Derin Okuma — Gemide Yangına Dayanım

Koca bir gemiyi ne kurtarır

Bir firkateynin makine dairesinde yakıt hattı patlar. Alev üç saniyede 900 dereceye ulaşır, çelik bölme duvarı kızarmaya başlar. Duvarın öteki tarafında 40 kişilik mürettebat vardır ve duvarın çökmesi için gereken sıcaklık henüz gelmemiştir. Peki çeliği o eşiğin altında tutan şey nedir?

Cevap çoğu zaman görünmez. Bölme duvarının arkasında, çeliğe yapışmış birkaç milimetre kalınlığında bir boya tabakası vardır. Yangın yalıtım boyası denen bu katman, normalde sıradan bir astar gibi durur. Alev geldiğinde ise kimyasal olarak parçalanır ve çeliği bir battaniye gibi sarar.

Çeliğin kendisi zaten yanmaz. Sorun yanmak değil, yumuşamak. Yapısal çelik 400 dereceyi geçtiğinde akma dayanımının yaklaşık yarısını kaybeder, 600 derecede ise taşıma kapasitesinin büyük kısmı buharlaşır. Yani gemiyi batıran şey alev değil, sıcaklığın çeliği eritmeden önce onu plastik gibi eğilebilir hale getirmesidir.

Isı kalkanı nasıl çalışır

Yangın yalıtım boyası, ısıyı yansıtan bir ayna değildir. Isıyı geciktiren bir fren sistemidir. İçindeki bağlayıcı reçine, belirli bir sıcaklığa gelince bozunmaya başlar ve bu bozunma sırasında ısıyı emer. Kimyacılar buna endotermik bozunma der, yani maddenin ısıyı yutarak kendini tüketmesi.

Aynı anda boyanın içindeki su ve çözücüler buharlaşır. Buharlaşma da ısı çeker. Üstüne bir de boya köpürür, hacmi on katına kadar şişer. Köpüren tabaka, çelik ile alev arasında hava boşluklu, karbon bakımından zengin bir kabuk oluşturur. Karbonun ısı iletkenliği çeliğin yaklaşık kırkta biri kadardır.

Üç mekanizma üst üste biner. Isı emilir, buhar taşınır, köpük yalıtır. Çeliğin yüzeyi 1.000 derecelik alevin karşısında 300 derecenin altında kalır. Peki bu üç mekanizmayı aynı anda tetikleyen tarif nasıl kurulur?

Tarifin içindeki denge

Yangın yalıtım boyasının ana bileşeni amonyum polifosfattır. Madde ısındığında fosforik asit salar, o asit de boyanın içindeki pentaeritritol ile reaksiyona girer. Reaksiyon sonucu karbon köpüğü oluşur. Üçüncü bileşen melamin ise azot gazı salarak köpüğü şişirir.

Üçlü sisteme genelde kısaltmayla anılır. Amonyum polifosfat asit kaynağıdır, pentaeritritol karbon kaynağıdır, melamin gaz kaynağıdır. Üçünün oranı bozulursa köpük ya çok sert ya çok gevşek olur. Sert köpük çatlar, gevşek köpük dökülür. İkisi de çeliği koruyamaz.

Endüstride bu üçlüye intumescent sistem denir ve oranları genelde ağırlıkça yüzde 25-30 asit kaynağı, yüzde 15-20 karbon kaynağı, yüzde 10-15 gaz kaynağı bandında tutulur. Kalan kütle bağlayıcı reçine, dolgu ve pigmenttir. Bağlayıcı reçine genelde akrilik veya vinil esaslıdır ve seçimi kritik bir mühendislik kararıdır.

Çünkü reçine ne kadar erken yumuşarsa köpük o kadar erken başlar ama mekanik dayanım o kadar düşer. Çok geç yumuşayan reçine ise köpükleşme anını geciktirir ve çelik arada ısınır. O yüzden reçinenin cam geçiş sıcaklığı, yani polimerin katıdan yumuşağa geçtiği eşik, genelde 60 ile 90 derece arasında ayarlanır.

Boyanın kalınlığı da kritiktir. Kuru film kalınlığı genelde 350 mikrometre ile 2.000 mikrometre arasında değişir. Bir milimetrenin yarısı kadar bir tabaka, 60 dakikalık bir yangında çeliği 400 derecenin altında tutabilir. Ancak kalınlık arttıkça boyanın çatlama riski de artar. O yüzden uygulama katman katman yapılır, her kat arasında kuruma beklenir.

Katman aralığı da gelişigüzel değildir. Tek seferde 500 mikrometreden kalın yaş film uygulanırsa çözücü içeride hapsolur ve kuruma sırasında kabarcık oluşur. Tipik pratikte her kat 300-500 mikrometre yaş film bırakacak şekilde püskürtülür ve katlar arası bekleme süresi ortam sıcaklığına göre 4 ile 24 saat arasında değişir. Nem yüzde 85'i aşarsa uygulama durdurulur çünkü reçine yeterince sertleşmez.

Bir başka operasyonel ayrıntı takviyedir. Bazı formülasyonlara cam elyafı veya mineral fiber eklenir. Takviye, köpük kabuğunun yangın sırasında yerinden kopmasını engeller. Özellikle titreşimli ve rüzgarlı ortamlarda, mesela açık güvertede veya egzoz bacası çevresinde, takviyesiz köpük kolayca sıyrılır ve koruma boşluğu doğar.

Köpüğün büyümesini ne yavaşlatır

Boyanın yangın anındaki performansı tek başına tarifle belirlenmez. Ortamın kendisi de köpükleşmeyi hızlandırır ya da bozar. Rüzgar en yalın düşmandır. Saatte 5 metre hızın üstündeki hava akımı, köpüğün yüzeyinden ısıyı çeker ve kabuk büyümeden sertleşir. O yüzden açık güvertedeki uygulamalarda köpüğün sırtına koruyucu bir üst katman çekilir.

İkinci değişken çelik yüzeyin kendisidir. Boya, pürüzlü ve astarlı yüzeye daha iyi tutunur. Yüzey profili 40 ile 75 mikrometre arasında tutulursa yapışma mukavemeti iki katına çıkar. Düz, parlak çelik ise köpük büyürken boyayı bırakır ve tabaka kayar. O yüzden uygulamadan önce yüzey mutlaka kumlama veya benzeri bir işlemle hazırlanır.

Üçüncüsü pas. Yangın yalıtım boyası doğrudan paslı çeliğe uygulanmaz. Pas, ısındığında genleşir ve boyayı alttan iter. Uygulama öncesi yüzey temizlik derecesi standartlarla tanımlanır. Kalan tuz miktarı metrekarede 20 miligramın altına düşürülür. Denizde bu eşik ciddi bir iştir, çünkü tuz buharı sürekli yüzeye çöker.

Dördüncü değişken nemdir. Reçine kururken ortamdaki nemi emer. Yüzde 85'i aşan bağıl nemde boya tam sertleşmez ve kalıntı yumuşak kalır. Kışın kuzey limanlarında uygulama çadır içinde ve ısıtıcıyla yapılır. Çiğ noktası hesabı yapılır, çünkü çelik yüzey sıcaklığı ortam çiğ noktasının 3 derece üstünde olmalıdır. Aksi halde yüzeyde ince su filmi kalır ve boya tutmaz.

Denizde test etmek

Karada bir binanın yangın testi kolaydır. Fırına numune koyarsın, sıcaklık eğrisini ölçersin, biter. Gemide iş değişir. Çünkü gemi hem yüzer hem sallanır hem de tuzlu suya maruz kalır. Boyanın deniz ortamında on yıl dayanması gerekir.

Uluslararası standart bu işi tanımlar. Hidrokarbon yangın eğrisi, selüloz yangın eğrisinden çok daha hızlıdır. Selüloz eğrisi 30 dakikada 840 dereceye çıkar. Hidrokarbon eğrisi ise ilk beş dakikada 1.000 dereceyi aşar. Gemi makine dairesi yangınları hidrokarbon cinsindendir, çünkü yakıt ve yağ yanar.

Test numunesi çelik bir plakadır. Plakanın arkasına termokupl yerleştirilir. Fırın hidrokarbon eğrisiyle ısıtılır. Kabul kriteri nettir. Yapısal çelik için plakanın arkası 60 dakika boyunca 400 derecenin altında kalmalıdır. Eşik çeliğin akma dayanımını kaybettiği sıcaklığa yakındır.

Deniz testinin karadan farkı numunenin boyutundadır. Laboratuvar fırınına genelde bir metrekareyi geçmeyen paneller girer. Oysa gemide gerçek bölme üç metre yüksekliğinde ve altı metre genişliğinde olabilir. Ölçek büyüdükçe ısı köşelerden ve birleşim yerlerinden sızar. O yüzden büyük panel testleri ayrıca yapılır ve köşe sıcaklıkları ayrı termokupllarla izlenir.

Birleşim detayı en sık atlanan noktadır. İki çelik plakanın birleştiği kaynak hattına boya aynı kalınlıkta uygulanmazsa ısı oradan geçer. Mühendisler bu bölgeye genelde yüzde 20 ilave kalınlık verir. Aynı şekilde bağlantı elemanları, kablolar ve boru geçişleri çevresinde de yerel kalınlaştırma yapılır.

Bir başka sessiz hata boyanın içindeki boşluktur. Uygulama sırasında çelik yüzeyinde hava kabarcığı kalırsa, yangın anında o noktada köpük oluşmaz. Çıplak kalan bir avuç büyüklüğündeki alan, tüm panelin ısı dengesini bozar. Isı o noktadan arkaya sızar ve yerel sıcaklık 400 dereceyi aşar. Denetimlerde bu yüzden kıvılcım testi yapılır, boya yüzeyinde iğne deliği aranır.

Deniz ortamının kendisi ayrı bir düşmandır. Tuzlu su buharı boyanın yüzeyinde mikro çatlaklar açar. Bir kış seferi boyunca sıcaklık sıfırın altına düşüp tekrar yükselir, boya genleşip büzülür. Yüzlerce döngü sonunda yorulma başlar. O yüzden deniz uygulamalarında boyanın üstüne ayrıca bir üst kat koruyucu vernik çekilir.

Bakım tarafı da sistematiktir. Kuru film kalınlığı her yıl rastgele noktalarda ölçülür. Ölçüm manyetik bir cihazla yapılır ve çelik yüzeyine temas ettirilen prob, boyanın manyetik direncini okur. Kalınlık projenin yüzde 80'inin altına düşerse bölge yeniden boyanır. Denetim kayıtları klasörlenir ve liman denetiminde istenir.

Piyasa Hafızası

2018 yılında Norveç açıklarında seyreden bir yolcu gemisinde makine dairesi yangını çıktı. Yangın kısa sürede yakıt hattına ulaştı ve sıcaklık hızla yükseldi. Mürettebat tahliye kararı aldı, yüzlerce yolcu helikopterle gemiden alındı. Gemi kendi kendine seyredecek durumda kaldı ama makine dairesi ciddi hasar gördü.

Olayın ardından yapılan incelemede kritik bir ayrıntı ortaya çıktı. Yangına maruz kalan bölmelerin bir kısmında yalıtım boyası ya hiç uygulanmamıştı ya da kalınlığı projede öngörülenin altındaydı. Çeliğin bir kısmı 400 dereceyi aşmış, yapısal deformasyon başlamıştı. Ders şuydu. Yalıtım boyası bir süs değil, yapısal bir güvenlik unsurudur ve kalınlığı denetlenmeden gemi denize indirilemez.

Küçük Bir Hesap

Bir firkateynin makine dairesi bölmesini ele alalım. Bölmenin çelik yüzey alanı 400 metrekare olsun. Yangın yalıtım boyası kalınlığı 1.200 mikrometre, yani 1,2 milimetre.

Sayılar temsili, mantık gerçek. 37.600 dolarlık boya, 180.000 dolarlık çelik değişimini önlüyor. Ama asıl kazanç parada değil. Yangın sırasında bölmenin ayakta kalması, mürettebatın tahliye için 40 dakika kazanması demek.

Duyarlılık tarafı şurada. Kalınlık 1,2 milimetreden 0,8 milimetreye düşerse maliyet yüzde 33 azalır, yaklaşık 12.500 dolar tasarruf edilir. Ancak koruma süresi 60 dakikadan 35 dakikaya iner. Yani 12.500 dolar tasarruf, 25 dakikalık tahliye süresini satın alır. Denizde bu takas genelde kabul edilmez.

Kapanışta üç katman

Bir geminin yangına dayanımı tek bir malzemenin meziyeti değildir. Üç ayrı katmanın üst üste binmesiyle oluşur.

1. Kimyasal katman. Boyanın içindeki asit-karbon-gaz üçlüsü, ısıyı emerek ve köpük üreterek çeliği korur. Katman tarifin doğruluğuna bağlıdır.

2. Fiziksel katman. Köpüğün kalınlığı ve gözenek yapısı, ısı iletimini yavaşlatır. Katman uygulama kalınlığına bağlıdır.

3. İdari katman. Test standartları, denetimler ve kalınlık ölçümleri, ilk iki katmanın gerçekten var olduğunu garanti eder. Katman insan disiplinine bağlıdır.

Üç katmandan biri zayıflarsa gemi yüzer ama korunmaz. Çelik 400 dereceyi aştığında akma dayanımının yarısını kaybeder ve bölme çöker. Yangına dayanım, çeliğin değil, çeliğin arkasındaki görünmez disiplinin hikayesidir.