Jaka jest odporność ogniowa stali nierdzewnych?

14-08-2007

Stale nierdzewne dzięki wysokiej odporności na utlenianie i dobrej wytrzymałość w wysokiej temperaturze znajdują szerokie zastosowanie na elementy konstrukcji gdzie odporność ogniowa jest decydującym czynnikiem. W takich zastosowaniach najbardziej przydatną grupą stali nierdzewnych są gatunki austenityczne, ale również ze względu na krótkotrwałe oddziaływanie ognia mogą być z powodzeniem stosowane również gatunki ferrytyczne i ferrytyczno-austenityczne.
Stale nierdzewne, jako materiał konstrukcyjny nie są sklasyfikowane wg odporności ogniowej. Badania zmierzające do oszacowania ognioodporności zazwyczaj wykonuje się na właściwych produktach w ściśle określonych warunkach, które zostały określone np. w Brytyjskiej normie BS476 (Fire test on building materials and structures) część 20 (postanowienia ogólne), 21 (dla elementów nośnych), 22 (dla niebędących elementami nośnymi) lub Europejskiej EN1363 (Fire resistance tests) i ENV13381 (Test methods for evaluating the fire resistance of structural members with fire protection materials), a także ISO 834.

Badanie ognioodporności
W normie BS476 określono badanie ognioodporności materiałów budowlanych i konstrukcji budowlanych. Stale nierdzewne nie są palne i nie ułatwiają propagacji ognia przez dodatkowe rozszerzanie płomienia.

Przykładowe wyniki testów ognioodporności elementów wykonanych ze stali nierdzewnych
Badania przeprowadzone zgodnie z normą BS476-22 na ognioodpornych drzwiach wykonanych ze stali (AISI 316) wykazały, że po 60 minutach, temperatura na „bezpiecznej” stronie drzwi osiągnęła jedynie 98°C. (Drzwi posiadały ościeżnicę wykonaną ze stali AISI 316 i izolacyjne niepalne wypełnienie). Na „bezpiecznej” stronie drzwi wystąpiły jedyne zniszczenia polegające na cieplnym odkształceniu i przebarwieniu powierzchni stali. Drzwi wytrzymały oddziaływanie pożaru przez ponad 2 godziny.
Kolejne badania przeprowadzono na grodzi okrętowej wykonanej z dwufazowej stali ferrytyczno-austenitycznej typu duplex o numerze wg EN 1.4362, które również potwierdziły ognioodporność stali nierdzewnej. Pokrycie grodzi wykonano z 1,5mm falistej blachy ze stali EN 1.4362, a wypełnienie z wełny ceramicznej. Tak wykonany element poddano oddziaływaniu zasymulowanemu pożarowi węglowodorowego paliwa. Podczas pożaru temperatura wyniosła 1100°C. Podczas badania stwierdzono odkształcenia i obecność dymienia izolacji, ale po 40 minutach testu temperatura na "bezpiecznej" stronie drzwi wciąż wynosiła poniżej 30°C, a po 60 minutach wzrosła do 110°C. Drzwi również wytrzymały oddziaływanie pożaru przez ponad 2 godziny.
Odporność na oddziaływanie wysokich temperatur stali nierdzewnych
Większość gatunków stali nierdzewnych stosowanych w budownictwie na przykład gatunki AISI 304 (1.4301) i AISI 316 (1.4401) wykazują użyteczną, długotrwałą odporność na utlenianie w temperaturze ponad 800°C i nie zaczynają się topić aż temperatura nie osiągnie 1375°C.
Rozpatrując zastosowanie stali nierdzewnej na elementy ogniotrwałe należy brać pod uwagę następujące własności stali: wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga, rozszerzalność cieplna, przewodność cieplna.
Austenityczne gatunki stali nierdzewnej AISI 304 i AISI 316 w temperaturze 700°C tracą do około 55% wytrzymałości w stosunku do ich wytrzymałości z temperatury otoczenia, a umowna granica plastyczności spada z około 225-308MPa w temperaturze otoczenia do 95-131MPa w temperaturze 700°C. Moduł Younga typowo wynoszący 200 kN/mm2 w temperaturze otoczenia spada do około 144 GPa w 700 °C dla gatunku AISI 304.

Własności cieplne stali nierdzewnych
Własności cieplne stali nierdzewnych są zdecydowanie różne od własności stali konwencjonalnych (węglowych).
– Rozszerzalność cieplna stali nierdzewnych w porównaniu do stali węglowych zmienia się nieznacznie w zakresie od temperatury otoczenia do temperatury 1200°C (rys. 1).
– Stale nierdzewne wykazują wyższą rozszerzalność cieplną w porównaniu do stali węglowych.
– Ciepło właściwe stali nierdzewnych wzrasta nieznacznie w wysokiej temperaturze, podczas gdy w stalach węglowych w temperaturze 730°C dochodzi do jego znacznego wzrostu związanego z przemianami fazowymi (ferryt-perlit-austenit) (rys. 2).
– W temperaturze otoczenia stale nierdzewne posiadają znacznie niższą przewodność cieplną w porównaniu do stali węglowych, która jednak wzrasta w wyższych temperaturach i przekracza wartości osiągane dla stali węglowej w temperaturze ponad 1000°C (rys. 3).

Rys. 1. Rozszerzalność cieplna (wydłużenie cieplne) stali nierdzewnej w funkcji temperatury

Rys. 2. Ciepło właściwe stali nierdzewnej w funkcji temperatury

Rys. 3. Przewodność cieplna stali nierdzewnej w funkcji temperatury

Literatura
[1]. Portal: One Stop Shop in Structural Fire Engineering by the University of Manchester, Structural Fire Engineering Design, http://www.mace.manchester.ac.uk/project/research/structures/strucfire/
[2]. Fire resistance rating and testing of stainless steels, British Stainless Steel Association, www.bssa.org.uk
[3]. PN-EN 13501-1:2007 (U), Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków -- Część 1: Klasyfikacja na podstawie badań reakcji na ogień
[4]. PN-EN 1993-1-2:2007, Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych -- Część 1-2: Reguły ogólne - Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe
[5]. PN-EN 1363-1:2001, Badania odporności ogniowej -- Część 1: Wymagania ogólne
[6]. PN-EN 13823:2004, Badania reakcji na ogień wyrobów budowlanych -- Wyroby budowlane, z wyłączeniem podłogowych, poddane oddziaływaniu termicznemu pojedynczego płonącego przedmiotu
[7]. PN-EN ISO 13943:2002, Bezpieczeństwo pożarowe – Terminologia
[8]. PN-B-02851-1:1997, Ochrona przeciwpożarowa budynków -- Badania odporności ogniowej elementów budynków -- Wymagania ogólne i klasyfikacja
[9]. PN-EN 1634-(1-3), Badania odporności ogniowej zestawów drzwiowych i żaluzjowych
[10]. PN-ENV 13381 (1-7):2004, Metody badawcze ustalania wpływu zabezpieczeń na odporność ogniową elementów konstrukcyjnych
[11]. Standard BS 476-20:1999, Fire tests on building materials and structures. Method for determination of the fire resistance of elements of construction (general principles)