Основные свойства горючих газов

Для процессов газопламенной обработки применяются различные горючие газы и пары жидких горючих (керосина и бензина), при сгорании которых в кислороде образуется высокотемпературное пламя. По химическому составу эти горючие, за исключением водорода, представляют собой либо углеводородные соединения, либо смеси различных углеводородов, причем в последнем случае в качестве составляющих обычно входит водород, окись углерода и негорючие примеси.

Преимущественное применение для газопламенной обработки получил ацетилен , являющийся наиболее эффективным, а также универсальным горючим. Однако все большее значение, в первую очередь для процессов, не требующих нагрева металла до температуры плавления, приобретают более дешевые горючие газы, называемые заменителями ацетилена: пропан, бутан и их смеси, коксовый газ, природные и городские газы и др., а также жидкие горючие.

В нашей стране имеются богатейшие месторождения природных газов, и для широкого их использования в целях газопламенной обработки важное народнохозяйственное значение имеет дальнейшее развитие сети газопроводов и газораздаточных станций.

С тепень пригодности и экономическая целесообразность применения отдельных горючих для газопламенных работ определяются в основном следующими их свойствами:

низшей теплотворной способностью (теплотворностью); удельным весом газа; скоростью воспламенения и температурой пламени; теоретическим, оптимальным и рабочим соотношениями между кислородом и горючим в смеси; тепловой мощностью и удельным тепловым потоком пламени; удобством и безопасностью при получении, транспортировке и использовании.

Оптимальное соотношение между количеством кислорода и горючего в смеси, т. е. такое, при котором обеспечивается наибольшая эффективная мощность пламени, всегда будет на 10—15% меньше теоретического соотношения ввиду участия в горении также кислорода воздуха, подсасываемого различными зонами пламени. Пламя при оптимальном соотношении будет иметь окислительный характер и может быть использовано лишь для процессов нагрева (резка, закалка и др.), но не для сварки.

Рабочее соотношение между кислородом и горючим газом в смеси для выполнения сварки должно быть меньше оптимального во избежание окисления

Ввиду преимущественного применения ацетилена для газопламенной сварки металлов в отношения других горючих приводятся краткие сведенья

Водород является горючим газом без цвета и запаха. Промышленное полу

чение его осуществляется несколькими способами, в частности электролизом воды; разложением водяного пара в присутствии раскаленного железа; разделением коксового газа путем глубокого охлаждения; из водяного газа (СО + Н20) путем конверсии СО в С02 с помощью водяного пара; термопиролизом метана или природного газа; воздействием серной кислоты на железную стружку и цинк и др. Температура сжижения водорода —253°С. Особенностью водородно-кислородного пламени является то, что оно несветящееся и его зоны не имеют четких границ. Водород хранится и транспортируется в стальных баллонах под давлением 150 кгс/см2. При работе с водородом необходимо обращать внимание на герметичность всех соединений ввиду его способности проникать через малейшие не плотности и образовывать взрывчатые смеси с воздухом в широких пределах.

П риродные газы, получаемые из природных газовых месторождений, состоят в основном из метана СН4 (до 98% по объему) с примесями этана, бутана, пропана, азота и углекислого газа. В обычных условиях они находятся в газообразном состоянии, не имеют цвета, но обладают легким чесночным запахом. Метан может быть также получен из коксового газа методом глубокого охлаждения. Температура его сжижения — 158° С. Большое содержание СН4 в природном газе делает его ценным горючим из-за высокой теплотворной способности; он широко применяется для промышленных и бытовых нужд. Транспортировка природ­ного газа осуществляется по трубопроводам, а также в баллонах под давлением 150 кгс/ .

Городские газы представляют собой природные газы с примесью низкокалорийных газов местных газовых заводов.

Пропанобутановые смеси получаются при переработке есте­ственных нефтяных газов и нефти. Обладают резким специфиче­ским запахом. При нормальных условиях они находятся в газо­образном состоянии, но при небольшом давлении сжижаются при положительной температуре. Так, при температуре +20° пропан переходит в жидкость при давлении 8,5 кгс/см2, а бутан при давлении 2,1 кгс/ . Состав смесей в зависимости от исходного материала и технологического процесса получения может колебаться в широких пределах. В среднем для полного сгора­ния 1 м3 газообразного пропан-бутана требуется около 5 02; в горелку подается 3—3,5 , т. е. по сравнению с другими горю­чими расход кислорода относительно высок.

П ри испарении 1 кг жидкого пропана получается 0,535 паров, а при испарении этого же количества бутана — 0,406 .

Транспортировка пропано-бутановых смесей производится под давлением 16 кгс/ в тонкостенных стальных баллонах, изготавливаемых сваркой и окрашиваемых в красный цвет. Бал­лоны заполняются жидкой смесью не полностью (0,425 кг на 1 л емкости) по причине резкого возрастания упругости паров при по­вышении температуры. При одной и той же температуре упругость паров (давление) не зависит от количества жидкости в баллоне и будет почти неизменной, что не позволяет судить о количестве смеси в баллоне по показаниям манометра редуктора.

Для повышения отбора газа баллоны подогреваются теплой водой или соединяются в общий коллектор. Транспортировка больших количеств пропано-бутановых смесей производится в же­лезнодорожных цистернах и автоцистернах.

Пиролизный газ представляет собой смесь газообразных про­дуктов термического разложения нефти, нефтепродуктов или мазута. Выход газа составляет 0,35—0,4 на 1 кг топливной нефти. Основными составляющими его являются: метан и другие угле­водороды, водород, окись углерода.

При нормальных условиях пиролизный газ бесцветен и обла­дает неприятным запахом. Ввиду наличия в газе сернистых при­месей и смолистых веществ, требуется тщательная очистка его для предотвращения коррозии мундштуков аппаратуры для газопламенной обработки и вредного воздействия на свариваемый металл. На места потребления газ подается по трубопроводу.

РЕДУКТОРЫ ДЛЯ СЖАТЫХ ГАЗОВ

Редукторы служат для понижения давления газа, отбираемого из баллона или сети, а также для поддержания рабочего дав­ления постоянным в процессе работы.

Редукторы классифицируются по следующим признакам:

по роду газа — на кислородные, ацетиленовые, водородные, пропанобутановые и др.; различаются окраской и способом крепления к баллону; по пропускной способности — на баллонные и рамповые (центральные); по числу камер редуцирования — на одно- и двухкамерные; по принципу действия — на редукторы прямого и обрат­ного действия.

Редукторы, за исключением ацетиленовых, присоединяются к баллонам накидными гайками, резьба которых соответствует резьбе штуцеров вентилей, а именно: редукторы для кислорода, воздуха и всех негорючих газов имеют гайки с резьбой Труб. 3/4" правой, а редукторы для горючих газов — гайки с левой резьбой диаметром 21,8 мм. Ацетиленовые редукторы закрепляются на баллонах при помощи хомута с упорным болтом.

Различные способы крепления редукторов, а также их окраска (та же, что и баллонов) исключают применение аппаратуры не по назначению и связанные с этим опасности.

Рамповые редукторы отличаются от баллонных большими про­ходными сечениями и соответственно большими размерами, и весом.

Двухкамерные редукторы лучше, чем однокамерные поддерживают постоянство рабочего давления газа, и, кроме того, кислородные двухкамерные редукторы более устойчивы против замерзания при большом расходе газа и низкой температуре окру­жающего воздуха.

Принцип действия редуктора определяет его характеристику: у редукторов

прямого действия она падающая, т. е. рабочее давление по мере расхода газа из баллона несколько снижается, а у редукторов обратного действия характеристика возрастающая, т. е. по мере уменьшения давления в баллоне рабочее дав­ление будет повышаться.

Преимущественное применение имеют редукторы обратного действия, как более удобные в эксплуатации.

Редуктор обратного действия (рис. 22, а) работает следующим образом. Газ из баллона поступает через штуцер 1 в камеру высо­кого давления 4 и своим давлением препятствует открыванию клапана 5. Для подачи газа в горелку необходимо ввернуть регу­лирующий винт 10, сжимающий главную пружину 9, которая в свою очередь действует на резиновую (или у металлическую) мембрану 11 и вызывает ее прогиб вверх. В результате штифт (стойка) 12, перемещаясь вверх, приподнимает клапан 5, который открывает отверстие для прохода газа в камеру низкого (рабо­чего) давления 8. Открыванию клапана кроме давления газа, поступающего в редуктор, препятствует обратная пружина 3, имеющая значительно меньшую силу, чем пружина 9.

Давление газа на входе в редуктор и в камере рабочего давле­ния контролируется посредством манометров 2 и 7. Для предотвращения повышения рабочего давления в редукторе сверх до­пускаемого имеется пружинный предохранительный клапан 6.

В процессе работы в редукторе автоматически поддерживается постоянное рабочее давление независимо от расхода газа. В случае увеличения расхода газа клапан больше открывается, так как давление на подвижную мембрану уменьшается, а при уменьшении расхода газа клапан прикрывается, так как давление газа на мембрану в этот момент несколько возрастает.

Р ис. 22. Схемы редукторов:

а — обратного действия; б — прямого действия

При расходе газа из баллона давление в нем будет постепенно снижаться и в результате рабочее давление будет также умень­шаться; для поддержания его на установленном уровне регулирующий винт нужно иногда вводить, т. е. увеличивать силу главной пружины.

Основными рабочими характеристиками редукторов являются:

рабочее давление и пропускная способность; 2) перепад давле­ния; 3) предел редуцирования; 4) чувствительность регули­ровки.

По рабочему давлению и пропускной способности редукторы подбираются в зависимости от условий работы. Пропускная способность редуктора зависит от величины рабочего давления, сечения отверстия в седле клапана и размеров других проходных сечений, в частности выходного штуцера.

Для баллонных редукторов перепад давления находится в пределах 10—30%, причем у редукторов обратного действия он меньше, чем у редукторов прямого действия, так как давление газа, поступающего из баллона, способствует более быстрому закрыванию клапана. Пределом редуцирования называется т акое наименьшее давление в баллоне или в сети, при котором рабочее давление резко падает. Это заставляет производить замену баллона. Предел редуцирования практически в 2—2,5 раза больше рабочего давления, что при значительной величине рабочего дав­ления, например, кислорода при резке стали большой толщины универсальным резаком, приводит к неполному использованию газа из баллона. В таких случаях баллоны до используются для работ, не требующих большого давления, в частности д ля сварки и пайки. Чувствительность регулировки характери­

зуется величиной изменения рабочего давления газа при повороте регулирующего винта на 90°. Для баллонных кислородных редукторов чувствительность составляет 0,5—1 кгс/ , для ацетиленовых и пропановых редукторов 0,25—0,5 кгс/ , так как давление горючих необходимо регулировать более плавно, чем давление кислорода, Ниже кратко рассматриваются конструкции типовых баллон­ных редукторов для кислорода, ацетилена и пропан-бутана. Кислородный редуктор РКД-8-61 (рис. 23) является двухкамерным обратного действия; предназначен для сварки, а также для резки стали малой и средней толщины (до 100 мм). Наиболь­шее рабочее давление 8 кгс/см2, максимальная пропускная способ­ность 25 /ч.

В первой камере редуктора, благодаря постоянной регули­ровке пружин, давление газа снижается с величины давления в баллоне до 20 кгс/см2, а во второй (рабочей) камере рабочее давление устанавливается регулирующим винтом. Редуктор снабжен пре­дохранительным клапаном, отрегулированным на максимально допустимое давление в первой камере, т. е. 20 кгс/см2. Аналогичную конструкцию имеет кислородный редуктор РКД-15-61 (наиболь­шее рабочее давление 15 кгс/ , максимальная пропускная спо­собность 60 /ч).

Ацетиленовый редуктор РД-2А (рис. 24) представляет собой однокамерный редуктор обратного действия. Сконструирован на базе кислородного редуктора РК-53, выпуск которого в настоящее время прекращен. Отличается от кислородного редуктора размерами главной и запорной пружин, диаметром седла клапана и наличием хомута для присоединения к баллону. Пределы регу­лирования рабочего давления от 0,1 до 1,5 кгс/ . Наибольшая пропускная способность составляет 5 /ч. Схема редуктора сходна с приводимой ниже схемой редуктора для пропан-бутана.

П ропано-бутановый редуктор РД-1Б (рис. 25) является однокамерным обратного действия. Крепление к баллону производится накидной гайкой-с левой резьбой диаметром 21,8 мм. Окрашивается в красный цвет. Ввиду разъедающего действия сжиженных газов на обычную резину, мембраны изготавливаются из мембранного полотна толщиной 0,8 мм, пропитанного бензо-маслостойкой резиной. Рабочее давление может регулироваться в пределах 0,05—кгс/ . Наибольшая пропускная способность 5 /ч)..

Редуктор РД-1Б может быть использован и для ацетилена при замене накидной гайки хомутом и с окраской корпуса в белый цвет.

В настоящее время промышленностью выпускается также ряд новых конструкций баллонных редукторов: ДКД-65 — кислород­ный двухкамерный; ДКП — кислородный однокамерный повышен­ной надежности; одноступенчатые редукторы для горючих газов: ДВП — водородный, ДАП — ацетиленовый, ДПП — пропанобутановый; двухступенчатый ацетиленовый редуктор ДАД и др. Из рамповых редукторов выпускаются: ДКР-250 и ДКР-500 для кислорода (соответственно на расход 250 и 500 /ч).), ДАР-1-64 для ацетилена, ДПР-1-64 для пропан-бутана и др.

Р егуляторы давления газа и подачи воды, применяемые в неко­торых конструциях ацетиленовых генераторов, имеют устройство, сходное с баллонными однокамерными редукторами, но вместе с тем отличаются некоторыми конструктивными особеностями, обусловленными условиями их работы, т. е. сравнительно небольшим давлением газа или воды и необходимостью повышенной чувствительности регулировки.

При эксплуатации редукторов необходимо следить за их исправностью и соблюдать определенные правила для предотвращения опасностей и перерывов в работе.

Основными неполадками и неисправностями при работе редукторов являются: утечка газа, воспламенение и выгорание частей редуктора, «замерзание» кислородного редуктора и не герметичность клапана («самотек»).

Утечка газа из редуктора может быть при наличии не плотностей. Опасной является утечка горючего газа ввиду обра­зования в окружающей зоне взрывчатой смеси. Не плотности выявляются смазыванием предполагаемого места утечки мыльной водой (образование пузырьков при выходе газа). Для устранения не плотностей редуктор должен быть снят с баллона.

Воспламенение и выгорание частей ре­дуктора может быть по различным причинам. Воспламенение редукторов для горючих газов может произойти при утечке газа и наличии огня, при случайном попадании брызг расплавленного металла и шлака или же при возникновении искры.

Воспламенение кислородных редукторов бывает в случаях загрязнения редуктора маслом и другими жировыми веществами и резкого открывания вентиля баллона. При резком открывании вентиля непосредственными причинами воспламенения и после­дующего .выгорания частей редуктора могут быть: искровые разряды статического электричества, образующегося от трения молекул

г аза о стенки трубки высокого давления вследствие сверхзвуковой скорости кислородной струи; выделение большого количества тепла в той же трубке, так как в ней почти мгновенно соз­дается такое же давление, как и в баллоне (до 150 кгс/ ), что равносильно быстрому сжатию газа. Теоретически температура газа в этот момент может достигнуть нескольких сот градусов.

В результате по обеим указанным причинам может произойти воспламенение отдельных деталей редуктора, в частности эбони­тового уплотнения клапана (у редукторов прежних выпусков), обратной пружины и др. Во избежание загорания необходимо производить осмотр вентиля кислородного баллона, производить продувку его до присоединения редуктора и медленно открывать вентиль баллона. В случае загорания необходимо быстро закрыть вентиль баллона, приняв меры против ожогов.

«Замерзание» кислородного редуктора заключается в конденсации и замерзании влаги в отверстии клапана, что ведет к уменьшению, а затем к прекращению подачи кислорода в резак (имеет место обычно при резке). Возможность замерзания повышается с увеличением расхода кислорода, при большом перепаде давления и при низкой температуре окружающего воздуха.

Для кислородного редуктора при начальном давлении 150 кгс/ и начальной температуре кислорода +10° С теоретически возмож­ная температура газа на выходе из седла клапана равна —31° С. Практически благодаря значительной массе и теплопроводности металла корпуса; редуктора температура газа не будет столь низ­кой, однако при определенных указанных выше условиях охлаждение будет достаточным для возможности замерзания влаги, имеющейся в газе.

Мерами предотвращения замерзания являются: применение при большом расходе кислорода двухкамерных баллонных или рамповых редукторов, осушка или подогрев газа до редуктора, подача кислорода не из одного баллона, а из рампы.

Если редуктор «замерз», то отогрев его может производиться только горячей водой или паром, но не открытым пламенем.

Н е герметичность клапана редуктора (самотек) заключается в том, что при отсутствии расхода газа кла­пан неплотно закрывает вход в камеру рабочего давления; при расходе же газа рабочее давление не поддерживается на установ­ленном уровне, а имеет тенденцию к повышению. В результате может быть срыв или разрыв шланга и загорание его от брызг металла, шлака, а также от искр, что может привести к несчастным случаям.

Редуктор, имеющий самотек, должен сдаваться в ремонт.

АППАРАТУРА ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

В зависимости от сущности процессов газопламенной обработки применяется соответствующая технологическая аппаратура.

Для процессов, связанных с нагревом материалов до той или иной рабочей температуры (пламенная закалка, огневая правка, поверхностная очистка, местная деформация, огневое бурение); а также для процессов образования соединений (сварка плавле­нием и газопрессовая, пайка, наплавка, сварка пластмасс) в ка­честве технологической аппаратуры применяются так называе­мые горелки, основными узлами которых являются устройства для смешения кислорода и горючего в требуемом соотношении, а также для регулирования состава горючей смеси в некоторых пределах.

Для процессов кислородной резки всех видов и нанесения металлических и неметаллических покрытий в связи с более слож­ной их физико-химической сущностью применяется особая аппа­ратура. Резка производится ручными или машинными резаками, представляющими собой горелки с дополнительным устройством для подачи по оси пламени струи чистого кислорода в целях сжигания металла для образования разреза.

Нанесение металлических покрытий с использованием наносимого материала в виде проволоки производится металлизаторами аппаратам и, имеющими кроме специальной горелки ме­ханизм подачи проволоки и устройство для распыления плавящегося металла проволоки сжатым воздухом.

Напыление покрытий с использованием порошкообразных материалов требует применения специальных установок, в комплект которых кроме горелок особой конструкции входит также бункер для порошка, подаваемого в горелку обычно струей воздуха.

Н есмотря на большое разнообразие технологической аппаратуры для газопламенной обработки ее можно подразделить на группы по некоторым общим признакам:

1. по роду горючего — для ацетилена, для газов-заменителей и для жидких горючих;

2. по способу подачи горючего в смесительную камеру — на инжекторную и безынжекторную;

3. по способу применения — на ручную и машинную.

Принципы работы инжекторной и безинжекторной аппаратуры,

основные требования к ней и условия устойчивой работы рассмат­риваются на примере сварочных ацетиленокислородных горелок, являющихся базовыми конструкциями для другой аппаратуры. Приводятся также основные сведения по современным типовым горелкам и их характеристики.

Принцип работы инжекторной горелки (рис. 26, а) заключается в том, что горючая смесь образуется за счет инжектирования горючего низкого или среднего давления кислородом, поступающим в горелку под давлением 0,5—4 кгс/ . Кислород через ниппель /, трубку 3 и вентиль 9 поступает в осевой канал инжектора 8 и выходит с большой скоростью в смесительную камеру 7, создавая разрежение в канале горючего, благодаря чему горючее через ниппель 2, корпус горелки 4 и вентиль увлекается в смесительную камеру, проходя снаружи инжектора 8.

Образовавшаяся горючая смесь, состав которой может в некоторых пределах регулироваться вентилями горелки, выходит из горелки ч ерез трубку наконечника 5 и мундштук 6. Давление горючего должно быть не менее 0,01 кгс/ .Принцип работы без инжекторной горелки (рис. .26, б) более простой: горючий газ и кислород поступают в горелку под примерно одинаковым давлением (не ниже 0,5 кгс/ ), проходят в смесительную камеру, в которой смешиваются, и образовавшаяся горючая смесь идет на выход.

Основное значение имеют горелки инжекторного типа' как более универсальные, поскольку они могут работать на горючем низкого и среднего давления, но их недостатком является некоторая неустойчивость в работе из-за изменения состава горючей смеси.

К сварочным горелкам предъявляется ряд требований:

1)небольшие размеры и вес;

2)смешение кислорода и горючего в требуемом соотношении и поддержание постоянства состава смеси в процессе работы; так, для ацетиленовых горелок соотношение объемов подаваемых газов должно быть в пределах = 0,8-1,5;

3)возможность изменения мощности пламени в зависимости от толщины металла;

для предотвращения обратных ударов пламени скорость истечения горючей смеси из горелки должна быть больше скорости ее воспламенения;

4)обеспечение регулирования состава горючей смеси в процессе работы;

5)безопасность горелки в работе. На состав горючей смеси при работе инжекторной горелки влияют следующие факторы: нагревание наконечника, засорение мундштука и колебание давления газов перед горелкой.

Нагревание наконечника отраженным теплом вызывает повы­шение давления

горючей смеси в его канале, что создает сопротивление для поступления следующих порций газов в смесительную камеру, в основном горючего газа, из-за уменьшения величины инжекции; в результате пламя становится окислительным. Для восстановления нормального пламени горелка должна иметь «запас» горючего, т. е. возможность увеличить подачу его путем дополнительного открывания вентиля горючего на горелке.

Засорение мундштука брызгами металла также создает сопротивление для прохождения горючей смеси и пламя также стано­вится окислительным. В этом случае требуется очистка мундштука.

Колебание давления газов перед горелкой отражается на характере пламени в зависимости от причины изменения, например, при снижении давления кислорода уменьшается инжекция, а это вызывает, в свою очередь, уменьшение поступления горючего. Восстановление нормального пламени и требуемой мощности, характеризуемой расходом горючего в л/ч и производится дополнительной регулировкой, а при необходимости производится замена баллонов.

Если по какой-либо из названных выше причин скорость воспламенения превысит скорость истечения горючей смеси из горелки, происходят хлопки и обратные удары. Для устойчивой работы инжекторных горелок скорость истечения горючей смеси должна составлять 30—200 м/сек, что достигается определенным соотношением сечений каналов инжектора, смесительной камеры и мундштука, а также регулировкой рабочего давления кислорода в пределах от 0,5 до 4 кгс/ .

Типовыми ацетиленовыми инжекторными горелками являются универсальная горелка «Москва» и малолитражная «Малютка». Общий вид горелки «Москва» с комплектом наконечников при­веден на рис. 27.

Техническая характеристика сварочных горелок «Москва» и «Малютка» приведена в табл. 6. Аналогичную характеристику имеют горелки предыдущего выпуска (марок ГС и ГСМ).

В ажным достоинством современных инжекторных горелок является возможность изменения мощности пламени, кроме смены наконечников, изменением рабочего давления кислорода, что позволяет получить непрерывную шкалу рабочей мощности пламени, т. е. верхний предел мощности предыдущего наконечника перекрывается нижним пределом мощности последующего. Это обеспечивает весьма плавную регулировку мощности пламени.

Безинжекторные горелки (равного давления) не нашли в отечественной практике широкого применения и в настоящее время не выпускаются.

Новейшими конструкциями ацетиленокислородных сварочных горелок инжекторного типа являются ГС-ЗА и ГС-2А, которые по сравнению с горелками «Москва» и «Малютка» являются более удобными, долговечными и надежными в работе. Техническая характеристика их по существу не отличается от приведенной в таблице.