Плавкая пробка представляет собой металлический цилиндр с резьбой, обычно из бронзы , латуни или бронзы , с коническим отверстием, просверленным по всей длине. Это отверстие запечатано металлом с низкой температурой плавления, который вытекает при достижении заданной высокой температуры. Первоначально плавкая пробка использовалась в качестве меры предосторожности против низкого уровня воды в котлах паровых двигателей , но позже ее применение распространилось и на другие закрытые сосуды, такие как системы кондиционирования воздуха и резервуары для транспортировки агрессивных или сжиженных нефтяных газов.
Плавкая пробка действует как предохранительный клапан, когда в закрытом сосуде достигаются опасные температуры, а не опасные давления. В паровых котлах плавкая пробка ввинчивается в верхний лист (верхнюю пластину) топки , обычно выступая примерно на дюйм (25 мм) в водное пространство над ней. Его цель — действовать как последнее средство безопасности в случае, если уровень воды падает опасно низко: когда верхняя часть пробки выходит из воды, она перегревается, сердцевина с низкой температурой плавления плавится, и возникает шум. Выпуск пара в топку служит для предупреждения операторов об опасности до того, как верхняя часть топки полностью высохнет, что может привести к катастрофическому выходу котла из строя. Температура дымовых газов в топке парового двигателя может достигать 1000 °F (550 °C), при которой медь , из которой исторически изготавливалось большинство топок, размягчается до состояния, которое больше не может выдерживать давление в котле и серьезное Если быстро не залить воду в котел и не устранить или потушить огонь, произойдет взрыв. [1] Отверстие в пробке слишком маленькое, чтобы оказать существенное влияние на снижение давления пара, а небольшое количество воды, если таковое имеется, которая проходит через него, не окажет большого влияния на тушение пожара. [2]
Устройство было изобретено в 1803 году Ричардом Тревитиком , сторонником паровых машин высокого давления (в отличие от атмосферных ), вследствие взрыва в одном из его новых котлов. Его недоброжелатели стремились осудить всю концепцию пара высокого давления, но Тревитик доказал, что авария произошла из-за того, что его пожарный не позаботился о том, чтобы котел был наполнен водой. Он широко разрекламировал свое изобретение без патента, чтобы противостоять этой критике. [3] [4]
Эксперименты, проведенные Институтом Франклина в Бостоне в 1830-х годах, первоначально поставили под сомнение практику добавления воды, как только был отмечен выход пара через устройство. Паровой котел был оснащен небольшим смотровым окном из стекла и нагревался выше нормальной рабочей температуры, при этом уровень воды был ниже верхней части топки. Когда добавили воду, выяснилось, что давление внезапно возросло и смотровое стекло разбилось. В отчете был сделан вывод, что высокая температура металла привела к слишком быстрому испарению добавленной воды, и неизбежным результатом стал взрыв. [5] Лишь в 1852 году это предположение было оспорено: Томас Редмонд, один из инспекторов института, специально исключил эту теорию в своем расследовании взрыва котла на пароходе « Редстоун» на реке Огайо 3 апреля того же года. [6] Расследование 1907 года в Уэльсе пришло к аналогичному выводу: паровоз, принадлежащий железной дороге Римни, был случайно отправлен с неправильно собранными предохранительными клапанами. Давление в котле поднялось до такой степени, что форсунки вышли из строя; лист кроны обнажился, ослабел от жара огня и сильно разлетелся на части. Расследование, проведенное полковником Друиттом из Железнодорожной инспекции , отвергло версию о том, что машинистам удалось запустить форсунки и что внезапный поток холодной воды вызвал такое образование пара, что котел взорвался. Он процитировал результаты экспериментов Манчестерской ассоциации пользователей пара , национального органа по сертификации и страхованию котлов, которые доказали, что вес присутствующей меди (с учетом ее удельной теплоемкости ) недостаточен для выработки достаточного количества пара, чтобы вообще поднять давление в котле. . Действительно, добавление холодной воды привело к падению давления. С тех пор было принято, что правильным действием в случае срабатывания плавкой пробки является долив воды. [7]
.jpg/1280px-'National'_fusible_plug,_section_(Army_Service_Corps_Training,_Mechanical_Transport,_1911).jpg){kind=spacer}
Первоначальная конструкция представляла собой простую твердую пробку, заполненную заготовкой из легкоплавкого сплава. Когда он плавится, он сначала плавится в виде узкого канала через пробку. Через него сразу же начинают выходить пар и вода. Плавкая пробка с сердечником была разработана в 1860-х годах, чтобы обеспечить широкое отверстие, как только сплав размягчится. Эта версия имеет цельный латунный или бронзовый центр, припаянный слоем легкоплавкого сплава. При перегреве заглушка не выделяет пар или воду до тех пор, пока сплав не расплавится настолько, чтобы освободить центральную заглушку. Пробка теперь резко выходит из строя, мгновенно открывая все отверстие. Тогда этот полнопроходной реактивный самолет будет с большей вероятностью замечен. [8]
Недостаток устройства был обнаружен 7 марта 1948 года, когда коронный лист топки принцессы Александры , коронационной тихоокеанской железной дороги Лондона , Мидленда и Шотландии , вышел из строя при буксировке пассажирского поезда из Глазго в Лондон. Расследование установило, что оба водомера были неисправны, и во время поездки ранее в тот же день одна или обе плавкие пробки расплавились, но это осталось незамеченным машинным экипажем из-за сильной тяги, уносившей от них выходящий пар. [9]
Исследование показало влияние сплава на старение свечи. Первоначально предпочтение отдавалось сплавам, поскольку они имели более низкую температуру плавления эвтектики , чем чистые металлы. Однако было обнаружено, что сплавы плохо стареют и могут способствовать образованию оксидной матрицы на водной поверхности пробки, причем эта матрица имеет опасно высокую температуру плавления, что делает пробку неработоспособной. В 1888 году Служба инспекции пароходов США потребовала, чтобы заглушки были изготовлены из чистой банки и заменялись ежегодно. [10] [11] Это позволило избежать загрязнения свинцом и цинком . Загрязнение цинком считалось настолько серьезной проблемой, что корпус заглушек также был заменен из латуни (медно-цинковый сплав) на безцинковую медно-оловянную бронзу , чтобы избежать риска миграции цинка из корпуса в сплав. затыкать. [10]
В 1920-х годах исследования, проведенные Бюро стандартов США совместно с Инспекционной службой пароходов, обнаружили, что при использовании накипь и окисление над плавким сердечником могут повысить температуру плавления устройства и помешать ему работать при необходимости: превышение температуры плавления в использованных примерах обнаружено значение 2000 °F (1100 °C). [10] Типичная нынешняя практика в локомотивах требует проверки новых заглушек через «15–30 рабочих дней (в зависимости от состояния воды и использования локомотива) или не реже одного раза в шесть месяцев», в зависимости от рабочего давления и температуры котла. [12]
Принцип плавкой пробки также применяется при транспортировке сжиженных нефтяных газов , где плавкие пробки (или небольшие открытые участки мембраны контейнера) плавятся или становятся пористыми при достижении слишком высокой температуры: контролируемый выброс при типичной температуре 250 °F (120 °C) предпочтительнее взрывного выброса (« BLEVE ») при более высокой температуре. [13] Контейнеры с едкими газами, например те, которые используются для жидкого хлора , оснащены одной или несколькими плавкими заглушками с рабочей температурой от 158 до 165 °F (70–74 °C). [14]
Плавкие вилки часто встречаются в колесах самолетов, обычно в более крупных или высокопроизводительных самолетах. Очень большие тепловые нагрузки, вызванные ненормальными условиями посадки и торможения (такими как прерванный взлет на высокой скорости , когда самолет с большим количеством топлива должен резко тормозить с очень высокой скорости до остановки на относительно коротком расстоянии), могут вызвать и без того высокую давление в шинах поднимается до такой степени, что шина может лопнуть, поэтому в качестве предохранительного механизма используются пробки с плавким предохранителем. Выпускаемый газ может быть направлен на охлаждение тормозных поверхностей. [15]
Пробки с плавкими предохранителями иногда устанавливаются на ресиверах воздушных компрессоров в качестве меры предосторожности против воспламенения любых паров смазочного масла, которые могут присутствовать. Если под действием компрессора воздух нагреется выше безопасной температуры, ядро расплавится и сбросит давление. [16]
Автомобильные системы кондиционирования воздуха обычно оснащались пробками с плавкими предохранителями, работающими при температуре 100–110 ° C, но из-за опасений по поводу воздействия на окружающую среду любого выпущенного газообразного хладагента эту функцию взял на себя электрический переключатель. [17]
В запатентованном (патент опубликован в 1867 году) огнестойком сейфе используется плавкая пробка, позволяющая облить его содержимое водой, если внешняя температура становится слишком высокой. [18] [19]
Плавкие вставки повышают безопасность ядерных реакторов с жидким фторидом тория, предотвращая перегрев реактора. В случае достижения предельной температуры плавкая пробка, расположенная в нижней части реактора, плавится, позволяя жидкому топливу реактора стекать в подземные резервуары-хранилища, предотвращая ядерный расплав . [20]
... нехватка воды способствует только [настолько], поскольку металл может нагреваться и ослабляться вследствие этого; что ни в коем случае вода на нагретой части котла не может образовать пар в таком количестве, чтобы взорвать котел...