6.3 Активные защитные газы

В качестве активных защитных газов при сварке используют углекислый газ и смеси газов (Аг—О₂, Аг— С0₂, С0₂—О₂ и др.). К активным газам могут быть также отнесены, азот и водород, используемые в некоторых сварочных процессах как составная часть защитного газа.

Углекислый газ, или двуокись углерода, оксид С (IV), высший оксид углерода, может находиться в газообразном, сжиженном и твердом (в виде сухого льда) состояниях. Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре — 78,5°С двуокись углерода, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед».

Углекислый газ — широко распространенный в природе бесцветный газ, имеет слабый кисловатый запах и вкус, хорошо растворяется в воде и, образуя угольную кислоту Н₂СО₃, придает ей кислый вкус. В воздухе содержится 0,03 % СО₂. При нулевой температуре и давлении 101,3 кПа плотность углекислого газа равна 0,001976 г/см³ и по отношению к воздуху составляет 1,524.

Жидкая двуокись углерода — бесцветная жидкость. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой СО₂ 0,771 г/см³ (20 °С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11 °С — легче. Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой, поэтому количество двуокиси углерода определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8— 22,9°С не более 0,05 %. Двуокись углерода хорошо растворяет машинное масло.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При нормальных условиях (20 °С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л газа. При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при давлении 0,53 МПа и температуре —56,6°С она превращается в сухой лед. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения углекислоты; поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и кислород только при температуре выше 2000 °С.

Поскольку для получения швов высокого качества необходим углекислый газ высокой чистоты, для сварки используют двуокись углерода высшего и первого сортов.

Согласно ГОСТ 8050—85 двуокись углерода не должна содержать сероводород, кислоты, органические соединения (спирты, эфиры, альдегиды и органические кислоты), аммиак, этаноламины и ароматические углеводороды.

Углекислый газ получают в промышленности несколькими способами, из которых наиболее распространены следующие.

1. Из газов, образующихся при брожении спирта, пива, расщепления жиров. Отходящий газ в этих случаях представляет собой почти чистый углекислый газ и является дешевым побочным продуктом производства.

2. Из отходящих газов химических производств, в пер­вую очередь синтетического аммиака и метанола. Отходящие газы содержат примерно 90 % СО₂.

3. Из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих уголь, природный газ и другое топливо. Дымовой газ содержит 12—20 % СО₂.

Двуокись углерода нетоксична, невзрывоопасна. Однако при концентрациях более 5 % (92 г/м³) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как она тяжелее воздуха в 1,5 раза и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола и в приямках, а также во внутренних объемах оборудования для получения, хранения и перевозки газообразной, жидкой и твердой двуокиси углерода. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явления кислородной недостаточности и удушья. Предельно допустимая концентрация двуокиси углерода в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м³ (0,5 %).

Помещения, где производится сварка с использованием в качестве защиты двуокиси углерода, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией.

Жидкая двуокись углерода при снижении давления до атмосферного превращается в газ и снег температурой —78,5°С, которые могут вызвать при непосредственном попадании обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.

При осмотре внутреннего сосуда бывшей в эксплуатации цистерны для транспортирования и хранения жидкой двуокиси углерода цистерна должна быть отогрета до температуры окружающей среды, внутренний сосуд провентилирован или продут воздухом. Работа внутри сосуда должна проводиться в шланговом противогазе. Работать без противогаза разрешается только после того, как объемная доля двуокиси углерода внутри сосуда (оборудования) будет ниже 0,5%.

Кислород (лат. Охygеnium) О — химический элемент VI группы периодической системы Д. И. Менделеева, атомный номер 8, атомная масса 15,9994. При нормальных условиях газ без цвета, запаха и вкуса. Химически наиболее активный (после фтора) неметалл О большинством других элементов (водородом, металлами, серой, фосфором и т. д.) взаимодействует непосредственно (окисление) и, как правило, с выделением энергии.

Кислород — самый распространенный химический элемент на Земле. В атмосфере находится в свободном состоянии и составляет 23,15% массы воздуха. В обычных условиях молекула кислорода двухатомна (О₂). Плотность газообразного кислорода при нулевой температуре и нормальном давлении 1,42897 г/л. Критическая температура — 118,84°С, критическое давление 4,97 МПа. Температура кипения — 182,9°С.

В сварочном производстве кислород широко применяют для газовой сварки и резки, а также при дуговой сварке как составную часть защитной газовой смеси. При достаточно высоком содержании элементов раскислителей в переплавляемом дугой металле кислород может вводиться в зону сварки для уменьшения вредного действия водорода, улучшения формирования металла шва и переноса электродного металла. Как поверхностно активный элемент кислород уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла, тем самым, способствуя образованию на конце электрода более мелких капель и их более равномерному направленному (струйному) переносу в сварочную ванну.

Промышленность выпускает технический и медицинский газообразный кислород, (по ГОСТ 5583—78), получаемый из атмосферного воздуха способом низкотемпературной ректификации. Технический кислород получают также электролизом воды.

Газообразный кислород транспортируют в стальных баллонах (по ГОСТ 949—73) или в автореципиентах под давлением (15 ± 0,5) МПа или (20 ± 1) МПа при 20°С. Баллоны, наполненные кислородом, перевозят транспортом всех видов в соответствии с правилами перевозки опасных грузов, действующими на транспорте данного вида, и правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, утвержденными Госгортехнадзором.

Кислород нетоксичен, негорюч и не взрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, резко увеличивает способность других материалов к горению. Накопление кислорода в воздухе помещений создает опасность возникновения пожаров. Объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %.

Перед проведением ремонтных работ или освидетельствованием трубопроводов, баллонов, стационарных и передвижных реципиентов или другого оборудования, используемого для хранения и транспортирования газо­образного кислорода, необходимо продуть все внутренние объемы воздухом. Разрешается начинать работы только после снижения объемной доли кислорода во внутренних объемах оборудования до 23 %. Запрещается баллоны, автореципиенты и трубопроводы, предназначенные для транспортирования кислорода, использовать для хранения и транспортирования других газов, а также производить какие-либо операции, которые могут загрязнить их внутреннюю поверхность и ухудшить физико-химические показатели продукции.

При погрузке, разгрузке, транспортировании и хранении баллонов должны применяться меры, предотвращающие их падение, удары друг о друга, повреждение и загрязнение баллонов маслом. Баллоны должны быть защищены от атмосферных осадков и нагрева солнечными лучами и другими источниками теплоты.

Азот (греч. аzооs — безжизненный, лат. Nitrgenium) N — химический элемент V группы периодической системы Д. И. Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067, бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса. В воздухе свободный азот (в виде молекул N₂) составляет 78,09 %. Азот немного легче воздуха, плотность 1,2506 кг/м³ при нулевой температуре и нормальном давлении, температура кипения —195,8°С. Критическая температура —147,1°С и критическое давление 3,39 МПа.

В сварочном производстве азот находит ограниченное применение. Его используют для сварки меди и ее сплавов, по отношению к которым азот является инертным газом, а также для плазменной резки. По отношению к большинству других металлов азот является активным газом, часто вредным, и его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить.

Газообразный азот — инертный газ без цвета и без запаха. Удельный объем газообразного азота равен 860,4 дм³/кг при давлении около 10⁶ Па и температуре 20 °С.

Жидкий азот — бесцветная жидкость, без запаха с удельным объемом 1,239дм³/кг при температуре—195,8°С и давлении 101,3 кПа.

Поставка технического азота осуществляется в газообразном состоянии в баллонах и автореципиентах под давлением (15,0 ± 0,5) МПа или (20,0 ± 1,0) МПа или в жидком состоянии в изотермических цистернах. Технический газообразный азот высшего сорта поставляется только по трубопроводу.

Азот нетоксичен, невзрывоопасен, однако накопление газообразного азота вызывает явления кислородной недостаточности и удушья. Содержание кислорода в воздухе рабочей зоны должно быть не менее 19 %.

Жидкий азот может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.

Водород (лат. Нydrogenium) Н — химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Д. И. Менделеева. Атомная масса 1,00792. При обычных условиях водород—газ без цвета, запаха и вкуса, в 14,4 раза легче воздуха. Плотность 0,0899 г/л (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Критическая температура очень низка (—240°С).

Водород редко используют в сварочном производстве для атомно-водородной сварки и дуговой сварки в защитных газах (в смеси Аг—Н₂ до 12 %), однако он играет важную роль в металлургических процессах сварки. Более широко водород используют в специальных областях сварки и металлургии, например в порошковой металлургии при спекании изделий из порошковых материалов.

В соответствии с ГОСТ 3022—80 водород выпускают трех марок А, Б, В. Водород марки А получают электролизом воды; марки Б — железопаровым способом и взаимодействием ферросилиция с раствором щелочи; марки В — электролизом хлористых солей, а также при паровой конверсии углеводородных газов.

Для сварочных и металлургических целей в основном используют водород марок А и Б.

При работе с водородом следует строго выполнять требования техники безопасности. Водород взрывоопасен. С воздухом и кислородом образует взрывоопасную смесь, в смеси с кислородом (2:1) — гремучий газ. Пределы взрываемости: с воздухом 4—75 %, с кислородом 4,1 — 96%. Температура самовоспламенения 510°С. Водород физиологически инертен, при высоких концентрациях вызывает удушье. При высоком давлении проявляется наркотическое действие. При работе в среде водорода необходимо пользоваться изолирующим противогазом (кислородным или шланговым).

Технический водород хранят и транспортируют в стальных баллонах вместимостью 40 и 50 дм³ (по ГОСТ 949—73) под давлением (15 ± 0,5) МПа при 20 °С. Баллоны, наполненные водородом, транспортируют транспортом всех видов, кроме авиации, в соответствии с правилами перевозки опасных грузов, действующими на транспорте, и правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. Допускается перевозка в пакетированном виде в специальных контейнерах.

Автотранспортом баллоны с водородом перевозят в специальных контейнерах. По железным дорогам водород транспортируется в крытых вагонах.

Транспортировать баллоны следует в горизонтальном положении с прокладками между баллонами или вертикальном положении обязательно с ограждением от возможного падения.

Баллоны, наполненные водородом, хранят в специальных, изолированных помещениях или на открытых площадках под навесом, защищающим баллоны от атмосферных осадков и прямых солнечных лучей. Хранение рядом баллонов с водородом и другими газами не допускается.

Сопроводительная техническая документация. Поставка защитных газов в газообразном и жидком состоянии осуществляется партиями. При поставке в баллонах и реципиентах в партию включают любое количество однородного по показателям качества защитного газа, сопровождаемого одним документом о качестве.

При снабжении сварочных постов по трубопроводу партией считают любое количество защитного газа, направленное потребителю за 24 ч. При транспортировании (поставке) защитных газов в жидком состоянии в цистернах за партию принимают каждую цистерну. Каждая партия защитного газа должна сопровождаться документом о качестве.

Документ о качестве должен содержать наименование и товарный знак предприятия-изготовителя; наименование, сорт продукта; номер партии; дату изготовления продукта; объем газообразной двуокиси углерода в кубических метрах и массу жидкого в тоннах или килограммах; результаты проведения анализов как подтверждение соответствия продукта требованиям стандарта; штамп технического контроля; обозначение стандарта (ГОСТа). Кроме того, документ о качестве аргона должен содержать сведения о виде водорода, используемого для очистки сырого аргона.