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

*Образец не зажигался при энергии источника 44 Дж.

**Твердые материалы испытаны при толщине 1 мм.

оргстекло СО-120, оргстекло А-2 при толщинах образцов 1 мм и давлении 1,4 кгс/см2.

Следует обратить внимание на большую разницу в значениях энергии зажигания образцов твердых материалов с ненарушенной поверхностью и имеющих сколы, изломы и т. п. Например, энер­ гия зажигания целого текстолита при р = 1,2 кгс/см2 была равна 44 Дж, а при инициировании в месте излома — 0,05 Дж, т. е. примерно в тысячу раз меньше.

Толщина материалов оказывает влияние на энергию зажигания. Например, резины Н-10, ИРП 4327 и В-14, поливинилхлорид, поликарбонат и другие вещества, которые воспламеняются при инициировании источниками зажигания различной энергии при толщине образца 1 мм и р = 1 кгс/см2, при толщине образцов более 2 мм и при давлении кислорода 1,0 кгс/см2 не поджигаются от искрового разряда с энергией 44 Дж. По-видимому, увеличение расстояния между электродами (зазор между электродами равен толщине образца) до необходимой величины снижает объемную плотность выделенной энергии и ее оказывается недостаточно для зажигания.

151

5.8. ЗАЖИГАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ УДАРНЫХ ВОЛН

Анализ аварий показывает, что часто загорания деталей из неметаллических материалов (прокладок, клапанов, мембран) наблюдаются непосредственно после открытия вентилей, сраба­ тывания клапанов, при пульсациях потока и т. п.

Ранее (стр. 86) было показано, что следствием быстрого соеди­ нения полостей, в которых газ находится под различными давле­ ниями, является возникновение в газовых магистралях ударных волн и волн сжатия, параметры кислорода в которых значительно

кого и низкого давления также были различными. Зажигание материала под воздействием ударных волн харак­

теризуется следующими параметрами: вид образца материала, давление и температура кислорода, время, через которое проис­ ходит воспламенение образца после того, как он мгновенно попал в кислород с заданными параметрами. Длительность воздействия импульса повышенных давления и температуры на материал в экс­ периментальной трубе (с. 87), с помощью которой были получены приводимые ниже результаты, составляла 10—14 мс.

На рис. 5.10 и в табл. 5.11 приведены условия зажигания различных материалов за отраженной ударной волной. Воспламененние наблюдалось только при определенных значениях да­

вление разрыва дифрагмы, р 0 = 1 кгс/см2) различных материалов

152

Продолжение таблицы 5-11

*Воспламенение материалов отсутствовало.

**Наблюдалось сгорание только масла.

***Воспламенение масла и материалов.

****образцы получены путем механической обработки материалов.

зависит от их химического состава, физических свойств, состояния поверхности, структуры и других факторов. Наименьшие значения pip о наблюдаются у пористых веществ, резин и некоторых мате­ риалов на их основе. Важно отметить, что чувствительность ком­ позиционных материалов, имеющих одну основу, примерно оди­ накова (например, эпоксидная смола, эпоксидная смола с напол­ нителем и стеклопластик 33-18; паронит и резина; паронит КП-2 и фторкаучук СКФ-32). Однако наличие инертного наполнителя снижает чувствительность материалов.

Значения р/ро> при которых наблюдается зажигание материалов, сильно снижаются при незначительном загрязнении поверхности материалов минеральными маслами. При этом чувствительность материалов определяется параметрами воспламенения масла, а не самого материала. Например, чувствительность фибры и паронита равна соответственно 110 и 64,7, а чувствительность тех же ма­ териалов с замасленной маслом ВМ-4 поверхностью (масло нано­ сили на поверхность материала, а затем стирали сухой тряпкой) примерно одинакова и равна —46. Отметим, что чувствительность масла ВМ-4 равна 40,5.

Значения р / р 0 увеличиваются, если устраняются концентра­ торы температуры. Например, образцы резины В-14 с открытыми

повышается до 101. Создание искусственного концентратора тем­ пературы (царапина) снижает чувствительность экранированной латунными кольцами резины с 101 до 80. Предварительное нагрева­ ние образцов материалов до 100—150 °С (например, фибры, клингерита, ACT) приводит к снижению необходимого для зажигания перепада давлений на диафрагме ударной трубы.

154

Очень низкой чувствительностью к газовому удару обладали фторопласт-3 и особенно фторопласт-4, который не поджигался при перепаде давлений на диафрагме, равном примерно 375.

Приведенные данные по условиям зажигания материалов от воздействия ударных волн позволяют объяснить загорания, кото­ рые, например, наблюдались при использовании резиновых шлан­ гов для заправки кислородных баллонов от рампы, находящейся под давлением 150 кгс/см2. Вентиль на заправочной рампе обычно открывается плавно, заправочные шланги довольно узкие и удар­ ная волна в них быстро затухает. Однако ясно, что при определен­ ных условиях (быстрое открытие вентиля, короткие шланги) пара­ метры за отраженной волной могут достигнуть опасных значений (в ударной трубе для зажигания резины достаточно перепада давлений 50—70, а на рампе возможен перепад до 150).

Из приведенных исследований следует важный вывод о необ­ ходимости тщательной обработки и заделки торцов уплотнений из неметаллических материалов (контроль за тем, чтобы края прокладки не выступали в проточную часть коммуникаций). Необходимо также избегать создания в конструкциях тупиковых участков, выполнять возможно более плавные вводы и повороты, избегать установки в тупиковых участках уплотнений из неметал­ лических материалов, защищать детали из неметалла, если они могут подвергаться воздействию ударной волны, специальными фильтрами, отводами, рассекателями.

5.9. ЗАЖИГАНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ПОТОКЕ НАГРЕТОГО КИСЛОРОДА

Процесс зажигания неметаллических материалов в потоке кислорода изучали [30—32] на характерных материалах, широко применяемых в кислородном машиностроении: фторопласт-4, органическое стекло, стеклопластик АГ-4В, эбонит.

Для Данных материалов при заданных условиях теплообмена между газом и образцом определяли время задержки зажигания т3. При различных давлениях кислорода измеряли время задержки зажигания в зависимости от коэффициента теплоотдачи а и вели­ чины среднего теплового потока к образцу дср. Коэффициент теплоотдачи при постоянной температуре газа Т и давлении р изменяли путем изменения скорости потока газа v и диаметра

температуры кислорода и диаметра образца. Теплофизические параметры материалов принимали по данным [33—35].

Методики измерения времени задержки зажигания описаны ранее (с. 83). Время задержки зажигания в заданных условиях теплоотдачи к образцу исследуемого материала определяли как среднее значение 4—6 измерений. Наибольшие отклонения от среднего значения при малых тепловых потоках были следующие:

155

7% — у материала АГ-4В и эбонита, 2% — у фторопласта-4, а при больших тепловых потоках — примерно 20% для всех ма­ териалов. Из экспериментальных данных, приведенных ниже, видно, что т3 зависит от вида материала и состояния его поверхно­ сти (шероховатости):

***т — 823 К; р = 20 кгс/см2; а = 9,4-10-8 кал/(см2-с-К).

****j-= 1550 К; р = 24 кгс/см2; а= 6,78 -10~ 2 кал/(см2-с-К).

Влияние микронеровностей на параметры зажигания может быть объяснено интенсификацией теплообмена на неровностях

(а — Jj-, где d* — характерный размер неровностей материала).

При этом, если интенсификация происходит в месте протекания основной реакции, то влияние микронеровностей, естественно,

вого потока влияние высоты микронеровностей Rz становится заметным при R z = 40—60 мкм. При больших значениях среднего теплового потока влияние высоты микронеровностей более зна­ чительно (уменьшение Rz вело к непрерывному увеличению т3). Минимальная высота неровностей, которая могла быть достигнута при тщательном шлифовании образцов материала АГ-4В, соста­ вляла 3—5 мкм.

Время задержки зажигания эбонита, ПММ и ФТ-4 как при низкой, так и высокой интенсивности среднего теплового потока не зависело от высоты микронеровностей, если она была меньше

50 мкм.

156

Отмечено, что при больших значениях среднего теплового потока осциллограммы свечения материалов различны. При зажи­ гании эбонита и ПММ (рис. 5.11, а) фотоэлемент всегда фиксиро-

Рис. 5.12. Зависимость времени задержки зажигания

1 — 4 кгс/см*; 2 — 10 кгс/см2; 3 — 16 кгс/см*; 4 — 20 кгс/см*; 5 — 25 кгс/см*.

вал сразу резкое увеличение свечения. Однако для материала АГ-4В перед началом сильного свечения, соответствующего горе-

шло образца, регистрировалось появление длительного постоян­ ного свечения слабой интенсивности (рис. 5.11, б).

На рис. 5.12, 5.13 приведены зависимости времени задержки зажигания от давления кислорода при различных коэффициентах

157

теплоотдачи. Видно, что при одинаковых коэффициентах тепло­ отдачи а с увеличением давления т3 уменьшается. Отметим, что температура зажигания Т3 (температура поверхности материала в момент зажигания) также уменьшается с увеличением давления. Ниже приведены рассчитанные значения Т3 стеклопластика АГ-4В при Т — 773 К, а = 6,7 кал/(см2-с • К) и различных давлениях кислорода:

При изучении воспламенения материалов в условиях, когда давление кислорода оставалось постоянным, а а изменяли путем изменения V, установили различный характер зависимостей т3

от а или дср; для эбонита, фторопласта-4 и полиметилметакрилата (ПММ) эти зависимости имели минимум, а для материала АГ-4В

происходит йиролиз этих веществ с образованием газообразных продуктов, которые смешиваются с кислородом над поверхностью материалов. Зона реакции (пламя) возникает также над поверх­ ностью материалов. Ясно, что увеличение скорости потока кислород& приводит к уносу продуктов пиролиза от поверхности и ухуд­ шает условия воспламенения. По-видимому, этим можно объяснить появление минимумов в зависимостях т3 == / (а) и т3 = / (дср): увеличение а достигалось в результате увеличения v, поэтому, с одной стороны, т3 с ростом скорости потока кислорода должно уменьшаться вследствие увеличеция теплового потока к поверх­ ности материала, но, с другой стороны, увеличиваться вследствие

158