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

незначительно. Интересно отметить, что зависимость U от у не монотонная. В определенном интервале скоростей потока ско­ рость горения несколько снижается, остается практически посто­

на скорость горения (рис. 4.17 и 4.18). Скорость горения увеличи­ вается с ростом скорости потока как при прямом, так и при обрат­ ном потоке. Однако такое влияние наблюдается только при не­ больших скоростях потока. При скоростях обратного потока боль­ ших 3—4 м/с скорость горения малоуглеродистой и легированной стали Х18Н9 достигает своего максимального значения и пере­ стает увеличиваться с ростом скорости потока. Такое же влияние

(рис. 4.18). Скорость горения малоуглеродистой стали при увели­ чении скорости прямого потока после некоторого замедления продолжает 'быстро расти.

4.6. ЗАЖИГАНИЕ МЕТАЛЛОВ ПРИ ВЗАИМНОМ ТРЕНИИ В КИСЛОРОДЕ

Полагают, что одной из основных при ^ н загораний кислород­ ного оборудования является воспламенение металлических эле­ ментов конструкции от трения в атмосфере кислорода [9, 39, 40]. Это предположение основывается на анализе происходивших аварий, из которого следует, что загорания наблюдаются в мо­ менты открытия или закрытия вентилей и задвижек, срабатыва­ ния клапанов и переключающих устройств, регулировки редукто­ ров, в моменты пуска или остановки машин.

111

Экспериментальное изучение условий, при которых возможно зажигание металлов от трения, проводилось в работе [1 ].

В первой серии опытов испытывали образцы цилиндрической формы диаметром 2 мм. Время трения и износ образца составляли не более 1 с и 1,5 мм. Силуподжатия образца к бандажу во время опыта поддерживали постоянной (20 кгс), максимальная скорость

трения составляла 60 м/с. Условия проведения этих опытов ими­ тировали кратковременное трение в кислородном оборудовании, а точнее, были выбраны из предположения о возможности частич­ ного вырыва проволоки для зачеканки гребней из ротора центро­ бежных кислородных компрессоров и трения ее о статор. Под дей­

при которых наблюдалось воспламенение металлических образ­ цов при трении:

* З аж и ган и е о тсутствует.

Важно отметить, что сталь Х18Н9, которая широко исполь­ зуется в кислородном машиностроении, имеет относительно низ­ кую склонность к зажиганию при трении. Сталь 3X13 и ст. 3 вос­ пламенялись очень легко: образцы зажигались практически мгно­ венно, от первого прикосновения к бандажу. Напомним, что пре­ дельные давления кислорода, при которых наблюдается горение стали 3X13 и Х18Н9, близки (22 и 28 кгс/см2) и много выше, чем р пр для ст. 3 (1 кгс/см2). Осмотр образцов после опытов пока­ зал, что образцы из твердых металлов (ст. 3 и сталь 3X13) изнаши­ вались по контуру бандажа, а образцы из более мягких и вязких металлов (сталь Х18Н9, медь, латунь) имели наклеп, т. е. изменя­ лась площадь трения, сила трения, часть энергии терялась на из­ менение формы образца. По-видимому, этим можно объяснить отмеченное различие в условиях зажигания названных металлов при трении.

Было также исследовано влияние размеров образца на мини­ мальное давление кислорода, при котором наблюдается зажига­ ние, когда время трения и износ образцов не ограничиваются. Результаты экспериментов приведены ниже:

112

При сохранении усилия прижатия образца к бандажу постоян­ ным с увеличением размеров (d) образца давление кислорода, при котором наблюдается зажигание, возрастало. Замена мате­ риала бандажа (латунь) на чугунный не приводила к существен­ ному изменению результатов опытов.

Во второй серии опытов проверяли возможность загорания от трения в кислороде гребней и обойм лабиринтных уплотнений, форма, размеры и схема рабо'гы которых соответствовали приме­

ПоВ

Рис. 4.19. Схема размещения моделей лабиринтных уплотнений и бандажа при трении:

1 — м ех ан и зм п о дач и о б р азц а ; 2 — п атр о н ; з — ш тан га ; 4 — обой ­

к гребням, равным 5 кгс. Такая величина давления выбрана из условия сохранения жесткости гребней. Продолжительность тре­ ния составляла 40—300 с, скорость вращения в месте трения —

60 м/с.

Ни в одном из опытов не наблюдалось зажигания гребней лабиринтных уплотнений. Более того, даже при сгорании обойм гребни не зажигались. Однако при использовании гребня из алю­ миния периодически возникали вспышки большой яркости, что можно объяснить сгоранием в кислороде образующихся при тре­ нии мелких частиц алюминия. Заметного износа гребней не на­ блюдали, хотя в обоймах гребни прорезали глубокие канавки на всю высоту своих гребней.

В условиях эксперимента поток кислорода был направлен на обойму и охлаждал ее. Если не принимались меры по защите обоймы от воздействия потока кислорода, то ее зажигание наблю­ далось редко. Так, при трении о латунные гребни зажигание обоймы из чугуна СЧ-18-36 при давлении кислорода 6,6 кгс/сма

отмечено в одном опыте из четырнадцати. После установки перед

обоймой обтекателя при указанном давлении зажигание наблю­ далось практически в каждом опыте. Обтекатель представлял собой металлическую пластинку, которая имела прорези для греб • ней и закреплялась перед обоймой с небольшим зазором над бан­ дажом.

Давление кислорода, при котором загорались чугунные обоймы, составляло 5—14 кгс/см2, время от начала трения до заго­ рания 40—180 с. При этом гребни прорезали в обоймах канавки глубиной 1,7—2,5 мм.

Ниже приведены минимальные давления кислорода и продол­ жительность трения, при которых наблюдалось зажигание метал­ лических обойм при трении о них тонких металлических гребней:

* З а ж и га н и е о тсу тству ет.

Проведенные эксперименты наглядно показали, что при трении металлов в кислороде возможно воспламенение как тонких, так и массивных элементов. Причем возможно зажигание массивного элемента при длительном трении о него тонкостенного элемента.

В этих же экспериментах исследовали условия зажигания обойм, внутренняя часть (наплавки) которых изготовлена из материалов с температурой плавления ниже температуры само­ воспламенения. Полагали, что гребни будут прорезать наплавку и температура в месте трения не поднимется выше температуры плавления материала наплавки.

В опытах измеряли температуру, которая возникла при про­ резании чугунных обойм и чугунных обойм с наплавкой из баб­ бита никелевыми гребнями. Замеры температуры проводили тремя термопарами, введенными внутрь обоймы. При прорезании обойм с мягкой наплавкой максимальные температуры составляли 160— 170 °С, а без нее соответственно 600—650 °С. Такимобразом, места трения могут быть защищены от воспламенения путем ис­ пользования мягких наплавок.

4.7. ЗАЖИГАНИЕ МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ В ПОТОКЕ КИСЛОРОДА

Полагают, что механические примеси, находящиеся в потоке кислорода, могут явиться причиной загорания кислородного оборудования. Однако до настоящего времени известна лишь

114

одна работа Вегенера [4], в которой исследованы условия вос­ пламенения твердых механических примесей в потоке кислорода и условия зажигания ими стальных кислородопроводов. Наиболь­ ший интерес представляла оценка предельно допустимой скорости кислорода, поскольку по существующим нормам ее величина не должна превышать 8 —10 м/с. Ограничение скорости транспортиро­

вания кислорода в трубах, которое объяснялось требованиями тех­ ники безопасности, приводило к серьезным экономическим поте­ рям, сдерживало внедрение кислорода в промышленность.

Исследование проводили на установке, схема которой приве­ дена на рис. 4.20. Основная часть установки — длинный стальной (ст.35) трубопровод (d = 40 мм, / = 40 м) с коленами. В начале трубопровода к нему подсоединен дозатор — сосуд объемом 3 л с твердыми частицами, которые могут подаваться в трубопровод. После того как устанавливался заданный режим течения газа

Рис. 4.20. Схема установки для изучения зажигания кислородо­ проводов частицами примесей в потоке:

в трубопроводе, дозатор открывался и твердые частицы в течение

можно при эксплуатации кислородопроводов, исследовались пе­ сок, ржавчина, колошниковая пыль, сварочный шлак, силикат­ ный шлак от сварки под флюсом, прокатная окалина, кокс, камен­ ный уголь, смесь из порошка железа и песка.

Из приведенных в табл. 4.5 экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.*

Твердые частицы, попавшие в поток кислорода, проявляют различную способность к воспламенению. Например, песок, ржав­ чина, колошниковая пыль не воспламенялись в кислороде и не зажигали стенки кислородопровода. Таким образом, наличие

* В работе не указано количество вводимых примесей. Однако по кос­ венным оценкам можно предположить, что эта величина составляла несколько килограммов.

Таблица 4.5. Условия зажигания стальных кислородопроводов при наличии в потоке кислорода твердых частиц

£ S £ £

в потоке кислорода даже в больших количествах твердых веществ, не способных к горению в кислороде, по-видимому, не предста­ вляет опасности загорания кислородопроводов и другого кислород­ ного оборудования.

Возможно попадание в поток кислорода твердых частиц, име­ ющих в своем составе горючие вещества (например, сварочный шлак, силикатный шлак от сварки под флюсом, прокатная ока­ лина). Если горючее вещество содержится в частицах в достаточно большом количестве, то при определенных параметрах кислорода (р, v) возможно их воспламенение и зажигание кислородопровода. Опасность попадания в кислородопроводы твердых частиц, содержащих горючие вещества, пропорциональна наличию в них горючего вещества.

Наиболее опасным является попадание в поток кислорода твер­ дых частиц горючих веществ (кокс, каменный уголь, железны© опилки и т. п.). Воспламенение этих веществ и зажигание кислородопровода наблюдаются при небольших скоростях потока (13—17 м/с) и давлениях кислорода (25—30 кгс/см2).

Вероятность зажигания стенок кислородопровода от твердых частиц в потоке кислорода увеличивается с увеличением его ско­ рости.

Для зажигания кислородопроводов необходимо иметь в потоке кислорода большое количество горючих твердых частиц, от сгора­ ния которых энергия передается небольшим участкам кислородо­ провода. Если в системе отсутствуют условия для одновремен­ ного появления твердых горючих частиц в большом количестве, то ограничение скорости кислорода по этой причине является неправильным.

Зажигание кислородопровода наблюдается обычно после колен и поворотов трубопроводов.

Очистка трубопроводов от ржавчины перед их эксплуатацией не является необходимой по условиям безопасности работы.

Отметим, что Гровс [26] на основании исследований по воспла­ менению металлов при адиабатическом сжатии кислорода и рас­ смотрения других источников зажигания также считает, что если соблюдены определенные требования к выбору материалов, очи­ стке трубопроводов, то предел скорости транспортирования кис­ лорода следует устанавливать только исходя из технико-экономи­ ческих показателей.

4.8. ЭНЕРГИЯ ЗАЖИГАНИЯ

Вегенер [4] и Джексон [41 ] одни из первых исследовали усло­ вия зажигания монолитных металлов. Вегенер установил, что энергия зажигания металлов (стали) достаточно высока. В работе не приведены значения энергии, однако совершенно ясно, что она много больше энергии сгорающих в кислороде отдельных частиц окалины, угля, кокса и т. п.

117

Джексон исследовал условия зажигания металлов, которые могут возникать в оборудовании при резких перепусках кисло­ рода под высоким давлением в объемы с низким давлением. При быстром впуске кислорода под давлением 703—1125 кгс/см2 в не­

большой ресивер из нержавеющей стали давление в нем возра­ стало до 352—584 кгс/см2, однако загорание ресивера не наблю­ далось. Если вместо ресивера к системе высокого давления

воспламенение. Джексон полагает, что очагом воспламенения является уплотнительное кольцо из неопрена, расположенное около входного фильтра.

Джексон исследовал также возможность зажигания металлов при воздействии на них высокоскоростного потока кислорода под большим давлением. Кислород под давлением до 844 кгс/см2

пропускали через отверстие диаметром 0,13—0,33 мм в пластине из испытываемого металла. При испытаниях образцов из нержаве­ ющей стали, меди, латуни, монель-металла загораний не возникало.

Гудков [42, с. 83] сжимал адиабатически кислород до давления 120 кгс/см2 путем перепуска его в рамповый кислородный вен­

тиль. При этом не наблюдалось оплавления или зажигания сталь­ ных деталей вентиля.

Аналогичное исследование выполнил Гровс [26]. В экспери­ ментах не наблюдалось зажигание монолитных металлов при адиа­ батическом сжатии до давлений 140 кгс/см2. Однако показывая расчетом, что температура кислорода при адиабатическом сжатии может быть весьма высока, Гровс считает недопустимым исполь­ зование металлов в условиях, когда температура самовоспламе­ нения частиц этих металлов ниже или равна температуре возмож­ ного адиабатического сжатия.

Рассмотрим некоторые наши эксперименты по зажиганию металлов при ударном сжатии кислорода, контактирующего с ме­ таллом. Оцыты проводили на ударной трубе (см. стр. 87).

Образец металла — металлическую фольгу размером 10 X X 10 мм закрепляли на торце трубы. Данные испытаний пока­ заны в табл. 4.6.

Нетрудно видеть, что воспламенение титанового сплава ВТ-1-0 возможно при небольшом перепаде давлений (р / р 0 = 60). Причем эта величина увеличивается, если изменять толщину образца. Воздействие на металл нагретого кислорода оказывало влияние на параметры воспламенения: при плоском воздействии (пло­ скости волны и образца параллельны) воспламенение отсутство­ вало, а при косом (плоскость волны перпендикулярна плоскости образца) — наблюдалось зажигание образца из стали Х18Н9Т толщиной 0,05 мм при перепаде давлений на диафрагме, равном 390.

Симон [43] изучал условия зажигания труб из различных металлов при наличии слабого (0 ,1 2 м/с) потока кислорода под

давлением до 40 кгс/см.2. Испытывали трубы длиной 50 мм, диа-

118

Таблица 4-6■ Условия воспламенения металлов при ударном сжатии кислорода, контактирующего с металлом

метром 40 мм и толщиной стенки 3 и 5 мм. Зажигание осущест­ влялось от сгорания специальной запальной таблетки, предста­ вляющей навеску синтетического каучука, завернутого в металли­ ческую фольгу. Общая масса таблетки составляла 15—28 г. В экс­ периментах определяли:

время и температуру стенки трубы в момент воспламенения или разрушения (расплавления) материала стенки; потери мате­ риала стенки при поджигании и горении; количество тепла, вос­ принимаемое стенкой трубы до начала горения или расплавления.

Из полученных данных ясно, что наибольшей «стойкостью к поджиганию» обладали медь, латуни, бронзы, затем хромо-нике­ левые стали и ферритное хромо-кремниевое литье. Чугун был более стоек к поджиганию, чем углеродистые и малолегированные стали.

Интересная особенность зажигания некоторых металлов отме­ чена в работах [44, 45]. Воспламенение титана, циркония и маг­ ния наблюдалось при испытаниях на разрыв монолитных образ­ цов из этих металлов в атмосфере кислорода под давлением. Авторы объясняют это высокой химической активностью чистой неокисленной поверхности (излома). Однако следует отметить, что при разрыве возникают также локальные нагревы до высоких температур микрообъемов металла в месте излома.

Аналогичное явление наблюдалось нами при проведении опы­ тов на ударной трубе, в которой вместо мембраны из нержавеющей стали была установлена мембрана из титанового сплава ВТ-1-0

119