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

Таблица 9.20. Условия применения смазочных материалов

вконструкциях закрытого типа оборудования группы А и Б

вчистом кислороде и в смеси кислорода (40 объемн. %) с азотом

Предельно допустимые содержания жировых загрязнений на поверхностях кислородного оборудования

Известно (с. 176), что для различных типов масел и жиров существуют предельные толщины пленок 8пр. При значениях толщин пленок ниже предельных по ним невозможно распро­ странение горения или детонации. На 8пр оказывает влияние давление кислорода, температура, скорость потока и др.

образно дифференцировать в зависимости от рабочего оборудова­

ния, а остальные факторы учесть коэффициентами. Повышение рабочей температуры от 20 до 150 °С снижает

значение бпр примерно в 1,5—2 раза (с. 178). Поэтому влияние температуры можно учесть коэффициентом кт~ 1,5—2,0. Макси­ мальное снижение 6пр в потоке кислорода по сравнению с поко­ ящимся достигает 3—5 раз (см. с. 180). Поэтому влияние потока кислорода на 8пр можно учесть коэффициентом k v ~ 3—5.

Значения 8пр при горении пленок масел на внутренних поверх­ ностях труб меньше значений этой величины при горении на

270

Таблица 9.21. Условия применения смазочных материалов в конструкциях открытого типа оборудования группы А и Б в чистом кислороде

и смесях кислорода (40 объемн. %) .с азотом (<sS60°C)

Предельно допустимая толщина слоя Смазочный материал смазочного материала (в мкм) при давле­

нии кислорода (в кгс/см2)

основе глицери­ на и фталевого ангидрида

см азки не п ри м ен яю тся .

плоской поверхности. Наибольшее снижение (в 2 раза) дости­ гается при диаметрах 40—50 мм. Для учета влияния кривизны поверхности можно использовать коэффициент kd = 2.

Если за типичное жировое загрязнение принять легкое мине­ ральное масло индустриальное 12, то, используя данные по зави­ симости 6пр от давления кислорода, приведенные на рис. 6.3 с учетом поправок на упомянутые коэффициенты, можно опре­

271

загрязнений для этих двух типов оборудования, а влияние скорости потока и диаметра трубопроводов учесть соответствующими коэффициентами. Это представляется разумным, поскольку, как правило, скорости потока кислорода и диаметры трубопроводов оборудования меняются в широких пределах, а их влияние на бпр не очень сильное.

Значения предельных толщин 8Г пленок масла в зависимости от давления рассчитываются по следующей формуле:

, _ бпр (Р )

6г (р) --

k vk^

Следует учесть, что в качестве норм S (р Т ) допустимого содер­ жания масла должны быть выбраны такие значения 6пр, при которых не возможно не только горение пленок масла, но также и детонация.

Значения предельной толщины бд пленок масла (с. 205), при которых возможна детонация, практически не зависят от давления и температуры кислорода, а также диаметра трубопровода, и бд находятся в пределах 1,3—1,8 мкм.

Известно, что под действием силы тяжести и потока газа пленка масла может сдвигаться, т. е. возможно изменение ее толщины и образование местных накоплений масла, однако при толщинах бст пленок масел, меньших 2—4 мкм, и температурах до 50 °С масло не стекает с вертикальных поверхностей и не сдвигается парал­ лельным потоком газа [8].

Если нормы. S (р , Т) допустимого 'содержания жировых за­ грязнений поверхностей кислородного оборудования выбрать

пленок масла при любых диаметрах трубопроводов и скоростях кислорода.

Для взрывоопасных систем принимается определенный коэф­ фициент безопасности кб, обычно составляющий величину от 2 до 20 в зависимости от возможных последствий загорания или взрыва [9, с. 95].

Учитывая, что при определении бг = / (р) были одновременно учтены максимально возможные снижения бпр, коэффициент безопасности кб можно принять в пределах 5—10.

Поскольку представляется возможным в определенных пре­ делах варьировать величину S (р , Т) в интервале изменения коэффициента кб, то можно рекомендовать единые нормы предель­ ных загрязнений кислородного оборудования для трех областей рабочих давлений: область низких давлений — до 16 кгс/см2, средних — от 16 до 64 кгс/см2; высоких — от 64 до 400 кгс/см2.

Нормы допустимого содержания жировых загрязнений поверх­ ностей кислородного оборудования в зависимости от его рабочего давления приведены в табл. 9.22.

272

Таблица 9.22. Нормы допустимого содержания жировых загрязнений поверхностей кислородного оборудования

Предложенные значения S (р , Т) можно, по-видимому, рас­ пространить на все виды жировых загрязнений, поскольку пара­ метры горения известных масел и жиров отличаются не сильно

(с. 177).

Рекомендуемые значения S (р, Т) следует использовать при определении средств и способов обезжиривания, методов контроля качества обезжиривания, а также сроков и периодичности обез­ жиривания.

Следует отметить, что в отдельных случаях можно не проводить обезжиривание оборудования, если предыдущие операции, такие, как горячая прокатка и прессование, отжиг, гальванические операции (цинкование, пассивирование), пескоструйная обработка, обеспечивают очистку цоверхностей до значений, указанных в табл. 9.22.

9.5. ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ЖИДКОМ КИСЛОРОДЕ

Имеющихся в настоящее время данных недостаточно для раз­ работки конкретных рекомендаций по условиям безопасного применения материалов в жидком кислороде. Однако некоторые замечания все же могут быть сделаны.

Металлы. Вероятно, что предельные давления рпр, при кото­ рых возможно горение металлов в жидком кислороде, отличаются от р пр в газообразном. Горение в жидкости усложнено такими трудно контролируемыми процессами, как кипение и испарение жидкости, конденсация продуктов горения.

Энергия зажигания металлов в жидком кислороде выше, чем в газообразном, так как для воспламенения в жидком кислороде необходимо нагревание до определенных температур более холод­ ного металла. Можно полагать, что если при изготовлении обору­ дования для работы с жидким кислородом ориентироваться на рекомендации по применению металлов в. оборудовании группы Б для газообразного кислорода (табл. 9.2), то вероятность невоспламенения металлов будет несколько выше.

Неметаллические материалы. Для использования в непосред­ ственном контакте с жидким кислородом не следует рекомендовать материалы (дерево, пенополистирол, кожа, активированный уголь,

Таблица 9-23. Условия применения неметаллических материалов в жидком кислороде при изготовлении из них деталей оборудования групп А и В

*Инертный наполнитель может быть в любом количестве; кокс, графиты и дру­ гие горючие добавки —не более 30 вес. %.

**Содержание стеклонаполнителя не менее 10 вес. %.

Таблица 9-24. Условия применения неметаллических материалов в жидком кислороде при изготовлении из них уплотнительных, проставочных и изолирующих элементов конструкций

в оборудовании групп А и Б

Предельно допустимые давления кислорода,

274

материалы на основе фторопласта, стеклопластики и материалы с большим содержанием инертного наполнителя.

Рекомендуемые условия применения некоторых неметалли­ ческих материалов в контакте с жидким кислородом приведены в табл. 9.23 и 9.24.

Смазочные материалы, углеводороды и жировые вещества. Смазочные материалы, углеводороды и жировые вещества в кон­ такте с жидким кислородом не используют. Однако при различных отклонениях от технологии эксплуатации оборудования, а также при загрязнениях технологических потоков такой контакт воз­ можен. При этом смазочные материалы и подобные вещества в жидком кислороде обычно находятся в виде пленки на поверх­ ности металлов и в виде суспензии или раствора. В первом случае опасность их воспламенения определяется допустимой толщиной слоя.

Если принять коэффициент безопасности к6 максимальным и равным 100, то предельно допустимая толщина пленки будет равна примерно 0,5 мкм. При такой толщине пленки невозможны горение и детонация масла в жидком кислороде, а при отогреве пленка не стекает с поверхностей, что исключает возможность локального накопления масла.

Адгезия пленки масла толщиной 0,5—1,0 мкм даже в жидком кислороде достаточно высока и возможно, что не будет наблю­ даться ее отслаивания. На экспериментальных трубках такой слой сохранялся после нескольких циклов «охлаждение — отогрев» и проливах через трубку жидкого кислорода.

Опасность воспламенения растворов и суспензий органических веществ в жидком кислороде можно характеризовать нижним концентрационным пределом детонации таких систем. Значение нижнего концентрационного предела в жидком кислороде, как установлено в работе [13], примерно равно нижнему концентра­ ционному пределу для этих систем в газообразном состоянии. Поэтому обеспечение безопасной эксплуатации оборудования, в котором возможно образование растворов и суспензий органи­ ческих веществ в жидком кислороде, достигается исключением появления или накопления органических веществ в количествах, достаточных для получения взрывчатой системы на нижнем пре­ деле детонации.

Если возможны локальные повышения концентрации органи­ ческих веществ, опасность взрыва системы можно оценить по количеству органического вещества:

mq

<?ТЭ — 1000

где <?тэ — тротиловый эквивалент системы; т — количество органического вещества; ц ■— теплота сгорания.

9.6.РЕКОМЕНДАЦИИ ПО БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЕ

СЖИДКИМ АЗОТОМ

Жидкий технический азот широко применяется в криогенной технике для получения газообразного азота методом низкотемпе­ ратурного разделения воздуха, в машиностроении и судостро­ ении — для обработки холодом металлических деталей и для охлаждения деталей при выполнении неподвижных посадок, в пищевой промышленности — для замораживания скоропортя­ щихся продуктов, в медицине и сельском хозяйстве — для кон­ сервации биологических препаратов и т. д.

До настоящего времени рекомендовалось при работе с жидким азотом выполнять требования по технике безопасности общие для всех взрывобезопасных криогенных жидкостей. При этом в основ­ ном учитывались опасности, связанные с возможностью возраста­ ния давления в закрытом сосуде при испарении жидкости, с воз­ можностью обмораживания открытых участков тела при попада­ нии жидкого азота, с возможностью понижения концентрации кислорода в атмосфере до опасных пределов (содержание кисло­ рода ниже 17—18 объемн.%) при проведении работ с жидким азотом в закрытом помещении и отсутствии достаточной вентиля­ ции и т. п.

Азот известен как инертное вещество, поэтому других мер предосторожности при работе с жидким азотом обычно не пред­ усматривалось. Однако в настоящее время известно несколько сильных взрывов оборудования, работающего с жидким азотом. В результате анализа аварий установлено, что причиной взрывов было повышенное содержание кислорода в азоте.

Согласно ГОСТ 9293—59 в жидком техническом азоте должно содержаться жидкого кислорода не более 4 объемн.%. Если усло­ вия применения жидкого азота таковы, что он может испаряться, то жидкость постепенно обогащается кислородом, причем кон­ центрация кислорода может достигнуть опасных пределов.

Ранее (с. 246) было показано, что при содержании кислорода в жидком азоте 64—67 объемн.% возможна детонация, при кон­ центрации более 56—58 объемн.% возможно горение, а при кон­ центрации более 38 объемн. % материалы в нем чувствительны к воздействию механического удара. Таким образом, если ориен­ тироваться на последнюю цифру, то безопасными можно считать условия, когда концентрация кислорода в азоте не превышает

30—35 объемн.%.

Степень обогащения жидкого азота кислородом по мере испа­ рения жидкости можно определить теоретически из условий паро­ жидкостного равновесия двухкомпонентной смеси. Известно [10, с. 545], что пар над кипящей жидкой смесью обогащен более

276

легкокипящим компонентом, точнее тем компонентом, который понижает температуру кипения. Так как в жидком азоте всегда присутствует кислород, температура которого выше температуры кипения азота, то по мере испарения жидкость будет обогащаться кислородом. При данном давлении концентрация кислорода в паровой фазе определяется его концентрацией в жидкости (рис. 9.3). Основываясь на работе [И ], можно определить обога­ щение жидкого азота кислородом при испарении жидкости [12].

Расчетные данные по обогащению жидкого азота кислородом по мере испарения жидкости при начальной концентрации 4 объемн.% и давлении 760 мм-рт. ст. приведены ниже:

Видно, что в зависимости от количества испарившейся жидкости может быть получена любая степень обогащения жидкого азота кислородом.

Проверка расчетных данных проведена экспериментально [12]. Для этого теплоизолированный сосуд устанавливали на автома­ тических весах и заливали в него жидкий азот с известной кон­ центрацией кислорода. По мере испарения жидкости непрерывно измеряли вес сосуда и температуру жидкости. На рис. 9.4 при­ ведены температуры кипения смесей азот — кислород [10], не­ которым определяли концентрацию кислорода в азоте.

На рис. 9.5 приведены экспериментальные и расчетные зави­ симости концентрации кислорода в смеси при начальной его кон­ центрации 4 и 10 объемн.% от количества испарившейся жидкости.

277

Видно, что теоретическая и экспериментальная кривые довольно близко совпадают.

Проведенные исследования позволили разработать следующие требования, которые обеспечивают безопасность работы с жидким азотом, когда происходит его медленное упаривание.

Во-первых, соблюдать все известные меры по технике без­ опасности, предусмотренные для работы с жидким кислородом или воздухом (обезжиривание оборудования, исключение кон­ такта с горючими и взрывчатыми в кислороде веществами, исполь­ зование ранее приведенных рекомендаций по выбору условий работы материалов в контакте с кислородом). По-видимому, это приемлемо для выполнения разовых операций, при которых используется небольшое количество азота.

Во-вторых, контролировать количество кислорода в жидком

.азоте непосредственно измерением его содержания в жидкости

Рис. 9.5. Зависимость концентрации кислорода в жидком азоте от относи­ тельной массы испарившейся жидкости:

или газе либо по косвенньш показателям (например, количеству испарившейся жидкости). Работать с использованием жидкого азота можно до тех пор, пока концентрация кислорода в жидкости не достигнет предельной величины (30 объемн.%). Оставшаяся жидкая смесь должна быть слита в специальное дренажное устрой­ ство или оставлена до полного испарения. Следует отметить, что по мере обогащения жидкости кислородом увеличивается также концентрация кислорода в паре. Причем при концентрации кисло­ рода в жидкости 55—80 объемн.% концентрация кислорода в паре составляет примерно 27—50 объемн.%, т. е. создаются условия, при которых возможно загорание большинства неметаллических и тканых материалов. Таким образом, при испарении жидкого азота вместо опасности отравления азотом возникает опасность пожара и взрыва.

9.7. ВЫПОЛНЕНИЕ ДРЕНАЖНЫХ ОПЕРАЦИЙ

При получении и использовании кислорода возникает необхо­ димость выброса кислорода из оборудования в атмосферу, напри­ мер при срабатывании предохранительных клапанов и мембран, продувках, нри удалении газообразного кислорода, образующе­ гося вследствие испарения жидкого кислорода во время хранения и др. Выбросы могут быть кратковременными, периодическими

.278

и постоянными. При этом возникают специфические опасности, связанные с появлением контакта различных материалов с кисло' родом. За последние годы произошли несчастные случаи вслед­ ствие загорания одежды людей, находящихся в атмосфере кисло­ рода или обогащенного кислородом воздуха, поэтому следует учитывать опасность обогащения атмосферы кислородом, которое может происходить как при нормальной эксплуатации, так и в ава­ рийных ситуациях.

Ранее было показано (с. 220), что с повышением содержания кислорода скорость горения материалов может возрастать в де­ сятки раз, а энергия зажигания снижаться примерно в тысячу раз.. Кроме того, некоторые материалы, которые самозатухают при поджигании на воздухе (например, пенополиуретаны), становятся способными распространять горение при незначительном (до 23 объемн.%) повышении содержания кислорода в воздухе. Мно­ гие ткани способны зажигаться и быстро гореть на воздухе при содержании кислорода 25—30 объемн.%. Таким образом, атмо­ сфера, в которой содержание кислорода превышает 23—25 объ­ емн.%, может представлять опасность как для обслуживающего персонала, так и для оборудования.

При дренаже кислорода в атмосфере образуются области, обогащенные кислородом. Величина обогащения, размеры области с повышенной концентрацией кислорода зависят от диаметра дренажной трубы, температуры кислорода и окружающего воз­ духа, направления и скорости ветра.

Известно [14], что при турбулентном дозвуковом режиме истечения (Re > 2300) размеры обогащенной кислородом области практически не зависят от скорости истечения, т. е. от количества выбрасываемого кислорода при заданном сечении дренажной трубы.

Естественно, что следует стремиться к уменьшению размеров области, в которой существует повышенная концентрация кисло­ рода. В случае если дренаж ведется из круглой трубы, макси­ мальное расстояние L , на котором может образоваться опасная

Ширина области с повышенной концентрацией кислорода зависит от расстояния L, но не превышает — 0,2L.

Как видно из формулы, для уменьшения размеров обогащен­ ной кислородом области следует уменьшить диаметр дренажной трубы, а также сбрасывать возможйо более теплый кислород. Для уменьшения размеров опасной зоны можно также проводить дренаж из нескольких труб, расположенных под углом одна к

279