Гелий – солнечный газ

Версия для печатиВерсия для печати
Гелий
химический элемент, атомный номер 2, атомная масса 4,0026, относится к инертным газам, без цвета и запаха. Объемное содержание гелия в воздухе 0,00052%. Гелий значительно легче воздуха, плотность 0,1785 кг/м3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -268,9°С. Потенциал ионизации 25,4 В. Бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ, хорошо диффундирует через твердые тела. Химическая формула - He.

Гелий получают из гелийсодержащих природных газов, минералов и воздуха (см. Способы получение гелия)

Впервые гелий был обнаружен во время солнечного затмения 1868 г. астрономы впервые применили спектроскопию для исследования атмосферы Солнца.

24 октября 1868 г. Французская академия наук получила два сообщения - от Пьера Жюль Сезара Жансена (Pierre Jules Cesar Janssen) из Индии и от Джозефа Нормана Локьера (Joseph Norman Lockyer) из Лондона - об открытии ими в спектре солнечной короны новой ярко-желтой линии, которой впоследствии был присвоен символ D3. Совпадение двух независимых сообщений из разных концов мира свидетельствовало о возможности методами спектроскопии проникнуть в тайны солнечной атмосферы и других далеких звезд.

Вопрос о том, какому веществу отвечает линия D3, долго еще оставался открытым. Было лишь установлено, что в спектрах элементов, известных на нашей планете, пока не обнаружено спектральной линии, подобной ярко-желтой линии D3. Локьер ошибочно считал, что раскаленный газ, излучение которого дает таинственную линию D3, является модификацией водорода, не встречающейся на Земле.

В августе 1871 г. Кельвин заявил, что линия D3 до сих пор не идентифицирована с каким-либо земным элементом. Возможно, что она принадлежит новому веществу, которому Локьер и Жансен предложили дать название гелий (от греческого слова гелиос - солнце).

В 1895 г. Сэр Уильям Рамзай (Sir William Ramsay) изучал газ, выделенный им из минерала клевеита, и в гейслеровой трубке неожиданно обнаружил яркую желтую линию. Выдающийся спектроскопист того времени Уильям Крукс (William Crookes) определил длину волны новой линии (5874,9 А) и установил, что это линия D3, на этом основании Рамзай сообщил (23 марта 1895 г.) об открытии им гелия на Земле.
Такова история открытия важнейшего представителя группы инертных газов - гелия, который сначала был обнаружен в солнечной атмосфере, а затем (через 27 лет) - на Земле.

Вскоре гелий был обнаружен в других минералах и горных породах, содержащих уран. Наличие гелия в земной коре позволило сделать вывод о его содержании в атмосфере, хотя многие ученые утверждали, что этот легкий газ, выделяющийся из земной коры, полностью уносится из атмосферы в космическое пространство. Вскоре Генрих Кайзер, а затем Зигберт Фридлендер (1896 г.), а также Эдвард Бэли в результате анализа первой выпаренной фракции жидкого воздуха доказали присутствие гелия в атмосфере.

В промышленности гелий применяют в меньших масштабах, чем аргон. Чаще всего его используют:

  • хладагент – охлаждение сверхпроводящих магнитов в медицинских сканерах МРТ;
  • металлургия – выплавка чистых металлов;
  • подводно-спасательное дело – в составе дыхательных смесей;
  • сварочное производство – защитный газ;
  • в индустрии развлечений – заполнение шариков.

В связи с тем, что гелий примерно в 10 раз легче аргона, что понижает эффективность защиту сварочной ванны при сварке в нижнем положении, но способствует лучшей защите при сварке в потолочном положении, поэтому расход гелия при сварке увеличивается в 1,5-3 раза.

Применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.

Гелий становится предпочтительнее аргона при необходимости дополнительной защиты швов при сварке в потолочном положении. Особенно при сварке титановых сплавов и других химически активных металлов, поглощающих азот и кислород не только в расплавленном состоянии, но и в твердом при нагреве выше определенной температуры.

Однако не только защитные свойства аргона и гелия различны. Различными являются и характеристики дуги в этих газах. Так, при одинаковой силе тока напряжение дуги в гелии значительно выше, чем дуги в аргоне. Такая дуга имеет большую проплавляющую способность и менее концентрирована (создает иную форму проплавления, более равномерную, в то время как дуга в аргоне при сварке, например, титановых сплавов вольфрамовым электродом дает большое проплавление в центре и значительно меньшее по краям ванны). Перепад напряжения в столбе дуги в гелии больше, чем в аргоне, поэтому изменение длины дуги заметнее сказывается на напряжении и общей ее теплоэффективности (см. статью «Свойства сварочной дуги в инертных газах - аргоне и гелии»).

Форма шва и проплавление для различных защитных газов

Форма шва и проплавление для различных защитных газов

В зависимости от применения аргона или гелия меняется и поверхностное натяжение на границе металл-газовая фаза. Так, для хромоникелевых сталей аустенитного класса поверхностное натяжение жидкого металла при сварке в гелии заметно меньше, чем в аргоне. Это сказывается и на формировании поверхности швов. Более плавные переходы от шва к основному металлу, при сварке в гелии, имеют место и для других металлов, в частности титановых сплавов и в ряде случаев оказывают влияние на некоторые характеристики работоспособности сварных соединений.

Стоимость гелия значительно выше, чем аргона, поэтому применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.

Чаще всего гелий используют для образования инертных газовых смесей. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха и увеличивают производительность сварки в целом. В смеси в полной мере реализуются преимущества обоих газов:

  • аргон - обеспечивает стабильность горения дуги;
  • гелий - обеспечивает высокую степень проплавления.

Методы определения доли примесей и условий поставки гелия регламентируются ГОСТ 20461. Транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах при давлении 15 МПа или в сжиженном состоянии при давлении менее 0,2 МПа.

Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «ГЕЛИЙ». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949.

Баллон с гелием

Коэффициенты перевода объема и массы гелия при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Масса, кг

Объем

Газ, м3

Жидкость, л

0,167

1

1,336

0,125

0,749

1

1

5,988

8,000

Коэффициенты перевода объема и массы гелия при Т=0°С и Р=0,1 МПа

Масса, кг

Объем

Газ, м3

Жидкость, л

0,178

1

1,425

0,125

0,702

1

1

5,618

8,000

Газ в баллоне

Наименование

Объем баллона, л

Масса газа в баллоне, кг

Объем газа (м3) при Т=15°С, Р=0,1 МПа

Гелий

40

1,002

6,0

Давление гелия в баллоне при различной температуре окружающей среды

Температура окружающей среды

Давление в баллоне, МПа

-40

12,2

-30

12,7

-20

13,2

-10

13,7

0

14,3

+10

14,7

+20

15,3

+30

15,8