Russian Federation
Russian Federation
Krasnoyarsk, Russian Federation
Krasnoyarsk, Russian Federation
UDC 614.841.2.001.2
This study describes the failure mechanisms of copper conductor failure caused by external high-temperature exposure. The primary objective of the study is to develop reliable criteria for diagnosing signs of thermal damage to conductors during fire safety assessments. The experimental portion of the study involved testing wire samples of typical cross-sections under conditions simulating external thermal exposure: heating from an open flame or furnace, followed by thermal shock from water. A combination of methods, including visual inspection, morphological assessment, and metallographic examination, was used to analyze changes in the metal structure. This allowed us to identify specific signs of failure at the macro- and micro-levels, such as cellular structures and cracking patterns. It was established that external thermal exposure causes specific changes in the metal microstructure. In particular, external heating is characterized by the presence of large equiaxed grains and a diffuse thermal-affected boundary. Implementation of the identified patterns in practice will significantly improve the accuracy and objectivity of expert opinions when determining the causes of electrical wiring fires.
copper, copper conductors, fire safety expertise, metallographic examination, microstructure, macrostructure
Введение
При расследовании пожаров, версия о причастности к возникновению горения веществ и материалов от протекания аварийных режимов работы в электрооборудовании практически всегда рассматривается как одна из основных. Анализ этой «электротехнической» версии связан с исследованием электрооборудования и электрической проводки.
Основной задачей исследования проводников является диагностирование механизма и условий их разрушения с целью выявления причинно – следственных связей между возможным аварийным режимом работы электросети и возникновением пожара. Одним из важных этапов анализа медных проводников является определение причины образования оплавлений, в результате аварийного режима работы в электросети или в результате теплового воздействия пожара.
В настоящее время в экспертных подразделениях, для определения природы оплавлений медных проводников в сочетании с визуальным осмотром, применяются рентгеноструктурный анализ и металлографическое исследование. Исследование с помощью СЭМ применяется достаточно редко ввиду малой доступности соответствующего оборудования.
Как показывает практика расследования пожаров, имели место ситуации, когда результаты исследований, полученные разными методами, противоречили друг другу, а также выводам по очагу и причине пожара. Часто случаются ситуации, когда в результате исследования оплавлений медных проводников после пожара, обнаруживаются следы характерные для перегрузки, в то время как объект пожара не был электрифицирован, а, следовательно, оплавления образовались в результате внешнего теплового воздействия.
Данный факт заставил задуматься о поиске дополнительных признаков, которые позволили бы повысить надёжность и достоверность определения природы оплавлений медных проводников (образовались в результате теплового воздействия перегрузки, либо внешнего теплового воздействия).
С этой целью была проведена работа по исследованию механизма формирования оплавлений медного проводника в результате внешнего теплового воздействия в условиях пожара. Для изучения влияния внешнего теплового воздействия и окружающей среды на структуру медных проводников, был проведен эксперимент по моделированию внешнего теплового воздействия в условиях пожара с последующим исследованием различными инструментальными методами образцов, полученных в ходе проведения эксперимента, выявлены и классифицированы признаки, характеризующие внешнее тепловое воздействия на медный проводник, проведена качественная оценка таких следов.
Моделирование внешнего теплового воздействия на медные проводники в условиях пожара
Для моделирования внешнего теплового воздействия (далее по тексту ВТВ) на медные проводники в условиях пожара была выбрана одноэтажная надворная постройка (Рис.1) размерами 3х3 м, высотой до потолочного перекрытия 2,4 м, выполненная из бруса, перекрытие деревянное. Внутри постройки стены и потолочное перекрытие оштукатурены. Кровля шиферная по деревянной обрешетке. В постройке имелись незаполненные оконный и дверной проемы. Надворная постройка не электрифицирована (какие-либо электротехнические изделия в постройке отсутствовали).
Для создания дополнительной пожарной нагрузки и увеличения образования продуктов горения в надворную постройку помещали доски и автомобильные шины.
Рис.1. Внешний вид надворной постройки с восточной стороны
В качестве объектов исследования были выбраны четыре типа кабельно-проводниковой продукции марки: ВВГ-Пнг (А) - LS 2х1,5 N-0,66, ВВГ-Пнг (А) - LS 2х2,5 N-0,66, ПВС 2х1,5, ПВС 2х2,5.
Выбор вида кабеля и провода обуславливается их распространенностью в большинстве жилых, офисных, торговых и т.п. помещениях для прокладки электросети.
Для проведения эксперимента было подготовлено по пять отрезков каждого типа кабеля и провода длинной 500 см.
Моделирование пожара осуществлялось в весеннее время при температуре воздуха +30С, направление ветра ЮВ 2,1 м/с, влажность воздуха 37%, атмосферное давление 740 мм.рт.ст. Для проведения эксперимента использовались образцы кабеля и провода длиной 500 см, которые прокладывались внутри постройки открытым способом горизонтально в верхней части стен и по потолочному перекрытию.
При этих условиях в северной части надворной постройки при помощи инициатора горения (бензин) был произведен поджог пожарной нагрузки (доски, шины от легкового автомобиля). Горение надворной постройки продолжалось в течении 45 минут до обрушения крыши и северной стены (Рис.2).
Рис.2. Вид надворной постройки с северной стороны по истечении 45 минут от начала экспериментального пожара
Далее производилось тушение экспериментального объекта при помощи одного ствола Б поданного от АЦ-40 (131). После ликвидации экспериментального пожара был осуществлен поиск ранее проложенных образцов с образовавшимися в результате пожара тепловыми оплавлениями.
Исследование следов внешнего теплового воздействия на экспериментальных образцах
Методики исследования медных проводников относятся к числу первых инструментальных методов в пожарно-технической экспертизе. Первая отечественная разработка ВНИИПО под руководством проф. Г.И. Смелкова внедрила рентгеноструктурный анализ для дифференциации коротких замыканий. В дальнейшем ЭКЦ МВД усовершенствовал подход, включив визуальный осмотр, сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), рентген и металлографию. Сегодня на практике преимущественно используются визуальный, рентгеноструктурный и металлографический методы. В данной работе для анализа образцов с внешним тепловым воздействием применялись визуальный осмотр и металлографический анализ.
Визуальное исследование проводилось невооруженным глазом, а также применялись увеличительная лупа и стереомикроскоп. При исследовании также проводилась фотосъемка.
Для металлографического исследования от каждого из 20 экспериментальных образцов отрезали участки с оплавлениями. Далее данные образцы помещались в литейную форму и заливались эпоксидной смолой. Подготовка поверхностей шлифов (шлифовка и полировка) проводилась на установке «ШЛИФ-2М/V». Обработка поверхностей шлифов производилась с помощью водостойкой наждачной бумаги, которая закреплялась на круге шлифовального станка. Обработка шлифов на наждачной бумаге проводилась примерно до половины сечения проволоки. Заключительной стадией обработки поверхности шлифов являлось механическое полирование на вращающемся круге с полировальной тканью (Vel-Cloth), на которую наносилась алмазная суспензия на основе гликоля. После полировки поверхности шлифов тщательно промывались в проточной воде, насухо промакивались фильтровальной бумагой и протирались ватным тампоном, смоченным в изопропиловом спирте.
Результаты визуального исследования следов внешнего теплового воздействия на экспериментальных образцах
Провода, оплавленные в результате тепла пожара по внешним признакам очень трудно отличить от проводов, оплавленных в результате воздействия токовой перегрузки. Визуальные признаки у них практически идентичны.
В результате внешнего теплового воздействия экспериментального пожара на всех образцах изоляция жил и оболочка кабеля и провода выгорели полностью. Поверхность проводников принимает матовый оттенок, на поверхности происходит образование оксидов меди (I) CuO и меди (II) Cu2O. Оксид меди (II) имея плохую адгезию с основным металлом, легко отслаивается, в результате чего образуется неровная, шероховатая поверхность проводника (Рис.3). На многопроволочных проводниках наблюдаются участки, где проволоки спеклись между собой и разделяются только при приложении достаточного усилия (Рис.4). Проводники становятся хрупкими, после 2-х перегибов ломаются. Это объясняется возникновением в их структуре эвтектики Cu - Cu2S. Хрупкая эвтектика Cu+Cu2S возникает в структуре медного провода при его непосредственном контакте с изоляцией, содержащей серу. Как пример, сера содержится в изоляционных слоях проводников, не распространяющих горение [3].
Рис.3. Крупный план поверхности, характерной для медных однопроволочных проводников (экспериментальных образцов) в результате внешнего теплового воздействия пожара
Рис.4. Крупный план участка медного многопроволочного проводника (экспериментального образца) в месте спекания проволок
Последствиями внешнего теплового воздействия могут быть оплавления поверхностного слоя проводника при сохранении ее формы (Рис.5). Поверхностное оплавление по внешнему виду схоже с последствиями воздействия токовой перегрузки.
Рис.5. Поверхностное оплавление, образовавшееся на однопроволочном проводнике в результате, внешнего теплового воздействия
При внешнем тепловом воздействии пожара происходит нагрев проводника до температуры плавления меди. Процесс плавления проводника может привести к его фрагментации (разделению медного проводника на части). При этом, на концах разорванного провода образуются протяженные оплавления, которые могут иметь самые разнообразные формы: округлую, конусообразную, произвольную. На многопроволочных проводниках образуется несколько рядом расположенных округлых, шарообразных оплавлений. Оплавления, образовавшиеся вследствие внешнего теплового воздействия на однопроволочных проводниках приведены на Рис.6. На Рис.7 представлены оплавления, образовавшиеся на медных многопроволочных проводниках.
Рис.6. Оплавления, образовавшееся на медных однопроволочных проводниках в результате внешнего теплового воздействия пожара. Номера позиций соответствуют номерам оплавлений
Рис.7. Оплавления, образовавшиеся на медных многопроволочных проводниках в результате внешнего теплового воздействия пожара. Номера позиций соответствуют номерам оплавлений
Результаты металлографического исследования следов внешнего теплового воздействия на экспериментальных образцах
Металлографическое исследование медных проводников, подвергшихся внешнему тепловому воздействию пожара, позволило изучить микроструктуру металла в зонах оплавлений, а также на участках с дефектами поверхности и выявить ряд признаков этого процесса.
К числу признаков внешнего теплового воздействия на проводник относится поверхностное оплавление (Рис.8 и 9). Идентифицировать поверхностные оплавления можно по окисленному слою, в котором наблюдается значительное количество эвтектики Cu-C2O.
Рис. 8. Панорамный снимок микроструктуры оплавления образовавшегося на экспериментальном образце -медном однопроволочном проводнике, подвергнутом внешнему тепловому воздействию (см. Рис.5). Пунктирной линией обозначены границы участка «А»
Рис.9. Крупный план участка «А». Микроструктура оплавленияобразовавшегося на экспериментальном образце - медном однопроволочном проводнике, подвергнутом внешнему тепловому воздействию
В результате металлографического исследования экспериментальных оплавлений, образовавшихся на медных проводниках, можно отметить, что в зоне оплавления форма зерен различна. Зона оплавления состоит как из равноосных зерен, так и из зерен имеющих вид «столбчатых дендритов». Содержание кислорода в зоне оплавления каждого экспериментального образца варьируется от 0,05% до 0,39%. Нерасплавленная зона проводников (исходная рекристаллизованная), состоит из зерен меди с двойниками отжига внутри. Такая микроструктура схожа с оплавлениями, образовавшимися в результате воздействия токовой перегрузки.
Еще один признак, выявленный при металлографическом исследовании экспериментальных образцов - граница между зоной оплавления и исходной рекристаллизованной структурой. Граница может быть четкой (Рис.10 и 11), может быть вытянута вдоль оси проводника (Рис.12 и 13), размыта или не наблюдаться вовсе. Внешнее тепловое воздействие на проводник может вызвать в нем образование пор различного размера. В оплавлениях могут наблюдаться поры крупного размера (Рис.14-17). Подобного рода поры также образуются внутри вздутий.
Внешнее тепловое воздействие в медном проводнике может вызвать оплавление границ зерен, которые наблюдаются как в приповерхностном слое, так и по всему сечению проводника.
В результате внешнего теплового воздействия пожара в многопроволочных проводниках может наблюдаться совместное расплавление (сплавление) контактирующих проволок - межпроволочное оплавление (Рис.16-22). Участки расплавления отличаются по структуре от нерасплавленных проволок, в связи с окислением меди и, как следствие, образованием доэвтектической - Cu+э(Cu+Cu2O) и эвтектической структуры [3].
Рис.10. Панорамный снимок микроструктуры оплавления 1, образовавшегося на экспериментальном образце - медном однопроволочном проводнике (см. Рис.6, поз.1). Мелкой пунктирной линией обозначена граница между зоной оплавления и исходной рекристаллизованной структурой. Пунктирной линией обозначена граница участка «А»
Рис.11. Крупный план участка «А». Микроструктура оплавления 1, образовавшегося на экспериментальном образце - медном однопроволочном проводнике
Рис.12. Панорамный снимок микроструктуры оплавления 3, образовавшегося на экспериментальном образце - медном однопроволочном проводнике (см. Рис.6, поз.3). Штрихпунктирной линией обозначена граница между зоной оплавления и исходной рекристаллизованной структурой. Пунктирной линией обозначена граница участка «А
Рис.13. Крупный план участка «А». Микроструктура оплавления 3, образовавшегося на экспериментальном образце - медном однопроволочном проводнике
Рис.14. Панорамный снимок микроструктуры оплавления 6, образовавшегося на экспериментальном образце - медном однопроволочном проводнике (см. Рис.6, поз.6). Пунктирной линией обозначена граница участка «А»
Рис.15. Крупный план участка «А». Микроструктура оплавления 6, образовавшегося на экспериментальном образце - медном однопроволочном проводнике
Рис.16. Панорамный снимок микроструктуры оплавления 9, образовавшегося на экспериментальном образце - медном многопроволочном проводнике (см. Рис.7, поз.9). Пунктирной линией обозначена граница участка «А»
Рис.17. Крупный план участка «А». Микроструктура оплавления 9, образовавшегося на экспериментальном образце - медном многопроволочном проводнике
Рис.18. Панорамный снимок микроструктуры оплавления 8, образовавшегося на экспериментальном образце - медном многопроволочном проводнике (см. Рис.7, поз.8). Пунктирной линией обозначена граница участка «А»
Рис.19. Крупный план участка «А». Микроструктура оплавления 8, образовавшегося на экспериментальном образце - медном многопроволочном проводнике
Рис.20. Панорамный снимок микроструктуры оплавления 11, образовавшегося на экспериментальном образце - медном многопроволочном проводнике (см. Рис.7, поз.11). Пунктирными линиями обозначены границы участков «А» и «Б»
Рис.21. Крупный план участка «А». Микроструктура оплавления 11, образовавшегося на экспериментальном образце - медном многопроволочном проводнике
Рис.22. Крупный план участка «Б». Микроструктура оплавления 11, образовавшегося на экспериментальном образце - медном многопроволочном проводнике
Результаты исследования
В результате визуального и металлографического исследования оплавлений, образовавшихся на экспериментальных образцах - медных проводниках в результате внешнего теплового воздействия пожара, было установлено следующее:
- Термические поражения от тепла пожара на медном проводнике формируются на его поверхности, не по всей длине, а на отдельных участках;
- Внешнее тепловое воздействие пожара может приводить к разделению медного проводника на части;
- При разделении медного проводника на части в результате внешнего теплового воздействия на его концах в зонах разрыва могут образовываться протяженные оплавления, разнообразной формы: округлой, конусообразной, произвольной. На многопроволочных проводниках образуется несколько рядом расположенных округлых, шарообразных оплавлений;
- Внешнее тепловое воздействие в медном проводнике вызывает образование специфических следов, которые могут быть выявлены методом металлографии. К числу таких следов относятся: поверхностное и межпроволочное оплавление, оплавления границ зерен образование пор различного размера, в том числе макропор в центральной части оплавления;
- Микроструктура оплавлений, образовавшихся в результате внешнего теплового воздействия в условиях пожара комбинированная. Зона оплавления может состоять как из равноосных зерен, так и из зерен имеющих вид «столбчатых дендритов»;
- Содержание кислорода в оплавлениях, вызванных теплом пожара варьируется – от 0,05 до 0,39 %;
- Наличие границы между зоной оплавления и исходной рекристаллизованной структурой. Граница может быть четкой, вытянутой вдоль оси проводника, размыта или не наблюдаться вовсе.
На основе проведенного исследования можно сформулировать следующие практические рекомендации по дифференциальной диагностике оплавлений, возникающих от внешнего теплового воздействия:
1. При визуальном осмотре проводников, изъятых с места пожара, внимание следует уделять не только морфологии отдельно взятого оплавления, но и их количественным характеристикам и пространственному расположению. Ключевым макроскопическим признаком, указывающим на термический генезис оплавлений, является их множественность;
2. Важное диагностическое значение при проведении металлографического анализа имеет оценка конфигурации границы, разделяющей зону оплавления и исходную рекристаллизованную структуру металла. Для внешнего теплового воздействия характерно формирование протяженной и неравномерной границы.
Морфология оплавлений, а так же специфические следы, выявленные при металлографическом исследовании сходны с последствиями воздействия на медный проводник токовой перегрузки. По этой причине может быть затруднено или даже невозможно определение природы оплавлений. Это обстоятельство указывает на необходимость совершенствования существующих экспертных методик, поиска новых, дополнительных признаков, которые позволили бы повысить надёжность и достоверность определения природы оплавлений медных проводников.
1. Smelkov G.I. Fire Safety of Electrical Wiring. Moscow: OOO KABEL, 2009. - 328 p. EDN: https://elibrary.ru/QMKNCB
2. Cheshko I.D. Fire Examination (Objects, Methods, Research Techniques) / Ed. by N.A. Andreev. 2nd edition, stereotype. St. Petersburg: St. Petersburg Institute of Industrial Safety of the Ministry of Internal Affairs of Russia. 1997. - 562 p.
3. Mokryak A. Yu., Cheshko I. D., Pariyskaya A. Yu., Plotnikov V. G., Skodaev S. V., Mokryak A. V. Expert examination of copper conductors after a fire: methodological recommendations. St. Petersburg: Saint Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia, 2019. - 110 p. EDN: https://elibrary.ru/FDSARG
4. Eliseev Yu. N., Mokryak A. Yu., Skodaev S. V. Emergence of a fire-hazardous emergency mode in the power supply system due to mechanical damage to the current conductor. Problems of risk management in the technosphere. - 2017. EDN: https://elibrary.ru/YLKBZD
5. Cheshko I. D., Lebedev K. B., Mokryak A. Yu. Expert examination of electrical equipment contact points after a fire to identify signs of high transition resistances: methodological recommendations.
6. Kolmakov A. I., Stepanov B. V., Zernov S. I., Rossinskaya E. R., Sokolov N. G. Diagnostics of the causes of destruction of metal conductors removed from fire sites: methodological recommendations. Moscow: Forensic Science Center of the Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation.
7. Kolmakov A. I., Granenkov N. M., Zernov S. I., Penkov V. V., Sokolov N. G., Stepanov B. V., Taubkin I. S., Cheshko I. D. Expert examination of metal products (in fire cases): textbook. Moscow: Forensic Science Center of the Ministry of Internal Affairs of Russia, 1993. - 104 p.
8. Makovkin A. V., Kabanov V. N. Study of the condition of electrical equipment during inspection of the fire scene: textbook. Moscow: VNIIPO MVD USSR, 1988. - 48 p.
9. Makovkin A. V., Kabanov V. I., Strukov V. M. Conducting expert studies to establish cause-and-effect relationships between emergency processes in the electrical network and the occurrence of a fire: textbook. M.: VNII MVD SSSR, 1988. - 98 p.
10. Mitrichev L. S., Kolmakov A. I., Stepanov B. V., Rossiyskaya E. R., Vrtanesyan E. V., Zernov S. I. Study of Copper and Aluminum Conductors in Short-Circuit and Thermal Exposure Zones: Methodological Recommendations. M.: VNII MVD SSSR, 1986. - 43 p.
11. Skodaev S. V., Cheshko I. D., Mokryak A. Yu. Mechanism of Formation of Traces of Overcurrent Flow in a Copper Conductor // Bulletin of the St. Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia. 2015. №. 1. 41–46. pp.
12. Kolmakov A. I. Methodology for Preparing Sections of Metal Objects Submitted for Examination: Methodological Recommendations. Moscow: Forensic Science Center of the Ministry of Internal Affairs of Russia, 1997. - 32 p.
13. Kolmakov, A. I., Penkov, V. V. Methodology for Etching Metal Objects Submitted for Examination: A Tutorial. Moscow: Forensic Science Center of the Ministry of Internal Affairs of Russia, 2000. - 48 p.
14. Mokryak, A. Yu., Tver'yanovich, Z. I., Cheshko, I. D., Sokolova, A. N. Metallographic and Morphological Atlas of Objects Recovered from Fire Sites. Moscow: VNIIPO, 2008. - 184 p.
