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

Г Л А В А 9

УСЛОВИЯ БЕЗОПАСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В КИСЛОРОДЕ И ОБОГАЩЕННОМ КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХЕ

9.1. ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ОБОРУДОВАНИИ

в газообразном и жидком кислороде и смесях кислорода с другими газами, а также разработанные принципы оценки опасности контакта материалов с кислородом позволяют дать рекомендации по условиям безопасного применения различных материалов

вкислородном оборудовании.

Всоответствии с принципами классификации материалов, которые изложены в гл. 2, материалы могут использоваться в обо­ рудовании групп А и Б. В оборудовании группы А к материалам предъявляется требование, чтобы, при рабочих параметрах обору­ дования и при заданном конструктивном исполнении детали из

данного материала, они не были способны к горению. В оборудо­ вании группы Б материалы используются в условиях, когда они могут гореть, т. е. в потенциально пожароопасных условиях.

Требование, чтобы материал не был способен к горению, вы­ полняется, если материал использовать в «запредельной» для горения области. При этом необходимо учесть, что определение значений предельных параметров, характеризующих указанную область, производится с некоторой погрешностью. Поэтому вероят­ ность невоспламенения материалов в оборудовании группы А не равна 1,0, а зависит от точности измерения предельных пара­ метров и выбранного запаса на эту неточность.

Вероятность невоспламенения материала при предельных пара­ метрах горения и наличии источника воспламенения достаточной энергии равна

где Ри — вероятность невоспламенения (надежность) материала в заданных условиях;

Рв — вероятность воспламенения материала в заданных' условиях, определяемая экспериментально.

Если учесть, что источник с энергией Е, необходимой для зажигания материала, появляется с некоторой вероятностью Р е , то вероятность невоспламенения материала будет равна:

250

Из формулы 9.2 видно, что может быть достигнута любая заданная вероятность невоспламенения материала в оборудовании группы А, поскольку Р в может быть установлена достаточно налой путем изменения (уменьшения или увеличения) значения предельного параметра, например, р пр, бпр,, нпр на определенную величину па, где n = 1, 2, 3,. . о — стандартное отклонение

®хлопковой пыли в воздухе; 9 —

поставляя значение энергии зажигания Q3 материала в заданных условиях с энергией Е случайного источника, можно по формуле 9.2 определить вероятность невоспламенения материала в этих условиях. Поскольку в оборудовании группы Б материалы ис­

251

Таким образом, для определения вероятности невоспламенения материалов в оборудовании группы Б необходимо знать вероят­

оборудовании определим из статистического анализа известных случаев загораний, когда известна или может быть достаточно точно установлена энергия зажигания (рис. 9.1).

Среднее время т 0 появления в оборудовании одного случайного источника с заданной энергией Е зависит от энергии: чем больше энергия, тем больше время т 0. Например, т 0 при Е = 10 Дж примерно в 1010 раз больше, чем т при Е = 10“6 Дж.

Примем следующие допущения:

для любого вида оборудования существует вероятность появле­ ния случайного источника с любой энергией;

вероятность появления случайного источника с заданной энергией примерно одинакова для любых видов оборудования; вероятность появления источника с различной энергией для любого оборудования может быть оценена через вероятности появления отдельных источников с известной энергией на других

видах оборудования.

Каждое появление в оборудовании источника энергии Е, равной энергии зажигания материала в заданных условиях Q3, обязательно сопровождается зажиганием материала.

При указанных допущениях кривая I (см. рис. 9.1), получен­ ная по методу наименьших квадратов, представляет зависимость между среднестатистическим временем т 0 появления в любом оборудовании источника и энергией Е этого источника. Отметим, что зависимость между Е и т 0, описываемая указанной кривой, построена по случайным, но характерным для работы данного вида оборудования и, следовательно, более вероятным, чем сред­ ние, временам появления источника.

Для расчетов целесообразно использовать кривую II, которая ниже кривой I на величину За и соответствует нижней довери­ тельной границе.

Полученную зависимость т 0 = / (Е) можно использовать для оценки вероятности Р е появления (вероятности загорания) источ­ ника заданной энергии за определенный период работы оборудо­ вания т, например за 1 год, используя экспоненциальный закон распределения вероятностей:

Вероятность невоспламенения материалов в оборудовании

252

Вформуле (9.5) значения к или т„ выбираются из графиков рис. 9.1 и рис. 9.2 по значению Е, равному энергии зажигания материала Q3 при рабочих параметрах оборудования.

9.2.УСЛОВИЯ 'БЕЗОПАСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Всоответствии с действующими правилами [1—4] не допу­ скается применение черных металлов и алюминия в трубопроводах

иарматуре общепромышленного назначения при рабочих давле­ ниях кислорода выше 64 кгс/см2. Однако в некоторых видах специального оборудования черные металлы и алюминий исполь­ зуют достаточно широко, например для изготовления трубопро­ водов и арматуры, работающих при давлениях кислорода до 220, а иногда и до 400 кгс/сма. Известно также, что черные металлы уже более пятидесяти лет применяют для изготовления кислород­ ных баллонов (р = 150 кгс/см2), число которых исчисляется только в нашей стране миллионами. Опыт эксплуатации этого оборудования показывает, что оно надежно в работе и что загора­ ния происходят крайне редко. Причиной аварий, как правило, бцвают грубые нарушения правил монтажа и эксплуатации оборудования. Следует отметить, что при давлениях кислорода менее 64 кгс/см2 загорания оборудования наблюдаются.

Запрещение использования черных металлов в конструкциях

кислородного оборудования, работающего под высоким давле­ нием, без знания возможных условий применения, а также дей­ ствительной опасности контакта черных металлов с кислородом является неправильным и в настоящее время становится тормозом на пути технического прогресса.jK poM e того, как было показано ранее, само ограничение применения. металлов без указания размера и формы детали, скорости потока кислорода, назначения оборудования является неверным. Поэтому представляется необ­ ходимым дать рекомендации по условиям применения металлов в кислородном оборудовании, используя для этого разработанные принципы оценки опасности контакта металлов с кислородом, принципы классификации и экспериментальные данные, описан­

Двух различных типов оборудования (оборудование группы А и группы Б).

Высокая надежность и практически абсолютная безопасность эксплуатации оборудования группы А достигается при исполь­ зовании металлов конструкции в условиях, когда они не способны гореть. Очевидно, что эти условия могут быть определены, если известны предельные параметры горения металлов в кислороде.

Основными параметрами, влияющими на условия горения, являются: для металла — вид, характерный размер, форма, а для кислорода — давление, скорость и температура, поэтому, используя

253

данные по пределам горения металлов в кислороде, которые приведены ранее (с. 97—106), условия применения металлов в конструкциях кислородного оборудования группы А могут быть представлены в следующем виде (табл. 9.1).

Приведенные в таблице значения давлений кислорода на 3,5а ниже средних значений р ар, при которых вероятность распростра­ нения горения составляет 0,5. Таким образом, вероятность вос­

для зажигания металлов, также мала. Если за характерную величину энергии принять минимальную энергию зажигания (Q3 200 Дж) в условиях, которые даны в табл. 9.1, то вероят­

таллов в указанных условиях может быть получена как произ­ ведение вероятности воспламенения Р ъ и вероятности появления необходимой для зажигания энергии Р Е. Таким образом, вероят­

Рекомендации по применению металлов в соответствии с дан­ ными табл. 9.1 необходимо учитывать при разработке конструкций оборудования, в которых загорания принципиально не допу­ скаются (оборудование группы А), а также если их выполнение целесообразно по экономическим оценкам (с. 58). Эти рекоменда­ ции следует учитывать также при выборе металлов для изготовле­ ния отдельных узлов кислородного оборудования, в котором имеется большой запас энергии (механической, электрической и др.) и имеется возможность ее локального выделения в виде энергии трения, удара и т. п. К такому оборудованию, в частности, можно отнести поршневые и центробежные компрессоры, отдель­ ные узлы которых (клапаны, лабиринтные уплотнения) целесо­ образно изготавливать с максимальной надежностью против загорания.

Требования к применению металлов в оборудовании группы Б регламентируются табл. 9.2. В таблице даны рекомен­ дации по условиям использования металлов, при которых обеспе­ чивается их невоспламенение от действия случайных источников различной интенсивности (5, 40 и 200 Дж), что соответствует очень высоким значениям т 0 (2-105, 2-106 и 2* 107 ч).

Оборудование, изготовленное в соответствии с требованиями табл. 9.2, имеет высокую надежность против загорания. Напри­ мер, вероятность невоспламенения металлов (оборудования) в те­ чение года их работы в условиях, соответствующих приведенным в табл. 9.2 при т 0, равном 2-1Q5, 2 • 1,06 и 2-107 ч, составляет соот­ ветственно 0,95; 0,995 и 0,9995. Вероятность невоспламенения

254

Таблица 9.2• Условия применения металлов и сплавов в кислородном оборудовании группы Б (Рабочая температура до +200 ®С)

этом оказываются различными размеры и форма детали из не­ металлического материала, различны также условия контакта материала с кислородом и другими материалами. Очевидно, что также различными являются и способы обеспечения безопасности их использования. Поэтому представляется целесообразным рас­ смотреть условия применения неметаллических материалов в зави­ симости от их назначения.

Конструкционные материалы

Предельные давления кислорода, при которых возможно горение большинства неметаллических материалов, невелики и обычно ниже 1 кгс/см2. Поэтому лишь для очень небольшого числа материалов можно найти условия практического использо­ вания, когда они находятся вне пределов горения. Энергия зажи­ гания неметаллических материалов также невелика и, кроме того, быстро уменьшается с ростом давления кислорода. Исполь­ зование в конструкциях кислородного оборудования некоторых неметаллических материалов вместо металлов привело к резкому увеличению числа загораний. Вследствие этого применение не­ металлических материалов в качестве конструкционных элементов кислородного оборудования пока очень ограниченно, несмотря на большую заинтересовайность в этом проектировщиков (сниже­ ние веса, химическая стойкость, низкая стоимость и др.). Однако использование неметаллических конструкционных материалов иногда является необходимым (например, резиновая кислородная маска), так как без них конструкция не работоспособна, либо значительно усложняется.

В соответствии с принципами оценки опасности контакта мате­ риала с кислородом можно, используя данные на с. 127 и с. 147, дать некоторые рекомендации по применению неметаллических материалов в качестве основных конструкционных элементов кислородного оборудования группы А и Б (табл. 9.3 и 9.4).

Таблица 9.3. Условия применения неметаллических материалов, при изготовлении из них деталей кислородного оборудования группы А

гие горючие добавки —не более 30 вес. %.

258

* См. сноску к табл. 9.3.

Напомним, что размеры материала, форма, наличие добавок незначительно влияют на значение предельного давления кисло­ рода, при котором возможно горение неметаллических материалов. Однако на рпр оказывает значительное влияние начальная темпе­ ратура. Поэтому для каждого материала в зависимости от рабочей

лишь немногие неметаллические материалы могут быть исполь­ зованы для изготовления кислородного оборудования групп А.

Номенклатура конструкционных неметаллических материалов для оборудования группы Б значительно шире (табл. 9.4). Из дан­ ных табл. 9.4 видно, что при давлении кислорода до 16 кгс/см2 возможно применение многих конструкционных неметаллических материалов. При более высоких давлениях кислорода вероятность