可燃气体及应用范围

焊接用可燃性气体种类繁多，但目前在气焊、切割中应用最多的是乙炔气（C₂ H₂），其次是石油气。也有根据本地区的条件或所焊（割）材料采用氢气、天然气或煤气等作为可燃气体的。在选用可燃性气体时应考虑以下因素：

1）发热量要大，也就是单位体积可燃气体完全燃烧放出的热量要大。

2）火焰温度要高，一般是指在氧气中燃烧的火焰最高温度要高。

3）可燃气体燃烧时所需要的氧用量要少，以提高其经济性。

4）爆炸极限范围要小。

5）运输相对方便。

1.乙炔（C₂H₂）

（1）乙炔的性质

1）乙炔是未饱和的碳氢化合物（C₂H₂），在常温和1atm（101325Pa）下是无色气体。一般情况下焊接用乙炔因含有H₂S及PH₃等杂质而有一种特殊的气味。

2）乙炔在纯氧中燃烧的火焰温度可达3150℃左右，热量比较集中，是目前在气焊和切割中应用最为广泛的一种可燃性气体。

3）乙炔的密度为1.17kg/m³。乙炔的沸点为-82.4℃，温度在-83.6℃时成为液体，温度低于-85℃时成为固体。气体乙炔可溶于水、丙酮等液体中。在15℃和1atm下，1L丙酮中能溶解23L乙炔，压力越大，乙炔在丙酮中的溶解度越大。当压力增加到1.42MPa时，1L丙酮中能溶解约400L乙炔。

4）乙炔属于易爆炸气体，其爆炸特性如下：

①纯乙炔当压力达0.15MPa、温度达580～600℃时，遇火就会发生爆炸，发生器和管路中乙炔的压力不得大于0.13MPa。

②乙炔与空气或氧气混合时，爆炸性会大大增加。乙炔与空气混合，按体积计算，乙炔占2.2%～81%时；乙炔与氧气混合，按体积计算，乙炔占2.8%～93%时，混合气体达到自燃温度（乙炔和空气混合气体的自燃温度为305℃，乙炔与氧气混合气体的自燃温度为300℃）或遇到火星时，在常压下也会发生爆炸。乙炔与氯气、次氯酸盐等混合，受日光照射或受热就会发生爆炸。乙炔与氮、一氧化碳、水蒸气混合会降低爆炸的危险性。

③乙炔如与铜、银等长期接触也能生成乙炔铜和乙炔银等爆炸物质。

④乙炔溶解在液体中，会大大降低爆炸性。

⑤乙炔的爆炸性与储存乙炔的容器形状和大小有关。容器直径越小，越不容易发生爆炸。乙炔储存在有毛细管状物质的容器中，即使压力增加到2.65MPa时也不会发生爆炸。

（2）乙炔的制取 工业用乙炔主要采用乙炔发生器由水分解工业用电石得到。

制取乙炔常用的乙炔发生器种类很多，按压力可以分为中压乙炔发生器（产生表压力为0.0069～0.127MPa乙炔气体的乙炔发生器）和低压乙炔发生器（产生表压力低于0.0069MPa乙炔气体的乙炔发生器）；按照电石与水接触方式的不同，可分为排水式、电石入水和排水联合式；按位置形式不同，可分为移动式和固定式。中压乙炔发生器的种类及技术性能见表3-49。

表3-49 中压乙炔发生器的种类及技术性能

（续）

对于质量要求高的气焊，应采用经过净化和干燥处理的乙炔。工业用电石是由生石灰和焦炭在电炉中熔炼而成的。乙炔气焊和切割用的电石质量等级与性能应符合表3-50中规定的要求。

表3-50 乙炔气焊和切割用的电石质量等级与性能

（3）乙炔的存储

1）由于乙炔受压时容易引起爆炸，因此不能采取加压直接装瓶的方法来储存。工业上通常利用其在丙酮中溶解度大的特性，将乙炔灌装在盛有丙酮或多孔物质的容器中，通常称为溶解乙炔或瓶装乙炔。(www.xing528.com)

2）乙炔瓶体通常被漆成白色，并漆有“乙炔”红色字样。瓶内装有浸满丙酮的多孔性填料，可使乙炔以1.5MPa的压力安全地储存在瓶内。使用时，必须使用乙炔减压器将乙炔压力降低到低于0.103MPa方可使用。多孔性填料通常用质轻而多孔的活性炭、木屑、浮石和硅藻土等混合制作。

3）焊接时，一般要求乙炔的纯度大于98%，规定的灌装条件是：温度为15℃时，充装压力不得大于1.55MPa。瓶装乙炔由于具有安全、方便、经济等优点，是目前大力推广应用的一种乙炔供给方法。

2.石油气

石油气是石油加工过程中的产品或副产品。切割中使用的石油气有单质气体，如丙烷、乙烯；也有炼油的副产品——多组分混合气，通常为丙烷、丁烷、戊烷和丁烯等混合物。

（1）丙烷（C₃H₈） 丙烷是切割中常用的燃气，其相对分子质量为44.094。总热值比乙炔高，但单位质量分子的燃烧热低于乙炔，火焰温度较低，且火焰热量比较分散。丙烷在纯氧中完全燃烧时的化学反应式为C₃H₈+5O₂→3CO₂+4H₂O。由该反应式可知，1个体积丙烷完全燃烧的理论耗氧量为5个体积。当丙烷在空气中燃烧时，实际耗氧量3.5个体积即形成中性火焰，火焰的温度为2520℃。而氧化焰的最高温度约为2700℃。

氧-丙烷中性火焰的燃烧速度为3.9m/s，回火的危险性较小，爆炸范围较窄，在氧气中为23%～95%。但耗氧量比乙炔高，因着火点高，不容易着火。

（2）丙烯（C₃H₆） 丙烯的相对分子质量为42.078，总热值比丙烷低，但火焰温度较高。丙烯在纯氧中完全燃烧的化学反应式为C₃H₆+4.5O₂→3CO₂+3H₂O。由该反应式可知，1个体积丙烷完全燃烧的理论耗氧量为4.5个体积。在空气中燃烧时形成中性火焰的实际耗氧量为2.6个体积。中性火焰的温度为2870℃。当丙烯与氧的混合比为1∶3.6时即成氧化焰，可获得较高的火焰温度。

由于丙烯的耗氧量低于丙烷，而火焰温度又较高，国外曾一度用作切割气体。

（3）丁烷（C₄H₁₀） 丁烷的相对分子质量为58.12，其总热值高于丙烷。丁烷在纯氧中完全燃烧的化学反应式为C₄H₁₀+6.5O₂→4CO₂+5H₂O。由该反应式可知，1个体积丁烷完全燃烧的理论耗氧量为6.5个体积。在空气中燃烧时形成中性火焰的实际耗氧量为4.5个体积，比丙烷高。丁烷与氧或空气的混合气体爆炸范围窄（体积分数为1.5%～8.5%），不易发生回火。但因其火焰温度低，因此不能单独用作切割的燃气。

（4）液化石油气 液化石油气是石油工业的一种副产品，主要成分为丙烷（C₃H₈）、丁烷（C₄H₁₀）、丙烯（C₃H₆）、丁烯（C₄H₈）和少量的乙炔（C₂H₂）、乙烯（C₂H₄）、戊烷（C₅H₁₂）等碳氢化合物。液化石油气在普通温度和大气压下，组成液化石油气的这些碳氢化合物以气态存在，但只要加上0.8～1.5MPa的压力就会变为液体以便于瓶装存储和运输。

工业上一般使用气态的石油气。气态石油气是一种略带臭味的无色气体，在标准状态下，石油气比空气密度大，其密度为1.8～2.5kg/m³。液化石油气的几种主要成分均能与空气或氧气构成具有爆炸性的混合气体，但爆炸混合比值范围较小，与使用乙炔相比价格便宜，比较安全，不会发生回火。液化石油气安全燃烧所需氧气量比乙炔大，火焰温度较乙炔低，燃烧速度也较慢，故液化石油气的割炬也应做相应的改制，要求割炬有较大的混合气体喷出截面，以降低流出速度，保证良好的燃烧。

采用液化石油气切割，必须注意调节液化石油气的供气压力，一般是通过液化石油气的供气设备来调节的。液化石油气的供气设备主要包括气体钢瓶、汽化器和调节器。

1）气体钢瓶。根据用户用量及使用方式，钢瓶容量也有所不同。工业上常采用30kg容量钢瓶，如果单位液化石油气用量较大，还可制造1.5t和3.5t的大型储气罐。

钢瓶的制造材料可采用Q345（16Mn）钢、甲类钢Q235或20优质碳素钢等。钢瓶最大工作压力为1.6MPa，水压试验为3MPa。液化石油气钢瓶外表涂银灰色，并标明“液化石油气”字样。常用液化石油气钢瓶的规格见表3-51。钢瓶经试验鉴定后，固定在瓶体上的金属牌应注明制造厂商、编号、质量、容量、制造日期、试验日期、工作压力、试验压力等，并标有制造厂检查部门的钢印。

表3-51 常用液化石油气钢瓶的规格

2）汽化器。又称蛇管式换热器。管内通液化石油气，管外通40～50℃的热水，以供给液化石油气蒸发所需要的热量。

管外所通热水可由外部供给，也可以用本身的液化石油气燃烧来加热。加热水所消耗的燃料仅占整个石油气汽化量的2.5%左右。通常在用户量较大、液化石油气中丁烷含量大、饱和蒸气压低、冬季在室外作业等情况下才要考虑使用汽化器。

3）调压器。调压器有两个作用：一是将钢瓶内的压力降至工作时所需要的压力，二是稳定输出压力并保证供气量均匀。

调压器的最大优点在于其输出气体的压力可在一定范围内调节。一般民用调压器用于切割一般厚度的钢板，其输出压力为2～3MPa。民用调压器只要通过更换弹簧，其输出压力就可提高至25MPa左右。但在改制时必须保证安全阀弹簧处不漏气，具体的办法是拧紧安全阀弹簧。如果液化石油气的用量太大，则应使用大型调压器，如果用乙炔瓶罐装液化石油气，则可使用乙炔调压器。

对于切割一般厚度的钢板，减压器的输出压力：手工切割时为2.5MPa左右，自动切割时为10～30MPa。必须用明火点燃，点燃后再增加氧气和石油气量，需调至火焰最短，呈蓝色，伴有呜呜声响时火焰温度最高，方可进行预热和切割。

（5）天然气 天然气是油气田的产物，其成分随产地而异，主要成分是甲烷（CH₄），也属于碳氢化合物。甲烷在常温下为无色、有轻微臭味的气体，其液化温度为-162℃，与空气或氧气混合时也会发生爆炸，甲烷与氧的混合气体爆炸范围为5.4%～59.2%（体积分数）。甲烷在氧气中燃烧速度为5.5m/s。甲烷在纯氧中完全燃烧时的化学反应式为CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O。由该反应式可知，其理论耗氧量为1∶2，空气中燃烧时形成中性火焰的实际耗氧量为1∶1.5，火焰温度约为2540℃，比乙炔低得多，因此切割时需要预热较长的时间。通常在天然气丰富的地区用作切割的燃气。

（6）氢气（H₂） 氢气是无色无味的可燃性气体，氢的相对原子质量最小，可溶于水。氢气具有最大的扩散速度和很高的导热性，其热导率比空气大7倍，极易泄漏，点火能量低，是一种最危险的易燃易爆气体。在空气中的自燃点为560℃，在氧气中的自燃点为450℃，氢氧火焰温度可达2660℃（中性焰）。氢气具有很强的还原性，在高温下，它可以从金属氧化物中使金属还原。制备氢气的常用方法有分解粗汽油法、分解氨水法和电解水法。氢气可以加压装入钢瓶中，在温度21℃时充气压力为14MPa（表压）。

氢气常被用于等离子弧的切割和焊接，有时也用于铅的焊接。在熔化极气体保护焊时在Ar中加入适量H₂，可增大母材的输入热量，提高焊接速度和效率。气焊或切割时氢气的使用技术要求见表3-52。

表3-52 气焊或切割时氢气的使用技术要求

注：超纯氢、高纯氢中氧含量指氧和氩的总量；超纯氢指管道氢，不包括瓶装氢。