активного противопожарного материала толщиной от примерно 1 до примерно 25 мм и верхний из абляционного противопожарного материала толщиной от примерно 1 до примерно 25 мм, который под действием огня или других гипертепловых условий образует матрицу с открытыми ячейками, чтобы дать возможность газам пройти из нижнего слоя в окружающую среду, при этом верхний слой включает примерно от 7 до примерно 40 мас.% жаростойких наполнителей и от примерно 5 до примерно 30 мас.% пенообразователя. Возможно армирование системы сеткой или тканью. Система, нанесенная на подложку, обеспечивает эффективную защиту подложки в гипертепловых условиях. 5 н. и 49 з.п. ф-лы, 3 табл.

Description

Область техники

Изобретение относится к теплозащитным покрытиям. Оно особенно подходит для покрытий, которые наносят на подложки для защиты подложки в гипертепловых условиях, обладающих чрезвычайно высокой интенсивностью и высокой скоростью распространения.

Уровень техники

В технике известны разнообразные композиции, которые обеспечивают защиту от огня и других экстремальных термических условий. В настоящее время такие композиции обычно включают полимерное связующее и под действием огня или в гипертепловых условиях образуют уголь. Углеобразующие композиции могут работать с различной модальностью. Некоторые из углеобразующих огнестойких покрытий описаны в патенте США 5591791 (Deogon). Вкратце, такие покрытия включают абляционные покрытия, которые под воздействием огня или других экстремальных термических условий вспучиваются менее чем в два раза по сравнению с их исходной толщиной; разбухающие огнестойкие покрытия, подобные тем, что описаны в патенте США 2680077 (Nielsen и др.), в патенте США 3284216 (Kaplan), или в патенте США 4529467 (Ward и др.), которые с образованием угля вспучиваются более чем в пять раз по сравнению с исходной толщиной покрытия, а также сублимирующиеся углеобразующие покрытия наподобие тех, что описаны в патенте США 3849178 (Feldman), которые претерпевают изменения в эндотермической фазе и расширяются в два-пять раз по отношению к их исходной толщине с образованием матрицы с непрерывной пористостью. Разбухающие и сублимирующиеся покрытия называют "активными" теплозащитными покрытиями. Иногда покрытия также наносят на промежуточную структуру, которую затем наносят на подложку, как это описано в патенте США 4493945 (Feldman).

Время, необходимое для того, чтобы заданная температура выросла по заданной толщине композиции при определенном удельном тепловом потоке при заданных условиях окружающей среды и температурных условиях, является мерой эффективности композиции по обеспечению тепловой защиты лежащей ниже подложки.

Очевидно, что уголь расходуется благодаря физической эрозии и химическим процессам, таким как окисление под действием кислорода из воздуха и свободных радикалов, образуемых самим покрытием или иным способом в условиях огня, при этом защита существенно снижается. До того как уголь будет полностью израсходован, уменьшение угольного слоя приводит к его выкрашиванию и к потере необходимой удерживающей прочности, вызывая его разрушение при обдуве или просто осыпание (скалывание).

Для нанесения таких теплозащитных кроющих материалов использовали или предлагали различные способы и структуры. Наиболее распространенный подход заключается в нанесении материалов непосредственно на подложку без дополнительной структуры. Однако во многих областях применения для упрочнения материала и его защиты от растрескивания или осыпания с подложки под воздействием пламени или экстремальных термических условий в покрывной материал встраивали армирующие материалы, такие как ткань из стекловолокна, графитовая ткань или проволочная сетка. Примеры такого подхода были найдены в патенте США 3022190, автор Фельдман, в патенте США 3913290, авторы Биллинг (Billing) и другие, патенте США 3915777, автор Каплан, патенте США 4069075, авторы Биллинг и другие. Иногда материалы наносят сначала на армирующую структуру, наподобие гибкой ленты или гибкой проволочной сетки, а затем объединенную структуру наносят на подложку. Примеры такого применения были найдены в патенте США 3022190, автор Фельдман, в патенте США 4018962, автор Педлоу (Pedlow), в патенте США 4064359, авторы Петерсон и другие, в патенте США 4276332, автор Касл (Castle), и в патенте США 4292358, авторы Фрайер (Fryer) и другие. В последних из упомянутых выше системах целью армирующей структуры является как упрочнение конечного композиционного материала, так и возможность его нанесения на подложку без непосредственного распыления, втирания или нанесения кистью неотвержденных покрывных материалов на подложку. Во всех упомянутых способах и структурах для обеспечения дополнительной защиты на подложку зачастую наносят множество слоев.

Однако известные в настоящее время материалы и способы не являются настолько эффективными с точки зрения продолжительности защиты в пересчете на заданную массу защитного материала, как хотелось бы. Эффективность особенно важна из-за того, что во многих областях применения существуют серьезные ограничения по массе или объему. Более того, высокое наполнение покрывных материалов ингибиторами горения может серьезно ухудшить их физические характеристики или иначе ограничить их пригодность в качестве покрытий, например, за счет уменьшения их пленкообразущих свойств или водостойкости.

При определенных экстремальных огневых условиях все эти известные системы покрытий требовали наличия чрезмерной толщины и массы для обеспечения адекватной защиты. Одно из мест, где могут возникнуть такие экстремальные огневые условия, располагается вблизи от подводящей трубы, передающей огнеопасный сжатый газ или жидкость, обычно углеводород, с одного места в другое. Разрыв трубы или повреждение клапана или соединения может привести к появлению высокотемпературного теплового потока, пламени с большой скоростью распространения, которое часто называют «струйным огнем». Если разность давления по ширине разрыва или отверстия больше, чем два к одному, в отверстии возникают условия запирания потока, а вниз по потоку от отверстия образуется сверхзвуковой газовый поток. Тепловой поток таких высокоскоростных газов имеет порядок примерно от 300 до 320 киловатт на квадратный метр, а температура обычно составляет от 1000°С до 1500°С. Были разработаны стандарты, которые определяют струйный огонь и описывают процедуры тестирования для оценки эффективности систем защитных покрытий. Важный стандарт называется OTI 95634 «Тестирование пассивных противопожарных материалов на устойчивость к струйному огню» (Health and safety Executive (UK), Offshore Technology Report, 1996). Данный документ включен в настоящее описание в качестве ссылки.

Под воздействием температур, тепловых потоков и аэродинамических сдвиговых усилий струйного огня известные в настоящее время системы покрытий разрушаются и быстро расходуются или раскалываются и разрушаются. Абляционные покрытия имеют тенденцию к образованию плотных углей, имеющих хорошую физическую и химическую стойкость, но при стандартных испытаниях в условиях струйного огня было обнаружено, что они позволяют нижележащей подложке достигать критической температуры в течение очень короткого отрезка времени. В случае применения активных покрытий, которые вспучиваются под действием экстремально высоких температур, разрушения обычно наблюдаются в форме трещин, которые образуются в угле в результате дифференциальных термических напряжений, возникающих из-за высоких температурных градиентов и быстрой эрозии, вызываемой сдвиговыми усилиями.

Для того чтобы повысить прочность угольных слоев во время воздействия экстремально высоких температур, а также для того чтобы снизить появление растрескивания и трещин, в покрывные материалы уже давно включают ткани. Как изложено в патенте США 5622774, авторы Фельдман и другие, ткань из стекловолокна обеспечивает недорогое, легкое в монтаже армирование, применимое во многих областях, где используют высокие температуры. Однако струйный огонь повышает температуру в ткани выше точки размягчения стекла (около 870°С), и при этом стеклоткань распадается. Поэтому потребовались другие ткани. Графитовая ткань, как следует из упомянутого выше патента США 5622774, авторы Фельдман и другие, и из патента США 5580648, авторы Касл и другие, патента США 5433991, авторы Бойд (Boyd) и другие, патента США 5401793, авторы Кобаяси (Kobayashi) и другие, является возможным выбором. Графитовая ткань, как это хорошо известно из области техники, может представлять собой или, по существу, чистый углерод, или материал-предшественник. Также применяют жаростойкие материалы, такие как кварцевая ткань (Refrasil). Металлическая сетка является недорогим и широко применяемым материалом, но она тяжелая и неудобная в монтаже. Однако даже при армировании тканью или сеткой известные защитные системы не очень эффективны для защиты в случае струйного огня и поэтому для обеспечения даже ограниченной защиты требуются толстые, тяжелые покрытия.

Упомянутые патенты включены в описание в качестве ссылки.

Сущность изобретения

Одной из целей одного из воплощений настоящего изобретения является обеспечение системы тепловой защиты, которая защищала бы от струйного огня более эффективно, чем известные до настоящего времени системы.

Другие цели станут более очевидны тем, кто знаком с областью техники, из последующего описания.

В общем, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложена композиционная система, способная защитить подложку от струйного огня, причем эта система включает нижний слой из активного защитного материала и верхний слой из абляционного противопожарного материала, при этом абляционный материал под воздействием струйного огня образует матрицу с открытыми ячейками, которые дают возможность газам пройти из нижнего слоя в окружающую среду.

В соответствии со следующим аспектом настоящего изобретения предложена композиционная система, способная защитить подложку от струйного огня, включающая нижний слой из активного пожарозащитного материала, который вспучивается под действием струйного огня или других гипертепловых условий, и верхний слой активного пожарозащитного материала, который вспучивается под действием огня или других гипертепловых условий с образованием матрицы с открытыми ячейками, чтобы дать возможность газам проходить от нижнего слоя в окружающую среду, причем верхний слой вспучивается меньше, чем нижний слой, при этом верхний слой включает загрузку жаростойкого материала, составляющую, по меньшей мере, примерно семь процентов от массы верхнего слоя.

В соответствии со следующим аспектом изобретения предложен способ защиты подложки от гипертепловых условий, который включает первую операцию - нанесение слоя первой активной теплозащитной композиции на подложку и затем вторую операцию - нанесение на первый слой верхнего слоя второй теплозащитной композиции, которая под воздействием огня или иных гипертепловых условий вспучивается с образованием матрицы с открытыми ячейками, чтобы позволить газам пройти из нижнего слоя в атмосферу, при этом вторая композиция включает загрузку жаростойкого материала, составляющую, по меньшей мере, примерно семь процентов от массы второй композиции. Предпочтительно как первая композиция, так и вторая композиция включают полимерное связующее и пенообразователь, причем вторая композиция включает меньше пенообразователя по массе, чем первая композиция.

В некоторых воплощениях изобретения высокотемпературное армирование сетью или тканью встраивают в композиционную систему. Армирование может быть выполнено из множества материалов. В одном из воплощений - это графит. В другом - металл, например оцинкованная сталь. В прочих воплощениях - это стекловолокно различных типов; высокотемпературный полимер, такой как полиамид, полибензоимидазол; или полиамид, такой как Кевлар (Kevlar); керамика, такая как диоксид кремния или диоксид циркония; или силикон, или сочетание этих материалов. Также можно использовать другие сеточные или тканевые армирующие материалы, и при этом армирование может быть свободно плавающим в композиционном материале или закрепленным на нижележащей подложке. В некоторых воплощениях изобретения сетку или ткань наносят на нижний слой либо перед тем, как нижний слой по существу отвердел, либо после этого. Если нижний слой по существу отвержден, то на нижний слой можно нанести клеящий слой, предпочтительно в виде тонкого покрытия неотвержденного верхнего слоя, при этом сетку или ткань встраивают в клеящий слой. В других воплощениях изобретения сетку или ткань встраивают в верхний слой. В иных воплощениях изобретения сетку или ткань встраивают в нижний слой. В других воплощениях изобретения, в частности, когда сетку закрепляют на подложке и толщина системы небольшая, сетка может тянуться в обоих слоях системы. В других воплощениях изобретения для замещения сетки или ткани выбирают определенные количество и размер нарубленных волокон в верхнем слое. В других воплощениях изобретения в соответствии с требованиями к системе сетка или ткань не требуются вовсе. В других воплощениях изобретения сетку или ткань используют для того, чтобы отделить систему от подложки, как описано в патенте США 4493945 Фельдманом.

В предпочтительных воплощениях композиционной системы нижний слой наносят непосредственно на подложку, и он прилипает к ней. Конечно, следует понимать, что в соответствии с общепринятой практикой сначала на подложку наносят грунтовку, чтобы помочь склеиванию.

В предпочтительных воплощениях изобретения толщина нижнего слоя составляет примерно 1-25 мм. В одном из воплощений изобретения толщина нижнего слоя меньше 15 мм. В другом воплощении нижний слой имеет толщину от примерно 3 мм до примерно 10 мм.

Нижний слой реагирует на гипертепловые условия расширением, по меньшей мере, в два раза от своей исходной толщины. В некоторых воплощениях изобретения нижний слой расширяется по сравнению со своей исходной толщиной примерно от двух до пяти раз. В других воплощениях изобретения нижний слой расширяется от пяти до ста раз по сравнению со своей исходной толщиной. Нижний слой предпочтительно включает от примерно 30% до примерно 65% полимерной смолы и более 30% пенообразователя (газообразователя). В области техники известно множество рецептур, причем примеры некоторых из них приведены в указанных выше патентах. Другие примеры приведены в патенте США 5487946, автор Макгинис (McGinniss) и другие. Иные рецептуры коммерчески доступны, например Chartek 7 (Akzo Nobel / International Paint, Ltd), Albi Clad 800 (Albi Manufacturing division of Stanchem Inc.), или Thermo-Lag 3000, Thermo-Lag 2000, Thermo-Lag 440, Thermo-Lag 330 или Thermo-Lag 220 (Nu-Chem Inc.)

В предпочтительных воплощениях изобретения верхний слой имеет толщину примерно 1-25 мм. В одном из воплощений изобретения толщина верхнего слоя составляет менее 15 мм. В другом воплощении изобретения верхний слой имеет толщину от примерно 2 мм до примерно 6 мм. Когда используют армирование сеткой, предпочтительно, чтобы толщина верхнего слоя составляла по меньшей мере примерно 2,5 мм.

Композиция верхнего слоя составляет часть настоящего изобретения как в сочетании с нижним слоем, так и сама по себе. Таким образом, согласно другому аспекту изобретения предложена теплозащитная композиция, имеющая полимерное связующее, от 5% до 30% пенообразователя, который переходит из твердого состояния в газообразное при чрезвычайно высоких температурах, которым может быть подвергнута композиция, и по меньшей мере 7% жаростойкого наполнителя.

Жаростойкий наполнитель предпочтительно включает частицы, или волокна, или и то и другое. Наполнители предпочтительно включают стеклянные, графитовые или керамические волокна и частицы (гранулы). Стекло может быть различных типов. Керамика может включать, например, оксиды металлов, такие как диоксид кремния, оксид алюминия, муллит, оксид магния, диоксид титана, и оксид циркония; карбиды металлов, такие как карбид кремния, карбид алюминия, карбид бора и карбид циркония; нитриды металлов, такие как нитрид кремния, нитрид бора и нитрид алюминия; силикаты металлов, такие как силикат алюминия, кордиерит, циркон и стеатит; а также бориды металлов, такие как тетраборид кремния, борид вольфрама и борид циркония. Графит может находиться в форме, по существу, чистого углерода или может быть материалом-предшественником, который в условиях пламени превращается по существу в чистый углерод. Любые волокна должны быть ограничены по длине, составляющей не более примерно 7 мм, чтобы их можно было применять в современных устройствах для распыления, но когда верхний слой наносят другими способами, такими как нанесение лопаткой, намазывание, раскатывание или формование, то можно применять и более длинные волокна. В одном из воплощений изобретения наполнители составляют по меньшей мере примерно 15 мас.% композиции. В других воплощениях изобретения они составляют примерно от 20 до 30 мас.% композиции. В иных воплощениях изобретения они составляют по меньшей мере 25 мас.% композиции. Инертные наполнители повышают эрозионную стойкость системы и значительно повышают ее эффективность. Инертные наполнители выбирают предпочтительно для более эффективного вторичного излучения тепла (как при отражении) от высокотемпературного пламени, чем это мог бы сделать верхний слой без наполнителей.

Верхний слой включает небольшое количество газообразующего состава для того, чтобы обеспечить образование в условиях пламени матрицы с открытой пористой структурой. В одном из воплощений изобретения пенообразователи составляют менее 30% от массы композиции верхнего слоя. В другом воплощении изобретения пенобразователи составляют от примерно 10% до примерно 25 мас.% композиции верхнего слоя. Композиция верхнего слоя имеет такую рецептуру, что слой под действием огня вспучивается намного меньше, чем нижний слой, причем вспучивание имеет порядок предпочтительно от 10% до 100% от первоначальной толщины слоя. Верхний слой подавляет расширение нижнего слоя, но он не предотвращает расширение нижнего слоя.

В данных предпочтительных воплощениях изобретения верхний слой модифицируют с целью повышения его гибкости и эластичности, например при помощи пластификатора. В наиболее предпочтительном воплощении изобретения верхний слой включает от примерно 35% до примерно 65% эпоксидной смолы. Смолу предпочтительно модифицируют для повышения ее гибкости и эластичности, например полисульфидом. Предпочтительно ее отверждают амином. Можно также применять и другие смолы, такие как полиамиды, полиимиды, акрилы, уретаны, полиизоцианураты и им подобные. Полисульфидные и аминные отверждающие компоненты предпочтительной в настоящее время смолы придают ей достаточную гибкость, позволяющую образовывать при нагревании газопроницаемую матрицу с открытой пористостью, а также не мешают вспучиванию нижнего слоя, в частности, в областях самого сильного нагрева. Только часть газов из нижнего слоя будет проникать через верхний слой. Другая часть приведет к ограниченному расширению нижнего слоя. Верхний слой также устойчив к действию высокотемпературных напряжений, возникающих из-за очень высокой температуры на поверхности слоя и намного более низкой температуры снизу.

В качестве других способов улучшения свойств верхнего слоя можно использовать добавки. Например, бор или цинк можно добавлять как в элементарной форме, так и в сочетании. Также можно добавлять красители, вещества, контролирующие излучение, вещества, изменяющие реологические свойства, пластификаторы и им подобные.

Верхний слой также обеспечивает преимущества системе, когда ее не подвергают действию избыточного нагрева или огня. Он делает систему более устойчивой к воздействию условий окружающей среды, таких условий как вода, соль, излучение и агрессивные вещества, и делает ее более устойчивой к физическому истиранию. Одно из воплощений данного изобретения было с успехом испытано по программе циклических испытаний в условиях погружения/замораживания/сушки, описанных в стандарте NORSOK М-501 (Издание 4, декабрь 1999), как с верхним слоем, так и без него. Образцы после такого испытания (без разметки) проявили себя так же, как образец, не подвергавшийся испытаниям по программе циклических испытаний, во время испытаний на долговечность посредством нахождения в углеводородном пламени в течение шестидесяти минут (Стандарт Норвежского Управления по нефтедобыче NS 3904). Эти стандарты включены в данное описание в качестве ссылки.

В отличие от традиционных отделочных слоев (topcoat), верхний слой по настоящему изобретению имеет реальную толщину, составляющую по меньшей мере один миллиметр, предпочтительно по меньшей мере два миллиметра, и этот слой совместим с составом нижнего слоя. В предпочтительных воплощениях настоящего изобретения верхний слой и нижний слой включают похожие полимерные системы, но отличаются по количеству газообразующих материалов и по количеству жаростойких наполнителей.

Хотя во многих вариантах применения, предполагаемых данным изобретением, это не является предпочтительным, но в некоторых случаях применения верхний слой можно использовать без нижнего слоя, например при защите труб, которые не требуют длительной защиты от огня или других гипертепловых условий.

Было обнаружено, что композиционные материалы по настоящему изобретению обеспечивают, по меньшей мере, на 30% более длительную защиту при стандартных процедурах испытания в струйном огне, чем дала бы система, включающая только композицию верхнего слоя или нижнего слоя, даже при применении композиционной системы на всю толщину. Предпочтительные системы по настоящему изобретению обеспечивают, по меньшей мере, на 50%, а иногда и более чем на 100% более длительную защиту.

Систему по настоящему изобретению можно применять для защиты широкого разнообразия подложек. Она особенно полезна при защите конструкционной стали на оборудовании для восстановления углеводородов или на технологическом оборудовании, таком как глубоководные буровые платформы, и на установках для переработки нефти. Ее можно также использовать для защиты других подложек, включая, например, другие металлы, пластики, трубопроводы, фланцы, оребрения, переборки, емкости, площадки для запуска ракет и предкрылки сверхзвуковых самолетов.

Другие аспекты настоящего изобретения станут понятнее из последующего подробного описания.

Лучший способ осуществления изобретения

Последующее подробное описание приводится только в качестве примера осуществления изобретение и никоим образом не ограничивает его. Данное описание позволит лицам, осведомленным в данной области техники, выполнить и осуществить изобретение, и оно описывает случаи воплощения, адаптации, вариаций, альтернатив и применений изобретения, включая наилучший, на наш взгляд, способ осуществления изобретения.

Пример 1

Была подготовлена композиция для применения в качестве абляционного верхнего слоя, при этом композиция содержала от 35 мас.% до 65 мас.% эластичной полимерной смолы (для примера, модифицированная эпоксидная смола, в частности эпоксиполисульфидная смола), от 5% до 30% пенообразователей (например, вспениватели на основе полиолов (polyol spumifics), пенообразователи на основе амина, а также генераторы фосфорной кислоты), и от примерно 10% до примерно 40% жаростойких наполнителей. Композиция, приведенная в качестве примера, является двухкомпонентной модифицированной эпоксидной смолой со следующим стандартным составом:

Таблица 1
	% масс.
Меламин	5
Полифосфат аммония	10
Пентаэритритол	5
Эпоксидная смола (Бис-фенол А)	25
Полисульфидный и аминный отвердитель	25
Стекловолокно (нарубленное)	5
Кусочки керамики	25

Пример 2

Приготовили активную теплозащитную композицию для нижнего слоя, содержащую от 30 мас.% до 70 мас.% полимерной смолы (например, модифицированной эпоксидной смолы, в частности эпоксидной полисульфидной смолы) и от 20 мас.% до 50 мас.% пенообразователей (например, вспениватели на основе полиолов (polyol spumifics), пенообразователи на основе амина, а также генераторы фосфорной кислоты). Композиция для применения в нижеследующих испытаниях представляла собой двухкомпонентное термически активируемое покрытие на основе эпоксидной смолы, которое под действием пламени или чрезвычайно высоких температур улетучивается при установленных значениях температуры, демонстрируя небольшое увеличение объема (более чем в два раза от исходной толщины) за счет формирования матрицы с открытыми ячейками, поглощает и блокирует тепло, чтобы защитить материал подложки. Композиция включала полифункциональный спирт, 1,3,5-триазин-2,4,6-триамин, эпоксидную смолу и полимер бис-(этилен окси)метан, содержащий дисульфидные связи и отверждающиеся концевые тиольные группы (полисульфид).

Приведенная композиция представляет собой двухкомпонентную модифицированную эпоксидную смолу, имеющую следующий стандартный состав:

Таблица 2
	% масс.
Меламин	5
Полифосфат аммония	25
Пентаэритритол	10
Эпоксидная смола	30
Полисульфид	20
Стекловолокно	5
Катализатор	5

В соответствии с OTI 95634 от 1996 на испытательную арматуру была распылена композиция нижнего слоя толщиной 3 мм.

Графитовую ткань вдавили в нижний слой до того, как он схватился. Нижний слой оставили затвердевать в течение 17 часов, а затем поверх нижнего слоя распылили состав верхнего слоя из Примера 1. Состав оставили затвердевать при температуре 30°С в течение одного месяца.

Пример 3

Изделие, предназначенное для испытаний, подготовленное в соответствии с Примером 2, было подвергнуто воздействию струйного огня в соответствии с процедурой, изложенной в OTI 95634 от 1996 г. Испытания показали, что структура композиционного материала обеспечила примерно шестидесятиминутную защиту в условиях проведения испытаний.

Более мелкомасштабные испытания показывают, что композиционная система обеспечивает значительно более длительную защиту, чем защита, которую обеспечивает верхний или нижний слой в отдельности при толщине слоя, равной общей толщине композиционного материала. Результаты этих испытаний приводятся ниже:

Таблица 3
Мелкомасштабные имитации струйного огня
Температура около 1100°С
Тепловой поток около 300 киловатт/кв.м
Состав покрытия: А=нижнее покрытие, В=верхнее покрытие
Тестируемое изделие	Состав покрытия	Время до достижения
		400°С
Плоская пластина
15,24×15,24×0,635 см	А=3 мм и В=3 мм	44 минуты
(6"×6"×1/4")
15,24×15,24×0,635 см	А=6 мм	27 минут
(6"×6"×1/4")
Труба
Диаметр 10,16 см (4")	В=5 мм	10 минут
Диаметр 10,16 см (4")	А=3 мм, В=3 мм	26 минут
(Толщина стенок: 0,952 см (3/8")

Пример 4

Полномасштабное испытание композиционной системы в соответствии с настоящим изобретением осуществили в соответствии с Offshore Technology Report OTI 95634. Композиции верхнего слоя и нижнего слоя были образованы, как приведено в Примере 1 (Таблица 1) и в Примере 2 (Таблица 2). Образец для испытаний был загрунтован с помощью эпоксидной грунтовки, а затем покрыт слоем номинальной толщины 3 мм композицией для нижнего слоя и композицией для верхнего слоя, армированной текстильной тканью из углеродного волокна примерно с 2,3 отверстиями на квадратном сантиметре, номинальной толщиной, равной 3 мм. Масса ткани составляла примерно 105 грамм на квадратный метр, при этом соединительные слои ткани лежали внахлест. Общая толщина композиционной системы составила 6 мм, при этом в отдельных случаях размеры колебались между 5 мм и 7 мм.

В конце тридцатиминутного периода средняя температура в камере выросла на 250°С выше температуры окружающей среды, а средняя температура полотна выросла на 239°С. После семидесяти пяти минут средняя температура в камере выросла на 327°С выше температуры окружающей среды, а средняя температура полотна выросла на 382°С. Максимальные подъемы на тридцатой минуте составили 428°С и 265°С соответственно; на семьдесят пятой минуте они составили 450°С и 411°С.

Также в соответствии с Offshore Technology Report OTI 95634 проводили испытания системы, включающей только композицию верхнего слоя (пример 1, Таблица 1). Образец для испытаний был загрунтован с помощью эпоксидной грунтовки и покрыт композицией для верхнего слоя слоем номинальной толщиной 12 мм на задней стороне камеры и 16 мм на полотне. Сама конструкция была армирована при помощи текстильной ткани из углеродного волокна примерно на 8 мм со стороны камеры и поверхности полотна. На полотне использовали дополнительный слой ткани только с номинальной толщиной 12 мм со стороны полотна. Ткань имела приблизительно 2,3 отверстия на квадратный сантиметр, ее масса составляла примерно 105 грамм на квадратный метр, и при этом соединительные слои ткани лежали внахлест. Общая измеренная толщина системы составляла 12,7 мм (10,5-16 мм) на задней стороне камеры и 15,2 мм (13-17 мм) на полотне образца для испытаний.

В конце тридцатиминутного периода средняя температура в камере выросла на 121°С выше температуры окружающей среды, а средняя температура полотна выросла на 175°С. По истечении семидесяти минут средняя температура в камере выросла на 180°С выше температуры окружающей среды, а средняя температура полотна выросла на 347°С. После ста двадцати минут средняя температура в камере выросла на 207°С выше температуры окружающей среды, а средняя температура полотна выросла на 474°С. Максимальные подъемы на тридцатой минуте составили 140°С и 225°С соответственно; на семидесятой минуте они составили 210°С и 462°С; и на сто двадцатой минуте они составили 239°С и 628°С. После ста двадцати минут вся ткань оставалась неповрежденной, и металлическая подложка не подвергалась воздействию струйного огня.

Также в соответствии с Offshore Technology Report OTI 95634 проводили испытания двух систем, включающих только композицию нижнего слоя (пример 2, Таблица 2). Образец для испытаний был загрунтован эпоксидной грунтовкой и покрыт композицией для нижнего слоя (тест А) слоем номинальной толщины 5 мм и композицией для нижнего слоя толщиной 11 мм (тест В). В каждом испытании саму конструкцию армировали проволочной сеткой 19 номера с отверстиями размером 12,7×12,7 мм, заделанной в подложке. Средняя измеренная толщина системы для теста А составила 4 мм (2,5-5 мм) на задней стороне камеры и 4,7 мм (3-7 мм) на полотне образца для испытаний. Средняя измеренная толщина системы для теста В составила 11 мм (9-14 мм) на задней стороне камеры и 11,4 мм (9-13 мм) на полотне образца для испытаний.

В конце тридцатиминутного периода в тесте А средняя температура в камере выросла на 352°С выше температуры окружающей среды, а средняя температура полотна выросла на 437°С.

В конце тридцатиминутного периода в тесте В средняя температура в камере поднялась на 200°С выше температуры окружающей среды, а средняя температура полотна выросла на 180°С. После семидесяти четырех минут средняя температура в камере выросла на 318°С выше температуры окружающей среды, а средняя температура полотна выросла на 325°С. Максимальные подъемы на семьдесят четвертой минуте составили 604°С и 376°С. Металлическая сетка и металлическая подложка подверглись воздействию струйного огня.

В свете вышеизложенного очевидно, что был достигнут ряд целей и преимуществ настоящего изобретения, а также были получены другие полезные результаты.

Поскольку в приведенных выше конструкциях можно выполнить различные изменения, не выходя за рамки указанного изобретения, ожидается, что суть, содержащуюся в приведенном выше описании, следует рассматривать только в качестве иллюстрации, которая не ограничивает существа изобретения.

Claims (54)

1. Композиционная система для защиты подложки от огня или прочих гипертепловых условий, при этом система включает нижний слой из активного противопожарного материала и верхний слой из абляционного противопожарного материала, причем под воздействием гипертепловых условий абляционный материал образует матрицу с открытыми ячейками, чтобы дать возможность газам проходить от нижнего слоя в окружающую среду, нижний слой имеет толщину от примерно 1 до примерно 25 мм, верхний слой имеет толщину от примерно 1 до примерно 25 мм, верхний слой включает примерно от 7 до примерно 40 мас.% жаростойких наполнителей, и верхний слой дополнительно включает от примерно 5 до примерно 30 мас.% пенообразователя.

2. Система по п.1, в которой верхний слой включает по меньшей мере 15 мас.% жаростойких наполнителей.

3. Система по п.1, в которой верхний слой включает по меньшей мере 20 мас.% жаростойких наполнителей.

4. Система по п.1, в которой жаростойкие наполнители выбраны из группы, включающей стекло, графит и керамику.

5. Система по п.1, в которой жаростойкие наполнители увеличивают вторичное излучение тепла верхним слоем.

6. Система по п.1, где система способна защищать от струйного огня в течение периода времени, который по меньшей мере на 30% больше, чем обеспечивает покрытие из верхнего или нижнего слоя такой же толщины.

7. Система по п.1, дополнительно включающая армирование сеткой или тканью, встроенными в систему.

8. Система по п.1, в которой нижний слой имеет толщину от примерно 2 до примерно 15 мм.

9. Система по п.1, в которой нижний слой имеет толщину от примерно 2 до примерно 6 мм.

10. Система по п.1, в которой верхний слой имеет толщину от примерно 1 до примерно 6 мм.

11. Система по п.1, где система состоит, по существу, из нижнего слоя и верхнего слоя.

12. Система по п.11, дополнительно включающая слой грунтовки, нанесенный на подложку.

13. Система по п.11, дополнительно включающая отделочный слой.

14. Система по п.1, в которой верхний слой включает от 10 до 25 мас.% пенообразователя, который переходит из твердого состояния в газообразное при гипертепловых температурных условиях, которым может подвергаться композиция.

15. Система по п.1, в которой абляционный материал вспучивается на примерно от 10 до 100% от своей исходной толщины под воздействием гипертепловых условий.

16. Система по п.7, в которой армирование включает графитовую ткань.

17. Система по п.7, в которой армирование включает металлическую сетку.

18. Система по п.1, в которой активный противопожарный материал вспучивается под воздействием гипертепловых условий с образованием угля, толщина слоя которого от двух до пяти раз превышает толщину наносимого слоя.

19. Система по п.18, в которой абляционный материал вспучивается на примерно от 10 до 100% от своей исходной толщины под воздействием гипертепловых условий.

20. Система по п.18, в которой абляционный материал включает загрузку по меньшей мере 25 мас.% жаростойкого материала.

21. Композиционная система, способная защитить подложку от струйного огня, причем эта система включает нижний слой из активного противопожарного материала, который вспучивается под действием огня или иных гипертепловых условий, и верхний слой из противопожарного материала, который под действием огня или иных гипертепловых условий вспучивается с образованием матрицы с открытыми ячейками, чтобы дать возможность газам проходить от нижнего слоя в окружающую среду, причем верхний слой вспучивается меньше, чем нижний слой, при этом верхний слой включает загрузку жаростойкого материала, составляющую по меньшей мере примерно 7% от массы верхнего слоя.

22. Система по п.21, в которой верхний слой включает по меньшей мере 15 мас.% жаростойкого материала.

23. Система по п.22, в которой жаростойкий материал выбран из группы, включающей стекло, графит и керамику.

24. Система по п.21, в которой система способна защищать от струйного огня в течение периода времени, который по меньшей мере на 30% больше, чем обеспечивает покрытие верхнего слоя или нижнего слоя такой же толщины.

25. Система по п.21, дополнительно включающая армирование сеткой или тканью, встроенными в систему.

26. Система по п.21, в которой нижний слой имеет толщину от примерно 1 до примерно 25 мм.

27. Система по п.21, в которой нижний слой имеет толщину от примерно 2 до примерно 6 мм.

28. Система по п.27, в которой верхний слой имеет толщину от примерно 2 до примерно 6 мм.

29. Система по п.21, в которой верхний слой имеет толщину от примерно 1 до примерно 25 мм.

30. Система по п.21, в которой верхний слой имеет толщину от примерно 1 до примерно 6 мм.

31. Способ защиты подложки от гипертепловых условий, включающий первую операцию - нанесение слоя первой активной теплозащитной композиции на подложку, затем вторую операцию - нанесение на первый слой верхнего слоя второй теплозащитной композиции, которая под воздействием огня или иных гипертепловых условий вспучивается с образованием матрицы с открытыми ячейками, чтобы позволить газам пройти из нижнего слоя в атмосферу, при этом вторая композиция включает загрузку жаростойкого материала, составляющую по меньшей мере примерно семь процентов от массы второй композиции, и операцию встраивания в систему армирования из сетки или ткани.

32. Способ по п.31, в котором как первая композиция, так и вторая композиция включают полимерное связующее и пенообразователь, причем вторая композиция включает по массе меньше пенообразователя, чем первая композиция, при этом способ обеспечивает композиционную систему, которая покрывает подложку.

33. Способ по п.32, в котором верхний слой является эпоксидной смолой, модифицированной для повышения ее гибкости и эластичности.

34. Способ по п.32, в котором армирование включает графитовую ткань.

35. Способ по п.33, в котором армирование включает металлическую сетку.

36. Способ по п.31, в котором нижний слой наносят до толщины, составляющей в отвержденном виде от примерно одного до примерно двадцати пяти мм.

37. Способ по п.36, в котором толщина нижнего слоя менее 15 мм.

38. Способ по п.31, в котором нижний слой реагирует на гипертепловые условия расширением, по меньшей мере, в два раза от своей исходной толщины.

39. Способ по п.31, в котором верхний слой наносят до толщины составляющей в отвержденном виде от примерно одного до примерно пятнадцати мм.

40. Способ по п.39, в котором толщина верхнего слоя менее примерно 6 мм.

41. Способ по п.31, в котором верхний слой реагирует на гипертепловые условия расширением до средней толщины, которая не более чем в два раза превышает его исходную толщину.

42. Теплозащитная композиция, включающая полимерное связующее, пенообразователь и по меньшей мере 20% жаростойкого наполнителя от массы композиции, при этом композиция реагирует на гипертепловые условия расширением, составляющим от примерно 10 до примерно 100%, и образованием матрицы с открытыми ячейками.

43. Композиция по п.42, в которой жаростойкий наполнитель включает как частицы, так и волокна.

44. Композиция по п.42, в которой наполнитель включает керамические частицы и стекловолокно.

45. Композиция по п.42, в которой наполнитель включает один или более материал, выбранный из группы, включающей стекло, графит и керамику.

46. Композиция по п.42, в которой наполнитель составляет по меньшей мере примерно 25% от массы композиции.

47. Композиция по п.42, в которой наполнитель составляет примерно от 25 до 30% от массы композиции.

48. Композиция по п.42, в которой пенообразователь составляет от 5 до 30% от массы композиции.

49. Композиция по п.42, включающая пластификатор.

50. Композиция по п.49, где композиция включает от примерно 35 до примерно 65 мас.% модифицированной эпоксидной смолы.

51. Композиция по п.50, в которой эпоксидная смола модифицирована полисульфидом и отверждена амином.

52. Теплозащитная композиция, включающая полимерное связующее, пластификатор, от 5 до 30 мас.% пенообразователя, который переходит из твердого состояния в газообразное в гипертепловых температурных условиях, которым может подвергаться композиция, и по меньшей мере 20 мас.% жаростойкого наполнителя.

53. Композиция по п.52, в которой связующее является эпоксидной смолой, модифицированной пластификатором, причем композиция включает от примерно 35 до примерно 65 мас.% модифицированной эпоксидной смолы.

54. Композиция по п.52, в которой пластификатор включает полисульфид и модифицированная эпоксидная смола отверждена амином.