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

следует понимать под энергией зажигания металла и как она должна измеряться.

В работах [40—42] предложены методы определения энергии зажигания тканей и некоторых неметаллических материалов в кислороде. Войтсберг [40] в экспериментах использовал в ка­ честве источника зажигания разряд конденсаторов через элек­ троды, между которыми подвешивался образец тканого материала. Зазор между электродами был большим и сохранялся всегда постоянным независимо от энергии разряда и толщины исследу­ емого материала. Разряд между основными электродами вызывался дополнительным (зажигающим) разрядом между 4>дним из основ­

сительно образца, размер зазора между электродами, элект­ ризация материала образца, были проведены специальные пред­ варительные эксперименты.

Было показано, что для каждого материала существует опре­ деленный оптимальный зазор между электродами, при котором энергия зажигания оказывается наименьшей. При отклонении размера зазора между электродами от оптимального энергия зажигания увеличивается.

80

Исследовано влияние на энергию зажигания расположения электродов относительно материала. При размещении электродов со сдвигом их продольных осей энергия зажигания уменьшается. По-видимому, Это происходит вследствие того, что искра прохо­ дит в материале больший путь и условия теплопередачи в него более благоприятные.

При измерении энергии зажигания металлов из-за очейь боль­ шой энергии, которую приходится затрачивать для зажигания монолитного металла, очень трудно создать тот минимально необ­ ходимый (соизмеримый с шириной зоны реакции) размер очага горения, который затем уже в виде пламени самостоятельно рас­ пространяется по всей массе металла. Высокая начальная темпе­ ратура, большие размеры первичного очага горения, а также боль­ шая теплоемкость металлов требуют использования мощных и

источник зажигания; 4 — запальная спираль.

длительно действующих источников зажигания. Но такие источ­ ники реально оказываются не точечными, а распределенными и имеют низкий к. п. д.

Экспериментально энергию зажигания металлов измеряют (рис. 3.11) путем сжигания на поверхности образца навесок быстрогорящих веществ, например магния и масла [35]. Поскольку магний и масло сгорают достаточно быстро, то условно энергия зажигания образца может характеризоваться значениями теплоты сгорания навесок магния или масла.

Было показано, что зажигание осуществляется минимальным количеством масла, если площадь замасливания пластины соста­ вляет не менее определенной величины, зависящей от толщины металла. Например, при толщине 0,1 мм пластины из стали Х18Н9Т площадь замасливания маслом индустриальное 12 должна быть не меньше 1,5 см2.

Зажигание материалов при взаимном трении

Имеются сведения [43; 44, с. 190], что причиной аварий раз­ личного кислородного оборудования было зажигание материалов при трении. Например, практически все загорания фибровых

прокладок в кислородных баллонных вентилях происходят при подтяжке или вращении маховичка вентиля. В различных центро­ бежных кислородных машинах неоднократно наблюдались мест­ ные выгорания в местах трения деталей ротора и статора. Трение гребней лабиринтного уплотнения о детали корпуса было одной из наиболее вероятных причин загораний кислородных турбоком­ прессоров КТК-12,5/35.

В настоящее время процесс зажигания материалов от трения изучен мало. Для этого необходимо совместное рассмотрение не только процессов теплоприхода (вследствие трения и химической реакции) и теплоотвода (в материал и окружающую среду), но и очень сложные процессы достав­

териалов обычно происходит при температурах меньших, чем их температуры плавления. Поэтому трение материалов в среде кислорода представляет реальную опасность их загорания.

Изучение условий воспламенения материалов при взаимном трении в кислороде и способности различных материалов к этому виду зажигания проводилось в работе [47]. Была разработана следующая методика исследования (рис. 3.12). Образец материала быстро прижимался к вращающемуся со скоростью до 100 м/с

бандажу, изготовленному из различных (металлы, пластики) ма­ териалов. Предварительное поджатие пружины обеспечивает неза­ висимо от износа образца практически постоянное усилие прижа­ тия образца к бандажу. Определяли предельные значения давле­ ния кислорода, ниже которых образцы из данного материала не воспламеняются при любой длительности трения, и время, через которое воспламеняется образец при заданных усилиях

82

трения и давлении кислорода. Термопарами, вмонтированными в образец, устанавливали скорость нагрева образца и температуру вблизи поверхности трения. Зажигание материала регистриро­ вали визуально или фотодатчиком.

Процесс зажигания материалов при взаимном трении значи­ тельно зависит от скорости потока кислорода вблизи места трения. При больших скоростях потока наблюдается интенсивное охлаж­ дение образца и зажечь его трудно, т. е. требуются большие уси­ лия или длительность трения. Иногда зажигание оказывается вообще невозможным.

Зажигание материалов при трении представляет собой про­ цесс, аналогичный обычному зажиганию твердых тел. Для осуще­ ствления зажигания необходимо, чтобы были выполнены следу­ ющие два условия: температура поверхности была выше некото­ рой величины и градиент температуры в материале был не больше некоторого. Если какое-либо из этих условий не выполняется, то может осуществляться сколь угодно долгое трение материалов в кислороде без их воспламенения. Поэтому не каждое касание и удар, которые часто наблюдаются на практике, приводят к ава­ рии кислородного оборудования

Зажигание материалов в потоке нагретого окислителя Воспламенение различных конструкционных материалов и дру­

дить эксперименты при давлениях от 0,2 до 20 кгс/см2. В каче­ стве нагревателя газа использовали цилиндр, нагреваемый элект­ рическим током. Образец материала, изготовленный также в виде цилиндра, с помощью подвижной штанги вводили внутрь нагре­ вателя так, чтобы оси образца и нагревателя совпадали. Время задержки зажигания измеряли с помощью фотоэлектрической системы. Тепловой поток, поступающий к образцу, был в значи­ тельной степени неоднородным, значения его рассчитывали по тем­ пературе нагревателя. Учитывалась теплоотдача от нагретого газа вследствие естественной конвекции.

В работе [49] в качестве излучателя использовали графитовую пластинку (130 X 90 мм), нагреваемую электрическим током. Тепловой поток к поверхности вещества определяли эксперимен­ тально калориметрическим методом.

Григорьев, Лисицкий и Мержанов [50, 51] разработали уста­ новку для изучения процесса зажигания веществ при тепловых потоках низкой интенсивности [несколько кал/(см2 -с)1. Газ,

поступающий из баллойа, нагревали в электрической печи и подавали в кварцевый реакционный сосуд, й который перпенди­ кулярно потоку вводили образец испытуемого материала. Иссле­ дования проводили при температурах газа до 723 °К, скорости

потока до 270 см/с и атмосферном давлении. Время, через которое образец воспламенялся после внесения его в сосуд, измеряли с помощью фотоэлектрической системы. Тепловой поток опреде­ ляли по зависимости экспериментальных значений температуры поверхности образца от времени нагревания. Датчиком темпера­

создавали с помощью электрической дуги с фокусированием излу­ чения [52, 53] и ударных труб [54—56]. После отражения удар­ ной волны от торца трубы нагретый и сжатый газ проходил

Рис. 3.13. Схема установка для исследования зажигания материалов при небольших тепловых потоках:

1 — корпус; г — керамическая труба; 3 — электронагреватель; 4 — термопара; 5 — образец; 6 — фотоэлемент; 7 — пересчетное устройство; 8 — электронный ключ; 9 — ротаметр; Ю — шлейфовый осциллограф; 11 — пружинное устройство подачи образца; 19 — редуктор; 13 — трубчатая печь; 14 — холодильник; 15 — водяная рубашка; 16 — окно; г7 — переключатель; 18 — соленоид.

по каналу и сбрасывался в атмосферу. Заподлицо со стенкой канала устанавливали образец исследуемого материала. Условия теплоотдачи определяли по зависимости экспериментальных зна­ чений температуры поверхности образца от времени нагревания. Датчиком температуры служил малоинерционный платиновый термометр сопротивления.

В работах [57, 58] описаны экспериментальные установки, которые позволяют изучать воспламенение материалов при раз­ личных давлениях, температурах и интенсивностях тепловых потоков.

На рис. 3.13 показана установка для получения небольших тепловых потоков [=s;4 кал/(см2 -с)]. Скорость кислорода меня­

лась от 50 до 1000 см/с, температура от 300 до 900 °К, давление от 2,5 до 25 кгс/см2.

Кислород, нагреваемый в трубчатой электропечи, поступает в длинную керамическую трубу. Для исключения осевых и ради­

84

альных градиентов температуры труба снабжена дополнительным электронагревателем, который вместе с трубой служит тепловым экраном. Для автоматического поддержания и измерения темпе­ ратуры применен электронный потенциометр ПСР-1. Задатчи­ ками служат хромель-алюмелевые термопары с диаметром спая 0,3 мм. Температура поддерживалась с точностью ± 2 градуса.

Образцы материалов (рис. 3.14) изготавливают в виде цилин­ дра d = 0,4—0,8 см и I = 25 мм. Для ликвидации краевого эф­ фекта торцы образцов экрани­ руют таблетками из асбоце­ мента. Для ввода образца ис­ пользуют пружинное устрой­ ство (см. рис. 3.13) с элек­ тромагнитным замком. В ис­ ходном состоянии начальную

в поток до появления свечения) измеряют электронным устрой­ ством, состоящим из пересчетного устройства ПС-100, вакуумного фотоэлемента СГ-3 и электронного ключа.

Коэффициент теплоотдачи определяли по зависимостям экспе­ риментальных значений температур поверхности инертного об­ разца от времени нагревания. Инертные образцы изготавливали из асбоцемента. Температуры поверхности инертного образца измеряли термопарой (хромель — копель), представляющей ленту

85

шириной 0,6 мм и толщиной 20 мкм, которую наклеивали на обра­ зец по его лобовой образующей.

Температуру поверхности образца в момент зажигания, коли­ чество тепла, поглощенного материалом, коэффициент теплопере­ дачи и другие параметры вычисляют по измеренному в опыте зна­ чению задержки зажигания [59—64].

На рис. 3.15 показана установка для исследования зажигания материалов в нагретом кислороде в области больших тепловых потоков [от 20 до 120 кал/(см2-с)[. Образец материала, изгото­ вленный в виде цилиндра диаметром 3—6 мм, нагревают в потоке кислорода, нагретого и сжатого в ударной трубе за отраженной ударной волной. Образец размещают поперек потока кислорода,

давлениях в канале, отличных от атмосферного.

Скорость потока кислорода рассчитывают исходя из сечения мерных отверстий, в которых был критический режим истечения; давление измеряют пьезодатчиком. Скорость ударной волны опре­ деляли с помощью двух датчиков давления, расположенных на расстоянии 0,15 м один от другого вблизи торца трубы, и электрон­ ного измерителя интервалов времени. По скорости ударной волны определяли температуру и давление газа [25].

Время задержки зажигания измеряют фотоэлектрической си­ стемой, в которой используется фотоэлемент СГ-3, имеющий мак­ симум чувствительности в красной области спектра, что позволяет хорошо регистрировать начальную фазу зажигания.

Зажигание в ударных волнах

При срабатывании клапанных устройств, резком открытии вентилей, прорывах мембран происходит . быстрое соединение полостей с газами, находящимися под различными давлениями,

86

и возникают волны сжатия и ударные волны [65]. Ударные волны распространяются по среде со скоростями, превышанщими ско­ рость звука. При этом в ударной волне газ мгновенно (< 1 мкс) сжимается до давлений, в десятки раз превышающих начальное,

В экспериментах определяют давление, температуру газа и время, через которое наблюдается воспламенение. Для измерения этих величин ударная труба снабжается датчиками определения скорости падающей волны, по величине которой рассчитывают температуру газа, датчиками измерения давления (оно может быть также и вычислено) и фотоэлементами для определения момента воспламенения.

87

На чувствительность материалов к воздействию газового удара могут оказывать влияние размеры ударной трубы, начальная температура образца, его форма и размеры.

Диаметр трубы должен быть достаточно большим, чтобы умень­ шить затухание скорости ударной волны вследствие образования пограничного слоя. Однако, как будет показано дальше, с разме­ ром диаметра трубы связана длина трубы, и чрезмерное увели­ чение нецелесообразно. Обычно диаметр выбирается равным 30— 50 мм.

Известно, что после разрыва диафрагмы ударная волна форми­ руется полностью на расстоянии, равном 20—30 диаметрам трубы. В этой области скорость волны максимальна. На расстоянии большем 50—60 диаметров трубы скорость волны быстро умень­ шается. От длины камеры высокого давления зависит время воздействия ударной волны на образец. Это время увеличивается с увеличением размера камеры. Форма образца выбирается из условия обеспечения достаточно большой площади его соприкос­ новения с нагретым в ударной волне газом и удобства , закрепле­ ния на торце ударной трубы. Масса образца ограничивается необ­ ходимостью предохранения деталей ударной трубы от загорания при воспламенении образца.

Специальными экспериментами установлено, что форма и раз­ меры образца не очень сильно влияют на параметры воспламене­ ния материалов в ударных волнах. Поэтому образцы, как пра­ вило, выполняют в виде колец различного диаметра и толщины. На параметры воспламенения материалов оказывало влияние замасливание поверхности образцов и шероховатость. Перед опы­ том образцы промывали в четыреххлористом углероде и высуши­ вали. При числах Маха от 1,8 до 3 и начальном давлении в ка­ нале трубы 1 кгс/см2 воспроизводимость результатов составляла около 5%.

Параметры газа за прямой волной и отраженной могут быть

v — удельный объем.

88

Из приведенных формул видно, что число Маха падающей ударной волны, а следовательно, и температура газа Т 2 зависят только от начального перепада давлений p j p и начальной темпе­ ратуры Т.

'Давление р 2 при заданной температуре Т 2 можно изменять путем подбора начальных давлений р г и р при p j p = const.

Зажигание материалов при ударе

Механическая энергия, возникающая при ударах, трении, вибрациях, может вызвать взрыв некоторых веществ, находящихся в контакте с кислородом. Для оценки чувствительности материа­ лов к механическому воздействию обычно [66—69] проводят испы­ тания, в которых определяют энергию

который выражается через толщину под­ вергающихся удару элементов, деленную на произведение модуля упругости и площади их поперечного сечения.

Для воспроизводимости результатов необходимо, чтобы в ходе исследований жесткость оцытной системы оставалась постоянной. Для этого ударники должны иметь строго определенные размеры и изготавливаться из высокопрочного материала, способного противостоять удару без пластической деформации. Этим требова­ ниям удовлетворяет нержавеющая сталь Х15Н9Ю, термообрабо­ танная до твердости 38 R с.

89