輸送高壓氧氣的鋼管或者閥門,由于某種原因,在里面的高壓氧介質(zhì)起火燃燒,使管壁穿孔,噴出高壓氣體。造成這類事故的原因主要是由于鐵和氧之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),引起金屬火災(zāi)。
發(fā)生火災(zāi)時(shí),氣體立刻從管壁破裂處噴出,同時(shí)發(fā)出爆音,在連續(xù)不斷的氧氣流中鋼管成為灼熱狀態(tài)而繼續(xù)燃燒。這樣一般很容易被誤認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生了爆炸,實(shí)際上這不是真正的爆炸,只是由于金屬火災(zāi)而產(chǎn)生的管道破裂現(xiàn)象。
從下面例子足可以看出氧氣管道燃燒時(shí)的猛烈程度。在100mm直徑的高壓氧氣管道上設(shè)置有鑄鋼閥門(壓力2.4MPa),就在稍微開啟閥門的這一瞬間,同時(shí)發(fā)出了爆炸聲,同時(shí)閥門下部出現(xiàn)了閃光,閥體及管道的一部分開始燃燒,并噴出氧氣。正在操作閥門的二名操作人員被當(dāng)場(chǎng)燒死。
事故的原因可以做如下的解釋:由于液氧中含有微量的潤(rùn)滑油,在蒸發(fā)器中被濃縮和積累,當(dāng)液氧在沸騰時(shí),濃縮油伴隨液氧飛沫,成為霧狀油滴,并隨同氧氣氣流吸附于充氣間附近的管路內(nèi)壁和閥門上,在閥門切換操作中,管路內(nèi)點(diǎn)燃起火。
15MPa壓力的氧氣從聚合釜流出時(shí),造成氟樹脂制的截止閥瞬間分解氣化,導(dǎo)致氧氣噴出,其危險(xiǎn)也是顯而易見的。
1.氧氣中鐵的燃燒
在氧氣介質(zhì)中燃燒金屬,一般須把該金屬加熱到在所處氧氣濃度時(shí)的自燃溫度以上。
在常壓下氧氣中鐵的自燃點(diǎn),呈粉狀時(shí)比較低,大約315℃以上;呈塊狀時(shí)高,至少要加熱到930℃以上。如果把氧氣壓力提高到3.0MPa左右的高壓時(shí),一般自燃點(diǎn)溫度可分別下降幾十度到一百度左右。
鐵塊的熔點(diǎn)一般在1500℃左右,而氧氣中鐵的自燃點(diǎn)都比這個(gè)溫度低,所以鐵在氧氣中保持著固態(tài),可使燃燒持續(xù)進(jìn)行下去。
氧和鐵的化學(xué)反應(yīng)式及其燃燒熱可由下式表示:
鐵為顆粒狀時(shí),包圍在熱導(dǎo)率比較小的氧氣中,則燃燒熱是很容易積聚在反應(yīng)生成的氧化鐵顆粒中。實(shí)際上這個(gè)熱量是通過周圍氣體或管壁的熱傳導(dǎo),還有一部分是通過熱輻射而消失的?,F(xiàn)在假定燃燒熱是絕熱地積聚在這些顆粒上時(shí),則粒子溫度將會(huì)達(dá)到幾千度高溫。
燃燒每克鐵所需的氧氣量可由下式求得:
即燃燒每克鐵時(shí)所需的氧氣量大約為300mL(在常溫常壓下)。
因?yàn)殍F的相對(duì)密度為7.86kg/m3,比體積為0.127mL/g,因此,鐵如要繼續(xù)燃燒時(shí),需要的氧氣比鐵的體積多2360倍(在常溫常壓下)。
由于這個(gè)原因,在氧氣管上發(fā)生燃燒事故時(shí),管路的燃燒方向是向著提供氧氣的方向燒去,也就是向著與氧氣氣流相反的方向傳播。因此,只要關(guān)閉管路的總閥門,切斷氧氣供給,就很容易將火熄滅。
2.氧氣管路的點(diǎn)火原理
氧氣管路如果開始自行燃燒,則首先必須把管壁加熱到塊狀自燃點(diǎn)溫度800~900℃以上。氧氣管路起火的原因大體有以下幾種:
(1)氣流中銹垢的摩擦在氧氣管路中若投入若干鐵銹銹垢,立即可以用肉眼看到一些從管的端頭噴嘴上向空氣中噴出來的熾熱狀態(tài)的顆粒。這是由于銹垢和管路之間的摩擦引起的。它受到氧氣流速的影響,流速越快,影響越顯著。
因?yàn)殇P垢顆粒重量小,故熱量也很小,但是管路的管壁是無法與此相比的,由于熱容量很大,而且導(dǎo)熱性好,因此管路的摩擦熱會(huì)立即消失,故在管壁本身的溫度上升并不明顯。由于這個(gè)原因可以認(rèn)為管壁不可能被加熱到自燃點(diǎn)以上的溫度。
(2)管道內(nèi)可燃物的燃燒在氧氣管道內(nèi)存在可燃物時(shí),如果它們遇到某種點(diǎn)火源時(shí)便開始燃燒。由于在純度很高的高壓氧氣氣流中燃燒,因此,燃燒速度是很快的,在很短時(shí)間內(nèi)便產(chǎn)生很大的燃燒熱??扇嘉锶紵龝r(shí),產(chǎn)生的火焰溫度是很高的。如果管壁直接受到這種火焰加熱,就好比遇到氧氣切割的火焰一樣,管壁很容易達(dá)到燃燒的溫度,從而在氧氣中燃燒。管道內(nèi)存在可燃物有下面幾種情況。
1)霧狀潤(rùn)滑油隨著氧氣氣流在管路的連接部位或閥門部位等死角凝結(jié)吸附。
在液氧中常常含有少量的潤(rùn)滑油,它是在汽化器中濃縮后,成為霧狀氣體,混入氯氣氣流中,凝結(jié)在氧氣管路內(nèi)。這時(shí)如果潤(rùn)滑油單純地成為液體狀態(tài)的油膜吸附于管壁上,那么油膜可隨高速氣流沿管壁擴(kuò)散。油可以局部地聚焦在氣流的死角,也可能使銹垢和油摻在一起,形成黏性物質(zhì)吸附于管壁。
如果把潤(rùn)滑油和銹垢粉末摻在一起,涂在鐵管的內(nèi)壁上,然后在氧氣氣流中進(jìn)行燃燒,可以看到火焰所到之處鐵管在被穿孔的同時(shí),本身還在繼續(xù)燃燒的情景。