Совместимость с кислородом — это вопрос совместимости материалов для эксплуатации в условиях высоких концентраций кислорода . Это критически важный вопрос в космосе, авиации, медицине, подводном плавании и промышленных применениях. Аспекты включают влияние повышенной концентрации кислорода на воспламенение и горение материалов и компонентов, подвергающихся воздействию этих концентраций в процессе эксплуатации.
Понимание пожароопасности необходимо при проектировании, эксплуатации и обслуживании кислородных систем, чтобы можно было предотвратить пожары. Риски 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 возгоранию в богатых кислородом средах, и совместимость следует оценивать до того, как компонент будет введен в кислородную систему. [1] Как парциальное давление, так и концентрация кислорода влияют на пожароопасность.
Вопросы очистки и проектирования тесно связаны с совместимостью материалов для обеспечения безопасности и долговечности при работе с кислородом.
Пожары возникают, когда кислород, топливо и тепловая энергия объединяются в самоподдерживающейся химической реакции. В кислородной системе подразумевается присутствие кислорода, и при достаточно высоком парциальном давлении кислорода большинство материалов можно считать топливом. Потенциальные источники возгорания присутствуют почти во всех кислородных системах, но опасность возгорания можно снизить, контролируя факторы риска, связанные с кислородом, топливом или теплом, что может ограничить тенденцию к возникновению химической реакции.
Материалы легче воспламеняются и горят быстрее по мере увеличения давления или концентрации кислорода, поэтому для предотвращения возгорания и горения может быть достаточно эксплуатации кислородных систем при минимально возможном давлении и концентрации.
Использование материалов, которые по своей природе более трудно воспламеняемы или устойчивы к длительному горению, или которые выделяют меньше энергии при горении, может в некоторых случаях исключить возможность возникновения пожара или свести к минимуму ущерб, причиненный 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 воспламенение. Конструктивные особенности, которые могут ограничивать или рассеивать выделяемое тепло, чтобы поддерживать температуры ниже температур воспламенения материалов системы, предотвратят воспламенение.
Кислородная система также должна быть защищена от внешних источников тепла. [1]
Процесс оценки совместимости с кислородом обычно включает следующие этапы: [1]
Анализ совместимости также учитывает историю использования компонента или материала в аналогичных условиях или аналогичного компонента.
Кислородное обслуживание подразумевает использование в контакте с высокими парциальными давлениями кислорода. Обычно это означает более высокое парциальное давление, чем возможное от сжатого воздуха, но также может происходить при более низких давлениях, когда концентрация высока.
Очистка кислородом — это подготовка к работе с кислородом, которая заключается в обеспечении того, чтобы поверхности, которые могут контактировать с высоким парциальным давлением кислорода во время использования, были свободны от загрязняющих веществ, повышающих риск возгорания. [2]
Очистка кислородом является необходимым, но не всегда достаточным условием для работы с кислородом высокого парциального давления или высокой концентрации. Используемые материалы также должны быть совместимы с кислородом при всех ожидаемых условиях работы. Алюминиевые и титановые компоненты особенно не подходят для работы с кислородом. [2]
В случае водолазного оборудования кислородная очистка обычно включает разборку оборудования на отдельные компоненты, которые затем тщательно очищаются от углеводородов и других горючих загрязняющих веществ с использованием негорючих, нетоксичных очистителей. После высыхания оборудование собирается в чистых условиях. Смазочные материалы заменяются на специально совместимые с кислородом заменители во время повторной сборки. [2]
Стандарт и требования к кислородной очистке водолазного оборудования различаются в зависимости от области применения, применимого законодательства и кодексов практики. Для оборудования для подводного плавания отраслевой стандарт заключается в том, что дыхательный аппарат, который будет подвергаться воздействию концентраций, превышающих 40% кислорода по объему, должен быть очищен кислородом перед вводом в эксплуатацию. [2] Оборудование, поставляемое на поверхности, может подлежать более строгим требованиям, поскольку водолаз может не иметь возможности снять оборудование в случае аварии. Кислородная очистка может потребоваться для концентраций до 23% [3] Другие распространенные спецификации для кислородной очистки включают ASTM G93 и CGA G-4.1. [4]
В качестве чистящих средств используются мощные промышленные растворители и моющие средства, такие как жидкий фреон , трихлорэтилен и безводный тринатрийфосфат , с последующим ополаскиванием в деионизированной воде . В настоящее время эти материалы, как правило, не рекомендуются как экологически небезопасные и представляющие ненужную опасность для здоровья. Было обнаружено, что некоторые сильные универсальные бытовые моющие средства справляются с этой задачей адекватно. Перед использованием их разбавляют водой и используют в горячем виде для максимальной эффективности. Ультразвуковое перемешивание, встряхивание, распыление под давлением и барабанное перемешивание с использованием стеклянных или нержавеющих стальных шариков или мягких керамических абразивов эффективно используются для ускорения процесса, где это уместно. Тщательное ополаскивание и сушка необходимы для того, чтобы гарантировать, что оборудование не загрязнено чистящим средством. Ополаскивание должно продолжаться до тех пор, пока промывочная вода не станет чистой и не будет образовывать стойкую пену при встряхивании. Сушка с использованием нагретого газа — обычно горячего воздуха — является обычным явлением и ускоряет процесс. Использование сушильного газа с низкой долей кислорода может уменьшить мгновенную коррозию внутренней части стальных цилиндров. [2]
После очистки и сушки, а также перед повторной сборкой, очищенные поверхности проверяются и, при необходимости, проверяются на наличие загрязнений. Проверка под ультрафиолетовым освещением может показать наличие флуоресцентных загрязнений, но не гарантирует, что покажет все загрязнения. [2]
Проектирование кислородного оборудования включает в себя несколько аспектов:
Как правило, совместимость с кислородом связана с высокой температурой воспламенения и низкой скоростью реакции после воспламенения. [6]
Органические материалы, как правило, имеют более низкие температуры воспламенения, чем металлы, которые считаются подходящими для работы с кислородом. Поэтому следует избегать или минимизировать использование органических материалов, контактирующих с кислородом, особенно когда материал напрямую подвергается воздействию газового потока. Когда органический материал должен использоваться для таких деталей, как диафрагмы, уплотнения, набивка или седла клапанов, обычно выбирается материал с самой высокой температурой воспламенения для требуемых механических свойств. Фторэластомеры предпочтительны там, где большие площади находятся в прямом контакте с потоком кислорода. Другие материалы могут быть приемлемы для статических уплотнений, где поток не вступает в прямой контакт с компонентом. [6]
Следует использовать только проверенные и сертифицированные совместимые с кислородом смазочные материалы и герметики, и в таких малых количествах, которые являются разумно осуществимыми для эффективного функционирования. Следует избегать выброса избыточного герметика или загрязнения смазкой в области потока. [5]
Обычно используемые в машиностроении металлы с высокой устойчивостью к возгоранию в кислороде включают медь, медные сплавы и сплавы никеля и меди, и эти металлы также обычно не распространяют горение, что делает их в целом пригодными для работы с кислородом. Они также доступны в виде легкообрабатываемых, литьевых или высокопластичных сплавов и достаточно прочны, поэтому полезны для широкого спектра компонентов для работы с кислородом. [6]
Алюминиевые сплавы имеют относительно низкую температуру воспламенения и выделяют большое количество тепла во время сгорания и не считаются пригодными для использования в кислородной среде, где они будут напрямую подвергаться воздействию потока, но приемлемы для использования в баллонах для хранения, где скорость потока и температура низкие. [5]
Анализы опасностей проводятся на материалах, компонентах и системах; анализы отказов определяют причину пожаров. Результаты используются при проектировании и эксплуатации безопасных кислородных систем.
{{cite report}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )