Возгорания алюминиевых редукторов

  Автор: Дэвид Гэйли
  Перевод статьи: Aluminum Regulator Fires
  Автор перевода: инженер-конструктор ООО "Редиус 168", к.т.н. Абакшин А. Ю.


На протяжении многих лет возгорания систем, включающих кислородные редукторы, являются головной болью для конструкторов редукторов и разработчиков инженерных систем. Кислородное пламя в высшей степени разрушительно и слишком часто приводит к серьезному вреду здоровью людей и даже смерти.
В последние годы увеличилось количество инцидентов (возгораний) с малыми кислородными баллонами, используемыми в медицине и скорой помощи. Редукторы, применяемые с такими баллонами, имеют малые размеры, и обычно их конструкция включает алюминиевые детали из соображений экономии веса. В настоящее время FDA, ASTM и UL порываются запретить использование алюминия в качестве материала для этих редукторов. Не опережают ли эти агентства события? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте сначала рассмотрим саму проблему.

Адиабатическое сжатие

Теплообмен в случае, когда текучая среда заключена в объем постоянной величины, может происходить различными путями: более нагретая среда может передвигаться в более холодные области (конвекция), или теплота может передаваться от более нагретой части к более холодной (термодиффузия). Механизм теплообмена во входной полости кислородного редуктора – адиабатическое сжатие, также называемое эффектом поршня. Здесь нагретый, расширяющийся объем газа (идущий от быстро открытого баллонного вентиля) работает, как поршень и сжимает содержимое полости высокого давления редуктора, тем самым повышая его температуру. Газы обычно реагируют на повышение давления очень большим повышением температуры. Теплота газа не может быть быстро отведена через стенки корпуса редуктора. Если инженер справился со своей задачей, то корпус и клапан регулятора смогут выдержать этот большой скачок температуры, однако если в объеме газа имеются посторонние частицы, такие, как грязь, пыль, масла, насекомые и т. д., может произойти возгорание. Инородные частицы почти всегда имеют более низкую температуру воспламенения, чем предусмотренные компоненты. Когда загорается посторонняя частица, начинается цепная реакция возгораний других компонентов, продолжающаяся, пока температура не станет достаточной для воспламенения металла. При наличии чистого кислорода и источника воспламенения, редуктор сам становится топливом, интенсивно сгорая и, потенциально, нанося тяжелый вред здоровью всех, кто находится поблизости.
Большая доля возгораний кислородных редукторов в полевых условиях может быть отнесена к вызванным наличием посторонних частиц или веществ внутри полости высокого давления редуктора. Многих нештатных ситуаций можно избежать, если конечный потребитель заботится об устранении возможности таких загрязнений и соблюдает необходимые процедуры при открытии вентилей и замене кислородных баллонов.

Зачем использовать алюминиевые редукторы?

Большинство промышленных редукторов состоят преимущественно из латунных деталей. Однако в медицинской сфере предпочитают использовать небольшие, легкие редукторы из алюминиевых, или алюминиевых и латунных деталей в сочетании с алюминиевыми или стальными баллонами малого объема. По сравнению с латунью, алюминий имеет очень низкую температуру воспламенения и при сгорании производит очень большое количество теплоты. Вероятность отказа с тяжкими последствиями значительно выше для алюминиевых редукторов, чем для конструкций из латуни, из-за взрывоопасности алюминия. Поэтому сейчас мы видим, что производители возвращаются к использованию латунных деталей в медицинских газовых редукторах.
Должны ли мы все просто выбросить белый флаг и отказаться от конструкций из алюминия? В этом и заключается посыл FDA, UL и ASTM. Можно ли сделать конструкцию алюминиевого редуктора более устойчивой к воспламенению даже при наличии посторонних частиц? Возможно, все зависит от обстоятельств, но давайте сначала рассмотрим практические возможности по повышению устойчивости алюминиевых редукторов к воспламенению. Прежде всего, присутствие посторонних частиц говорит о наличии загрязнения в кислородном оборудовании. Чистоту газа можно контролировать при помощи фильтров и соблюдения соответствующих процедур при замене баллонов, таких, как резкое открытие вентиля на короткое время до присоединения редуктора для продувки от пыли и стружки. Кроме того, МЕДЛЕННОЕ открытие вентиля после присоединения редуктора может предотвратить множество аварий. Медленное открытие вентиля дает больше времени для отвода теплоты от сжимаемого объема газа, а также уменьшает эффект поршня, то есть скорость нагрева газа. Но, помимо соблюдения техники безопасности, что может сделать инженер для того, чтобы получить безопасную конструкцию алюминиевого редуктора?

Входной штуцер

Крайне важно, чтобы инженеры должным образом выверяли конструкцию входного штуцера редуктора или системы. Входной штуцер – это путь, по которому газ проходит из баллона к редуцирующему клапану. Входные фильтры редуктора должны иметь возможность задерживать частицы размером по крайней мере 66 микрон, в соответствии с нормативами Compressed Gas Association, CGA (E-4, E-7), но чем меньше, тем лучше.
Фильтры на десять (10) микрон обычно не дороже при закупке в существенном количестве и существенно повышают устойчивость к воспламенению в результате попадания посторонних частиц в поток газа.
Кроме фильтров, входной штуцер должен иметь большую площадь поверхности около торца, который находится со стороны редуцирующего клапана. Большая площадь поверхности позволяет отвести больше теплоты в корпус редуктора. Маленькие тупиковые каналы потенциально приводят к катастрофическому увеличению температуры при адиабатическом сжатии, и их следует избегать при конструировании. Если конструкция не позволяет разместить входной штуцер большего диаметра, внедрите его глубже в корпус, чтобы увеличить площадь поверхности соприкосновения. Также, использование медной вставки повышает устойчивость к воспламенению.
Никель обладает очень низкой по сравнению с алюминием теплотой сгорания (никель 200 = 241 КДж/г*моль против алюминия 6061 Т6 = 1676 КДж/г*моль). Обычно никель и его сплавы намного более устойчивы к воспламенению, чем алюминий и алюминиевые сплавы. Было бы непрактично производить корпуса редукторов из сплавов никеля; однако, применение покрытий с никелем может быть эффективным и недорогим способом повышения устойчивости к воспламенению корпусов редукторов и деталей клапанов. Процесс никелирования должен быть реализован качественно, чтобы исключить отслоение покрытия, которое, конечно, будет контрпродуктивно.

Предохранительные клапаны

Тесты на воспламенение, проводившиеся в последние годы независимыми лабораториями, выявили, что в некоторых медицинских редукторах предохранительный клапан может быть источником воспламенения. Выбор материалов является решающим фактором для этих типов предохранительных клапанов. Конструкторы должны применять неметаллические материалы, подходящие для применения с кислородом, и материалы, выделяющие мало теплоты при сгорании и имеющие высокую температуру воспламенения. Другую общую информацию по выбору материалов можно найти в публикации TB-12 Compressed Gas Association, CGA} “Вопросы применения неметаллических материалов в системах подачи кислорода высокого давления”.
Суммируя вышесказанное, существует несколько обоснованных соображений, которые позволяют верить в то, что алюминиевый кислородный редуктор может иметь успех. Недавние усилия FDA и UL по введению запрета на применение алюминия в системах регулирования давления кислорода могут быть рефлекторной реакцией на эту серьезную проблему. Однако если приложить немного усилий и конструкторской мысли, проблема возгораний алюминиевых кислородных редукторов может быть устранена, или, по крайней мере, намного уменьшена.

---