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

выше рир в отсутствие потока, а при v 3& 0,7 м/с наблюдался срыв горения. Таким образом, наличие потока может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на условия горения.

Интересно отметить, что если для минеральных масел и смазки № 10 в зависимости р — v наблюдался минимум, то для смазки ВНИИ НП-282 минимальное значение рпр соответствует р при v — 0, а любое увеличение скорости потока приводит к росту да­ вления кислорода, при котором смазка может гореть (см. рис. 6.7,

кривая 1). При v ^ 1 м/с также наблюдался срыв горения. По-ви­ димому, для быстро горящих и легко испаряющихся смазочных материалов, например минеральных масел, скорость горения лимитируется скоростью диффузии кислорода к зоне реакции. Поэтому увеличение скорости потока приводит к увеличению количества кислорода, доставляемого к зоне реакции, т. е.

«- ‘ ( 'Г ) "

исоответственно увеличивается скорость горения.

Если принять, что гашение наступает при определенной ско­ рости горения, то увеличение v может быть «скомпенсировано»

180

уменьшением концентрации с кислорода, т. е. уменьшением на­ чального давления, при котором возможно горение. При боль­ ших скоростях потока кислорода процессом, лимитирующим скорость горения, становится процесс испарения масла, который слабо зависит от скорости потока. Поэтому рост v вызывает только увеличение коэффициента теплоотдачи а и должно наступать гашение. Гашение может не произойти, если повысить начальное давление кислорода (зона горения приближается к поверхности и улучшаются условия теплообмена).

Для медленно горящих и медленно испаряющихся смазочных веществ, например смазки ВНИИ НП-282, скорость горения лими­ тируется скоростью испарения, поэтому любое увеличение ско­ рости потока кислорода приводит к росту а, и .для горения в по­ токе необходимы повышенные давления кислорода. Другое объ­ яснение рассматриваемому явлению дано Мелиховым А. С., кото­ рый считает, что при скоростях потока больших, чем скорость распространения пламени, происходит унос горючего компонента из зоны реакции и тем самым ухудшаются условия горения.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

для смазочных материалов имеются предельные (критические) скорости потока кислорода, при которых наблюдается срыв пламени и прекращение горения;

наличие потока кислорода может значительно Изменить пре­ дельные условия горения пленок смазочных материалов. Поэтому скорость потока кислорода должна рассматриваться как один из основных параметров при определении условий безопасногоприменения смазочных материалов в кислородном оборудовании..

6.4. ГОРЕНИЕ В ЩЕЛЯХ И РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Смазочные материалы используют, как правило, для смазки трущихся поверхностей и консервации. При этом смазочный мате­ риал заполняет объемы, щели, межрезьбовое пространство, причем доступ кислорода к смазке может ограничиваться, например, ши­ риной щели. В щелях горение смаз- 2 ки затруднено, поэтому оно проис­ ходит при значительно более высоких параметрах кислорода, чем горение смазки при открытом доступе к ней кислорода [16].

Рис. 6.8. Приспособления для определения предельных давлений кислорода при горе­ нии смазочных материалов в щелях (а) и резьбовых соединениях (б):

1 ■— источник зажигания; 2 *— металлические пла­ стины; з — смазочный материал; 4 — гайка; 5 — индикатор прогорания по резьбе; в — болт.

181

Таблица 6.3. Предельные условия горения смазочных материалов в резьбовом соединении*

Предельные условия горения некоторых смазочных материалов исследовали при заданном размере щели, которую заполняла смазка, и при нанесении смазки в резьбовое соединение, где тол­ щина слоя различна (рис. 6.8). Результаты исследования горения смазочных материалов в щелях и резьбовых соединениях приве­ дены в табл. 6.3 и 6.4.

182

6.5.СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ

Внастоящее время в литературе описано очень мало экспери­ ментов, в которых определяли скорость распространения пламени по пленкам смазочных материалов. Обычно сообщалось, что горение масла носит «взрывной характер», т. е. происходит доста­ точно быстро. Важно отметить, что при этом не делалось различия

ввиде вещества, которое сгорало.

Вработе [14] приведены значения скорости горения некоторых смазочных материалов. Опыты проводили в трубе (бомбе) диамет­ ром 42 мм и длиной 900 мм. Слой смазочного материала наносили на плоскую металлическую поверхность длиной 500 мм и толщи­ ной 20 мм.

Отметим, что объем экспериментального сосуда был небольшим, поэтому давление в бомбе в процессе распространения горения увеличивалось. Значения скорости распространения пламени по пленкам масел в зависимости от вида смазочного материала и тол­ щины слоя смазки приведены в табл. 6.5 и на рис. 6.9.

Таблица 6.5. Скорость горения смазочных материалов в кислороде в зависимости от толщины их слоя

Горение минеральных масел протекало очень быстро — со ско­ ростью несколько метров в секунду. При этом часто наблюдались колебания пламени. Горение смазок на фторированной основе (смазки № 8), твердых смазок (ВАП и ВНИИ НП-230), смазки на основе фторированных полиэфиров (ВНИИ НП-282) протекало

183

спокойно с очень малой скоростью распространения пламени — несколько миллиметров в секунду.

Из полученных данных можно видеть, что скорость горения всех исследованных смазочных материалов увеличивается с рос­ том давления кислорода. Причем для медленно горящих смазок эта зависимость близка к линейной (см. рис. 6.9).

Следует отметить, что значения скорости горения различных смазочных материалов значительно отличаются одно от другого. Например, скорость горения минеральных масел и смазочных материалов на жировой основе в 102—104 раза выше, чем у смазок на фторированной основе и твердых

смазочные вещества обладают также высокой поджигающей способностью.

Смазочные материалы на основе фторхлорорганики и особенно на основе фторированных полиэфиров горят очень медленно, давле­ ние в системе при сгорании этих смазок вследствие малой теплоты сгорания и исключительно низкой скорости горения остается практически неизменным. Поджигающая способность и интенсив­ ность горения должны быть также низкими (с. 120 и с. 185).

6.6. ИНТЕНСИВНОСТЬ ГОРЕНИЯ

Методика определения интенсивности горения описана по­ дробно ранее, (с. 75).

Смазочный материал в количестве 30—40 мг наносили на по­ верхность латунной чашечки d = 18 мм слоем толщиной около 200 мкм. Затем чашечку помещали в калориметр и масло сжигали. Предварительными опытами было установлено, что максимальная интенсивность сгорания достигается, если сгорание смазки про­ исходит при давлениях кислорода выше 25 кгс/см2. Поэтому ин­

184

тенсивность горения измеряли при давлениях кислорода 25 и 40 кгс/см2.

Экспериментальные значения теплоты сгорания и интенсивно­ сти горения некоторых смазочных материалов приведены в табл.6.6.

Таблица 6,6. Тепловой эффект и интенсивность горения в кислороде смазочных материалов

Из данных таблицы видно, что между теплотой сгорания и ин­ тенсивностью сгорания имеется определенная зависимость, т. е. если какой-то продукт имеет тепловой эффект сгорания больший, чем у другого продукта, то интенсивность горения у него также будет выше. Однако количественную оценку интенсивности горе­ ния по тепловому эффекту следует делать осторожно. Например, теплота сгорания масла индустриальное в ~ 7 ,5 раза выше, чем у смазки № 8, а интенсивность горения выше только в ~ 4 раза. Поэтому для оценки поджигающей способности смазочных мате­ риалов и повышения давления в закрытом сосуде после сгорания смазки наряду с тепловым эффектом сгорания смазки следует учитывать также значение интенсивности горения, поскольку именно по интенсивности горения может быть точнее учтена неадиабатичность горения — чем быстрее происходит горение ве­ щества, тем меньше теплопотери и тем больше повышение давления после горения в замкнутом объеме.

6.7. ПОДЖИГАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

Способность смазочных материалов при сгорании поджигать контактирующие с ними металлы определяли по следующей ме­ тодике.

Слой смазочного материала равномерно наносили на конец плоской металлической пластины из стали Х18Н9Т размером

185

150 X 15 X 0,1 мм. Площадь замасленной поверхности составляла 2—2,5 см2. Слой смазочного материала поджигали неболь­ шим открытым пламенем (несколько миллиграммов смазки ЦИАТИМ-205 сжигали недалеко от поверхности слоя). Давление в опытах обычно сохраняли постоянным и равным 25 кгс/см2, при этом давлении определяли минимальное количество смазоч­ ного материала (толщину слоя), сгорание которого приводило к поджиганию пластины. В том случае, если сгорание смазочного материала не приводило к поджиганию металлической пластины, давление кислорода повышали. Экспериментально установлено, что увеличение толщины слоя свыше 500—1000 мкм при заданном давлении не эффективно: если зажигание не наблюдалось при толщине 500 мкм, то и большие слои смазки не поджигают пла­ стину.

Ниже приведены условия поджигания металлической пластины из стали Х18Н9Т толщиной 0,1 мм от сгорания на ее поверхности определенного слоя смазочного материала:

на жировой основе. Смазки на фторорганической основе сгорали медленно и интенсивность горения была недостаточной для под­ жигания металла. Особенно низка поджигающая способность фторированных полиэфиров (ПЭФ) и смазок на их основе (ВНИИ НП-282). Поэтому эти смазочные материалы, вероятно, можно применять в непосредственном контакте с кислородом высокого давления (200—400 кгс/см2).

По-видимому, при зажигании пластины от сгорания на ее поверхности слоя смазочного материала основное тепловое воз­ действие оказывает только процесс сгорания непосредственно прилегающих к металлу (нижних) слоев смазки. При сгорании верхних слоев смазки тепло от зоны горения передается к металлу путем излучения и теплопроводности через нижние несгоревшие слои смазки. Причем, очевидно, что температура верхнего слоя смазки не может превысить температуры кипения смазки. Поэтому

186

если смазку наносить на пластину с двух ее сторон, то под­ жигание может оказаться более эффективным, чем при сгора­ нии того же количества смазки на одной поверхности. Например, смазка ЦИАТИМ-205 поджигала пластину, если толщина слоя с одной стороны составляла не менее 130 мкм, а с двух сторон —

40 мкм.

Поджигающая способность смазочных материалов увеличи­ вается с повышением давления кислорода. По-видимому, это про­ исходит вследствие снижения энергии, необходимой для зажига­ ния металла, и увеличения интенсивности сгорания смазки (воз­

зажигания выбрана очень тонкая пластина и толщина слоя смазки сравнима и даже превышает толщину пластины. Если толщину пластины увеличить до 0,5 мм, то поджигание не наблю­ дается при давлении кислорода 10 кгс/см2 и количестве смазочного материала до 390 мг. Пластину толщиной 1,0 мм при р ^ 10 кгс/см2 не удалось зажечь от сгорания 1000 мг смазки.

Аналогичные данные получены в экспериментах при давлениях до 40 кгс/см2 с толстыми (0,5—1,0 мм) пластинами из чугуна и стали.

Таким образом, пленки некоторых смазочных материалов могут представлять реальную опасность только при высоких давлениях кислорода и наличии в оборудовании очень тонких элементов.

Смазочные материалы различаются между собой по поджига­ ющей способности. Поэтому, оценивая опасность загорания кисло­ родного оборудования при попадании в него смазочных веществ, следует учитывать вид смазки, конкретные размеры и тип контак­ тирующих со смазкой материалов и давление кислорода [с. 269].

187

6.8.ДАВЛЕНИЕ КИСЛОРОДА ПРИ СГОРАНИИ МАТЕРИАЛОВ

ВЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ

Широко распространено мнение, что загрязнение поверхно­ стей кислородного оборудования маслом или жирами является основной причиной его взрывов. Например, очень сильные взрывы баллонов для хранения кислорода объясняли повышением давле­ ния в них вследствие быстрого сгорания на внутренних поверх­ ностях баллонов (и даже на поверхностях вентиля) следов мине­ ральных масел, оставшихся после обезжиривания баллона. Иногда аналогичными причинами объясняли взрывы оборудования, ко­ торое не может быть отнесено к замкнутым объемам, например центробежные кислородные компрессоры.

К сожалению, до настоящего времени не имеется исследований, дающих оценку количеств масла, которые могут привести к взры­ вам замкнутого или условно замкнутого кислородного оборудова­ ния.

Ранее отмечалось, что по количеству материала и его тепловому эффекту сгорания может быть рассчитано повышение давления в замкнутом объеме при сгорании данного материала (с. 76). При горении смазочных веществ такая оценка может быть про­

М — масса кислорода в объеме; Су — средняя теплоемкость кислорода при постоянном объеме в интер­

Анализ формул показывает, что повышение давления в зави­ симости от начального давления и объема сосуда (m = const) различно.

Если начальное давление сохранять постоянным, но изменять объем сосуда, то отношение р к1р0 будет увеличиваться с уменьше­ нием V по гиперболическому закону. Однако при объемах сосуда, в которых количество кислорода близко к необходимому для пол­ ного сгорания данного количества масла пг, дальнейшее умень­ шение объема приводит к тому, что количество кислорода оказы­ вается недостаточным для сгорания всего масла. Поэтому p j p 0 при уменьшении V достигает своего максимального значения, а затем снижается.

188

а количество масла — от 0,2 до 20 г.

Давление в сосуде при сгорании в нем масла измеряли с по­ мощью пьезокерамического датчика. На рис. 6.11 приведена диа­ грамма записи давление — время.

Экспериментальные значения максимального давления кислоро­ да р к при сгорании различных количеств т масла индустриальное 12 в сосудах различного объема V и площадях замасленной по­ верхности S и при начальных давлениях р 0, а также различном времени т достижения максимального давления (от начала зажи­ гания) приведены в табл. 6.7.

Таблица 6.7■ Условия сгорания масла индустриальное 12

количеств масла. Видно, что максимальное относительное увели­

189