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氧气系统材料的选择
氧气特性和操作危险性
氧气自身是化学稳态的物质,没有振动的敏感性,不会分解,也不易燃烧,但它的使用有一个危险的温度问题,这一点,有时是不会被人所注意的,其危险在于:氧气是种很强的氧化剂,它强力支持燃烧,如果氧气在环境温度下会起反应,那么,它的反应能力随压力的增高,温度和浓度也会急剧地提高,会很容易引起爆炸。绝大部分的金属和非金属,在高压氧气下是可燃的。因此,系统设计应该降低或消除燃点引起的危险。
液态氧操作危险性
(1)液态氧在系统中浓缩后,如果滴漏在一些不与之兼容的表面,比如柏油表面,会发生事故。一些材料当它们被暴露于液态氧系统,它们将会由于振动冲击等引燃(碳,纤维素,燃料和油),浸有液氧的材料,会很容易被静电放电或别的点火源等点燃。
(2)氧气当温度高于(-118.57℃(-181.41F))时,就不能保持在液态,在1个标准大气压下,液态氧在-182.9℃(-297.3F)下气化,可能会引起系统爆裂和飞片。
(3)液态氧在低温下,会有冻伤皮肤等伤害。
气态氧操作危险性
氧气系统发生的绝大部分火灾是由于系统材料中有污染或不兼容的物质存在而引起的。
氧气的毒性,在一个标准大气压和浓度大于50%时,要考虑它对人呼吸的毒性。
材料在氧气系统中的燃点机制
在氧气或富氧的大气中,燃料氧混合物的燃点与普通大气相比,
所需的输入能量和温度都更低。
材料点燃要遵循3T 原则:①足够高的温度;②足够长的反应时间;③紊流,必须有足够高的紊流使燃料和氧化物相混合,从而使能量从
反应媒体转移到未反应的物质上。
影响固体材料燃点的因素有:材料的组份、纯度、尺寸、形状和样品的状态、氧化物层的特性、燃点源、气体压力和气体组份等。
到现在为止,没有单一的测试能产生材料的绝对燃点或一致性的相对率,材料的燃点是通过测试燃点或燃烧特性,研究氧气相关的失败数据中被估算出来的。
潜在的燃点机理和点燃源
粒子的冲击:热量由运动,热或化学能转移而来,当小粒子高速运动并撞击粒子时,这热量足够能点燃粒子。
机械冲击:热量将由运动能量中转移过来而产生,当一个物体有一个相对大的质量和瞬态撞击一组件时,热量和机械能在不同物体间的相互作用足以点燃被冲击的组件。
压缩空气的冲击:当气体从低压变成高压时,热量由机械作功转变而来,压缩空气的冲击对非金属聚合体而言是有效的点燃方式。
提高了的燃点:热输入源的产生,它让最近的材料点燃。
摩擦:热量由两物体相互摩擦而产生,两零件的相互作用,一方面,破坏了保护的氧化层或表皮层,引起零件的燃烧。
共振:在共振腔中,声音的共振能引起温度的快速上升。
电弧击穿:发动机的摩擦,电力源,点火等都能引起电弧放电击穿。
氧气系统中材料的选择
选择的原则
材料的选择不能完全解决不成功系统,但选择合适的材料再加上好的设计实践能降低系统失败的可能性。材料的评估和选择是基于
对材料点火和燃烧特性的测试和研究液态氧和气态氧相关失效的基础上得出的。
氧气系统中,非金属材料应限制使用,包括它的数量和暴露于氧气的表面积应最小化,因非金属与金属相比,其燃点会更容易受影响
选择材料和评估系统安全的信息应包括材料组成和构造,环境
和操作条件(温度,压力,流速或燃点机制)
在氧气系统中,低于它们自燃温度(AIT)下,材料没有点燃源是不会燃烧的,如输入的能量值高于热量损耗时,才会引起燃烧。燃点的温度与材料的特性、构造、环境(温度,压力,氧气浓度和燃料特性)、流体系统的动态条件相关。
非金属,比如高分子聚合体,通常它在比金属更低的温度和压力下点燃。
通常,金属是不太容易点燃的,但金属粒子很容易点燃,一旦点燃时,点燃金属比非金属会有更多的损坏和破坏。
应用于氧气系统的材料应有一个好的物理特性,比如在使用温度下,材料有好的强度和延展性。
选择氧气系统材料时,它必须要有特定的清洁程序来去除污染、微粒和可燃的材料。
非金属材料的选择
在氧气系统中,使用的非金属通常是高分子聚合体(包括橡胶弹性体)、塑料、热固性材料、混合物和润滑剂。陶瓷和玻璃不经常应用于氧气系统中,在使用它们时,一般认为它们是隋性的。非金属材料的选择是基于测试结果和使用经验的基础上。
在氧气系统中,常用的弹性橡胶是氟橡胶,Viton和Fluorel化合物,弹性橡胶典型的应用是O 形圈和膜片,它们都有弹性,有低于室温的玻璃化温度(Tg),通常温度可用到243C(406F)或高于玻璃化温度,硅橡胶由于它有特别低的Tg,而经常用于氧气系统中,但它的点燃抗性差。
最通常使用的塑料是半透明的材料,比如PTFE,FEP(FEPTeflon),PCTFE,Kel-F81,无定形的聚合体如聚酰亚胺(VespelSP21),聚四氟乙烯由于它的低燃烧热量值
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