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

Температура самовоспламенения материала, состоящего из нескольких горючих компонентов, определяется Тсв наиболее легко воспламеняющегося компонента,если он имеется в материале в достаточном количестве. Например, ТСв материала ACT обусло­ влена наличием в его составе хлопчатобумажной нити; Тсв паронита 56 определяется наличием резины ТМ из натурального каучука и т. п.

Присутствие в композиционном материале инертного наполни­ теля практически не меняет Тсв основного горючего компонента, Тсв асбофторопласта, паронита КП-2, эпоксидной смолы с брон­ зовым порошком близки к значениям Тсв фтооропласта, фторкаучука СКФ-32, эпоксидной смолы.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. И в а н о в Б. А., М е л и х о в А. С., Р о з о в с к и й А. С. В кн.: Компрессорные машины. М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1968, с. 100—

Исследование в области компрессорных машин. Киев, «Буд1вельник», 1970, с. 115—117.

170

Г Л А В А 6

ГОРЕНИЕ ЖИДКИХ И КОНСИСТЕНТНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Многолетний опыт эксплуатации кислородного оборудо­ вания показал, что загрязнение поверхностей оборудования ор­ ганическими веществами (жирами, органическими жидкостями, лаками и т. н.), веществами на органической основе (смазки, краски), минеральными маслами является одной из наиболее вероятных причин его загораний. Низкая энергия, необходимая для зажигания органических веществ в атмосфере чистого кисло­ рода, большой тепловой эффект и высокая скорость сгорания обусловливают опасность попадания этих веществ в кислородное оборудование.

В исследованиях, описанных в работах [1—7], изучены сле­ дующие параметры горения смазочных материалов: чувствитель­ ность к воздействию ударных волн, скорость детонации, темпера­ тура самовоспламенения. Результатом этих исследований явилась рекомендация для обеспечения безопасности эксплуатации кисло­ родного оборудования — «тщательное обезжиривание перед ра­ ботой». Следует отметить, что ни в нашей стране, ни за рубежом требования к технологии обезжиривания не дифференцировались по типу оборудования, параметрам кислорода, виду загрязнения и т. п. Отсутствовали также методы контроля качества обезжи­ ривания .

За последние несколько лет были выполнены широкие иссле­ дования, которые позволили оценить действительную опасность системы масло * — кислород [8—14]. При этом впервые вместо требования об абсолютном отсутствии масла в оборудовании были введены дифференцированные по давлению и температуре кислорода, а также виду загрязнения допустимые нормы содержа­ ния масел на поверхностях кислородного оборудования, регла­ ментированы требования к технологии обезжиривания и методам контроля, а также установлена возможность безопасной работы практически любого кислородного оборудования со смазкой.

В данной главе описаны экспериментальные и теоретические исследования вэрыво-и пожароопасности системы масло — кисло­ род, позволяющие оценить опасность такой системы, рекомендовать

* Под термином «масло» здесь и в дальнейшем, если специально не оговаривается, будем понимать любые жировые и органические вещества, а также минеральные масла.

172

условия использования смазочных материалов в кислородном оборудовании и показать не только возможность, но иногда и не­ обходимость (по условиям безопасности) использования смазок в контакте с кислородом.

6.1. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА

При исследовании горения смазочных материалов в кислороде установлено [9, 10], что распространение пламени по слою сма­ зочного материала заданной толщины б наблюдается, если давле­ ние кислорода в опыте будет выше некоторой предельной вели­ чины рпр. При давлениях кислорода ниже этой величины горение пленки смазочного материала происходит только в месте действия источника зажигания. Значения />пр при одинаковых толщинах слоя б пленок смазочных материалов различаются в зависимости от их вида, однако для всех смазочных материалов с увеличением толщины слоя б значение р пр уменьшается. Снижение предель­ ного давления кислорода при увеличении толщины слоя б наблю­ дается до некоторого предела: для каждого вида смазочного ма­ териала существует такое давление кислорода, ниже которого невозможно его горение при любой толщине слоя. Это давление иногда называют абсолютным предельным давлением р а горения смазочного материала.

При сравнении значений р пр, определенных для различных толщин слоя пленок б, установлено [9, 10], что для большинства смазочных материалов р пр при изменении толщины слоя от 500 до 2000 мкм изменяются незначительно и могут рассматриваться как постоянные величины, *Гаким образом, за абсолютное предель­ ное давление можно принять значение р пр при б ^ 500 мкм.

Предельное давление кислорода, необходимое для распро­ странения горения по пленкам различных смазочных материалов, определяли в бомбе, представляющей металлическую трубу диа­ метром 52 и длиной 900 мм. Смазочный материал наносили на полированную поверхность длинной плоской кюветы слоем ши­ риной 20 мм и длиной 340 мм. Смазочный материал зажигали у торца кюветы путем сжигания на его поверхности небольшого количества (0,05 г) консистентной смазки (обычно ЦИАТИМ-205), которую воспламеняли от стальной спирали, нагреваемой элек­ трическим током.

Предельные давления кислорода, при значениях ниже которых невозможно распространение горения по слоям смазочных материа­ лов толщиной 500 и 100 мкм, приведены в табл. 6.1.

Низкие значения р пр наблюдаются у смазок на жировой и угле­ водородной основе (ЦИАТИМ-205, ВНИИ НП-6). Распростране­ ние горения по этим смазкам возможно уже при атмосферном давлении. Смазки на основе фторхлорпроизводных жирного ряда (смазки № 8, № 10 и ФК-9) горят только при повышенных давле­ ниях кислорода. Смазки на основе фторированных полиэфиров

173

Таблица 6.1. Предельные давления кислорода, при значениях ниже которых невозможно распространение горения по слоям смазочных

материалов различной толщины

Предельные давления кислорода (в кгс/смг) при

* В скобках указаны другие значения толщины.

(ВНИИ НП-282, СК-2) и жидкости типа ПЭФ обладают наиболь­ шей «кислородостойкостью» — для их горения необходимы давле­ ния в десятки и сотни атмосфер.

Значение р пр может изменяться, если горение происходит при повышенных начальных температурах. В табл. 6.2 приведены значения р пр при 20 и 150 °С для смазочных материалов.

174

Таблица 6-2. Предельные условия горения масел в виде пленок различной толщины при различных начальных температурах

Зависимости предельного давления кислорода от начальных температур и толщин слоя минеральных масел показаны на рис.6.1.

175

130—170 °С. Однако предельные давления кислорода для свежих минеральных масел и масел, которые выдерживались в течение нескольких суток нри давлении кислорода 10 кгс/см2 и темпера­ туре 20 °С, оказались одинаковыми.

6.2. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК

Для практики наибольший интерес представляют данные по предельно допустимым безопасным толщинам смазочных материа­ лов при различных рабочих давлениях кислородного оборудова­ ния. Эти данные необходимы для разработки регламентов на ис­ пользование смазочных материалов в контакте с кислородом, а также для выбора методов и средств удаления (обезжиривания) различных масляных и жировых загрязнений с поверхностей кислородного оборудования, если их количество превышает пре­ дельно допустимое. ,

Для распространения горения по пленке смазочного материала необходимо, чтобы в зоне горения в любой момент времени выде­ лялось количество тепла, которого достаточно для образования

176

толщины пленки приводило к тому, что горение наблюда­ лось лишь в месте действия источника зажигания. Минимальную толщину пленки, при которой еще наблюдалось распространение горения при заданном давлении кислорода, принимали за предель­ ную толщину 6пр пленки.

Предельные толщины пленок минеральных масел, некоторых консистентных смазок и перфторированных жидкостей при давле­ ниях кислорода до 400 кгс/см2 показаны на рис. 6.3 и 6.4. Из ри­ сунков видно, что в широком диапазоне изменения толщин пленок и давлений зависимость между этими параметрами может быть описана формулой б = А р ~ п, где А и п — постоянные величины. Таким образом, при уменьшении толщины слоя смазочного ма­ териала давление кислорода увеличивается, однако значительно медленнее, чем уменьшается толщина пленки. Например, при уменьшении толщины пленок «тяжелых» масел (см. рис. 6.3, кривая 1) с 500 мкм до 5 мкм, т. е. в 100 раз, давление кислорода возросло с 10 до 35 кгс/см2, т. е. в 3,5 раза. Однако начиная с не­ которых значений 6пр, характер зависимости изменяется (изгибы на кривых) и давление кислорода очень быстро увеличивается при уменьшении толщины слоя: для рассмотренной выше зависимости при уменьшении толщины пленки в 2 раза (от 2 до 1 мкм) давле­ ние увеличивалось почти в 6 раз (с 70 до 400 кгс/см2). По-видимому, толщину пленки «тяжелых» масел, равную 0,5—0,7 мкм, можно считать абсолютной предельной толщиной при горении тяжелых масел, а пленку 35—40 мкм — для смазки СК-2-06 (рис. 6.4, кривая 3).

Предельная толщина пленки масла для заданного давления уменьшается при повышении температуры системы. Некоторые количественные данные по изменению 6пр при изменении началь­ ной температуры можно видеть из следующих данных:

6.3. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СКОРОСТИ ПОТОКА КИСЛОРОДА

Горение пленки масла происходит в газовой фазе над поверхно­ стью пленки. Поэтому на параметры процесса горения могут ока­ зывать значительное влияние скорость испарения масла и скорость смешения паров масла с кислородом, которые зависят от газо­ динамических параметров. Можно предположить, что параметры процесса горения в условиях, когда имеется поток кислорода, могут отличаться от аналогичных в отсутствие потока. Действи­ тельно, при наличии потока кислорода меняются коэффициенты массо- и теплопереноса, что, очевидно, не может не проявиться

178

в изменениях значений макропараметров процесса горения — предельных давлений кислорода, предельных толщинах пленки, скорости пламени и т. п.

Экспериментальное исследование условий сгорания пленок масла на плоской поверхности в потоке кислорода было проведено в работах [9, 14]. Схема экспериментальной установки показана на рис. 6.5. Установка представляет толстостенную трубу (бомбу) длиной 900 мм и диаметром 42 мм, имеющую вводы для электродов зажигания и термопары; бомба снабжена системой газопроводов с арматурой и измерительными приборами.

Рис. 6.5. Схема экспериментальной установки для иссле­ дования горения пленок масел в потоке кислорода:

1 — бомба; 2 — электрообогрев; 3 — кювета, 4 — фоторегистр; 5 — ротаметр; 6 — термопара.

Масло наносили на полированную поверхность (20 X 270 мм) кюветы в виде слоя заданной толщины. Кювету располагали в центре трубы на одинаковом расстоянии от ее торцов. Покрытие зажигали стальной спиралью (d = 0,15 мм, I = 100 мм), нагревае­ мой электрическим током.

Зависимости предельного давления кислорода от вида смазки и толщины слоя при различных скоростях v потока газа показаны

сколько раз) снижение рпр, если скорость потока изменяется от 0 до 1,5—2 м/с. Уменьшение р пр происходит в основном в интервале скоростей потока 0—0,5 м/с. При дальнейшем увеличении ско­ рости потока рпр либо остается постоянным, либо несколько уве­ личивается (см. рис. 6.6, кривая 1). При горении смазки № 10 (см. рис. 6.7, кривая 2) поток газа с небольшой скоростью резко снижал рпр, но уже при v = 0,55 м/с предельное давление кисло­ рода, при котором возможно горение пленки смазки в потоке, равно предельному давлению горения в покоящемся кислороде. При скоростях потока больших 0,55 м/с горение смазки № 10 оказалось возможным только при давлениях кислорода, которые