Разбор статьи Девида Гейли - «Возгорание алюминиевых редукторов». (часть 2)

Неточности, замечания, неучтенные моменты, особенности применения с учетом российского законодательства. Часть вторая.

Адиабатическое сжатие?

В статье г-на Гейли справедливо отмечено, что тепловая энергия, которая выделяется вследствие резкого повышения давления в редукторе, при открытии вентиля кислородного баллона, является основной причиной возгораний кислородных редукторов. Действительно, при подаче в редуктор кислорода высокого давления, к энергии сжатого кислорода добавляется тепловая энергия, выделяющаяся при резком сжатии газа, находящегося в редукторе (воздуха или остаточного кислорода). В результате, суммарная энергия во входных полостях редуктора во время открытия вентиля кислородного баллона возрастает, увеличивая мощность «запала». Здесь необходимо отметить, что процесс сжатия газа в редукторе, строго говоря, не является адиабатическим, поскольку проходит с передачей тепловой энергии через внутренние поверхности входного штуцера и корпуса редуктора. В начале своей статьи г-н Гейли соглашается с этим фактом, но считает эффект теплообмена между газом и деталями редуктора несущественным обстоятельством, но тут же оговаривается: - «если инженер справился со своей задачей». Здесь и далее г-н Гейли противоречит сам себе. В статье он неоднократно рекомендует использовать эффект отвода тепла через стенки редуктора. Например, справедливо советует медленно открывать вентиль кислородного баллона - «медленное открытие вентиля дает большее время для отвода теплоты», также рекомендует увеличивать площади поверхностей контакта деталей, что позволяет «отвести больше теплоты в корпус редуктора».

В отличие от г-на Гейли, мы считаем эффект передачи тепловой энергии от газа к деталям редуктора очень значимым. Физика процессов, происходящих в редукторе такова, что количество тепловой энергии, выделяемой при сжатии газа зависит от объема в котором происходит процесс, а количество отводимого тепла зависит от площади внутренней поверхности редуктора. Таким образом, вероятность возгорания зависит от соотношения объемов и площадей внутренних поверхностей редуктора. С увеличением размеров редуктора, соотношение объем / площадь его внутренних полостей увеличивается линейно, поскольку площадь - это квадратичная функция от геометрических размеров, а объем - кубическая. На практике это означает - чем больше габариты кислородного редуктора, тем больше повышение температуры при сжатии газа внутри редуктора, тем больше вероятность его возгорания.

Поскольку, по сравнению с медицинскими редукторами, сварочные редукторы предназначены для больших расходов газа, они соответственно имеют большие габариты. Вывод - эффект резкого повышения температуры газа в сварочных редукторах проявляется сильнее, чем в медицинских редукторах и представляет гораздо большую угрозу возникновения аварийных ситуаций. Таким образом, достаточно сомнительные рекомендации г-на Гейли о допустимости изготовления медицинских кислородных редукторов из алюминия, совершенно неприемлемы для кислородных редукторов, применяемых в процессах газовой сварки и резки.

Загрязнения и фильтры

В статье г-на Гейли совершенно верно указано, что загрязнения являются серьезной проблемой при работе с кислородом высокого давления.
Однако г-н Гейли не обращает внимания на тот факт, что с точки зрения механизма возникновения аварийной ситуации, загрязнения необходимо разделить минимум на два типа:

• Загрязнения с низкой энергией активации
• Загрязнения с высокой энергий активации

Загрязнения с низкой энергией активации (частицы масел, органики, фрагменты химически активных металлов) легко воспламеняются и горят в среде кислорода. При этом, энергия химической реакции их сгорания преобразуется в тепловую энергию.

Загрязнения с высокой энергией активации (твердые частицы, стойкие к воздействию кислорода, например - диоксид кремния (песок)), которые практически невозможно поджечь. Имея относительно большой удельный вес, такие частицы перемещаются в потоке кислорода с большой скоростью. Поскольку скорость потока кислорода в редукторе достигает нескольких сотен метров в секунду, твердые частицы в потоке кислорода обладают относительно большой кинетической энергией. При ударах частиц о стенки газовых каналов, сами частицы не сгорают, но их кинетическая энергия практически мгновенно переходит в тепловую энергию. Такие процессы могут сопровождаться искрообразованием.

Загрязнения любого типа являются потенциальными «детонаторами» возгораний, поскольку «взрывообразно» добавляют тепловую энергию в ограниченный объем внутри редуктора, где температура, как было уже сказано и так повышена, вследствие сжатия газа.
Необходимо отметить, что загрязнения с высокой энергией активации могут приводить к аварийным ситуациям не только в процессе открытия кислородного вентиля, но также при длительной эксплуатации кислородного редуктора в режиме повышенного расхода кислорода.
Естественным решением, предохраняющим кислородный редуктор от загрязнений, служит установка во входном штуцере фильтра, задерживающего опасные частицы. Однако, фильтр может защитить кислородный редуктор не от всех видов загрязнений. Более-менее надежно входной фильтр защищает редуктор только от загрязнений второго типа.

Аварийные ситуации, связанные с большинством загрязнений первого типа, входным фильтром не предупреждаются. Так попадание масла на вход кислородного редуктора или на выход кислородного вентиля, может привести к возгоранию входного штуцера или фильтра. В лучшем случае это приведет к достаточно быстрому сгоранию в струе кислорода всех остальных элементов редуктора, в худшем - к мгновенному взрыву.
Следует также отметить, что и сам фильтр, если он выполнен некачественно, может стать постоянным источником загрязнений второго типа. В процессе работы от такого фильтра могут откалываться частички фильтрующего материала, которые в потоке кислорода получат необходимую кинетическую энергию и станут потенциально взрывоопасными.
Продолжение следует.

---