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

метакрилата (оргстекло СО-120), текстолита и стеклопластика КАСТ-В в зависимости от размеров образца, давления и темпе­ ратуры кислорода. Скорость горения измеряли с помощью элек­ трической системы, в которой электронное счетное устройство запускалось и останавливалось от импульсов, возникающих при перегорании двух тонких (d = 0,08 мм) медных проволочек,

*Эксперименты проводили при давлении 20 кгс/см2.

**Эксперименты проводили при давлении 50 кгс/см2.

***Эксперименты проводили при давлении 120 кгс/см2

Скорость горения всех материалов линейно увеличивается с повышением давления кислорода. Заметное влияние на скорость горения оказывает температура жидкого кислорода. Линейная зависимость скорости горения от давления сохранялась для всех исследованных материалов и при изменении диаметров образ­ цов (рис. 8.11), однако углы наклона кривых уменьшаются с уве­ личением диаметра.

На рис. 8.12 приведена мгновенная фотография горящего образца текстолита в жидком кислороде при давлении 1 кгс/см2. Видно, что горение текстолита происходит в газовом пузыре, образующемся при испарении жидкого кислорода вблизи

240

Скорости горения в жидком кислороде несколько больше, чем в газообразном. Это, по-видимому, связано с интенсифика­ цией процессов массо- и теплообмена при кипении и испарении

в зависимости от ее состава можно.видеть из следующих данных:

в^стеклянных трубках диаметром 10—32 мм и длиной 400 мм при начальном давлении 1 кгс/см2. В экспериментах не удалось точно определить скорость детонации, однако установили, что скорости детонации пленок масла индустриальное 12 толщиной 400 мкм составляли величины порядка 1850—2100 м/с.

Данных по скоростям горения пленок масел и индивидуальных углеводородов в жидком кислороде очень мало. По-видимому, это'связано с большой неустойчивостью (нестабильностью) горе­ ния этих систем. Скорости спокойного горения пленок масел невелики — несколько миллиметров в секунду. Однако спокойное горение со столь малыми скоростями, как правило, не наблю-

242

дается. Горение обычно ускоряется, и скорость пламени достигает сотен метров в секунду. Часто происходит срыв горения вслед­ ствие растрескивания и отслаивания пленок с поверхности.

Ниже приведены значения скорости горения некоторых мате­ риалов в жидком кислороде при давлении 1 кгс/см2:

8.4. ДАВЛЕНИЕ ПРИ ДЕТОНАЦИИ

Разрушения, происшедшие в результате взрыва материалов в жидком кислороде (см. рис. 8.1, рис. 8.9 и рис. 8.14), косвенно указывают на наличие при взрыве очень высоких давлений. Харак­ тер разрушений (расплющенные на большой длине «в лист» трубки, перебитые и «срезанные» трубки и стержни, ярко выраженный очаг взрыва) подтверждает не только наличие высоких давлений, но и высокую бризантность взрыва, свойственную детонации штатных ВВ.

Давления при взрыве материалов в кислороде во много раз превышали предел прочности трубок и сосудов, которые в обыч­ ных условиях (с учетом температуры) выдерживают давления до 800—1000 кгс/см2.

Неметаллические материалы. Приближенный расчет давления при детонации неметаллических материалов, который может быть сделан по экспериментальным значениям давления в воздушной ударной волне на различных расстояниях от очага взрыва, а также по условиям, необходимым для разрушения экспериментальных сосудов, показывает, что эта величина должна равняться при­ мерно 8 000—13 000 кгс/см2.

Смазочные материалы и углеводороды. Давление при детона­ ции смеси метана с жидким кислородом составляет [15] примерно 29 000 кгс/см2. Отмечено, что при детонации в жидком кислороде давление приблизительно в 1000 раз выше, чем при детонации

вгазовых смесях.

Вработе [8] при изучении возможности детонации пленок минеральных масел в жидком кислороде наблюдались разрушения медных трубок размером 10 X 0,5 мм (рис. 8.14), а также сосуда Дьюара из нержавеющей стали с толщиной стенок 5 мм и диа­ метром 60 мм. Отметим, что для разрушения, например, сосуда Дьюара необходимо минимальное усилие 50 тс, что соответствует

Таблица 8.4. Чувствительность различных материалов к воздействию механического удара в жидком кислороде

* Воспламенение отсутствует.

Продолжение табл. 8.4

Учитывая, что сам параметр весьма условен (зависит от метода опре­ деления), такая точность вполне достаточна, чтобы пользоваться любой из этих величин.

Методика измерения чувствительности материалов к механи­ ческому удару в жидком кислороде описана ранее в главе 3.

в азоте, а затем заливали жидким кислородом (см. рис. 3.18). Результаты испытаний^приведены в табл. 8.4.

Анализ полученных данных указывает на возможность вос­ пламенения большинства исследованных материалов в жидком кислороде в результате -механического удара.

Экспериментальная установка не позволяла получить энергии удара более 122,5 Дж, поэтому не все материалы воспламенялись. Тем не менее, очевидно, что контакт большинства материалов с жидким кислородом достаточно опасен, так как энергии удара, необходимые для воспламенения, не очень велики и вполне срав­ нимы с энергиями, возникающими при различных нарушениях в работе оборудования.

8.6. ПРЕДЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ МАТЕРИАЛОВ В ЖИДКИХ КИСЛОРОДНО-АЗОТНЫХ СМЕСЯХ

В настоящее время известно несколько взрывов оборудования, работающего с жидким азотом. Наблюдались взрывы сосудов Дьюара и транспортных резервуаров; ванн с жидким азотом, в которых охлаждали детали; неметаллических материалов, захоложенных в жидком азоте, во время определения их механи­ ческих свойств.

Поскольку взрывы происходили в жидком азоте, т. е. в инерт­ ном веществе, считали, что их причиной являются, например, повышение в сосудах давления выше допустимого вследствие испарения жидкого азота, повышенная хрупкость металлов при низких температурах и разрушение сосудов и аппаратов под действием давления внутри них. Иногда предполагали, что взрывы произошли вследствие контакта материалов с жидким кислородом, который ошибочно мог быть залит вместо жидкого азота. Однако

2 4 6

более детальное изучение аварий показало, что действительной причиной взрывов было повышенное содержание кислорода в азоте, которое возникло при испарении жидкого технического азота, содержащего кислород, так как при испарении смеси идет преимущественное испарение азота и происходит постепенное обогащение кислородом жидкой фазы.

Предельная концентрация кислорода в жидком азоте, при ко­ торой невозможно горение материалов. В экспериментах [18] определяли минимальную концентрацию кислорода в жидком азоте, при которой материалы не могут быть воспламенены от локального источника зажигания. Опыты проводили с интенсивно горящими в жидком кислороде материалами: оргстеклом СО-120, полистиролом ПС-4, замасленной тканью. Образцы из оргстекла и полистирола представляли стержни диаметром 4 и длиной 100 мм,,

аобразцы из ткани — полоски шириной 30 и длиной 100 мм. Образцы закрепляли в специальной латунной рамке. Источ­

ником зажигания служила нагреваемая электрическим током стальная спираль из проволоки диаметром 0,3 мм, наматываемая на конец образца (3—4 витка).

В табл. 8.5 приведены концентрации кислорода в жидком азоте, выше которых возможно горение материалов в жидкой азотно-кислородной смеси.

Таблица 8-5. Предельные концентрации кислорода в жидком азоте, выше которых возможно горение некоторых материалов

Из приведенных в таблице данных видно, что предельная кон­ центрация кислорода в азоте, при которой невозможно горение материалов, не является постоянцой величиной и зависит от вида материала.

В опытах исследована также возможность горения в азотно­ кислородных смесях следующих материалов: фторопласта-4, фторопласта-3, стеклопластиков АГ-4С, АГ-4В, ДСВ, паронита. Ни один из указанных материалов не горел в смесях азота с кис­ лородом. Горение этих материалов не наблюдалось и в чистом кислороде при давлений 1 кгс/см2.

247

Таким образом, для любых конструкционных материалов в ка­ честве безопасной концентрации кислорода в жидком азоте при атмосферном давлении может быть принята наименьшая величина из всех полученных, т. е. 56 объемн.%.

Предельная концентрация кислорода в жидком азоте, при ко­ торой невозможна детонация материалов. В экспериментах [18] определяли минимальную концентрацию кислорода в жидком азоте, выше которой по материалу после воздействия на него сильного удара возбуждается и распространяется детонация. Наличие детонации материалов устанавливали по фоторегистра­ циям процесса, а также по разрушениям экспериментальных сосудов. Как было установлено специальными опытами, если материал детонирует, то наблюдается яркая вспышка, сильный звуковой эффект и чашка разрушается на мелкие осколки.

Исследовались материалы: асфальт, масло индустриальное 12, хлопчатобумажная ткань, замасленная маслом индустриальное 12.

в чашке в два слоя. Минимальная концентрация кислорода в азоте, выше которой наблюдается детонация замасленной ткани, масла индустриальное 12 и асфальта, составляла соответственно 64, 65 и 67 объемн. %.

Таким образом, предельная концентрация кислорода в жидком азоте (64 объемн.%); выше которой возможна детонация мате-

Таблица 8.6. Предельные концентрации кислорода в жидком азоте, при значениях выше которых материалы чувствительны

к воздействию механического удара

248