Исследование повреждений медных проводников при внешнем тепловом воздействииВведениеПри расследовании пожаров версия о возможной причастности аварийных режимов работы электрооборудования и электрических сетей к возникновению первичного очага горения практически всегда рассматривается в качестве одной из приоритетных. Это обусловлено высокой распространённостью электротехнических причин пожаров, а также сложностью установления причинно-следственных связей между техническим состоянием электрооборудования и фактом возникновения горения. Проверка так называемой электротехнической версии возникновения пожара предполагает проведение комплексного экспертного исследования электрооборудования, элементов электрической сети, а также токопроводящих частей, подвергшихся воздействию как аварийных электрических процессов, так и термических факторов, сопровождающих развитие пожара. Необходимость такого подхода обусловлена тем, что формирование повреждений в электротехнических объектах может быть связано как с первичными аварийными режимами работы электросети, так и с последующим воздействием высоких температур уже в процессе развившегося горения.В системе объектов пожарно-технической экспертизы особое значение приобретает исследование электрической проводки, поскольку именно проводниковые элементы в наибольшей степени сохраняют следовую информацию о характере предшествующих электротермических и термических воздействий. Анализ состояния проводников позволяет выявлять морфологические, структурные и, в ряде случаев, физико-химические признаки, имеющие существенное диагностическое значение для установления механизма их повреждения.Ключевой задачей исследования проводников является установление механизма и условий их разрушения с целью последующего выявления причинно-следственной связи между возможным аварийным режимом работы электрической сети и возникновением пожара. Решение данной задачи требует комплексного анализа совокупности признаков, формирующихся в металле при различных сценариях термического и электротермического воздействия, включая как внешние морфологические особенности повреждений, так и изменения внутренней микроструктуры материала.При исследовании медных проводников особое внимание уделяется диагностике природы оплавлений, поскольку именно они представляют собой один из наиболее значимых экспертных признаков. Указанные оплавления могут формироваться как в результате аварийных режимов работы электрической сети, включая короткие замыкания и иные электротермические процессы, так и вследствие последующего воздействия высоких температур, развивающихся в условиях пожара. В связи с этим дифференциация происхождения оплавлений приобретает принципиальное значение для корректной интерпретации механизма разрушения проводника и обоснованного решения вопроса о его возможной роли в возникновении пожара.Для выяснения причин оплавлений медных проводников эксперты используют рентгеноструктурный анализ и металлографическое исследование, дополняя их визуальным осмотром. Использование сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) в этом процессе встречается нечасто, так как доступ к такому оборудованию ограничен.В ходе расследований пожаров неоднократно отмечались ситуации, когда различные методы исследования давали противоречивые результаты, не совпадая с выводами о месте и причине возгорания. Нередко после пожара при исследовании оплавленных медных проводников обнаруживаются следы, указывающие на перегрузку несмотря на то, что объект не был подключен к электросети. В таких случаях оплавления, очевидно, возникли под воздействием внешнего теплового источника.Выявленное сходство морфологических и микроструктурных признаков, формирующихся в медных проводниках при различных механизмах термического повреждения, обусловило необходимость поиска дополнительных диагностических критериев, способных повысить надёжность и достоверность определения природы оплавлений. Прежде всего речь идёт о дифференциации повреждений, образующихся в результате теплового воздействия токовой перегрузки, и оплавлений, формирующихся под влиянием внешнего теплового потока в условиях пожара.С учётом указанной научно-практической проблемы была поставлена задача исследования механизма формирования оплавлений медных проводников, возникающих вследствие внешнего теплового воздействия в условиях пожара. Решение данной задачи представлялось необходимым как для уточнения диагностических возможностей существующих экспертных подходов, так и для расширения признаковой базы, используемой при интерпретации повреждений проводниковых материалов.С этой целью было проведено экспериментальное исследование, направленное на моделирование внешнего теплового воздействия на медные проводники в условиях, приближённых к термическим воздействиям, возникающим при пожаре. Реализация экспериментальной части работы позволила изучить влияние внешнего теплового потока и окружающей газовой среды на характер структурных и морфологических преобразований, происходящих в металле проводника.Полученные в ходе эксперимента образцы были исследованы с использованием комплекса инструментальных методов, что обеспечило возможность всестороннего анализа как внешних признаков повреждений, так и особенностей внутреннего структурного состояния металла. По результатам проведённого исследования были выявлены, систематизированы и классифицированы признаки, характеризующие воздействие внешнего теплового источника на медный проводник, а также выполнена их качественная диагностическая оценка.Моделирование внешнего теплового воздействия на медные проводники в условиях пожараДля 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 стороныВ 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 типа кабеля и провода определяется их широким распространением в жилых, офисных, торговых и подобных помещениях при монтаже электросетей.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 пожараДалее 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 образцахИсследование медных проводников относится к числу наиболее ранних инструментальных направлений, сформировавшихся в рамках пожарно-технической экспертизы. Одной из первых отечественных методических разработок в данной области стала работа, выполненная во ВНИИПО под руководством профессора Г. И. Смелков, в рамках которой для дифференциации признаков короткого замыкания был впервые предложен рентгеноструктурный анализ. В дальнейшем данный подход получил развитие в практике ЭКЦ МВД, где он был существенно расширен за счёт включения комплекса взаимодополняющих методов, в том числе визуального исследования, сканирующей электронной микроскопии, рентгенографического и металлографического анализа. На современном этапе экспертной практики наибольшее распространение получили визуальные, рентгеноструктурные и металлографические методы исследования. В настоящем исследовании для анализа образцов медных проводников, подвергнутых внешнему тепловому воздействию, применялись методы визуального осмотра и металлографического анализа. Визуальное исследование проводилось невооружённым глазом, а также с использованием увеличительной лупы и стереомикроскопа; параллельно осуществлялась фотодокументация выявленных морфологических особенностей исследуемых объектов.Металлографическое исследование предусматривало отбор фрагментов с зонами оплавления от каждого из 20 экспериментальных образцов. Подготовленные образцы помещались в литейные формы с последующей заливкой эпоксидной смолой. Подготовка поверхности металлографических шлифов, включающая операции шлифования и полирования, выполнялась с использованием установки «ШЛИФ-2М/V». Обработка шлифов осуществлялась при помощи водостойкой абразивной бумаги, закреплённой на круге шлифовального станка, до достижения уровня, соответствующего приблизительно половине поперечного сечения проволоки. Заключительный этап подготовки состоял в механическом полировании на вращающемся круге, оснащённом полировальной тканью типа Vel-Cloth, с нанесением алмазной суспензии на гликолевой основе. После завершения полирования поверхности шлифов тщательно промывались проточной водой, затем высушивались фильтровальной бумагой и дополнительно очищались ватным тампоном, смоченным изопропиловым спиртом.Результаты визуального исследования следов внешнего теплового воздействия на экспериментальных образцахПровода, 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 пожараРис.4. Крупный план участка медного многопроволочного проводника (экспериментального образца) в месте спекания проволокПоследствиями 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 воздействияПри воздействии внешнего теплового потока, характерного для условий пожара, медный проводник подвергается интенсивному нагреву, который при достижении соответствующих температурных значений приводит к плавлению металла. Развитие данного процесса сопровождается изменением геометрии проводника, потерей его первоначальной конструктивной целостности и, в ряде случаев, последующим разделением на отдельные фрагменты.Одним из характерных последствий такого термического воздействия является образование протяжённых зон оплавления на концах разорванного проводника. Морфология указанных оплавлений отличается значительным разнообразием и определяется условиями нагрева, продолжительностью теплового воздействия, а также конструктивными особенностями самого проводника. В частности, формирующиеся оплавления могут иметь округлую, конусообразную либо морфологически неопределённую (произвольную) форму.Для однопроволочных медных проводников типичным является формирование одиночных оплавлений различной конфигурации, локализованных в зоне термического разрушения. В свою очередь, на многопроволочных медных проводниках вследствие их конструктивного строения формируется совокупность близко расположенных локальных оплавлений, которые, как правило, имеют округлую или шарообразную форму и соответствуют отдельным элементам токопроводящей жилы.Таким образом, морфологические особенности оплавлений, возникающих в результате внешнего теплового воздействия, находятся в прямой зависимости от типа исследуемого проводника и условий термического нагружения, что позволяет рассматривать их в качестве значимых диагностических признаков при экспертной оценке механизма формирования повреждений.Оплавления, сформировавшиеся на однопроволочных медных проводниках под воздействием внешнего теплового источника, представлены на Рис.6. Аналогичные морфологические признаки, выявленные на многопроволочных медных проводниках, приведены на Рис.7. 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 оплавленийРезультаты металлографического исследования следов внешнего теплового воздействия на экспериментальных образцахМеталлографическое исследование медных проводников, подвергшихся внешнему тепловому воздействию в условиях пожара, позволило детально изучить особенности микроструктурного состояния металла как в зонах оплавления, так и на участках, характеризующихся наличием поверхностных дефектов. Проведённый анализ обеспечил выявление совокупности характерных структурных признаков, отражающих специфику термического воздействия на материал проводника.Одним из наиболее показательных признаков внешнего теплового воздействия на медный проводник является наличие поверхностного оплавления (Рис.8 и 9). Формирование данного признака обусловлено локальным плавлением приповерхностных слоёв металла под действием высоких температур, возникающих в процессе пожара.Идентификация поверхностных оплавлений осуществляется по комплексу микроструктурных характеристик, среди которых важнейшее диагностическое значение имеет наличие окисленного поверхностного слоя. В структуре указанного слоя наблюдается значительное содержание эвтектики системы Cu–Cu₂O, образование которой связано с высокотемпературным окислением меди и последующим затвердеванием расплавленного металла в условиях доступа кислорода. 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 воздействиюВ 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.Ещё одним диагностически значимым признаком, установленным в ходе металлографического исследования экспериментальных образцов, является характер перехода между зоной оплавления и исходной рекристаллизованной структурой металла. Указанная граница может иметь различную степень выраженности и морфологическую определённость. В ряде случаев она фиксируется как чётко выраженная линия раздела между структурно изменённой и неизменённой зонами металла (Рис.10 и 11). Наряду с этим могут наблюдаться варианты, при которых переходная область приобретает вытянутый характер и ориентируется вдоль продольной оси проводника (Рис. 12 и 13). В отдельных образцах данная граница оказывается слабо различимой, размыта либо визуально не идентифицируется вовсе, что, вероятно, обусловлено особенностями температурно-временного режима теплового воздействия и глубиной структурных преобразований в металле.Установлено, что внешнее тепловое воздействие способно инициировать образование пор в объёме медного проводника. Выявленные поры характеризуются различными размерами и морфологическими особенностями. При этом в зонах оплавления нередко наблюдаются крупные поровые включения (Рис.14–17). Аналогичные дефекты могут формироваться и во внутренних объёмах вздутий, возникающих в результате термического воздействия. Наличие пористости следует рассматривать как следствие сложных физико-химических процессов, сопровождающих плавление, газовыделение и последующее затвердевание металла.Кроме того, внешнее тепловое воздействие может сопровождаться частичным оплавлением границ зёрен медного проводника. Данный структурный признак выявляется как в приповерхностных слоях металла, так и по всему поперечному сечению проводника, что свидетельствует о различной глубине термического воздействия и неоднородности протекания процессов фазово-структурной трансформации.Для многопроволочных медных проводников одним из характерных последствий воздействия высоких температур в условиях пожара является совместное расплавление контактирующих проволок, проявляющееся в виде межпроволочного оплавления (Рис.18–22). Формирующиеся в таких зонах участки расплава по своим структурным характеристикам существенно отличаются от прилегающих нерасплавленных участков проводника. Указанные различия обусловлены, прежде всего, протеканием процессов высокотемпературного окисления меди, сопровождающихся изменением фазового состава металла.В результате окислительных и кристаллизационных процессов в структуре межпроволочных оплавлений формируются доэвтектические участки состава Cu + э(Сu + Cu₂O), а также эвтектическая структура, наличие которых отражает особенности термического и химического преобразования материала в условиях пожара. Выявление подобных микроструктурных признаков имеет существенное значение для интерпретации механизма формирования повреждений и последующей экспертной диагностики природы оплавлений [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 проводникеРис.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 «АРис.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 проводникеРис.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 проводникеРис.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 проводникеРис.22. Крупный план участка «Б». Микроструктура оплавления 11, образовавшегося на экспериментальном образце - медном многопроволочном проводникеРезультаты исследованияПо результатам проведённого визуального и металлографического анализа оплавлений, сформировавшихся на экспериментальных образцах медных проводников при воздействии внешнего теплового потока в условиях пожара, был идентифицирован совокупный комплекс морфологических, микроструктурных и химических характеристик, описывающих данный механизм термического повреждения. Установлено, что термические поражения, обусловленные действием теплового поля пожара, формируются на поверхности медного проводника в преимущественно локализованном виде и, как правило, не распространяются по всей его длине, а концентрируются на отдельных участках, подвергшихся наиболее интенсивному тепловому воздействию.Это свидетельствует о неравномерном характере теплового нагружения проводника в условиях пожара.Выявлено, что внешнее тепловое воздействие может приводить к утрате конструктивной целостности медного проводника и его последующему разделению на отдельные фрагменты. В зонах такого разрушения на концах проводника формируются протяжённые оплавления, отличающиеся выраженным морфологическим разнообразием. Установлено, что указанные оплавления могут иметь округлую, конусообразную либо морфологически неопределённую форму. Для многопроволочных медных проводников, в отличие от однопроволочных, характерно образование нескольких близко расположенных локальных оплавлений, как правило, округлой или шарообразной формы, соответствующих отдельным проволокам токопроводящей жилы.Результаты металлографического анализа показали, что внешнее тепловое воздействие формирует в медном проводнике специфический комплекс структурных признаков, имеющих существенное диагностическое значение. К числу таких признаков относятся поверхностное и межпроволочное оплавление, частичное оплавление границ зёрен, а также образование пор различного размера, включая макропоры, локализованные в центральной части зон оплавления. Совокупность указанных признаков отражает сложный характер физико-химических и структурных преобразований, протекающих в металле при воздействии высоких температур.Установлено, что микроструктура оплавлений, образовавшихся в результате внешнего теплового воздействия в условиях пожара, носит комбинированный характер. Зона оплавления может быть представлена как равноосными зёрнами, так и структурными элементами, имеющими морфологию столбчатых дендритов. Подобное сочетание микроструктурных составляющих свидетельствует о неоднородности условий кристаллизации расплавленного металла и особенностях его последующего затвердевания.Кроме того, установлено, что содержание кислорода в оплавлениях, сформированных под воздействием тепла пожара, варьируется в пределах от 0,05 до 0,392 %. Данный показатель отражает интенсивность окислительных процессов, сопровождающих термическое воздействие на медный проводник, и может рассматриваться как дополнительный критерий при интерпретации природы выявленных повреждений.Ещё одним диагностически значимым признаком является наличие границы между зоной оплавления и исходной рекристаллизованной структурой металла. Установлено, что данная граница может иметь различную степень выраженности и конфигурацию: быть чёткой, вытянутой вдоль продольной оси проводника, размыто выраженной либо не выявляться вовсе. Характер указанной границы отражает особенности протекания процессов плавления, теплопереноса и последующей кристаллизации металла.Совокупность выявленных признаков позволяет рассматривать оплавления, сформированные под воздействием внешнего теплового потока в условиях пожара, как самостоятельный диагностический комплекс, имеющий существенное значение для решения задач пожарно-технической экспертизы и дифференциации механизмов повреждения медных проводников.