книги из ГПНТБ / Иванов Б.А. Безопасность применения материалов в контакте с кислородом

спирали на горизонтальном участке, и электрическая цепь разры­ валась. Таким образом, во время распространения горения темпе­ ратура образца непрерывно уменьшалась. Опытами было устано­ влено, что при сгорании образца температура в его верхней части снижается на 100—130 градусов при начальной 450—500 К и на 200—250 градусов при начальной 900—1000 К.

лось 25 кгс/см2, а при 700 °С (973 К) — 3,5 кгс/см2 (см. рис. 4.5).

Однако следует отметить, что поскольку в экспериментах температура образца менялась, результаты описанных опытов можно использовать только для приближенной оценки влия­ ния начальной температуры на предельные условия горения метал­ лических деталей, работающих при повышенных начальных тем­ пературах кислорода.

4.2. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ

Независимо от вида и назначения деталей они могут быть условно разделены на две большие группы: детали, размеры кото­ рых в направлении распространения горения не изменяются, и детали, размеры которых в направлении распространения горе­ ния меняются. К первой группе относятся длинные цилиндриче­ ские детали различного, но постоянного по длине сечения (прутки, трубы), ко второй —детали конусной или угловой формы (конус,

100

В табл. 4.1 приведены предельные давления кислорода, при которых возможно горение цилиндрических образцов в зависи­ мости от диаметра образца и направления распространения горе­ ния [8 , И , 1 2 ].

Из приведенных данных видно, что с увеличением размеров (диаметров d) цилиндрических образцов давление кислорода, при котором возможно их горение, очень быстро (—d2) возрастает (независимо от направления распространения горения). Некото­

миллиметров давление немного уменьшается и зависимость р — d имеет минимум (рис. 4.6).

Однако образцы из углеродистых сталей и стали 0Н9А диамет­ ром от 1 до 6 мм сгорали при начальных давлениях 1 ,0 —2 ,0 кгс/сма.

По-видимому, при указанных размерах предельное для горения давление кислорода ниже атмосферного.

Влияние геометрических параметров (угла конуса) образца на условия горения изучали на конусных образцах. Результаты экспериментов приведены на рис. 4.7—4.9 [11, 18].

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие вы­ воды. Давление кислорода, при котором возможно горение метал­ лических образцов конусной формы, и угол конуса (а) могут быть

101

алюминиевых сплавов п < 1 . Увеличение угла конуса до 60—90° позволяет в несколько раз (до 5—10) расширить область давлений, при которых металлы не горят. Это имеет важное значение для практики, поскольку создает предпосылки правильного подхода к выбору геометрических параметров различных деталей для работы в атмосфере кислорода: детали должны иметь гладкую поверхность, а радиус округлений — быть возможно большим.

Приведенные данные позволяют сделать несколько замечаний об использовании черных металлов при высоких давлениях кис­ лорода. В настоящее время принято [22—25] черные металлы

(стали, чугуны, легированные стали) использовать в конструкциях кислородного оборудования, если давление кислорода не превы­ шает 64 кгс/см2. Рассмотрение экспериментальных данных, опи­ санных в настоящем разделе, не указывает на то, что давление кислорода, равное 64 кгс/см2, является той граничной величиной, которая разделяет область «опасного» и «неопасного» использова­ ния черных металлов в кислородном оборудовании. Кроме того, неверным является установление предельного давления кислорода без учета размера и формы детали. На самом деле в зависимости

4.3. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СКОРОСТИ ПОТОКА КИСЛОРОДА

Анализ аварий кислородного оборудования показывает, что горение металлов часто происходит при давлениях кислорода, значительно меньших, чем предельные давления горения, опреде­ ленные в стационарных условиях, т. е. при отсутствии потока

102

кислорода. Возможным объяснением этого было предположение о влиянии на предельные давления скорости потока кислорода, который практически всегда имеется при работе кислородного оборудования [15, 17].

Ранее упоминалось (стр. 32, 70), что наличие даже неболь­ шого потока кислорода может привести к значительному увеличе­ нию скорости горения, т. е. к увеличению скорости распростране­ ния зоны горения и снижению предельного давления горения.

распространение по нему горе­ ния не наблюдались. Аналогичное влияние потока кислорода

наблюдалось при изучении горения других металлов и при других размерах образцов.

По экспериментальным данным была построена кривая (рис. 4.10) предельных значений скорости и давления кислорода, которая разграничивает две области: в одной (над кривой) нахо­ дятся значения давлений и скоростей, при которых образец может гореть, в другой (под кривой) — значения этих парамет­ ров, при которых горение невозможно.

Необходимо отметить, что наиболее резкое расширение области горения (снижение давления) наблюдается при небольших зна­ чениях потока кислорода. При значениях скорости потока кисло­ рода более 0,3—0,5 м/с влияние потока становится незначитель­ ным. Кроме того, при горении некоторых металлов увеличение скорости потока вызывало срыв горения (см. рис. 4.17 и рис. 4.18). Например, образец из стали Х18Н9Т d — 2 мм при давлении кислорода 1,5 кгс/см2 горел при скорости потока до 6,2 м/с. При

больших скоростях потока горение не наблюдалось. Срыв горения образцов из углеродистой стали в тех же условиях происходил при v = 9,5 м/с. Поэтому рекомендованные в литературе макси­ мально допустимые значения скорости потока 6 — 8 м/с и 10 м/с

103

[4, 26, 27] не представляются правильными и не имеется никаких оснований для ограничения скоростей потока в области больших значений v. Поэтому, если в оборудовании кислород покоится или практически покоится, то при определении условий безопас­ ной эксплуатации следует пользоваться значениями предельных давлений кислорода, определенных в статических условиях. Если же в оборудовании существует поток кислорода, то следует ориентироваться на минимальное значение рпр, полученное при оптимальной скорости потока (1 ,0 —3 м/с), поскольку, как пра­

вило, такие скорости возможны при промежуточных режимах работы.

4.4. СПОСОБЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ

Сравнение значений рабочих давлений кислородного оборудо­ вания (до 600—900 кгс/см2) со значениями предельных давлений кислорода, при которых возможно горение наиболее употребляе­ мых в конструкциях металлов (обычно десятки атмосфер), пока­ зывает, что металлы, как правило, исдользуются в условиях, когда они могут гореть.

Одним из возможных способов увеличения надежности обору­ дования представляется локализация горения, т. е. предотвращение распространения начавшегося горения от места зажигания на все элементы конструкции.

Локализация горения может быть достигнута при уменьшении подачи кислорода к зоне горения или охлаждении зоны горения. Уменьшение доставки кислорода к зоне горения наблюдается, например, вследствие снижения концентрации окислителя, если объем, в котором началось загорание, небольшой или начальное давление в нем близко к предельному давлению горения для данного металла. Кроме того, газообразные и твердые продукты горения могут экранировать зону горения и препятствовать доступу кислорода к ней. Охлаждение зоны горения происходит также при резком увеличении поверхности горения, например при переходе горения цилиндрического образца с меньшего диа­ метра на больший. Возможно также активное подавление горения путем охлаждения горящего образца жидкими или газообразными агентами. Первые два случая гашения, по существу, предста­ вляют автогашение, третий — активное внешнее гашение.

Активное гашение наиболее надежно, однако требует разра­ ботки комплекса мер и средств пожаротушения — датчика обнару­ жения загорания, систем хранения и быстрой подачи гасящего агента, систем связи отдельных элементов комплекса и управле­ ния ими (электрической, гидравлической или пневматической) и др. Поэтому локализация горения путем активного воздействия, например охлаждением образца водой, обдувом инертным газом, целесообразна только в крупных и сложных конструкциях. Оче­ видно, что защита от загораний большинства видов промышлен­

104

ного кислородного оборудования (вентилей, трубопроводов, кла­ панов, компрессоров и др.) вряд ли может осуществляться путем активного гашения.

При исследовании условий распространения горения по образ­ цам различных металлов установили, что искусственное введение теплоотводящих и одновременно экранирующих элементов весьма эффективно локализует горение, особенно деталей, имеющих несложную форму (рис. 4.11). ,Эти элементы располагаются непо­ средственно на образце (детали).

/ ___________ ___________ 1_ _ _

н и я .

Методика исследований заключалась в следующем. На иссле­ дуемый образец плотно надевали латунную втулку. Запальную часть образца зажигали с помощью стальной спирали, нагревае­ мой электрическим током. После сгорания запальной части зона

из алюминиевого сплава АМц, нержавеющей стали Х18Н9Т, чугуна СЧ-18-36 и углеродистой стали ст. 3. В опытах изменяли размеры втулки (толщину d от 1 до 5 мм и длину I от 3 до 25 мм) и определяли давления кислорода при значениях, ниже которых не наблюдалось распространения горения по всему образцу, т. е. наличие втулки на образце локализовывало горение. Изучили также влияние относительного расположения втулки на образце (ближе или дальше от запальной части). Результаты опытов при­ ведены в табл. 4.2 [28].

Полученные данные показывают, что условия гашения зависят как от размеров втулки, так и от места расположения ее на

105

Таблица 4.2. Условия локализации горения металлических образцов из различных металлов латунными втулками

образце. Важно отметить, что оптимальные условия гашения обус­ ловлены совместным действием теплоотводящего и экранирующего эффекта. Тонкостенные и длинные втулки так же не эффективны, как и толстостенные, но короткие (рис. 4.12). Интересно, что массы втулок, при которых горение локализовывалось, примерно одинаковы в широком интервале изменений длины втулки и толщины ее стенки. Так, по образцам из стали Х18Н9Т горение не распространялось, когда относительные массы втулок тоти при толщинах 2, 3 и 5 мм составляли 1,92; 1,56 и 1,5. Для образ­ цов из алюминия толщиной 2, 3 и 5 мм соответствующие массы втулок составляли 2,50; 3,12 и 3,0. Сравнение этих величин пока­ зывает, что горение алюминия в кислороде при давлении 50 кгс/см2

протекает более энергично, чем горение нержавеющей стали при давлении 400 кгс/см2, и необходимые для локализации горения массы теплоотводящих втулок для алюминия в 1,3—2 раза больше,

106

чем для стали Х18Н9Т, а при одинаковых давлениях необходи­ мая масса втулок для стали и чугуна примерно в 5 раз меньше, чем для алюминия.

4.5. СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ

За скорость горения металлов принимается видимая скорость распространения зоны реакции (пламени) вдоль исследуемого образца. В экспериментах обычно измеряют время перемещения зоны горения на заданное расстояние.

Гаррисон и Иоффе [29] определили скорость горения железа, молибдена, титана и циркония. Эксперименты проводили с прово­ лочками, которые располагали вертикально и воспламеняли с нижнего конца. Отмечено, что скорость горения металлов увели­ чивается с повышением давления кислорода. Для железа и молиб­ дена при р = 1 кгс/см2 и диаметре образца 1 мм скорость горения

составляла соответственно 1,0 и 0,7 см/с.

Наиболее полно и подробно процесс распространения горения по металлам исследовал Киршфельд [30—38]. В работе [30] опре­ делена скорость горения железной проволоки диаметром до 2 мм

при давлениях кислорода от 0,125 до 1 кгс/см2. Аналогичные исследования проведены Киршфельдом с алюминиевой и магние­ вой, а также медной и цинковой проволоками [32].

В последующих работах Киршфельд [31—32] изучал скорость горения металлов при давлении кислорода до 160 кгс/см2.

Для скоростей горения (U) металлических проволочек при

образца постоянной скорость горения увеличивается с повыше­ нием начального давления пропорционально корню квадратному из него (U ~ Vlp)-

Вопытах было установлено, что скорость горения чугуна и углеродистых сталей обычно ниже, чем скорость горения сталей, легированных хромом и никелем. Увеличение содержания в стали углерода, никеля, хрома приводит к уменьшению скорости горе­ ния образца, а увеличение содержания магния — к увеличению скорости горения. В опытах обнаружено также замедление роста скорости горения высоколегированных сталей при высоких давле­ ниях кислорода: U хромоникелевых сталей снижалась до U мало­ легированных сталей.

Вработе [38] определена скорость горения образцов из мало­ углеродистой стали различной формы: плоские и в виде трубок

диаметром 8 и 21 мм с толщиной стенки 0,31; 0 ,5 и 1 ,0 мм при р — 1 кгс/см2.

Отметим, что из всех изученных факторов, влияющих на ско­ рость горения, наиболее сильное влияние оказывало поперечное

107

сечение образца. Для трубок обнаружена гиперболическая зави­ симость U от площади сечения.

Проведены эксперименты [11, 13—16], в которых скорость горения углеродистых и нержавеющих сталей, а также алюминие­ вых сплавов измеряли при давлениях кислорода до 400 кгс/см2. Результаты опытов приведены в табл. 4.3 и на рис. 4.13 и 4.14.

Несколько необычная зависимость скорости горения алюми­ ния и сплавов на его основе от давления кислорода объясняется [16], тем, что при невысоких давлениях кислорода алюминий

3,5

■3,0

г,5

*-2,0

р ,ш /с м г

Рис. 4.13. Скорость горения малоуглеродистых и нержавеющих сталей при

р о д и ста я стал ь d = 3 мм; 10 — с тал ь 3X 13 d ■= 3 мм (п ози ц и и 1— 5 по данны м [3 7 ], а 6 — 10 по данны м автора ).

горит в газовой фазе, а с повышением давления процесс прибли­ жается к поверхности и, начиная с определенного для каждого сплава давления, протекает только на поверхности расплава.

На рис. 4.15 приведены скорости горения металлов в зависи­ мости от диаметра образца. Полученные данные показывают, что скорости горения металлов уменьшаются с увеличением диаметра пропорционально d~ 2.

Влияние скорости потока кислорода на скорость горения металлов изучено в работе [17]. Скорость горения металлов увеличивается при увеличении скорости потока кислорода (табл. 4.4). Причем наибольший рост наблюдается при небольших скоростях потока кислорода (до 0,5 м/с) и невысоких давлениях кислорода. При больших давлениях влияние скорости потока

108