Диссертация (Особенности воспламенения и горения горючих газов и паров в различных окислительных средах), страница 8

Об этом свидетельствуют одинаковые формы импульсов,полученные на осциллограммах при соударении образцов на экспериментальнойустановкеиприработеударнымиинструментамимассой0,5-1,0кг.Следовательно, результаты экспериментов могут быть перенесены на производственные условия эксплуатации инструментов и оборудования с узлами тренияи соударения.Число опытов, необходимое для получения устойчивой вероятностивоспламенения, определялось статистическим методом с применением теоремыМуавра-Лапласа при условии, что определенная вероятность воспламенениясмеси будет отличаться от действительной не более чем на 50 % в 85 случаяхиз 100.Горючие смеси воспламенялись, как показала скоростная киносъемкасо скоростью 200 кадров в секунду, от отдельных искровых частиц.

В производственной обстановке более вероятно возникновение отдельных искр, чемпучка искр.Основнымифакторамимеханическоговоздействия,определяющимивоспламеняющую способность искр, как показали опыты, является скоростьи масса ударника. Величина энергии ударника и импульса ударов еще не определяют воспламеняющую способность искр.

При одинаковых величинах энергиии импульсов ударов, но различных скоростях ударника, воспламеняющаяспособность искр тем выше, чем большая скорость ударника. Так, с увеличениемее от 7,5 до 20 м/с (масса ударника 0,70 кг) вероятность воспламененияповышалась с 0,0005 до 0,005. Между тем, при изменении массы ударника от 0,25до 1,90 кг (скорость его 7,5 м/с) и от 0,25 до 0,7 кг (скорость ударника 26,7 м/с)41вероятность воспламенения повышалась с 0,0001 до 0,0005 и с 0,0007 до 0,001,то есть слабее.Из изложенного очевидно, что при количественной оценке опасностивоспламенения горючих смесей фрикционными искрами следует исходитьне из величины энергии ударника или импульсов ударов, а из скорости и массыинструментов или деталей оборудования, соударение которых возможнов аварийных условиях эксплуатации.При использовании ударного инструмента (молотков, кувалд) их скорость,как известно, не превышает 10-16 м/с.

В процессе работы с ручным инструментом(гаечнымииторцовымиключами,наружнымиголовками,зубцовымиинструментами) образование искр наиболее вероятно при их падении.Изучалась также воспламеняющая способность фрикционных искр притрении малоуглеродистых сталей об абразивные материалы (корунд, карборунд).Выяснено, что на воспламеняющую способность искр влияет место приложениянагрузки при трении. В опытах, в которых стальной образец прижимался к периферии абразивного диска, вращающегося со скоростью 15-27 м/с, пары бензинаи других углеводородов не воспламенялись, хотя возникал большой пучок искр.Когда образец прижимался к торцу диска, высекались отдельные искры, и смесис воздухом метана, паров бензина, бензола, этилбензола, ацетона, бутиловогоспирта воспламенялись при скорости вращения диска 10-20 м/с.Если все взрывоопасные смеси классифицировать на несколько групппо воспламеняемости фрикционными искрами, то сложная и трудоемкая работапо накоплению экспериментальных данных, характеризующих степень опасностиих воспламенения, может ограничиться изучением веществ, представляющихэти группы.Взрывоопасные смеси по склонности к воспламенению от такого тепловогоисточника, как искры, классифицируются Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) на категории, которые устанавливаются в зависимости от передачивзрыва через фланцевые зазоры в оболочке электродвигателя.42Результаты экспериментальных исследований воспламеняемости различныхвзрывоопасных смесей (метана, бутана, паров нефти, бензинов, керосинов,гексана, толуола, пентана, водорода и др.) в одинаковых условиях соударения,а также при различных материалах соударяющейся пары, различных скоростяхи массах ударника позволили сравнить эти смеси по склонности к воспламенениюфрикционными искрами и разбить их на группы.

Эти группы взрывоопасныхсмесей совпадают с категориями взрывоопасных смесей по ПУЭ.Исходя из изложенного, представляется целесообразным при оценкеопасности воспламенения взрывоопасных смесей от фрикционных искр на производственных объектах пользоваться указанной выше классификацией взрывоопасных смесей. В таблице 1.1 приведены данные по воспламеняемостивзрывоопасных смесей искрами в процессе трения и соударения металлов прискорости от 7,5 до 27 м/с и массе ударников от 0,1 до 1,9 кг.

Для оценки степениопасности фрикционных искр на производственных объектах следует при расчетахпринимать данные таблицы 1.1 с коэффициентом безопасности, равным 2.Процессы искрообразования и зажигания горючих смесей в режиме тренияи удара твердых тел в значительной степени отличаются друг от друга. Этосвязано, с одной стороны, с различными физико-механическими изменениями,происходящими в материалах при ударных нагрузках и трении, а с другойстороны – состоянием газовой смеси в зоне перемещения фрикционных частиц.Кроме того, угол взаимодействия при ударных нагрузках, вызывающихмаксимальное искрообразование, составляет, как показывают эксперименты,примерно 50, а при трении этот угол значительно меньше. Трение обычносвязано с повышением температуры в поверхностном слое, изменениемкристаллической структуры материала, образованием поверхностных окисныхпленок, влияющих на процесс искрообразования.

С повышением температурыповерхностногослоя,какправило,снижаетсяпрочностьматериалаиодновременно возможно увеличение начальной температуры вырываемых частиц,так как их температура определяется средней температурой поверхностного слоя,которая повышается при длительном трении.43Таблица 1.1 – Данные по воспламеняемости взрывоопасных смесей искрами в процессе трения и соударения металловИсследуемыевзрывоопасныевеществаи смесиМатериалударника(диска)Сталивысокоуглеродистые,термообработанныеАбразивный материалМетанАлюминиевые сплавыМагниевые сплавыАбразивный материалПентан, гексан,бензол,толуол,ксилол, этилбензол, ацетон,спиртыметиловыйи бутиловыйСталималоуглеродистыеТо жеСтали малоуглеродистыекорродированныеТо жеСталималоуглеродистые15,00,70,70,00116,00,70,00216,00,70,000710,0-20,0-0,008-0,0100,1 именееНевоспламеняетсяСталималоуглеродистые7,5То жеТо же7,5-10,0То жеТо же11,0-13,0То жеТо же14,0-27,0Абразивный материалТо жеСталималоуглеродистыекорродированные8,0-15,00,101,900,100,700,250,700,716,00,7Алюминиевые сплавы0,000515,0Стали высоуглеродистые,термообработанныеИскробезопасныепары сплавовМалоуглеродистыестали друг с другом,цинковые сплавыи бронзы с любымисплавами2, хромистыестали с ударникамииз любых сплавовЦинковые сплавы,бронзы с любымисплавами, хромистые0,0001-0,00050,0010,003-0,0050,001-0,0100,002Стали с ударникамииз любых сплавов43Нефти, бензины,керосины,пропан, бутан,образцаСкоростьударника Масса, Вероятность(диска),кгвоспламенениям/с44Продолжение таблицы 1.1Исследуемыевзрывоопасныевеществаи смесиМатериалобразцаМагниевые сплавыТо жеТо же-Абразивный материалСталималоуглеродистые10,0-20,0-0,03-0,041Сталималоуглеродистые11,0-16,00,70,001-0,00827,027,00,70,70,0010,00116,00,70,005Магниевые сплавыТо жеСтали хромистыеСталималоуглеродистыекорродированныеТо же16,00,7То же-11,00,70,01НевоспламеняетсяАбразивный материалСталималоуглеродистые10,0-20,0-Водород,ацетиленАлюминиевые сплавыБронзыТо же17,0-22,00,7Искробезопасныепары сплавовЦинковые сплавы,брозы с любымисплавами20,08-0,1210,001-0,002Цинковые сплавы,спецлатунь с любымисплавами2Примечания:1При определении вероятности воспламенения искрами при трении за один опыт принимался путь трения диска, равный 0,5 м.2Кроме алюминиевых и магниевых сплавов в случае их эксплуатации в условиях электрохимической коррозии.44ударника(диска)Сталивысокоуглеродистые,термообработанныеСтали малоуглеродистыеСтали высокоуглеродистыеЭтилен, дивинил,изопранСкоростьударника Масса, Вероятность(диска),кгвоспламенениям/с16,00,70,00911,0 иНе0,7нижевоспламеняется45В то же время при больших скоростях трущихся элементов горючая смесьв зоне перемещения фрикционных искр турбулизируется, и условия поджиганиязатрудняются.

На основании опубликованных исследований можно считатьустановленным, что с повышением скорости скольжения в пределах до 100 м/сзажигающая способность фрикционных искр возрастает. На рисунке 1.7 показанасвязь между скоростью скольжения и эквивалентным содержанием кислородав смеси для получения фрикционных искр, зажигающих горючие водородовоздушные смеси с одинаковой вероятностью.Рисунок 1.7 – Зависимость зажигающей способности фрикционных искрот содержания кислорода в горючей смеси (12 %(об.) Н2) и скорости скольжения:● – скорость скольжения 23 м/с, пара трения медь-сталь; ▲ – скоростьскольжения 48 м/с, пара трения медь-сталь; – скорость скольжения 70 м/с, паратрения медь-сталь; – скорость скольжения 70 м/с, пара трения медь-ржавая стальТретий вид механического воздействия – быстро чередующиеся удары –представляют собой сочетание двух рассмотренных видов взаимодействия.Следует иметь в виду, что энергия соударения в этом виде механическоговзаимодействия может значительно превышать 2000 Дж.

Учитывая, что при этомповерхность соударяющихся тел может значительно разогреваться, при повторных соударениях фрикционные искры могут быть наиболее опасными. Этонаблюдалось в работах [55] и [58].46Следует иметь в виду, что при большой скорости скольжения, а такжев режиме быстро чередующихся ударов твердых тел вследствие значительноговыделения механической энергии возможно существенное повышение температуры на больших участках поверхности взаимодействующих тел, соприкасающихся с горючими средами. В этом случае следует учитывать возможностьвоспламенения горючих смесей разогретой поверхностью массивного тела. Такоймеханизм зажигания неоднократно наблюдался при проведении экспериментов(например, [50, 58, 59]).

Трение пластических материалов с горючиминаполнителями или связующими по металлическим поверхностям можетприводить к загоранию органических компонентов составных материалов изажиганию горючих смесей. Критические условия механического взаимодействия, при которых имеют место наблюдаемые виды зажигания, изученынедостаточно. Из ограниченного числа исследований следует, что эти видызажигания присущи режимам с большими скоростями скольжения (со скоростью20-30 м/с и выше). С повышением теплопроводности трущихся материаловснижается опасность этих видов зажигания горючих смесей.В работе [60] выполнены исследования по развитию метода исследованиязажигающей способности искр от удара и трения (механических искр).

Изученымеханизмы диссипации механической энергии в тепло при ударе и трении,а также вероятные механизмы зажигания газовых смесей указанными искрами.В экспериментах для изучения искр трения использовалась установка с вращающимся колесом диаметром 10 или 30 см, которая соприкасалась с горизонтальной площадкой размерами 7×7 или 25×25 мм.