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气体管道的燃烧事故与预防

输送高压氧气的钢管或者阀门，由于某种原因，在里面的高压氧介质起火燃烧，使管壁穿孔，喷出高压气体。造成这类事故的原因主要是由于铁和氧之间发生化学反应，引起金属火灾。

　　发生火灾时，气体立即从管壁破裂处喷出，同时发出爆音，在连绵不断的氧气流中钢管成为灼热状态而继续燃烧。这样一般很容易被误认为已经发生了爆炸，实际上这不是真正的爆炸，只是由于金属火灾而产生的管道破裂现象。

　　从下面例子足可以看出氧气管道燃烧时的猛烈程度。在100mm直径的高压氧气管道上设置有铸钢阀门(压力2．4MPa)，就在略微开启阀门的这一瞬间，同时发出了爆炸声，同时阀门下部出现了闪光，阀体及管道的一部分开始燃烧，并喷出氧气。正在操作阀门的二名操作人员被当场烧死。

　　事故的原因可以做如下的解释：由于液氧中含有微量的润滑油，在蒸发器中被浓缩和积存，当液氧在沸腾时，浓缩油伴随液氧飞沫，成为雾状油滴，并随同氧气气流吸附于充气间四周的管路内壁和阀门上，在阀门切换操作中，管路内点燃起火。

　　15MPa压力的氧气从聚合釜流出时，造成氟树脂制的截止阀瞬间分解气化，导致氧气喷出，其危险也是显而易见的。

　　1．氧气中铁的燃烧

　　在氧气介质中燃烧金属，一般须把该金属加热到在所处氧气浓度时的自燃温度以上。

　　在常压下氧气中铁的自燃点，呈粉状时比较低，大约315℃以上；呈块状时高，至少要加热到930℃以上。如果把氧气压力提升到3．0MPa左右的高压时，一般自燃点温度可分别下降几十度到一百度左右。

　　铁块的熔点一般在1500℃左右，而氧气中铁的自燃点都比这个温度低，所以铁在氧气中坚持着固态，可使燃烧继续进行下去。

　　氧和铁的化学反应式及其燃烧热可由下式表示：

　　铁为颗粒状时，包围在热导率比较小的氧气中，则燃烧热是很容易积聚在反应生成的氧化铁颗粒中。实际上这个热量是通过四周气体或管壁的热传导，还有一部分是通过热辐射而消失的。现在假定燃烧热是绝热地积聚在这些颗粒上时，则粒子温度将会达到几千度高温。

　　燃烧每克铁所需的氧气量可由下式求得：

　　即燃烧每克铁时所需的氧气量大约为300mL(在常温常压下)。

　　因为铁的相对密度为7．86kg／m3，比体积为0．127mL／g，因此，铁如要继续燃烧时，需要的氧气比铁的体积多2360倍(在常温常压下)。

　　由于这个原因，在氧气管上发生燃烧事故时，管路的燃烧方向是向着提供氧气的方向烧去，也就是向着与氧气气流相反的方向传播。因此，只要关闭管路的总阀门，切断氧气供给，就很容易将火熄灭。
　2．氧气管路的点火原理

　　氧气管路如果开始自行燃烧，则首先必须把管壁加热到块状自燃点温度800～900℃以上。氧气管路起火的原因大体有以下几种：

　　(1)气流中锈垢的摩擦在氧气管路中假设投入假设干铁锈锈垢，马上可以用肉眼看到一些从管的端头喷嘴上向空气中喷出来的炽烈状态的颗粒。这是由于锈垢和管路之间的摩擦引起的。它受到氧气流速的影响，流速越快，影响越显著。

　　因为锈垢颗粒重量小，故热量也很小，但是管路的管壁是无法与此相比的，由于热容量很大，而且导热性好，因此管路的摩擦热会马上消失，故在管壁本身的温度上升并不显然。由于这个原因可以认为管壁不可能被加热到自燃点以上的温度。

　　(2)管道内可燃物的燃烧在氧气管道内存在可燃物时，如果它们碰到某种点火源时便开始燃烧。由于在纯度很高的高压氧气气流中燃烧，因此，燃烧速度是很快的，在很短时间内便产生很大的燃烧热。可燃物燃烧时，产生的火焰温度是很高的。如果管壁直接受到这种火焰加热，就好比碰到氧气切割的火焰一样，管壁很容易达到燃烧的温度，从而在氧气中燃烧。管道内存在可燃物有下面几种状况。

　　1)雾状润滑油随着氧气气流在管路的连接部位或阀门部位等死角凝结吸附。

　　在液氧中经常含有少量的润滑油，它是在汽化器中浓缩后，成为雾状气体，混入氯气气流中，凝结在氧气管路内。这时如果润滑油单纯地成为液体状态的油膜吸附于管壁上，那么油膜可随高速气流沿管壁扩散。油可以局部地聚焦在气流的死角，也可能使锈垢和油掺在一起，形成黏性物质吸附于管壁。

　　如果把润滑油和锈垢粉末掺在一起，涂在铁管的内壁上，然后在氧气气流中进行燃烧，可以看到火焰所到之处铁管在被穿孔的同时，本身还在继续燃烧的情景。

　　2)每次安装管路要使用洗涤剂除掉管内的油脂，这种洗涤剂可能残留在管路内部。平常使用的洗涤剂有四氯化碳和三氯乙烯。其中四氯化碳即使在氧气中也不燃烧，而三氯乙烯在空气中虽不燃烧，但在氧气中却可以燃烧。假假设用可燃烧性溶剂洗涤氧气管道之后仍然留有液状洗涤剂，那么它的危险性和润滑剂毫无区别。高压氧气和溶剂蒸气的混合气体还有爆炸的危险。

　　3)用可燃性的纤维、橡胶等做衬垫或填料，假假设在氧气管道内由于某种着火源的作用开始燃烧。则管壁可能被此火焰加热致使管道开始燃烧。纤维衬垫如果在氧气中燃烧，可以诱发法兰盘铁器材料的燃烧。如果是橡胶衬垫，本身可能被软化吹走，成为氧气喷出事故的直接原因。衬垫材料的燃烧热越大，危险性就越大。因此衬垫材料必须采纳燃烧热小的物质，或者干脆采纳非燃性物质。

　　(3)炽烈铁粉点燃可燃物如前所述，铁粉的自燃点远远低于铁块，在常压氧气中大约为300—400℃，在高压氧气中比这个数值还要低几十度。因此，铁粉在氧气气流中流动时与管壁摩擦，很容易达到自燃温度而开始自燃。这时由于铁粉是被导热率很小的气流所包围，所以积存的燃烧热不能散发，因而使铁粉成为高温炽烈粒子(大概有1000～2000℃)在气流中高速流动。

　　另一方面，在管道内可能积存可燃物，如润滑油、洗涤剂、衬垫等。在常压氧气中这些可燃物的自燃点为273～305℃，三氯乙烯为392℃，但在高压氧气中这些物质的自燃点却要低得多。即是瞬间点燃温度大约为300～500℃。因此，燃烧中的铁粒子坚持着炽烈状态，当与这些可燃物相接触时，其温度足以把可燃物瞬间点燃。特别是本身进行自燃的铁粒子，由于在其表面具有中间生成物活性氧，与单物理性高温相比，更易点燃可燃物。

　　炽烈的铁粉粒子侵入使用很久的橡皮管内壁裂痕部位，使橡皮管内壁着火，接着在高压氧气流中使橡皮管发生急速的爆炸性燃烧。

　　在氧气制造中，在管道内通过潮湿氧气后，接着通人干燥氧气时，曾多次发生过事故。这是由于通过潮湿氧气时管道内壁产生很多铁锈。由于潮湿氧气带有水分，所以能够防止铁锈垢从铁管壁上散落下来。而当通过干燥氧气时，氧能吸附内壁的锈垢并使之干燥后从管壁上脱落下来，成为锈垢粒子，和气流一起高速流动。而锈垢从管壁脱落下来以及和管壁相摩擦时，都能生成铁粉，成为可燃物的点火能源。从干燥筒跑出来作为干燥剂的硅胶颗粒在管道内高速流动时，也能产生铁粉，由此而产生的燃烧事故往往误解为干燥氧气所致，这是不对的。

　　(4)管壁被炽烈铁粉熔敷燃烧氧气管道中铁粉的存在，不但对燃物是一种着火源，而且也会直接导致管道穿孔的危险。譬如在管道的T形部位，即在高速气流直转弯的部位，燃烧成炽烈的铁粉因为动量很大，而又直线前进，撞到T形管的内壁上，炽烈粒子在同一个地方比较多地堆积。这种状况好比用铁粉切割法进行切割时从喷嘴中喷出来的炽烈粒子，造成管壁温度急剧升高，使管壁穿孔燃烧。

　　3．氯气管道的燃烧

　　高压氯气和高压氧气一样，也可能引起管道的燃烧事故。

　　下面列出铁和氯气的反应式和燃烧热：

　　所以说，铁在氯气中的燃烧热差不多等于在氧气中的燃烧热。燃烧每克铁所需的氯气量是：

　　假假设从铁的比体积计算则所需的氯气量是铁块体积的4720倍(在常温常压下)。

　　铁和氯气之间的燃烧生成物一氧化亚铁，在常压下的熔点和沸点分别为282~C和315℃，因此铁如果在氯气中燃烧则燃烧产生的氯化亚铁能马上被燃烧热所汽化而完全消失。

　　液氯在温度10—30℃的条件下，具有大约5—9个大气压(绝对气压)。在高压氯气中，铁的燃热反应是很激烈的，故有可能燃掉管道。在充有一个大气压氯气的铁管外皮，如果进行焊接或切割，可使铁管内壁和氯气发生激烈的反应，在铁管的冷端生成氯化亚铁结晶。可是，管壁的温度即使达到900℃以上的炽烈状态，只要去掉加热火焰，则反应即行停止。因此，在常压氯气中，没有发生过继续烧铁的状况。如果把铁管内的氯气压力增加到10个大气压，管壁加热到400℃以上时，就能使铁和氯气发生激烈反应，开始燃烧铁管。

　　在电解的氯气中往往会有少量氢气，当氢在氯气中含量达5％时碰到火源就可以爆炸。所以氯气系统要防止氯气的积聚和铁锈与外管壁摩擦形成着火源。

　　H2在C12中的爆炸范围常压时为5．5％～89％。由于铁屑在管内移动冲击产生摩擦热，氯和氢混合气引起燃烧，高温使铁壁生成氯化铁而破损。

　　4．防止氧气、氯气系统燃烧的措施

　　为了防止氧气、管道和氯气管道燃烧事故出现，应当采用以下措施：

　　(1)在高压氧气管道的内壁、阀门、接头、螺栓等能够接触氧气的表面，应该尽可能使其加工成平滑而无突起部位，管内的气流不应造成死角。

　　(2)衬垫、填料等管道材料应避免使用可燃物，特别是纤维。

　　(3)管道内氧气通路要尽量采纳直线，尽可能减少急转弯。

　　(4)管道内的油脂用洗涤剂充分清洗后，须用气体检测器进行检测，不许在管道内残留洗涤剂。洗涤剂的蒸气比空气重，要注意这一特点。

　　(5)尽量排除管内混入的某种固体粒子，如锈垢、干燥剂的粒子等。由于氧气中的水分能够促进产生锈垢，因此应除掉管道内的水分，通人的氧气也应是干燥的。

　　(6)在通人潮湿氧气时，不要在通往潮湿氧气后再通人干燥氧气，这样会生成锈垢并脱落，形成锈垢粒子。

　　(7)在管道中使用不锈钢可以抑制产生氧化锈垢粒子及其磨损产生的铁粒子，但是，如果在其他地方仍然大量产生这些粒子时，或者存在可燃物，即使使用了不锈钢，也不能防止管道的燃烧事故。

　　假设在部分管道中使用铜材，虽然可以防止铜管本身的燃烧事故，但是如果在别的地方产生铁粉燃烧生成炽烈粒子后，集中冲击铜管某个部位，将会引起铜管熔化穿孔。

　　(8)管道内氧气的流速一般限制在30个大气压内，8m/s以下的速度。

　　(9)阀门的开闭操作避免急剧进行。
　　(10)控制可燃气体的浓度含量。