氧氣系統(tǒng)材料的選擇

徐秀偉

摘要：對(duì)氧氣和氧氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于它有極大的危險(xiǎn)性，這樣，對(duì)設(shè)計(jì)者和使用者來(lái)說(shuō)，對(duì)它都有莫名的擔(dān)心和驚悚，唯恐設(shè)計(jì)和制程的不周造成巨大的事故，本人在大量閱讀了國(guó)外文獻(xiàn)，并結(jié)合工作中碰到的問(wèn)題，著重從氧氣的特性，氧氣和氧氣系統(tǒng)的操作安全，材料在氧氣中的燃點(diǎn)，氧氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些要點(diǎn)，分別有一定的介紹，最后，著重闡述了氧氣系統(tǒng)所用材料的選用，以對(duì)相關(guān)人員安全地進(jìn)入這一領(lǐng)域，起一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：氧氣和氧氣系統(tǒng)的操作安全材料在氧氣中的燃點(diǎn) 氧氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氧氣系統(tǒng)材料選用

中圖分類(lèi)號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2012)06(c)-0045-02

1 氧氣特性和操作危險(xiǎn)性

氧氣自身是化學(xué)穩(wěn)態(tài)的物質(zhì),沒(méi)有振動(dòng)的敏感性,不會(huì)分解,也不易燃燒,但它的使用有一個(gè)危險(xiǎn)的溫度問(wèn)題,這一點(diǎn),有時(shí)是不會(huì)被人所注意的,其危險(xiǎn)在于:氧氣是種很強(qiáng)的氧化劑,它強(qiáng)力支持燃燒,如果氧氣在環(huán)境溫度下會(huì)起反應(yīng),那么,它的反應(yīng)能力隨壓力的增高,溫度和濃度也會(huì)急劇地提高,會(huì)很容易引起爆炸。絕大部分的金屬和非金屬,在高壓氧氣下是可燃的。因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該降低或消除燃點(diǎn)引起的危險(xiǎn)。

1.1 液態(tài)氧操作危險(xiǎn)性

(1)液態(tài)氧在系統(tǒng)中濃縮后,如果滴漏在一些不與之兼容的表面,比如柏油表面,會(huì)發(fā)生事故。一些材料當(dāng)它們被暴露于液態(tài)氧系統(tǒng),它們將會(huì)由于振動(dòng)沖擊等引燃(碳,纖維素,燃料和油),浸有液氧的材料,會(huì)很容易被靜電放電或別的點(diǎn)火源等點(diǎn)燃。

(2)氧氣當(dāng)溫度高于(-118.57℃(-181.41F))時(shí),就不能保持在液態(tài),在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,液態(tài)氧在-182.9℃(-297.3F)下氣化,可能會(huì)引起系統(tǒng)爆裂和飛片。

(3)液態(tài)氧在低溫下,會(huì)有凍傷皮膚等傷害。

1.2 氣態(tài)氧操作危險(xiǎn)性

(1)氧氣系統(tǒng)發(fā)生的絕大部分火災(zāi)是由于系統(tǒng)材料中有污染或不兼容的物質(zhì)存在而引起的。

(2)氧氣的毒性,在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和濃度大于50%時(shí),要考慮它對(duì)人呼吸的毒性。

2 材料在氧氣系統(tǒng)中的燃點(diǎn)機(jī)制

(1)在氧氣或富氧的大氣中,燃料氧混合物的燃點(diǎn)與普通大氣相比,所需的輸入能量和溫度都更低。

(2)材料點(diǎn)燃要遵循3T原則:①足夠高的溫度;②足夠長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間;③紊流,必須有足夠高的紊流使燃料和氧化物相混合,從而使能量從反應(yīng)媒體轉(zhuǎn)移到未反應(yīng)的物質(zhì)上。

(3)影響固體材料燃點(diǎn)的因素有:材料的組份、純度、尺寸、形狀和樣品的狀態(tài)、氧化物層的特性、燃點(diǎn)源、氣體壓力和氣體組份等。

(4)到現(xiàn)在為止,沒(méi)有單一的測(cè)試能產(chǎn)生材料的絕對(duì)燃點(diǎn)或一致性的相對(duì)率,材料的燃點(diǎn)是通過(guò)測(cè)試燃點(diǎn)或燃燒特性,研究氧氣相關(guān)的失敗數(shù)據(jù)中被估算出來(lái)的。

潛在的燃點(diǎn)機(jī)理和點(diǎn)燃源

(1)粒子的沖擊:熱量由運(yùn)動(dòng),熱或化學(xué)能轉(zhuǎn)移而來(lái),當(dāng)小粒子高速運(yùn)動(dòng)并撞擊粒子時(shí),這熱量足夠能點(diǎn)燃粒子。

(2)機(jī)械沖擊:熱量將由運(yùn)動(dòng)能量中轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)而產(chǎn)生,當(dāng)一個(gè)物體有一個(gè)相對(duì)大的質(zhì)量和瞬態(tài)撞擊一組件時(shí),熱量和機(jī)械能在不同物體間的相互作用足以點(diǎn)燃被沖擊的組件。

(3)壓縮空氣的沖擊:當(dāng)氣體從低壓變成高壓時(shí),熱量由機(jī)械作功轉(zhuǎn)變而來(lái),壓縮空氣的沖擊對(duì)非金屬聚合體而言是有效的點(diǎn)燃方式。

(4)提高了的燃點(diǎn):熱輸入源的產(chǎn)生,它讓最近的材料點(diǎn)燃。

(5)摩擦:熱量由兩物體相互摩擦而產(chǎn)生,兩零件的相互作用,一方面,破壞了保護(hù)的氧化層或表皮層,引起零件的燃燒。

(6)共振:在共振腔中,聲音的共振能引起溫度的快速上升。

(7)電弧擊穿:發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦,電力源,點(diǎn)火等都能引起電弧放電擊穿。

3 氧氣系統(tǒng)中材料的選擇

3.1 選擇的原則

(1)材料的選擇不能完全解決不成功系統(tǒng),但選擇合適的材料再加上好的設(shè)計(jì)實(shí)踐能降低系統(tǒng)失敗的可能性。材料的評(píng)估和選擇是基于對(duì)材料點(diǎn)火和燃燒特性的測(cè)試和研究液態(tài)氧和氣態(tài)氧相關(guān)失效的基礎(chǔ)上得出的。

(2)氧氣系統(tǒng)中,非金屬材料應(yīng)限制使用,包括它的數(shù)量和暴露于氧氣的表面積應(yīng)最小化,因非金屬與金屬相比,其燃點(diǎn)會(huì)更容易受影響

(3)選擇材料和評(píng)估系統(tǒng)安全的信息應(yīng)包括材料組成和構(gòu)造,環(huán)境和操作條件(溫度,壓力,流速或燃點(diǎn)機(jī)制)

(4)在氧氣系統(tǒng)中,低于它們自燃溫度(AIT)下,材料沒(méi)有點(diǎn)燃源是不會(huì)燃燒的,如輸入的能量值高于熱量損耗時(shí),才會(huì)引起燃燒。燃點(diǎn)的溫度與材料的特性、構(gòu)造、環(huán)境(溫度,壓力,氧氣濃度和燃料特性)、流體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)條件相關(guān)。

(5)非金屬,比如高分子聚合體,通常它在比金屬更低的溫度和壓力下點(diǎn)燃。

(6)通常,金屬是不太容易點(diǎn)燃的,但金屬粒子很容易點(diǎn)燃,一旦點(diǎn)燃時(shí),點(diǎn)燃金屬比非金屬會(huì)有更多的損壞和破壞。

(7)應(yīng)用于氧氣系統(tǒng)的材料應(yīng)有一個(gè)好的物理特性,比如在使用溫度下,材料有好的強(qiáng)度和延展性。

(8)選擇氧氣系統(tǒng)材料時(shí),它必須要有特定的清潔程序來(lái)去除污染、微粒和可燃的材料。

3.2 非金屬材料的選擇

在氧氣系統(tǒng)中,使用的非金屬通常是高分子聚合體(包括橡膠彈性體)、塑料、熱固性材料、混合物和潤(rùn)滑劑。陶瓷和玻璃不經(jīng)常應(yīng)用于氧氣系統(tǒng)中,在使用它們時(shí),一般認(rèn)為它們是隋性的。非金屬材料的選擇是基于測(cè)試結(jié)果和使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。

(1)在氧氣系統(tǒng)中,常用的彈性橡膠是氟橡膠,Viton和Fluorel化合物,彈性橡膠典型的應(yīng)用是O形圈和膜片,它們都有彈性,有低于室溫的玻璃化溫度(Tg),通常溫度可用到243C(406F)或高于玻璃化溫度,硅橡膠由于它有特別低的Tg,而經(jīng)常用于氧氣系統(tǒng)中,但它的點(diǎn)燃抗性差。

(2)最通常使用的塑料是半透明的材料,比如PTFE,FEP(FEPTeflon),PCTFE,Kel-F81,無(wú)定形的聚合體如聚酰亞胺(Vespel SP21),聚四氟乙烯由于它的低燃燒熱量值而通常用于氧氣中,但PTFE抗蠕動(dòng)性差,因此,它經(jīng)常用于與氧氣系統(tǒng)不兼容而必須由高分子聚合物所替代的場(chǎng)合

(3)熱固性塑料在氧氣中是不常使用的,包括環(huán)氧和交鏈聚酰亞胺,比如:Polybon。

復(fù)合材料包括以上的非金屬聚合體強(qiáng)化物組。

(4)氧氣系統(tǒng)中使用的潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂主要是氟化了的或是鹵化(加鹵)。

高分子聚合體,在氧氣中是可燃的,并且其可燃性有相當(dāng)大的變化,它的風(fēng)險(xiǎn)是通過(guò)合適選擇它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合和適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來(lái)使其風(fēng)險(xiǎn)最小化。在高壓氧系統(tǒng)中選擇聚合體時(shí),高分子聚合體燃點(diǎn)的敏感性、系統(tǒng)中燃點(diǎn)源的可能性,將要和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一起有相當(dāng)仔細(xì)地考慮。

3.2 金屬材料的選擇

金屬是氧氣系統(tǒng)中最常使用的結(jié)構(gòu)材料,金屬與非金屬多分子聚合物比,其點(diǎn)火有較低的敏感性。它們經(jīng)常是被多分子聚合物或碳?xì)湮廴疚镏鹨鸬逆湢罘磻?yīng)而點(diǎn)燃。為氧氣系統(tǒng)選擇合適的金屬材料,外加好的設(shè)計(jì)實(shí)踐能使金屬點(diǎn)火或燃燒最小化,然而,為氧氣應(yīng)用場(chǎng)合選擇金屬,其結(jié)構(gòu)配制的可燃性必須被評(píng)估。在一些應(yīng)用中,金屬材料的點(diǎn)火抗力是由于有一層保護(hù)性金屬表面氧化膜的作用。

以下是氧氣系統(tǒng)中,可使用金屬的優(yōu)缺點(diǎn):

1)鎳和鎳合金

a.鎳鐵合金(比如Inconel合金),各Inconel合金的點(diǎn)火抗力與其合金的特性是不同的,在最近幾年內(nèi),高壓氧氣系統(tǒng)中,Inconel718用得很廣泛,因它是一種很好的結(jié)構(gòu)材料,并比不銹鋼更不可燃。一些Inconel合金已成功地用于壓力69MPa(10000Psia)的場(chǎng)合。

b.鎳銅合金(比如Monel合金),通常Monel合金在作為結(jié)構(gòu)材料中是最不可點(diǎn)燃的,在Monel400和K-500的粒子沖擊試驗(yàn)中沒(méi)有被點(diǎn)燃。

2)不銹鋼

不銹鋼與鈦合金和鋁合金相比,有更好的點(diǎn)火抗力,在高壓氧氣系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用,對(duì)絕大多數(shù)的不銹鋼來(lái)說(shuō),其點(diǎn)火和燃燒抗力是相同的,偶而的有例外存在,比如不銹鋼440C,它的點(diǎn)火和傳播能力比別的不銹鋼差。使用不銹鋼儲(chǔ)罐和管路的經(jīng)驗(yàn)中,很少會(huì)有問(wèn)題,盡管不銹鋼粒子能點(diǎn)燃別的材料,但它比起鋁粒子來(lái)說(shuō),其危險(xiǎn)性更小。不銹鋼有很高的燃燒熱量,由于摩擦熱,粒子沖擊等很容易點(diǎn)燃。

3)銅和銅合金

a.在氧氣系統(tǒng)中,銅合金適用于任何壓力,對(duì)粒子沖擊的點(diǎn)火抗力好,但它有低的抗氧化性,粘性不足,容易脫落,從而造成了氧氣系統(tǒng)的污染。

b.鋁銅合金,即使有很高的銅含量,因它是可燃和可點(diǎn)著,不推薦在氧氣系統(tǒng)中使用。

c.測(cè)試數(shù)據(jù)表明,燒結(jié)青銅比燒結(jié)Monel?400過(guò)濾元件的不銹鋼比,它有更高的不燃性。

4)鋁和鋁合金

a.對(duì)壓力容器而言,鋁合金因它有高的強(qiáng)度重量比,比鈦不太容易點(diǎn)火而成為很好的備選材料,在航空系統(tǒng)中當(dāng)重量是一個(gè)最要的因素時(shí)也有廣泛的應(yīng)用,對(duì)氧氣儲(chǔ)罐和沒(méi)有點(diǎn)火危險(xiǎn)的使用場(chǎng)合,它有多的應(yīng)用。

b.鋁由于粒子的沖擊是很容易點(diǎn)燃的,測(cè)試數(shù)據(jù)表明,鋁粒子與別的金屬粒子相比,是一種很有效的點(diǎn)火源,由鋁制成的高壓氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)多多考慮如何消除粒子的沖擊。

c.鋁表面的薄氧化薄能防止在氧氣中的反應(yīng),鋁堅(jiān)硬和韌性的氧化膜,它的熔點(diǎn)是2342℃,它能保護(hù)基層金屬即使在鋁的熔點(diǎn)1406.5℃之上,也不會(huì)燃燒。

5)鐵合金

a.對(duì)氧氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō),鐵合金很容易被點(diǎn)燃,重量重,而認(rèn)為不是一個(gè)好的材料,鐵合金大多用于氣缸,能用于點(diǎn)火源明確被排除的場(chǎng)合。

b.合金鋼(Fe-Ni)包括5%鎳,9%鎳,36%鎳(Invar),它們都適合用于氧氣系統(tǒng)中,Invar的壓力閥值與絕大多數(shù)不銹鋼相類(lèi)似,摩擦熱測(cè)試中,PV產(chǎn)品的點(diǎn)火性也與不銹鋼類(lèi)似。

當(dāng)然,許多其它金屬和合金,它們的機(jī)械特性適合于高壓氧系統(tǒng)應(yīng)用,被持續(xù)地開(kāi)發(fā)出來(lái),它們?cè)诟邏貉鯕庀到y(tǒng)中的點(diǎn)火能力和點(diǎn)燃后散播火的能力應(yīng)該與上述所談材料的燃燒性相比較,在決定使用材料前,應(yīng)確定與高壓氧系統(tǒng)的適合性。

參考文獻(xiàn):

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