Совместимость с кислородом

Кислородная совместимость – это вопрос совместимости материалов для работы в условиях концентраций кислорода высоких . Это критическая проблема в космосе, авиации, медицине, подводном плавании и промышленности. Аспекты включают влияние повышенной концентрации кислорода на воспламенение и горение материалов и компонентов, подвергающихся воздействию этих концентраций при эксплуатации.

Понимание пожарной опасности необходимо при проектировании, эксплуатации и обслуживании кислородных систем, чтобы можно было предотвратить пожары. Риск возгорания можно свести к минимуму, контролируя источники тепла и используя материалы, которые не воспламеняются или не поддерживают горение в соответствующей среде. Некоторые материалы более восприимчивы к воспламенению в средах, богатых кислородом, поэтому совместимость следует оценить перед введением компонента в кислородную систему. ^{[ 1 ]} На опасность пожара влияют как парциальное давление, так и концентрация кислорода.

Вопросы очистки и проектирования тесно связаны с совместимостью материалов для обеспечения безопасности и долговечности при работе с кислородом.

Предотвращение пожара

Пожары возникают, когда кислород, топливо и тепловая энергия объединяются в самоподдерживающуюся химическую реакцию. В кислородной системе подразумевается наличие кислорода, и при достаточно высоком парциальном давлении кислорода большинство материалов можно считать топливом. Потенциальные источники воспламенения присутствуют почти во всех кислородных системах, но опасность пожара можно снизить, контролируя факторы риска, связанные с кислородом, топливом или теплом, которые могут ограничить тенденцию к возникновению химической реакции.

Материалы легче воспламеняются и легче горят по мере увеличения давления или концентрации кислорода, поэтому эксплуатации кислородных систем при минимально возможном давлении и концентрации может быть достаточно, чтобы избежать воспламенения и горения.

Использование материалов, которые по своей природе труднее воспламеняются или устойчивы к длительному горению, или которые выделяют меньше энергии при горении, может в некоторых случаях исключить возможность возгорания или минимизировать ущерб, причиняемый пожаром.

Хотя источники тепла могут быть неотъемлемой частью работы кислородной системы, начало химической реакции между материалами системы и кислородом можно ограничить, контролируя способность этих источников тепла вызывать возгорание. Конструктивные особенности, которые могут ограничить или рассеять выделяемое тепло, чтобы поддерживать температуру ниже температуры воспламенения материалов системы, предотвратят возгорание.

Кислородная система также должна быть защищена от внешних источников тепла. ^{[ 1 ]}

Оценка кислородной совместимости

Процесс оценки кислородной совместимости обычно включает следующие этапы: ^{[ 1 ]}

Определение наихудших условий эксплуатации.
Оценка горючести материалов системы. Следует учитывать геометрию, поскольку большинство материалов более пожароопасны, если они имеют небольшое поперечное сечение или мелко измельчены.
Оценка наличия и вероятности механизмов возгорания. Они могут включать в себя:
- Химическая реакция: Экзотермическая реакция между химическими веществами, которая может выделить достаточно тепла для воспламенения окружающих материалов.
- Электрическая дуга: образование дуги электрическим током с достаточной энергией для воспламенения материала, воспринимающего дугу.
- Выхлоп двигателя
- Взрывные заряды
- Трение потока: тепло, выделяемое высокоскоростным потоком кислорода над неметаллом.
  - Примечание . Трение потока является гипотезой. Трение потока не было проверено экспериментально и его следует рассматривать только в сочетании с проверенными механизмами зажигания.
- Трение между относительно движущимися частями
- Фрагменты лопнувших сосудов
- Воздействие свежего металла: теплота окисления, выделяющаяся, когда неокисленный металл подвергается воздействию окислительной атмосферы. Обычно связано с переломом, ударом или трением.
- Истирание и трение : Тепло, выделяющееся при трении компонентов друг о друга.
- Молния и другие электрические дуговые разряды
- Механическое воздействие: Тепло, возникающее при воздействии на материал, обладающее энергией, достаточной для его воспламенения.
- Открытое пламя
- Удар частиц: тепло, выделяющееся, когда мелкие частицы ударяются о материал с достаточной скоростью, чтобы воспламенить частицу или материал.
- Курение персонала
- Быстрое повышение давления: тепло, выделяемое в результате одного или нескольких адиабатического сжатия . событий
- Резонанс : Акустические колебания в резонансных полостях, вызывающие быстрый рост температуры.
- Статический разряд: Разряд накопленного статического электрического заряда с достаточной энергией, чтобы воспламенить материал, получивший заряд.
- Тепловой неуправляемый процесс: процесс, при котором тепло выделяется быстрее, чем оно успевает рассеиваться.
- Сварка
Оценка риска возгорания и последствий возгорания. Дальнейшее развитие или затухание пожара.
Анализ последствий пожара

При анализе совместимости также будет учитываться история использования компонента или материала в аналогичных условиях или аналогичного компонента.

Кислородная служба

Работа с кислородом предполагает использование в контакте с высоким парциальным давлением кислорода. Обычно это означает более высокое парциальное давление, чем возможно у сжатого воздуха, но это также может произойти и при более низких давлениях, когда концентрация высока.

Кислородная очистка

Кислородная очистка — это подготовка к работе с кислородом, гарантирующая, что поверхности, которые могут вступать в контакт с высоким парциальным давлением кислорода во время использования, не содержат загрязнений, повышающих риск возгорания. ^{[ 2 ]}

Кислородная очистка является необходимым, но не всегда достаточным условием для эксплуатации с высоким парциальным давлением или высокой концентрацией кислорода. Используемые материалы также должны быть совместимы с кислородом во всех ожидаемых условиях эксплуатации. Алюминиевые и титановые компоненты особенно не подходят для работы с кислородом. ^{[ 2 ]}

В случае водолазного снаряжения кислородная очистка обычно включает в себя разборку оборудования на отдельные компоненты, которые затем тщательно очищаются от углеводородов и других горючих загрязнений с использованием негорючих и нетоксичных чистящих средств. После высыхания оборудование снова собирается в чистых условиях. При сборке смазочные материалы заменяются заменителями, специально совместимыми с кислородом. ^{[ 2 ]}

Стандарты и требования к кислородной очистке водолазного снаряжения варьируются в зависимости от применения, а также действующего законодательства и правил практики. Для снаряжения для подводного плавания отраслевым стандартом является то, что дыхательные аппараты, которые будут подвергаться воздействию концентраций кислорода, превышающих 40% по объему, должны подвергаться кислородной очистке перед вводом в эксплуатацию. ^{[ 2 ]} К оборудованию, поставляемому с поверхности, могут предъявляться более строгие требования, поскольку дайвер может оказаться не в состоянии снять оборудование в случае аварии. Очистка кислорода может потребоваться при концентрации всего 23%. ^{[ 3 ]} Другие распространенные спецификации кислородной очистки включают ASTM G93 и CGA G-4.1. ^{[ 4 ]}

Используемые чистящие средства варьируются от промышленных растворителей для тяжелых условий эксплуатации и моющих средств, таких как жидкий фреон , трихлорэтилен и безводный тринатрийфосфат , с последующим ополаскиванием в деионизированной воде . Эти материалы в настоящее время считаются устаревшими как экологически вредные и ненужные для здоровья. Было обнаружено, что некоторые сильные универсальные бытовые моющие средства вполне справляются со своей задачей. Перед применением их разбавляют водой и используют горячими для достижения максимальной эффективности. Ультразвуковое перемешивание, встряхивание, распыление под давлением и галтовка с использованием шариков из стекла или нержавеющей стали или мягких керамических абразивов эффективно используются для ускорения процесса, где это необходимо. Тщательная промывка и сушка необходимы, чтобы гарантировать, что оборудование не загрязнено чистящим средством. Промывание следует продолжать до тех пор, пока вода для полоскания не станет прозрачной и не будет образовывать стойкую пену при встряхивании. Сушка с использованием нагретого газа (обычно горячего воздуха) является обычным явлением и ускоряет процесс. Использование осушающего газа с низким содержанием кислорода может уменьшить быстрое ржавление внутренней части стальных баллонов. ^{[ 2 ]}

После очистки и сушки, а также перед повторной сборкой очищенные поверхности осматриваются и, при необходимости, проверяются на наличие загрязнений. Проверка при ультрафиолетовом освещении может выявить наличие флуоресцентных загрязнений, но не гарантирует выявления всех загрязнений. ^{[ 2 ]}

Проектирование кислородного сервиса

Проектирование кислородной службы включает в себя несколько аспектов:

Выбор материалов, совместимых с кислородом, для открытых компонентов. ^{[ 5 ]}
Минимизация открытой площади материалов, которые необходимы по функциональным причинам, но менее совместимы, и избежание высоких скоростей потока при контакте с этими материалами. ^{[ 5 ]}
Обеспечение эффективной теплопередачи во избежание повышения температуры компонентов. ^{[ 5 ]}
Сведение к минимуму возможности адиабатического нагрева из-за внезапного повышения давления - например, за счет использования клапанов, которые нельзя внезапно открыть на полный проход или открыть против регулятора давления. ^{[ 5 ]}
Обеспечение гладких поверхностей, контактирующих с потоком, где это практически возможно, и минимизация резких изменений направления потока.
Использование пламегасителей / пламегасителей / кислородных противопожарных преград в гибком шланге

Кислородосовместимые материалы

Как правило, совместимость с кислородом связана с высокой температурой воспламенения и низкой скоростью реакции после воспламенения. ^{[ 6 ]}

Органические материалы обычно имеют более низкие температуры воспламенения, чем металлы, которые считаются пригодными для работы с кислородом. Поэтому следует избегать или сводить к минимуму использование органических материалов, контактирующих с кислородом, особенно когда материал подвергается непосредственному воздействию потока газа. Когда для изготовления таких деталей, как диафрагмы, уплотнения, уплотнения или седла клапанов необходимо использовать органический материал, обычно выбирают материал с самой высокой температурой воспламенения для требуемых механических свойств. Фторэластомеры предпочтительны там, где большие площади находятся в непосредственном контакте с потоком кислорода. Другие материалы могут быть приемлемыми для статических уплотнений, где поток не вступает в прямой контакт с компонентом. ^{[ 6 ]}

Следует использовать только проверенные и сертифицированные смазочные материалы и герметики, совместимые с кислородом, и в настолько малых количествах, насколько это практически возможно для обеспечения эффективного функционирования. Следует избегать попадания излишков герметика или загрязнения смазкой в области потока. ^{[ 5 ]}

Обычно используемые конструкционные металлы с высокой устойчивостью к воспламенению в кислороде включают медь, медные сплавы и никель-медные сплавы, и эти металлы также обычно не способствуют распространению горения, что делает их обычно пригодными для работы в кислороде. Они также доступны из легкорежущих, литейных или высокопластичных сплавов и обладают достаточной прочностью, поэтому подходят для широкого спектра компонентов кислородной техники. ^{[ 6 ]}

Алюминиевые сплавы имеют относительно низкую температуру воспламенения и выделяют большое количество тепла во время сгорания и не считаются подходящими для работы с кислородом, где они будут непосредственно подвергаться воздействию потока, но приемлемы для баллонов-хранилищ, где скорость потока и температура низкие. ^{[ 5 ]}

Приложения

Аэрокосмическая промышленность - термин, используемый для обозначения атмосферы и космического пространства.
Медицина – Диагностика, лечение и профилактика заболеваний.
Производство - Промышленная деятельность по производству товаров для продажи с использованием рабочей силы и машин.
Подводное плавание – спуск под поверхность воды для взаимодействия с окружающей средой.

Исследовать

Анализ опасностей выполняется для материалов, компонентов и систем; анализ отказов определяет причины пожаров. Результаты используются при проектировании и эксплуатации безопасных кислородных систем.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Росалес, КР; Шоффстолл, Миссисипи; Штольцфус, Дж. М. (2007). Руководство по оценке кислородной совместимости кислородных компонентов и систем . NASA/TM-2007-213740 (Отчет). Космический центр Джонсона; Испытательный полигон Уайт-Сэндс: НАСА. Архивировано из оригинала 4 июня 2012 года . Проверено 4 июня 2013 г. {{cite report}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Харлоу, Вэнс (2001). Спутник кислородного хакера (4-е изд.). Уорнер, Нью-Гэмпшир: Airspeed Press.
^ Консультативный совет по дайвингу. Кодекс практики прибрежного дайвинга (PDF) . Претория: Министерство труда Южной Африки. Архивировано из оригинала (PDF) 9 ноября 2016 года . Проверено 16 сентября 2016 г.
^ «Технические характеристики кислородной очистки» . Харрисон Электрополировка . Проверено 28 июля 2020 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Консультативная группа по безопасности (2008 г.). «Принципы безопасности кислородных систем высокого давления» . Брюссель: Европейская ассоциация промышленных газов . Проверено 18 июня 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Бюллетень продукта 59:045 — Рекомендации по материалам для работы с газообразным кислородом» (PDF) . www.Fisher.com. Октябрь 2006 года . Проверено 18 июня 2018 г.

[Rosales_et_al_2007-1] Jump up to: ^а ^б ^с Росалес, КР; Шоффстолл, Миссисипи; Штольцфус, Дж. М. (2007). Руководство по оценке кислородной совместимости кислородных компонентов и систем . NASA/TM-2007-213740 (Отчет). Космический центр Джонсона; Испытательный полигон Уайт-Сэндс: НАСА. Архивировано из оригинала 4 июня 2012 года . Проверено 4 июня 2013 г. {{cite report}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )

[Harlow_2001-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Харлоу, Вэнс (2001). Спутник кислородного хакера (4-е изд.). Уорнер, Нью-Гэмпшир: Airspeed Press.

[CoP_Inshore-3] Консультативный совет по дайвингу. Кодекс практики прибрежного дайвинга (PDF) . Претория: Министерство труда Южной Африки. Архивировано из оригинала (PDF) 9 ноября 2016 года . Проверено 16 сентября 2016 г.

[4] «Технические характеристики кислородной очистки» . Харрисон Электрополировка . Проверено 28 июля 2020 г.

[EIGA-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Консультативная группа по безопасности (2008 г.). «Принципы безопасности кислородных систем высокого давления» . Брюссель: Европейская ассоциация промышленных газов . Проверено 18 июня 2018 г.

[Oxygen_service_materials-6] Jump up to: ^а ^б ^с «Бюллетень продукта 59:045 — Рекомендации по материалам для работы с газообразным кислородом» (PDF) . www.Fisher.com. Октябрь 2006 года . Проверено 18 июня 2018 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]