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

тканей в кислородно-азотных смесях. Скорость горения рассчи­ тывали по времени, за которое пламя из центра образца в виде круга диаметром 6,5 см распространялось до края (зажима).

Результаты экспериментов представлены в табл. 7.1 и на рис. 7.9.

Таблица 7.1 Скорость горения тканей в кислородно-азотной смеси при различных давлениях

*Горение затухает.

**Воспламенение отсутствует.

Из приведенных данных видно, что для всех тканей при по­ стоянном давлении смеси скорость горения уменьшается с пони­ жением концентрации кислорода. При постоянном составе смеси скорость горения увеличивается с ростом давления. Скорость горения наиболее плотного материала (саржи) примерно в 2 раза меньше скорости горения других хлопчатобумажных тканей

(плотностью 0,0085 и 0,0171 г/см2).

Скорости горения различных тканых материалов * иссле­ довали также в работе [3]. Опыты проводились в цилиндрическом сосуде диаметром 13,5 см и длиной 45 см. Образец исследуемого

* В экспериментах испытывали следующие ткани:

ткань хлопчатобумажная мягкая (эта ткань известна также под назва­ нием «Терри») — хлопковая ворсистая ткань плотностью 0,0276 г/см2;

ткань хлопчатобумажная грубая, — белая хлопковая ткань плотностью

0,0103 г/см2;

ткань хлопчатобумажная грубая, обработанная (эта ткань известна также под названием «Поксель») — белая хлопковая;

ткань, обработанная раствором гидроксилметилхлоридом фосфоиня плотностью 0,0182 г/см2;

шерсть — белая шерстяная ткань плотностью 0,0296 г/см2;

.220

материала (полоска размером 16 X 1 см) закрепляли на специаль­ ных латунных шрифтах так, чтобы при горении образец сохранял заданное в опыте положение (горизонтальное, вертикальное, под углом 45°).

Поджигание вертикально расположенного образца и образца, расположенного под углом 45°, всегда проводили в его нижней части; пламя распространялось снизу вверх. Скорость горения определяли с помощью двух термопар, расположенных на рас­ стоянии 12,8 см одна от другой вблизи поверхности образца.

Скорости горения тканей в воздухе при распространении пламени снизу вверх под углом 45е приведены ниже:

Давление воздуха, кгс/см*

Аналогичные данные получены в работе [2]: исследуя горение хлопчатобумажных тканей при распространении пламени снизу вверх под углом 45° до давления 5 кгс/см2, установили, что горение протекает не очень быстро, причем скорость пламени монотонно возрастала с увеличением давления.

Ниже приведены [3] скорости горения тканей в воздухе при распространении пламени снизу вверх (а = 90°):

Наименьшая скорость горения у всех изученных материалов наблюдалась при распространении пламени в горизонтальном направлении, а наибольшая — в вертикальном. Давление очень слабо влияет на скорость пламени, если пламя распространяется в горизонтальном направлении. При а Ф 0 с -увеличением давле­ ния скорость пламени также возрастает.

Отметим, что при распространении пламени снизу вверх мяг­ кая хлопчатобумажная ткань в воздухе сгорала настолько быстро, что скорость ее горения не удалось измерить. При этом горение распространялось по ворсу ткани. Тефлоновая ткань не горела

221

до давления 4,03 кгс/см2 (при давлениях выше 4,03 кгс/см2 экспе­ рименты не проводили).

Ниже приведены скорости горения обработанной хлопчато­ бумажной ткани, а также тканей из нейлонового и тефлонового волокна в смесях кислорода с азотом [3]:

*Образец сгорал настолько быстро, что скорость горения изме­ рить не удалось.

**Скорость горения мала, однако пламя настолько высокое, что нагревает вторую термопару и не позволяет измерить скорость горения.

***Пламя гаснет, не достигнув следующей термопары.

Отметим, что при указанных здесь условиях скорости горения шерсти и необработанной хлопчатобумажной ткани были столь велики, что их не удалось измерить применяемым в данном иссле­ довании способом (термопары) регистрации. Горение ткани из тефлонового волокна в кислородно-азотных смесях, содержащих 25 объемн.% кислорода, самозатухало при давлениях до 10,1 кгс/см2, но при содержании в смеси 41,3 объемн.% кислорода горение наблюдалось при давлениях смеси выше 4,03 кгс/см2.

Ниже приведены скорости горения ткани из тефлонового воло­ кна в кислороде:

*Горение в эоне источника зажигания.

**Пламя распространилось примерно на 5 см от источника, а затем

погасло.

В экспериментах исследовали также скорость горения в кис­ лороде бета-ткани. Однако эта ткань при давлениях кислорода до 2,12 кгс/см2 не горела. Ткань из тефлонового волокна горела в чистом кислороде при давлениях выше 0,84 кгс/см2. Скорость

222

горения ткани увеличивалась с ростом давления кислорода при распространении пламени снизу вверх. При горении образцов ткани, расположенных под углом 45°, определенной закономер­ ности в изменении скорости горения с изменением давления кис­ лорода не обнаружено.

Анализируя приведенные данные, можно отметить следующее. Скорость горения неметаллических материалов зависит от типа материала, наличия ворса, направления распространения, состава и давления смеси и т. п. В кислородно-азотных смесях в определенных условиях скорость горения может достигать очень больших значений (десятки сантиметров в секунду). Однако скорости горения безворсовых тканей из искусственных волокон невелики и при давлениях в несколько атмосфер в чистом кисло­ роде не превышают 3—5 см/с, что позволяет считать их приме­

нение в кислородно-азотных смесях достаточно безопасным. Смазочные материалы. В работах [И , 12, 27] отмечалось,

что скорость горения пленок смазочных материалов в воздухе или смесях кислорода с азотом в зависимости от давления может достигать сотен метров в секунду, а иногда наблюдается дето­ нация.

Люазон [И] в экспериментах наносил минеральное масло в виде пленки толщиной 0,1—0,3 мм на внутреннюю поверхность трубы диаметром 250 мм и длиной около 200 м. В трубе тонкой клингеритовой перегородкой был выделен отсек длиной 4 м, запол­ нявшийся смесью метана (12,5 объемн.%), кислорода (25 объемн.%) и азота (62,5 объемн.%) под давлением 7 кгс/см2. Основ­ ную часть трубы заполняли воздухом до того же давления.

Горючую смесь в отсеке поджигали от электрической искры. В результате повышения давления перегородка разрывалась и продукты сгорания истекали в основную трубу, инициируя горение пленки масла.

Горение пленки масла протекало с большой скоростью и быстро переходило в детонацию. Детонационная волна распространялась по всей длине трубы с примерно постоянной скоростью —1200 м/с, если толщина слоя была равна 0,2 мм. При этом труба, толщина стенок которой составляла 7 мм, разрывалась в нескольких ме­ стах, а торец трубы разрушался полностью.

В работе [12], изучали горение пленок масел в смесях кисло­ рода (70 объемн.%) с азотом (30 объемн.%). Опыты проводилц в трубе диаметром 22 мм и длиной 2,6 м. Стенки трубы смазывали вакуумным маслом ВМ-4 или маслом индустриальное 12. Горение инициировали взрывом алюминиевой проволочки при разряде через нее электрического конденсатора энергией —290 Дж. После поджигания слоя масла ВМ-4 толщиной 100 мкм начавшееся медленное горение постепенно ускорялось и на расстоянии около 55 см переходило в детонацию. Скорость пламени в начальный период горения составляла около 500 м/с, скорость детонации —

—1800 м/с.

223

В работе [271 изучали возможность детонации пленок масла индустриальное 12 в воздухе и в смесях кислорода (50 объемн.%) с азотом (50 объемн.%). Эксперименты со смесями проводили в трубах диаметром 22 и 30 мм. Было установлено, что при давле­ нии 1 кгс/см2 не возникает детонация пленок масла индустриаль­ ное 12 при любой толщине слоя. Наблюдается лишь быстрое горе­ ние. Если в качестве окислителя использовали воздух, то детона­ ция также не возникала при давлениях до 50 кгс/см2.

7.3.ВОСПЛАМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ. ЭНЕРГИЯ ЗАЖИГАНИЯ

Вработе [1] измерены минимальные температуры нагрева­ тельного элемента, при которых наблюдалось зажигание некото­

рых тканых материалов (рис. 7.10). Установка и методика про­ ведения экспериментов описаны в предыдущем разделе. Шелезоконстантановая термопара, с помощью которой измеряли температуру воспламенения тканей, находилась между нагрева­ телем и образцом на расстоянии 0,5 мм от образца и 1,5 мм от нагревателя.

Рис. 7.10. Температура воспламенения, тканей в азотно-кисло­ родных смесях при различных концентрациях кислорода:

(р = 0,0171 г/см2 и р == 0,0085 г/см2) уменьшалась при увеличении концентрации кислорода в смеси кислорода с азотом. Следует отметить, что температура воспламенения Тв тканей на воздухе ниже, чем в кислородно-азотных смесях, содержащих 30 объемн.% кислорода. Это, по-видимому, можно объяснить тем, что экспери­ менты по зажиганию тканей на воздухе проводили при поко­ ящейся среде, а опыты по зажиганию тканей в кислородно-азот­ ных смесях — при наличии потока среды. Вызванное потоком

224

охлаждение образца потребовало для зажигания более высоких температур нагревателя. Для саржи (р = 0,01 г/см2) наблюдалась необычная зависимость Гв от концентрации кислорода в смеси. Причины этого пока не ясны.

Для всех исследованных тканей температура воспламенения уменьшалась при увеличении давления воздуха.

В некоторых работах сообщается, что энергия зажигания различных материалов в воздухе примерно в 1000 раз выше, чем в чистом кислороде при том же давлении [2, 28]. Так, Пюрсер оценивает энергию зажигания тканей на воздухе при давлении 3 кгс/см2 в 1—10 мДж, а в чистом кислороде — в 1—10 мкДж.

Используя эти данные можно приближенно оценить энергию зажигания различных материалов в атмосфере обогащенного кислородом воздуха по известным энергиям зажигания в чистом кислороде (с. 148). Принимая, что энергия зажигания уменьшается пропорционально увеличению кислорода в кислородно-азотной смеси нетрудно получить следующую формулу

с — концентрация кислорода в смеси.

Влияние на энергию зажигания материалов давления смеси

7.4. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СМЕСИ

На практике часто необходимо оценить возможность безопас­ ного использования материала в условиях, при которых он не изучен, но имеются сведения по испытаниям данного материала в несколько иных условиях. Например, предельное давление

для горения материала в листом кислороде равно р. Необходимо установить, при каком давлении материал можно безопасно использовать, если его предполагают применить для работы в смёси кислорода с азотом, содержащей, например, 45 объемн.% кислорода.

Очевидно, что для точного ответа необходимо провести спе­ циальные исследования и определить р пр материала в заданной смеси. Однако удается достаточно легко оценить с удовлетвори­ тельной степенью точности значение р пр в смеси по известному значению р Пр в чистом кислороде.

Введем понятие об эквивалентной смеси. Пусть для данного материала горение в чистом кислороде становится возможным, если давление кислорода равно или больше p c= i,о. Если часть кислорода заменить на азот, то концентрация кислорода в смеси станет с, а минимальное давление смеси, при котором данный материал также окажется способным к горению, возрастет до величины р с. Тогда смесь кислорода с азотом при концентрации кислорода с и при давлении р с можно считать эквивалентной чистому кислороду с давлением p c= i , o -

Очевидно, что изменяя с, будем получать различные значе­

центрации кислорода или давления смеси сразу приводит к не­ возможности горения данного материала.

Зависимость между значениями р с, рс=л,о и с может быть установлена для любого материала. Например, по данным, при­ веденным на стр. 211 —218 на рис. 7.2—7.6, могут быть найдены аналитические зависимости между указанными величинами.

Анализ приведенных данных показывает, что добавление азота в кислород не меняет характера зависимости между пара­ метрами горения: кривые, построенные для постоянных составов смеси представляют, как правило, параллельные линии, причем их относительное смещение примерно одинаково для различных материалов. Это позволяет предположить, что флегматизирующее действие добавок азота в кислород примерно одинаково для раз­ личных веществ и материалов.

Таким образом, если за основной параметр материала принять

на некоторый постоянный коэффициент к, который является функцией только концентрации.

В табл. 7.2 для некоторых веществ даны к = p£/pc=i,o Для различных концентраций кислорода в кислородно-азотных смесях.

Из данных табл. 7.2 видно, что значения к примерно одинаковы для каждой концентрации кислорода в смеси (независимо от вида материала). Следовательно, предельное давление кислородно­ азотной смеси с концентрацией кислорода с для масел и неметал-

226

Г Л А В А 8

ГОРЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ЖИДКОМ КИСЛОРОДЕ

При контакте материалов с жидким кислородом могут образоваться чрезвычайно опасные взрывчатые системы. Если материалы органического происхождения пропитываются жидким кислородом либо имеется близкое к равномерному распределение материала и жидкого кислорода в каком-то объеме, то получаются так называемые оксиликвиты — взрывчатые вещества на основе жидкого кислорода, обладающие такими же разрушительными свойствами, как и штатные ВВ [1].

При взаимодействии различных конструкционных материалов кислородного оборудования с жидким кислородом, а также при случайном попадании в жидкий кислород органических веществ, смазочных материалов, горючих газов, при проливах и утечках жидкого кислорода возможно образование систем, которые в зави­ симости от различных условий (вида материала, количества кисло­ рода и др.) могут представлять опасность загорания или взрыва.

В работе [2] описан сильный взрыв, происшедший на уста­ новке разделения воздуха в Дортмунде (ФРГ). Причиной взрыва явилась утечка жидкого кислорода на деревянный фундамент установки. При взрыве погибло 15 человек. Сильные взрывы произошли в ГДР на установке типа ЛФ-2600. Во всех случаях наблюдалась детонация деревянного настила и разрушение установок.

, В 1969 г. произошел взрыв на блоке разделения КГН-30 [3]. При примерзании клапанов насосов жидкого кислорода по ним обычно легко постукивают. Для этой цели работники станции использовали деревянный стержень, который через кожух уста­ новки подвели к клапану. В результате утечки кислород из насоса попадал на деревянный стержень и дерево пропитывалось кисло­ родом. При очередном постукивании произошел сильный взрыв, разрушивший нижнюю часть блока разделения.

Известен взрыв асфальтированного покрытия на станции на­ полнения емкостей жидким кислородом [4, с. 197]. Из-за неплот­ ности в соединительной муфте произошла утечка на покрытие значительного количества жидкого кислорода. Рабочий, пытав­ шийся устранить неисправность, случайно уронил гаечный ключ. Удар ключа об асфальт инициировал взрыв, в результате которого рабочий получил тяжелую травму.

229