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

[2; 17, с. 26—28]. Однако очевидно, что пороха и ВВ из-за исключительно высокой скорости горения и значительного тепло­ вого эффекта являются более опасными материалами, чем приме­ няемые в настоящее время в кислородном оборудовании материалы и вещества с более низкой Тсв.

Известны также попытки ввести комплексные способы оценки опасности, смысл которых состоит в том, чтобы, комбинируя зна­ чения нескольких параметров горения вещества (например, энер­ гии зажигания, температуры самовоспламенения и др.), получить более точное представление о месте веществ в ряду их относитель­ ной опасности [13, 14]. Располагая сведениями об условиях без­ опасной работы одного материала (как правило, это практический опыт работы с ним), можно представить условия работы какого-то другого материала. Благодаря этим работам появилась возмож­ ность в какой-то мере регламентировать применение материалов в кислородном оборудовании и рекомендовать наиболее стойкие материалы.

В последнее время вырабатывается несколько иной подход к изучению рассматриваемой проблемы [15, 16]. По-видимому, это связано с рядом несчастных случаев, происшедших при примене­ нии кислорода в водолазном оборудовании, в кабинах космиче­ ских кораблей, их наземных имитаторах, а также в медицинских барокамерах. В реальных конструкциях трудно установить, что может послужить источником зажигания и какие из большого числа использованных материалов наиболее опасны, поэтому поступать можно следующим образом. В готовом изделии, искус­ ственно вызвав загорание, наблюдают скорость и интенсивность развития пожара или взрыва. В соответствии с получаемыми

Как можно видеть, здесь, в отличие от ранее упомянутого, задачей исследований является изучение параметров начавшегося про­ цесса горения и разработка средств его локализации и пода­ вления.

Безусловно является положительным, что оценку опасности эксплуатации оборудования проводят на основании изучения опасности использованных материалов. Однако материалы рас­ сматриваются только в том виде и форме, в которых они при­ менены в данной конструкции. Этот, вообще говоря, положитель­ ный (конкретный) способ оценки опасности материалов имеет, к Сожалению, ограниченное применение, так как не позволяет сделать заключение о возможности применения материала в дру­ гой конструкции либо при иных параметрах кислорода.

Практика показала, что ни один из изложенных выше способов оценки опасности материалов не позволяет оценить действитель­ ную опасность их эксплуатации в кислородных системах. По-ви­ димому, в системах оценки опасности применения материалов отсутствовало какое-то важное звено.

40

При анализе рассмотренных методов обеспечения безопасности кислородного оборудования выявляются следующие недостатки.

Предполагается, как неизбежное, существование взрывоили пожароопасной системы материал — кислород. Естественно, что при этом гарантировать абсолютное отсутствие загорания оборудо­ вания не представляется возможным. Можно лишь получить сравнительные характеристики материалов и оценить относитель­ ную опасность эксплуатации оборудования с использованием того или иного материала.

Возможность использования материалов устанавливается с уче­ том значения какого-либо одного-двух параметров горения (энер­ гии зажигания, температуры самовоспламенения и т. п.). Отсут­ ствует обоснованное определение, что следует понимать под опас­

(оценены) источники зажигания в системе и предусмотрены меры защиты, то обеспечивается безопасность. Возможность появления

Резюмируя изложенное, можно отметить следующее. Существу­ ющие способы оценки совместимости материалов с кислородом являются несовершенными и обладают недостатками. Необходима разработка принципиально новых методических приемов, Пока­ зывающих, какие сведения необходимы, в каком порядке и каким образом они должны определяться, как использовать полученные результаты. Оценка опасности применения материалов должна иметь четкие научные основы, исключающие субъективизм и не­ определенность выводов; она должна быть однозначной и эконом­ ной.

2.2. ОСОБЕННОСТИ И ХАРАКТЕРНЫЕ ЧЕРТЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ КИСЛОРОДНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специфической особенностью эксплуатации кислородного обо­ рудования является возможность образования горючих и взрыв­ чатых систем, возникающая в результате контакта материалов, которые использованы при изготовлении деталей, узлов и других элементов кислородного оборудования, с газообразным и жидким кислородом, а также с обогащенным кислородом воздухом. Поэтому возникают определенные требования не только к виду применяемых материалов, но и к самим конструкциям кислород­ ного оборудования.

Прежде всего стремятся ограничить применение в конструкциях органических материалов, образующих с кислородом наиболее легко воспламеняющиеся и интенсивно горящие или детониру­ ющие взрывчатые системы.

Для удаления случайных загрязнений органическими веще­ ствами (минеральные масла, смазки, жиры и др.) кислородное

41

оборудование перед работой тщательно обезжиривается путем обработки внутренних поверхностей четыреххлористым углеродом,, трихлорэтиленом, бензином и другими сильными растворителями или водно-моющими растворами. Работа металлов в обезжирен­ ном состоянии в такой агрессивной среде, как кислород, создает повышенную коррозионную опасность. Возникает необходимость использования в качестве основных конструкционных материалов коррозионностойких металлов и неметаллических материалов, способных выдерживать без нарушения своих свойств длительный контакт с кислородом, а также узлов, как правило, работающих без смазок, и широкого (вынужденного) применения пар сухого трения «металл по металлу». Тем самым создается повышенная опасность загораний, возникающая вследствие появления задиров, «закусываний», перегревов. Это особенно относится к работе подшипников, запорных элементов арматуры, подвижных уплот­ нений.

Указанные выше особенности эксплуатации кислородного оборудования послужили основой того, что, во-первых, использо­ вание материалов в кислороде резко ограничивается и дифферен­ цируется в зависимости от его параметров и, во-вторых, в отрасли кислородного машиностроения самое широкое распространение получило применение практически негорючих и коррозионностой­ ких металлов, таких, как медь и сплавы на основе меди, а исполь­ зование других металлов, особенно сталей, не рекомендуется.

При эксплуатации кислородного оборудования существует также опасность утечек. Повышенная концентрация кислорода в воздухе легко приводит к созданию пожароили взрывоопасных систем, поскольку кислород вступает в контакт с материалами, не предназначенными для работы в такой атмосфере [2, 6, 12, 18—19]. Например, при увеличении концентрации кислорода в атмосфере производственных помещений происходят загорания с тяжелыми последствиями — человеческими жертвами, трав­ мами, сильными пожарами. Контакт жидкого кислорода или обогащенного кислородом жидкого воздуха с деревом, асфальтом, ветошью, маслами и другими материалами служит причиной сильнейших взрывов.

Из всего многообразия видов кислородного оборудования можно условно выделить несколько групп, которые имеют общие типо­ вые узлы и характерные для них условия работы.

Емкости, газгольдеры. Для этого вида кислородного оборудо­ вания характерны длительная эксплуатация, высокая надеж­ ность, большой срок между регламентными операциями, отсут­ ствие постоянного наблюдения за их .работой; обычно невысокие давления, температуры и скорости потока кислорода. Подвижные детали и узлы трения отсутствуют. Потенциальная энергия всей системы мала. Необходима защита от коррозии.

Случаи взрывов и загораний очень редки. Известны взрывы кислородных баллонов при попадании в них больших количеств

42

ротора и статора, происходящих в результате расцентровки, появления вибраций и автоколебаний, кратковременного помпажа, вытяжки или вырыва гребней лабиринтного уплотнения и др. Местный нагрев возможен также при попадании в проточ­ ную часть машины окалины, сварочного грата, каких-либо метал­ лических предметов, а также при сгорании неметаллических мате­ риалов, используемых для уплотнения разъема корпусов ком­ прессора [25]. Существует также мнение, что причиной загораний может явиться масло, вносимое в компрессор вместе с азотом и кислородом при пуске и работе машины или оставшееся в ней после обезжиривания [2, 24].

Поршневые кислородные компрессоры. Как и центробежные, поршневые компрессоры применяют для сжатия кислорода до необходимых давлений. В отличие от первых они имеют меньшую производительность, но значительно более высокое конечное давление сжатия — до 250 кгс/см2. Поршневые компрессоры используют главным образом для наполнения кислородных бал­ лонов. При эксплуатации требуется постоянное наблюдение и обслуживание.

Очагами загораний компрессора могут служить: поршневые уплотнительные элементы, которые обычно изготавливают из фибры (иногда из кожи); клапаны и уплотнения головки цилин­ дров.

Для уменьшения трения цилиндры компрессоров смазывают дистилироваиной водой или специальными водными эмульсиями. Отсутствие смазки приводит к немедленному загоранию фибро­ вых манжет вследствие сухого трения. Другими возможными причинами аварии могут служить поломка клапанных пластин, попадание под клапан или в цилиндры посторонних предметов, а также машинного масла из картера шатунно-кривошипного механизма в цилиндры компрессора при плохой работе сальни­ кового уплотнения, загорание прокладки в головке цилиндров при превышении допустимой температуры сжатия.

Реакторы, автоклавы. Основное отличие этого вида оборудо­ вания от емкостей состоит в том, что оно работает при повышен­ ных (до 450 °С) температурах кислорода. Для изготовления дан­ ного оборудования используют высокопрочные жаростойкие высо­ колегированные стали.

Отдельные случаи загораний наблюдались вследствие наруше­ ния режима эксплуатации, сопровождающегося резким увеличе­ нием местных температур, и неправильного применения конструк­ ционных материалов (алюминия и сплавов на его основе).

Оборудование и материалы, работающие в контакте с жидким кислородом. Аварии, как правило, протекают в виде взрыва с последующим пожаром. Причиной взрывов является обычно* образование систем «органические вещества — жидкий кислород». Эти системы возникают либо в результате накопления в жидком кислороде твердых масел или углеводородов, либо при пропитке

45

кислородом (в результате утечек) таких материалов, как дерево, кожа, асфальт, резина, бумага и т. п.

Указанные системы обладают всеми свойствами штатных взрывчатых веществ, а иногда даже превосходят их по некоторым параметрам. Они обладают очень высокой чувствительностью

кмеханическим воздействиям (удар), к воздействию волн сжатия

иразличных тепловых источников (искра, нагретые тела).

Сила взрыва и соответственно последствия аварии зависят от многих факторов и в первую очередь от количества горючего. Образование подобных систем представляет исключительную опасность для оборудования и обслуживающего персонала.

Импульсом взрыва в реальных конструкциях, как считает большинство исследователей, служат ударные нагрузки, возни­ кающие при гидравлических и механических ударах, кавитации, различных поломках деталей. Случаи взрывов рассматриваемых систем, особенно образующихся в результате накопления взрыво­ опасных веществ в кислороде, достаточно часты на воздухоразде­ лительных аппаратах [2].

На практике наблюдались загорания неметаллических мате­ риалов в среде жидкого кислорода, которые возникали обычно при трении деталей ротора о статор, гидравлических ударах и обычно сопровождались местной газификацией кислорода.

Случаи аварий, связанных с горением металлов в жидком кислороде, очень редки; по-видимому, вследствие низких темпе­ ратур (—193 °С) и очень больших энергий, необходимых для за­ жигания металлов, система «металл — жидкий кислород» ока­ зывается достаточно устойчивой к воздействию наиболее распро­ страненных и возможных при эксплуатации оборудования им­ пульсов.

2.3. ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В КОНТАКТЕ С КИСЛОРОДОМ

Известны работы, в которых предложены способы оценки опасности применения материалов и веществ в различном про­ мышленном оборудовании, в том числе и кислородном. Поскольку сами принципы оценки опасности различны, то представляется необходимым остановиться на некоторых исследованиях более подробно.

Вработе [26, с. 412—434] приведена классификация помещений

иустановок, в которых возможно образование взрывоопасных смесей горючих газов и паров легковоспламеняющихся жидкостей с воздухом или кислородом. Взрывоопасными названы «установки

(в помещениях и наружные), где по условиям технологического процесса могут образовываться взрывоопасные смеси горючих газов или паров с воздухом или кислородом, а также с другими газами-окислителями; горючих пылей или волокон с газообраз­ ным окислителем при переходе их во взвешенное состояние».

46

Класс установки или помещения установлен в зависимости от того, образуются ли взрывоопасные системы при нормальном режиме эксплуатации или они возникают только в результате аварии или неисправности. Дополнительно учитывают длитель­ ность существования взрывоопасной смеси, общее количество горючего (возможность создания взрывоопасной концентрации во всем помещении или только в его части), наличие и кратность вентиляции и некоторые другие условия. С учетом этих призна­ ков выделяют пять классов взрывоопасных помещений и уста­ новок. Электрооборудование, применяемое в данном классе уста­ новок, изготовляют в соответствии с различными требованиями по виду исполнения (взрывонепроницаемое, искробезопасное, повышенной надежности и др.).

Сами требования устанавливаются из разделения взрыво­ опасных смесей на категории и группы. С учетом размера зазора между поверхностями фланцев (1,0 мм — менее 0,35 мм), при котором частота передачи взрывов составляет 50% от общего числа испытаний, смеси делят на четыре категории (1—4), а с учетом температуры самовоспламенения (более 450 °С и до 120—175 °С) — на четыре группы (А, Б, Г, Д).

Таким образом, здесь имеется достаточно стройная система обеспечения безопасности работы с взрывоопасными смесями: по конструктивным особенностям установки определяют ее класс, по классу — вид разрешенного к применению электрооборудова­ ния, по категории и группе взрывоопасной смеси — конкретное исполнение электрооборудования.

Несколько отличный способ оценки опасности работы с взры­ воопасными газами и горючими материалами дан в работе [27]. В соответствии4 с требованиями этого руководящего документа технологические процессы. делят на пять категорий (по умень­

сах) сохранять свои рабочие функции при воздействии высокой температуры.

Различают пять степеней (I—V) огнестойкости, устанавли­ ваемых в зависимости от категории технологического процесса. Каждой степени огнестойкости соответствуют вполне определен­ ные требования к группе возгораемости материалов (конструкций) и огнестойкости.

Условия применения материала в таком случае формули­ руются следующим образом: фактическая группа возгораемости должна быть не выше требуемой, а фактический предел огнестой­ кости не ниже требуемого.

47

Для оценки опасности работы с различными веществами не­ которыми исследователями были предложены комплексные ме­ тоды оценки опасности и сделана попытка дать соответствующую классификацию веществ. Например, М. В. Алексеев [28], анали­ зируя современное состояние технологических процессов в хи­ мической промышленности, приходит к выводу, что существу­ ющие правила являются недостаточными для конкретной оценки пожаро- и взрывоопасности производства, не позволяют пол­ ностью выявить имеющиеся нарушения и разработать необхо­ димые средства защиты. Предлагается метод определения пожар­ ной опасности технологическхи процессов, который включает установление пожаро- и взрывоопасности среды внутри аппара­ тов и в производственных помещениях и критическую оценку имеющихся средств защиты; выявление возможных причин повреждений и аварий производственного оборудования и оценку средств защиты; выявление возможных источников зажигания и оценку мер против их появления; определение возможных причин и путей развития пожара и наличия защитных устройств, препят­ ствующих этому.

Данный метод предполагает максимальную полноту иссле­ дования пожарной опасности (рассмотрение каждого конкретного процесса и всего технологического цикла в целом); определенную последовательность анализа (технологический процесс с систе­ мами контроля и защиты; вспомогательное оборудование; строи­ тельные конструкции и пути эвакуации; средства тушения и средства извещения о пожаре); комплексность решения.

Ценнер и Вальтер [7, 29] предложили комплексные методы исследования опасности использования материалов в кислороде. В экспериментах имитировали все возможные, по мнению авторов, условия воспламенения и горения материалов в конкретной кон­ струкции. Параметры кислорода и состояние исследуемых мате­ риалов точно соответствовали условиям их использования.

Известны попытки ввести комплексные параметры опасности материала, например произведение значений нижнего концен­ трационного предела на энергию зажигания [30]. В работах [13, 14] предлагается оценивать взрывоопасность пылевоздуш­ ных смесей комплексным параметром, включающим температуру самовоспламенения, минимальную энергию зажигания, значе­ ние нижнего предела и скорости нарастания давления при взры­ ве. Безусловно, что этот метод, включающий элементы, характе­ ризующие как вероятность зажигания, так и последствия сгора­ ния, дает более правильное представление о взрывоопасности данной среды или вещества, чем аналогичная оценка по какомулибо одному параметру горения, и более пригоден для оценки и, возможно, классификации веществ.

Известно достаточно много работ, в которых пожароили взрывоопасность оценивается по значению какого-либо одного параметра процесса воспламенения или горения материала.

48

Например, предлагается оценивать опасность обращения с горю­ чими газами, парами горючих жидкостей и горючими пылями по значению их энергии зажигания [30, 31]. Энергия зажигания лежит

с. 413], взрывоопасными считают смеси пылей с воздухом, име­ ющие нижний концентрационный предел распространения пла­ мени меньше 65 г/м3. При значениях нижнего концентрационного предела 65 г/м3 и выше смеси считают пожароопасными.

В работе [12] предложено оценивать опасность использования материалов в жидком кислороде на основании их чувствитель­ ности к воздействию удара (энергии удара). В зависимости от этого параметра испытываемые материалы делят на три группы: материалы, пригодные для использования в непосредственном контакте с жидким кислородом и в местах возможных его утечек (например, фторопласт, асбест, фтороуглеродные смазки); ма­ териалы, допустимые для ограниченного применения в местах возможных утечек кислорода (пористый политетрафторэтилен, поливиниловая лента и др.); материалы, использование которых в контакте с кислородом и в местах его утечек запрещается (мине­ ральные масла, бумага, резина, каучук и др.).

В некоторых работах [15, 16] сделана попытка оценить по­ жароопасность конструкции в целом, не изучая пожароопасности отдельных входящих в конструкцию материалов. Для этого в си­ стеме искусственно вызывалось загорание и изучалась воз­ можность подавления горения. Если имеющимися средствами тушения удавалось обеспечить условия, при которых конструкция оставалась работоспособной, то это расценивалось как возмож­ ность ее безопасной эксплуатации.

В работах [32—34] описаны и обсуждены исследования, которые были проведены по программе «Аполлон» в научно-исследователь­ ском центре космических полетов США с целью определения совместимости материалов с кислородом. Разработан метод испытаний, который заключается в исследовании чувствитель­ ности материалов к воздействию механического' удара (Е =

— Ю,6 Дж/см2) в атмосфере чистого кислорода под давлением 140,6 кгс/см2. Материалы считались совместимыми с кислородом, если в 20 испытаниях не происходило их загорания и не обнару­ живалось признаков реакции (запах, сажа и т. п.).

В заключение обзора опцсанных в литературе методов оценки опасности применения материалов в оборудовании остановимся на методе, предложенном в работе [35] и заслуживающем более пристального внимания. В основу оценки опасности положены следующие факторы:

общая пожаро- и взрывоопасность материалов, характери­ зующаяся их чувствительностью к воспламенению и способностью к образованию горючих и взрывчатых систем;