代濠源，樊建春，于艷秋，劉迪，趙坤鵬，胡治斌，張喜明

中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249

0 引言

硫磺是重要的化工原料，在空氣中燃燒產(chǎn)生二氧化硫，進(jìn)而危害人體健康，甚至產(chǎn)生酸雨[1-4]。普光天然氣凈化廠硫磺儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)是亞洲最大規(guī)模的硫磺生產(chǎn)、存儲(chǔ)系統(tǒng)，采用濕法成型工藝，在硫磺生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過程中，許多運(yùn)輸裝置暴露在硫磺粉塵環(huán)境中，有時(shí)鐵制構(gòu)件摩擦?xí)鹆蚧侵?，并且造成?yán)重的事故。

對(duì)于硫磺的燃燒爆炸特性國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。他們對(duì)干法成型的硫磺的著火溫度進(jìn)行了測(cè)試，認(rèn)為硫磺的最低著火溫度介于220～260 ℃之間[5-10]。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過試驗(yàn)對(duì)濕法成型的硫磺的最低著火溫度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得濕法成型硫磺粉塵的粉塵層最低著火溫度為270 ℃[11]。對(duì)于粒徑介于150～180 um的硫磺粉塵的粉塵云最低著火溫度為220 ℃[12]。但是國(guó)內(nèi)外暫未有文獻(xiàn)對(duì)硫磺摩擦著火的機(jī)理進(jìn)行研究。

Chernenko E V等對(duì)鎂粉，氧化硼和碳粉的混合粉塵的摩擦著火機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為在較低壓力下摩擦也能引燃粉塵，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的低壓摩擦也會(huì)導(dǎo)致粉塵的高度壓縮從而引燃粉塵；還分析了摩擦副材料對(duì)試樣加熱和引燃的影響，認(rèn)為著火可能是由于摩擦副材料的磨損顆粒與摩擦試樣之間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的[13]。也有學(xué)者認(rèn)為，硫磺摩擦過程中會(huì)產(chǎn)生靜電[14]，當(dāng)積累靜電釋放的能量足夠大時(shí)也會(huì)引燃硫磺。然而濕法成型硫磺不會(huì)積聚較多的靜電[15]，并且轉(zhuǎn)輸設(shè)備間的硫磺摩擦產(chǎn)生的靜電會(huì)被轉(zhuǎn)輸設(shè)備的除靜電設(shè)施吸收。

Majcherczak D文章中提到：摩擦的過程必然帶來能量的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的能量除轉(zhuǎn)換為表面能、光能和聲能外，85%～95%的能量轉(zhuǎn)化為熱能[16]。不良的散熱條件會(huì)導(dǎo)致溫度升高，當(dāng)溫度上升到270 ℃時(shí)會(huì)點(diǎn)燃硫磺[11]，但是在濕法成型硫磺儲(chǔ)運(yùn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于70 ℃時(shí)也會(huì)出現(xiàn)硫磺著火現(xiàn)象?，F(xiàn)有理論無法對(duì)此進(jìn)行解釋，因此開展試驗(yàn)對(duì)濕法成型硫磺的摩擦起火機(jī)理進(jìn)行研究，以期提出硫磺摩擦著火的防控措施，提高大型硫磺儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的安全水平。

1 試驗(yàn)裝置及設(shè)置

1.1 試驗(yàn)裝置

為開展硫磺摩擦試驗(yàn)，開發(fā)設(shè)計(jì)出了專用的硫磺摩擦試驗(yàn)機(jī)，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先，將摩擦下試樣固定在旋轉(zhuǎn)盤中，將護(hù)罩安裝在摩擦下試樣之外，通過頂絲固定，再將摩擦上試樣套在壓頭下端，并安放在摩擦下試樣之上，壓緊。其次，調(diào)節(jié)相應(yīng)開關(guān)使三通中加料一側(cè)連通，通過加料漏斗加入一定量的硫磺粉塵。第三步，將溫度傳感器安裝在上試樣上，并保證其下端探頭部分插在摩擦上試樣的偏心孔中，壓緊摩擦上試樣，并安裝好罩板。第四步，將扭矩傳感器安裝在固定滑套上，并套在滑桿之上，扭矩傳感器下方與壓頭上端相配合。第五步，通過絲杠螺母副對(duì)杠桿進(jìn)行調(diào)平，使杠桿板處于平衡，并通過固定砝碼進(jìn)行加載。最后，啟動(dòng)傳動(dòng)裝置即可開展硫磺摩擦試驗(yàn)。值得注意的是，(1)在安裝摩擦試樣時(shí)要保證摩擦下試樣裝平，保證摩擦上、下試樣之間緊密接觸；(2)在試驗(yàn)開始時(shí)調(diào)解三通開關(guān)使三通中通氣的一側(cè)打開，通過微型氣泵向摩擦面中通入空氣；(3)試驗(yàn)過程中也可以向系統(tǒng)中添加硫磺粉塵。一次試驗(yàn)結(jié)束之后更換摩擦試樣時(shí)，按照相反的順序操作即可。試驗(yàn)機(jī)具有空氣泵與尾氣吸收處理系統(tǒng)，空氣泵可以向試驗(yàn)機(jī)內(nèi)腔注入空氣，提供充足的氧氣，用堿液對(duì)尾氣進(jìn)行吸收處理。

圖1 試驗(yàn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the key parts of the test apparatus

1.2 試樣制備

試樣結(jié)構(gòu)如圖2所示，(a)是上試樣，(b)是下試樣。上試樣打有一個(gè)沉孔，孔底端距離上試樣下端面2 mm，在孔中插入熱電偶溫度傳感器，可以保證傳感器充分接近摩擦表面，試驗(yàn)過程中記錄近摩擦面的溫度。上試樣特殊的形貌設(shè)計(jì)可以保證摩擦過程中有足量的硫磺粉塵進(jìn)入摩擦面，而且沉孔的設(shè)計(jì)保證旋轉(zhuǎn)過程中硫磺不被甩出。下試樣開有一個(gè)環(huán)形槽以便試樣的拆卸。下端面外徑56 mm，內(nèi)徑36 mm。下試樣外徑65 mm。經(jīng)計(jì)算得到上下試樣的接觸面積為11.269 cm2。試驗(yàn)前試樣用500目的砂紙打磨并用酒精清洗。

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

通過試驗(yàn)研究載荷、硫磺含水量和配對(duì)摩擦副材料對(duì)硫磺摩擦起火的影響。分別研究了高載荷、中載荷和低載荷條件下，硫磺的摩擦著火機(jī)理。調(diào)研發(fā)生硫磺摩擦起火事故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生摩擦起火現(xiàn)象部位的材料為45#鋼，因此摩擦副試樣均使用45#鋼加工。現(xiàn)場(chǎng)工況中轉(zhuǎn)運(yùn)部位相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度約為1 m/s，根據(jù)試樣尺寸設(shè)置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為300 rpm，摩擦介質(zhì)為該工廠生產(chǎn)的硫磺產(chǎn)品研磨粉碎的粉塵，粒徑小于0.5 mm，初始含水量為2%，每次試驗(yàn)加入摩擦介質(zhì)的量均為4 g。研究配對(duì)摩擦副材料影響時(shí)，選擇常見的316L、45#、Q235相互配對(duì)。試驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫20±4 ℃，環(huán)境濕度為20%±5%。試驗(yàn)停止條件為觀測(cè)到明火。詳細(xì)設(shè)置如表1所示。

圖2 上試樣(a)和下試樣(b)Fig. 2 Diagrams of the structures of test specimens of (a) upper sample, (b) lower sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硫磺摩擦著火機(jī)理

2.1.1 近摩擦表面溫度變化曲線

為研究硫磺摩擦著火機(jī)理，模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，開展了不同載荷情況下的硫磺摩擦著火試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中對(duì)近摩擦表面的溫度進(jìn)行了記錄。近摩擦表面溫度曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在中載荷(400 N、600 N)和高載荷情況(800 N)下，硫磺摩擦溫度上升的速度很快。在起始階段，溫度較低，摩擦介質(zhì)硫磺為固體顆粒狀，此時(shí)摩擦面的潤(rùn)滑條件很差，摩擦系數(shù)很大，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致摩擦溫度急劇上升；當(dāng)摩擦面溫度上升至119 ℃時(shí)，硫磺熔化[17]，此時(shí)摩擦介質(zhì)為液態(tài)硫磺，摩擦面的潤(rùn)滑條件變好，摩擦系數(shù)降低，摩擦產(chǎn)生的熱量略微減少，此時(shí)摩擦溫度上升速率略微降低，然而由于載荷過大，摩擦依舊會(huì)產(chǎn)生大量的熱。從上圖可以看出，在高載荷情況下，最后階段摩擦溫度上升的速度與干摩擦?xí)r相近，可見此時(shí)導(dǎo)致摩擦溫度繼續(xù)以較快速率上升的是摩擦產(chǎn)生的熱量，當(dāng)摩擦面溫度上升至硫磺的最低著火溫度時(shí)硫磺自燃。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容及參數(shù)設(shè)置Table 1 Test contents and parameter settings

圖3 不同載荷情況進(jìn)摩擦面溫度隨時(shí)間的變化Fig. 3 Temperatures near friction surface under different normal loads

從圖3可以看出，在低載荷(200 N)情況下，在起始階段，溫度較低，摩擦介質(zhì)為固體顆粒狀態(tài)，此時(shí)摩擦面的潤(rùn)滑條件很差，摩擦系數(shù)較大，由于載荷較低，產(chǎn)生的熱量沒有導(dǎo)致摩擦面溫度快速上升。由摩擦閃溫理論可知[18-20]，微凸體接觸部位的摩擦?xí)矔r(shí)釋放部分熱量，導(dǎo)致小范圍的溫度驟升，僅能將微凸體周圍的硫磺熔化，由于硫磺熔化吸熱又導(dǎo)致微凸體周圍溫度下降，在這種循環(huán)作用下緩慢改善摩擦面的潤(rùn)滑條件，摩擦系數(shù)逐步降低，摩擦生熱量逐步減少，最后摩擦生成熱量與散熱量接近，摩擦溫度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。隨著摩擦的進(jìn)行，硫磺突然著火，溫度急劇上升。為探究低載荷條件下，硫磺的摩擦起火機(jī)理，對(duì)摩擦后的試樣及摩擦產(chǎn)物進(jìn)行了分析。

2.1.2 試樣及摩擦產(chǎn)物分析

試驗(yàn)后的試樣以及摩擦產(chǎn)物如圖4所示：在上試樣的內(nèi)部邊緣發(fā)現(xiàn)了如圖所示的紅褐色固體，它是摩擦產(chǎn)物燃燒后的殘余物，經(jīng)化驗(yàn)為氧化鐵。摩擦產(chǎn)物為黑色固體。圖5所示是掃描電鏡下200 N和800 N兩種載荷條件下，下試樣的形貌。

由圖5可知，在低載荷條件下，試樣表面劃痕很淺。高載荷條件下試樣表面劃痕明顯比低載荷的劃痕深。并且高載荷情況下試樣表面發(fā)生了粘著磨損，說明在高載荷的摩擦試驗(yàn)過程中產(chǎn)生了大量的熱，出現(xiàn)了局部高溫。使用EDS對(duì)試樣表面附著的摩擦產(chǎn)物進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6的能譜分析結(jié)果可以看出，3種載荷條件下，摩擦產(chǎn)物中都只含有鐵和硫兩種元素。其中，低載荷情況下鐵元素的原子百分比為32.68%，遠(yuǎn)高于高載荷情況下的15.56%。這說明在低載荷情況下，摩擦過程中會(huì)生成更多的鐵硫化合物。并且在低載荷情況下摩擦產(chǎn)物中鐵、硫元素的原子百分比為1 : 2推測(cè)產(chǎn)物為FeS2，為進(jìn)一步驗(yàn)證該推測(cè)對(duì)摩擦產(chǎn)物進(jìn)行了XRD分析。結(jié)果如圖7所示。

圖4 試驗(yàn)后的試樣(上試樣(a)，下試樣(b))及摩擦產(chǎn)物(c)Fig. 4 Diagrams of tested specimens (upper specimen(a), lower specimen(b)) and friction products (c)

圖5 摩擦后試樣表面形貌：200 N(a) 和 800 N(b)Fig. 5 SEM images of friction surfaces of tested specimens under normal loads of 200 N(a) and 800 N(b)

從圖7 (a)可以看出低載荷條件下，摩擦產(chǎn)物中大多數(shù)是FeS2，還有少量的FeS及微量未反應(yīng)的Fe，這說明在低載荷摩擦過程中硫磺與鐵反應(yīng)生成的鐵硫化合物，這可能是導(dǎo)致硫磺低載荷摩擦過程中起火的原因。從圖7 (b)可以看出高載荷情況下摩擦產(chǎn)物中都是硫磺，這與SEM-EDS結(jié)果不一致，可能是因?yàn)楦咻d荷情況下摩擦?xí)r間短，只有少量硫磺與鐵反應(yīng)生成硫鐵化合物，大多數(shù)硫磺未能與鐵反應(yīng)，剩余的硫磺包裹著生成的產(chǎn)物與鐵屑，所有未能在XRD測(cè)試結(jié)果中體現(xiàn)出來。

圖6 試樣表面產(chǎn)物能譜分析結(jié)果：a低載荷(200 N)，b高載荷(800 N)Fig. 6 EDS results of friction products on the surface of tested specimens under normal loads of 200 N(a) and 800 N(b)

圖7 200 N(a)和800 N(b)載荷情況下摩擦產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果Fig. 7 XRD patterns of the friction products under the pressures of 200 N (a) and 800 N (b)

2.1.3 硫磺摩擦著火機(jī)理分析

摩擦過程中的溫度變化及摩擦產(chǎn)物的成分分析表明：在高載荷情況下近摩擦表面的溫升速率與干摩擦相近，并且摩擦產(chǎn)物中鐵硫化合物極少，因此高載荷情況下硫磺摩擦著火的主要原因是摩擦產(chǎn)生的高溫。在低載荷情況下，在長(zhǎng)時(shí)間的摩擦過程中生成了大量的二硫化鐵、硫化亞鐵。摩擦生成的硫鐵化合物暴露在含有水蒸氣的空氣中時(shí)極易發(fā)生氧化，當(dāng)溫度在40～80 ℃時(shí)FeS2和FeS就會(huì)發(fā)生自燃[21-22]，引燃了周圍的硫磺。無論高載荷，還是低載荷，硫磺的摩擦著火均是由于摩擦面邊緣接觸到空氣的硫磺的溫度達(dá)到其自燃溫度270 ℃導(dǎo)致的。試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)到的溫度是近摩擦面的溫度，遠(yuǎn)低于摩擦面的實(shí)際溫度。當(dāng)摩擦面溫度為270 ℃時(shí)，硫磺著火，此時(shí)監(jiān)測(cè)到的近摩擦面溫度在70 ℃左右。綜上所述，不同載荷條件下導(dǎo)致溫度升高的原因是不同的：高載荷情況下主要是摩擦生熱導(dǎo)致的，低載荷情況下是由于摩擦生熱以及生成鐵硫化合物的自燃兩種作用共同導(dǎo)致的。

摩擦過程中有3種途徑可以生成硫鐵化合物：

(1)硫化亞鐵實(shí)驗(yàn)室制備方法[23-24]

參考實(shí)驗(yàn)室制備硫化亞鐵的方法我們知道：將鐵粉和硫粉按1:1(摩爾比)的比例混合放入高真空封閉的石英管中，在1000 ℃加熱24 h會(huì)生成硫化亞鐵，反應(yīng)公式見式(1)：在摩擦過程中摩擦面上的硫磺熔化，液硫緊密包裹試樣表面，硫磺與鐵充分接觸，由摩擦閃溫理論可知，摩擦過程中的閃溫可達(dá)到上千度[17-19]。這滿足實(shí)驗(yàn)室制備硫化亞鐵的要求，因此會(huì)生成FeS。

(2)機(jī)械化學(xué)法制備鐵硫化合物

機(jī)械研磨法作為一種新型的材料合成技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。在機(jī)械化學(xué)合成過程中，由于研磨球與容器壁的碰撞擠壓，粉末顆粒經(jīng)受著嚴(yán)重的機(jī)械變形，粉塵顆粒不斷地變形、冷焊和破裂，混合粉塵可能在固體狀態(tài)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[25]。

國(guó)外學(xué)者研究了以金屬鐵和硫磺粉塵作為原料，利用高能球磨法合成的鐵硫化合物的性質(zhì)[26]。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使鐵粉和硫粉的比例為1:1和1:2時(shí)，生成的產(chǎn)物分別為FeS和FeS2。當(dāng)鐵粉和硫粉的比例為其他值時(shí)也僅有FeS和FeS2兩種鐵硫化合物?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如公式2-5所示：

在本文的硫磺摩擦試驗(yàn)中，隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦介質(zhì)中鐵元素的比例逐漸升高。在長(zhǎng)時(shí)間的摩擦過程中鐵屑與硫磺經(jīng)歷著反復(fù)的擠壓、碰撞，在這種情況下硫鐵發(fā)生了機(jī)械化學(xué)反應(yīng)，生成了鐵硫化合物。

(3)硫磺、水、鐵反應(yīng)生成硫化亞鐵

關(guān)于硫磺、鐵以及水之間的相互反應(yīng)，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。日本學(xué)者Oana & Ishikawa[27]和Oana & Mizutani[28]研究了溫度和壓力對(duì)硫磺的水解的影響，認(rèn)為硫磺的水解產(chǎn)物為H2S和H2SO4。Maldonado-Zagal等人對(duì)硫磺的水解以及硫磺水解對(duì)軟鐵腐蝕的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為在室溫下硫磺也會(huì)對(duì)鐵產(chǎn)生腐蝕[29]。H. Fang等人[30]對(duì)硫磺存在情況下軟鐵的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)為溫度高于80 ℃時(shí)，硫磺會(huì)和水反應(yīng)生成具有腐蝕性的酸液，當(dāng)硫磺和軟鐵直接接觸時(shí)會(huì)腐蝕軟鐵生成硫化亞鐵。

涉及到的化學(xué)反應(yīng)方程式如公式6-8所示：

由于試驗(yàn)所使用的硫磺粉塵是濕法成型的，含有少量水分，在摩擦過程中可能會(huì)發(fā)生以上化學(xué)反應(yīng)從而生成鐵硫化合物。

2.2 硫磺含水量對(duì)硫磺摩擦著火的影響

為研究含水量對(duì)硫磺摩擦起火的影響，進(jìn)行了不同硫磺含水量的摩擦試驗(yàn)。摩擦過程中近摩擦面的溫升曲線如圖8所示。

從圖8可看出含水量對(duì)硫磺摩擦著火特性影響較大。試驗(yàn)分別測(cè)試了硫磺含水量10%、20%、30%、40%和50%共5組情況，不同含水量的硫磺摩擦?xí)r摩擦近表面溫度上升速率相差較大。出在前200 s，含水量10%的硫磺摩擦近表面溫度上升最快，含水量20%的次之，含水量30%、40%和50%的硫磺摩擦近表面溫度上升速率都很慢。在200 s以后含水量20%的硫磺摩擦近表面溫度急速上升，含水量30%、40%和50%的硫磺摩擦近表面溫度在400 s之后上升速率也明顯加快。

經(jīng)分析可知，在上述工況下，試驗(yàn)初始階段，溫度的升高主要來源于摩擦生熱，隨著摩擦進(jìn)行積累的熱量會(huì)表現(xiàn)為摩擦面溫度的升高。但是由于起到一定的潤(rùn)滑和吸熱作用，所以隨著含水量增大，近摩擦表面溫度的上升速率會(huì)變慢，當(dāng)含水量增大到一定程度(30%)時(shí)，溫度上升速率已經(jīng)很慢。隨著試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，20%含水量硫磺近摩擦面溫升速率急劇增大，可以發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大含水量(20%左右)對(duì)于硫磺在摩擦條件下著火起促進(jìn)作用，但是當(dāng)含量水量增大至50%自燃現(xiàn)象已經(jīng)不明顯。

圖8 不同含水量硫磺近摩擦表面溫度隨時(shí)間的變化Fig. 8 Near friction surface temperature with time under different moisture sulfur

由此可見，水對(duì)硫化亞鐵的自燃過程有促進(jìn)作用，降低了硫化亞鐵自燃起始溫度。但隨著含水量的增加，硫化亞鐵自燃溫度升溫趨勢(shì)并不明顯，這是由于水阻礙了硫化亞鐵與空氣接觸，且水的存在吸收了硫化亞鐵氧化釋放的部分熱量。

2.3 配對(duì)摩擦副材料對(duì)硫磺摩擦著火的影響

2.3.1 同種工況下不同材料配對(duì)摩擦副硫磺著火性能對(duì)比

試 驗(yàn) 選 取 45#-45#，45#-316L，45#-Q235，316L-316L，316L-Q235，Q235-Q235共6種材料配對(duì)在轉(zhuǎn)速400 rpm，載荷450 N的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)得各材料配對(duì)下的摩擦溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。

由圖9可知：在同種工況下，Q235-Q235這種材料配對(duì)摩擦副近摩擦表面溫度上升最慢。試驗(yàn)后對(duì)摩擦產(chǎn)物進(jìn)行收集并對(duì)其進(jìn)行了成分分析，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

從表2可以看出，Q235-Q235材料配對(duì)下生成硫化亞鐵的量最低，摩擦過程中溫升最慢，在實(shí)驗(yàn)載荷情況下未發(fā)生摩擦著火現(xiàn)象，相對(duì)其他5種摩擦副材料配對(duì)，Q235-Q235最不易發(fā)生摩擦著火現(xiàn)象。建議現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)摩擦著火部位的材料配對(duì)改為Q235-Q235。

2.3.2 不同材料配對(duì)摩擦副PV曲線測(cè)試試驗(yàn)

PV值是指接觸表面相互作用的壓力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度之乘積，是評(píng)定承載能力的重要參數(shù)。PV值試驗(yàn)通常是在一定速度下，采用逐步加載的方法進(jìn)行。當(dāng)溫度達(dá)到某一值或摩擦系數(shù)急劇上升時(shí)的前一級(jí)載荷即為該速度時(shí)的極限載荷Fmax。然后在不同速度下測(cè)定相應(yīng)的極限載荷，最后繪制PV曲線[31-32]。本試驗(yàn)通過對(duì)常見的6種材料配對(duì)摩擦副進(jìn)行PV值測(cè)試試驗(yàn)來確定不同材料配對(duì)摩擦副的轉(zhuǎn)速載荷控制曲線，為硫磺儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)安全防控措施的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。測(cè)得的PV值及PV曲線如表3和圖10所示。

2.4 濕法成型硫磺摩擦著火防控措施

為預(yù)防和控制濕法成型硫磺摩擦著火，對(duì)硫磺儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中容易發(fā)生硫磺摩擦著火現(xiàn)象的取料機(jī)鏈條結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)本節(jié)研究成果，得到不同材料配對(duì)的PV圖及不同摩擦副材料配對(duì)表面溫度隨時(shí)間的變化特性，發(fā)現(xiàn)在所研究的材料范圍內(nèi)，Q235-Q235配對(duì)溫度最高上升到55 ℃左右，此種情況下生成的硫化亞鐵最少。因此，提出優(yōu)化改進(jìn)措施如下：

圖9 6種材料配對(duì)摩擦溫度與時(shí)間的關(guān)系Fig. 9 Temperature curve for six kinds of materials

表2 同種工況不同材料配對(duì)摩擦副摩擦產(chǎn)物成分分析Table 2 Analysis of Friction Products of Pairing Friction Pair of Different Materials in the Same Condition

(1)更換與硫磺產(chǎn)生摩擦的設(shè)備的材料，將刮料板及取料機(jī)鏈條選為Q235材質(zhì)。Q235相對(duì)于其他材料如316L、45#等更不易與硫磺摩擦生熱引起燃燒。

(2)堆取料機(jī)刮板的大板片、筋板、框架改成Q235板，鉚釘采用硬鋁合金棒，使鉚釘結(jié)合力大幅度提高，進(jìn)而使框架鋼體性能提高。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)論，刮板最大應(yīng)力集中主要來源于大板片端部產(chǎn)生的力矩[33]，因此將吊耳折板朝外，即轉(zhuǎn)向180度，使兩邊的取料力矩增加，提高抗彎強(qiáng)度。在刮板筋板連接上進(jìn)行改進(jìn)，使兩種筋板連接全與吊耳緊固連接，以達(dá)到分解壓應(yīng)力的目的。

(3)刮板取料機(jī)采用鏈輪驅(qū)動(dòng)滾子鏈，再由滾子鏈牽引帶動(dòng)刮板來取料。由于鏈條長(zhǎng)期運(yùn)行，易被腐蝕，鏈條與鏈條盒間硫磺摩擦易產(chǎn)生高溫，使存留在鏈條盒內(nèi)硫磺燃燒起火。為防止此類事件發(fā)生，可以在鏈條處安裝電子感溫探測(cè)器進(jìn)行監(jiān)控，一旦溫度超過設(shè)定值如50 ℃，便觸動(dòng)報(bào)警裝置以及自動(dòng)噴淋系統(tǒng)。

(4)設(shè)備安裝時(shí)保證安裝就位準(zhǔn)確，防止設(shè)備安裝偏置導(dǎo)致的摩擦力增大。

表3 同種工況不同摩擦副材料配對(duì)PV值及PV曲線擬合公式Table 3 PV value and PV curve fitting formula of different materials of friction pairs

圖10 不同配對(duì)摩擦副材料的PV控制曲線Fig. 10 PV control curve of friction pairs with different materials

(5)如圖11所示，在取料機(jī)鏈條和驅(qū)動(dòng)刮板之間增加尼龍耐磨鏈條軌道側(cè)板，側(cè)板上部向外突起形成遮板，有效隔離鏈板與鏈條盒的摩擦。耐磨板與鏈條側(cè)板之間采用沉頭螺栓的方式連接，便于磨損尼龍板的更換[34]。

(6)對(duì)于部分不能更換材料的設(shè)備，根據(jù)其摩擦副的材料配對(duì)情況控制其工作運(yùn)行時(shí)的PV值，確保設(shè)備在所測(cè)PV曲線以下運(yùn)行。

圖11 堆取料機(jī)鏈條尼龍耐磨板Fig. 11 Stacking machine chain nylon wear plate

(7)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)運(yùn)輸過程中硫磺含水量在20%左右的時(shí)間，加強(qiáng)對(duì)該作業(yè)時(shí)段的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)。

(8)定期清掃易發(fā)生摩擦設(shè)備，及時(shí)清理摩擦產(chǎn)物。

3 結(jié)論

在自制的摩擦試驗(yàn)機(jī)上開展了硫磺摩擦著火試驗(yàn)，試驗(yàn)研究了載荷、硫磺含水量、配對(duì)摩擦副材料對(duì)硫磺摩擦著火的影響。得出以下結(jié)論：

(1)硫磺粉塵與鐵質(zhì)構(gòu)件互相摩擦?xí)r會(huì)發(fā)生機(jī)械化學(xué)反應(yīng)生成FeS2和FeS；硫鐵化合物的量與摩擦?xí)r間有關(guān)，摩擦?xí)r間越長(zhǎng)硫鐵化合物越多。

(2)當(dāng)載荷較大時(shí)，摩擦?xí)r間太短，生成硫鐵化合物的量太少，此時(shí)硫磺著火的原因是，摩擦生熱導(dǎo)致溫度急劇上升，當(dāng)溫度達(dá)到硫磺自燃點(diǎn)時(shí)，硫磺自燃。

(3)當(dāng)載荷較小時(shí)，摩擦升溫速度比較緩慢，溫度不能上升至硫磺的自燃點(diǎn)，但是摩擦過程中生成大量硫鐵化合物，當(dāng)硫鐵化合物接觸空氣時(shí)就會(huì)發(fā)生自燃，進(jìn)而引燃周圍的硫磺。

(4)在所設(shè)置含水量范圍內(nèi)當(dāng)硫磺含水量為20%時(shí)最容易發(fā)生硫磺摩擦著火現(xiàn)象，在所選用的配對(duì)摩擦副材料中Q235-Q235最不容易發(fā)生著火。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果提出了適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的硫磺儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)摩擦著火事故安全防控措施。