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

Значительное влияние на скорость горения оказывает струк­ тура материала. Материалы с развитой поверхностью горят, как правило, с более высокой скоростью. Например, скорость горения капроновой ткани арт. 1516 с разреженной структурой в 3—5 раз выше скорости горения плотных капроновых тканей арт. 22376 и арт. 22059. Очень высокую скорость горения имеют

из натуральных волокон с ворсистой поверхностью (например,

(определенного для каждого материала) давления, скорость пла­ мени скачком возрастала в десятки раз. При этом пламя распро­ странялось по ворсу материала на всю поверхность образца и гасло, не поджигая основу. Горение основы материала, по-преж­ нему, происходило медленно. Таким образом, при горении данных образцов фиксировались одновременно две различные скорости пламени. Существование двух различных скоростей пламени

материала. Визуально это воспринималось как мгновенное вос­ пламенение всего образца. Отметили, что мгновенное воспламе­ нение всего образца наблюдалось чаще в опытах, в которых обра­ зец располагали вертикально и поджигали снизу.

Значительное влияние на скорость горения материалов оказы­ вает ориентация образца (табл. 5.6). При горении материалов

140

Таблица 5-7- Интенсивность горения неметаллических материалов в кислороде

142

Продолжение табл. 5.7

* По данным [8, 23].

материалов связано, по-видимому, с ростом скорости сгорания материалов при увеличении давления, а не с увеличением тепло­ вого эффекта сгорания.

В литературе имеется только несколько значений теплового эффекта сгорания материалов и отсутствуют значения интенсив­ ности горения материалов в кислороде. Сопоставляя эксперимен­ тальные значения теплового эффекта материалов с известными значениями [8, 23], видим, что они близки между собой. Например, в работе 18] теплота сгорания фторопласта-4 в кислороде опре­ делена равной около 1200 кал/г, а по нашим данным — 1218 кал/г при р — 30 кгс/см2 и 1380 кал/г при р = 40 кгс/см2.

143

Были выполнены эксперименты, в которых определяли воз­ можность зажигания металлических образцов от сгорания кон­ тактирующих с ними неметаллических материалов. Опыты про­ водили на установке (рис. 5.7), основной частью которой служила бомба — толстостенная труба из нержавеющей стали с внутрен­ ним диаметром 52 мм, закрываемая фланцами. Бомба имела элек­ трообогрев, позволяющий проводить опыты при начальных темпе­ ратурах до 150° С.

Испытания проводили с образцами из стали 3X13, Х18Н9Т и медистого чугуна, изготовленными в виде втулок различной толщины (0,3, 0,5 и 1,0 мм), внешним диаметром 18,0 мм и длиной около 20 мм. Образцы из неметаллических^ материалов (резины, фибры ФПК, паронита, материала ACT, фторопласта и гермети­ ков У-1-18, У-2-28, У-4-21, 5Ф-13к, глета свинцового на глицерине) выполняли в виде колец толщиной 1,0, 1,5 и 2,0 мм, внутренним диаметром 18,0 мм и внешним диаметром 30 мм.

Кольца из неметаллических материалов зажигались при переплавлении стальной спирали, находящейся у нижней части кольца. В место касания спирали с кольцом наносили небольшое (около 0,01 г) количество консистентной смазки, сгорание которой уско­ ряло процесс зажигания кольца.

Таблица 5.8■ Условия зажигания металлических образов от сгорания контактирующих с ними колец из неметаллов

144

В табл. 5.8 показаны условия, при которых наблюдалось поджигание металлической втулки от сгорания контактирующего неметаллического кольца.

Ниже приведены теплота сгорания и интенсивность горения

Зажигание металлов наблюдалось только от сгорания колец из резины, фибры ФПК и герметиков У-1-18, У-2-28, У-4-21. Кольца из паронита, ACT, фторопласта и герметика 5Ф-13к не

Кислород

Проведенные опыты иллюстрируют, что интенсивность горе­ ния материалов, а не их тепловой эффект действительно может служить одним из важных критериев при оценке опасности при­ менения материалов в кислороде, так как зажигание материалов наблюдалось во всех экспериментах, если.интенсивность горения материала >150 кал/(г • с), независимо от теплового эффекта.

Известно, что при сравнительной оценке опасности примене­ ния материалов часто учитывают тепловой эффект сгорания. Из приведенных данных видно, что такая оценка может быть невер­ ной. Например, резины, имеющие большой тепловой эффект сгорания (7000—8900 кал/г при р = 1 кгс/см2), обладают интен­ сивностью сгорания порядка 200—300 кал/г-с), а поропласт, имеющий в 2,5 раза меньший тепловой эффект, горит примерно

в10 раз интенсивнее.

Вработе [24] исследована возможность использования неко­ торых неметаллических материалов на основе фторопласта-4

(ФКН-7 и ФКН-14) для изготовления несмазываемых поршневых колец кислородных компрессоров.

Образцы размерами 8 X 8 X 15 (ФКН-7) и 6 X 6 X 15 мм (ФКН-14) закрепляли в металлических деталях, имитирующих участок поршня компрессора, на котором находится несмазывае­ мое неметаллическое уплотнение в виде кольца (рис. 5.8). Выбор сечения образцов основан на приближении размеров образцов

и 220 кгс/см2. Металлические детали изготавливали йз серого чугуна и стали Х18Н9Т, т. е. металлов, часто применяемых для изготовления деталей поршневой и цилиндровой группы кисло­ родных поршневых компрессоров. Тощина металлических деталей изменялась от 1,0 до 3,0 мм. Образцы из неметаллического мате­ риала зажигали от небольшой запальной спирали, нагреваемой электрическим током. Результаты экспериментов представлены в табл. 5.9.

Таблица 5-9■ Условия зажигания металлических деталей, имитирующих пару поршень—цилиндр, от сгорания уплотнительного кольца

146

Приведенные данные показывают, что уплотнительные кольца из материалов ФКН-7 и ФКН-14 могут при заданных давлениях кислорода поджигать контактирующие с ними металлические детали, если толщина их меньше определенной.

5.7. ЭНЕРГИЯ ЗАЖИГАНИЯ

Энергия зажигания зависит от вида материала, его геометриче­ ских размеров, состояния поверхности, давления, температуры и скорости потока кислорода [25]. Значения энергии зажигания Qmin неметаллических материалов при различных давлениях кисло­ рода приведены в табл. 5.10 и на рис. 5.9.

При увеличении давления кислорода для всех исследованных материалов наблюдается уменьшение необходимой для их зажи­ гания энергии. При этом изменение энергии зажигания с увели­ чением давления различно. Например, энергия зажигания мем­ бранного полотна, поливинилхлорида, резины Н-10 при изменении давления от 0,2 до 1,4 кгс/см2 меняется в 2—7 раз, т. е. в пределах одного порядка. Однако энергия зажигания оргстекла, поликар­ боната, эластичного трикотажного полотна и многих тканей умень­ шается в 100—1000 раз. Зависимость энергии зажигания всех исследованных материалов от давления выражается уравнением ( ? m in = Ар", т. е. в логарифмических координатах эта зависимость

представляет прямую линию. Однако показатель степени п резко отличен для различных материалов (от —0,3 до —7,8), что не поз­ воляет предложить общих расчетных формул.

Наименьшая энергия зажигания наблюдается у материалов с хорошо развитой поверхностью (например, полотно трикотаж­ ное хлопкольняное, сетка капроновая со спандексом, пористая резина ОМ-12, байка, сатин после стирки), имеющих в своей структуре тонкие элементы (неплотные нити, ворсинки, поры). Плотные ткани имеют, как правило, высокую энергию зажигания,

а ткани арт. 1549, 21329, 22059, 22307, 22376 вообще не поджига­ ются при исследованных давлениях кислорода. Металлизация ма­ териалов (пленки ПЭТФ, ткань арт. 23463) тонким слоем не ока­ зывает значительного влияния на их энергию зажигания.

Следует отметить, что энергия зажигания тканей из натураль­ ных волокон в среднем на один-два порядка ния^е, чем энергия зажигания плотных тканей из искусственных волокон. Очень малой энергией зажигания обладают ткани, в состав которых входит резина (например, ткани арт. 415, 91811, 11110).

Большая энергия необходима для зажигания пленок горючих веществ, находящихся в виде тонкого слоя на теплоотводящей (металлической) поверхности. Например, не удалось поджечь все исследованные образцы горючих эмалей и лаков при иниции­ ровании их Источниками энергией 44 Дж при давлениях до 1,4 кгс/см2. Не зажигались от искры энергией 44 Дж и фторопласт-4, резины Н-10, ИРП 4327 и В-14, полихлорвинил, поликарбонат,