最近,公司更新了动火作业的安全管理规定,将“乙炔气瓶不得卧放使用”的要求放入了规定文本,并在作业开始前的的检查表中,追加了这个项目。
很多同事都觉得这是理所当然的,本不必多言。可对于小白来说,不免要问,为什么呢?难道这乙炔气瓶,与氧气瓶、氢气瓶相比,还有其独特之处?
溶解乙炔气瓶
严格来说,乙炔气瓶并不是普通意义上的高压气瓶,而常常被称为“溶解乙炔气瓶”。
与氧气瓶采用高压压缩的方式存储氧气不同(40L容积的气瓶,在15MPa下,可以充装6m³的氧气),乙炔气瓶瓶体内,充满了“多孔”的物质,在这些极小的孔洞中,浸满了丙酮。而乙炔就溶解在这些丙酮中。
乙炔气瓶剖面图
通过下面的文档,我们可以看到,原来乙炔气瓶内,并不是空心的。虽然经过时代的发展,多孔填料的材质、生产工艺历经变化,但“多孔填料”+“丙酮溶剂”这一经典的“溶解储存”设计,却保持不变。▼
Norris Porous Mass for Acetylene Cylinders乙炔的分解爆炸
如此独特的设计,一定有其独特的道理。
在众多的工业气体中,乙炔(C₂H₂)与氧气(O₂)燃烧时,火焰温度可达 3090°C,可以轻松切断钢铁。这也是所有常见工业燃气中最高的火焰温度。
如此大的能量,得益于其独特的碳-碳三键(C≡C)结构。
当然,这种高能结构也必然是一把双刃剑。在有氧气参与的燃烧过程中,这种氧化反应是可控的;但,在某些环境下,例如高压、高温,即使没有氧气的参与,乙炔也会由于高能碳-碳三键的断裂,引发自由基链式反应,造成分解爆炸。而触发这种反应所需的能量极小,只需普通的静电火花、扳手掉落的震动就足以。
工程化的“反应牢笼”
经过不断的生产实践,人们逐渐设计了乙炔瓶“物理隔离”+“能量耗散”+“化学淬灭”三重控制机制。
多孔填料的细小孔洞,将乙炔分割为极小的气泡,避免了气体积聚时产生的高压。而丙酮的溶解作用,进一步压缩了乙炔分子的间距 (0.5nm,气相为3.4nm)。即:物理隔离。
同时,多孔填料还具有吸收局部分解热量,延缓热量传递的功效;丙酮的气化,也可以吸收大量的热量。即:能量耗散。根据实验数据显示,当乙炔气瓶外壳被火焰加热至 800℃ 时,填料内部温度在2小时内仅上升不到5℃。
接下来的“化学淬灭”,太过深奥。简单来说,就是丙酮与乙炔自由基的反应,消耗了乙炔的自由基。虽然这种反应也会释放能量,但却远低于分解反应所释放的能量。丙酮不仅溶解乙炔,更是链式反应的抑制剂。
为什么乙炔不能卧放使用
既然理解了乙炔瓶的结构,对于我们之前的问题,就不难理解了。
卧放时,作为溶剂的丙酮会流向阀门的附近,并随着阀门的开启,逐渐造成丙酮的流失。
随着流失的增大,在气瓶内逐渐形成了气态乙炔的空腔,局部压力增大;而且,损失的不仅仅是丙酮溶剂,还有刚才所提到的吸热功能和化学淬灭能力。
当局部压力增大到一定程度时,外界极小的能量输入,例如静电(人脱毛衣)、机械震动(扳手掉落)、阀门摩擦火花等,都可以引发剧烈的分解爆炸。
结论
有人说:“乙炔是人们手中的太阳,但捧起太阳需要钢铁的规则”。
作为这些铁一般规则之一的,就包括:乙炔瓶使用时,不得卧放!