Sicherheit von Sauerstoffventilen: Minimierung potenzieller Gefährdungen

Bestimmte Materialien reagieren mit flüssigem und gasförmigem Sauerstoff bei bestimmten Temperaturen und Drücken, was zu Bränden oder Explosionen führen kann. Aufgrund dieser inhärenten Gefahren ist eine sorgfältige Auslegung und Auswahl der Werkstoffe für Regelventile bei der Arbeit mit Sauerstoff von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel ist ein umfassender Leitfaden über die potenziellen Gefahren von Sauerstoff in Regelventilen und Richtlinien zur Minimierung dieser Gefahren.

Inhaltsübersicht

• Häufige Ursachen für örtlich begrenzte hohe Temperaturen
• Entzündung üblicher Materialien
• Allgemeine Leitlinien
• FAQ

Häufige Ursachen für örtlich begrenzte hohe Temperaturen

Regelventile werden aus Materialien hergestellt, die in der Regel eine hohe Zündtemperatur aufweisen, d. h. sie fangen bei normalen Betriebstemperaturen nicht so leicht Feuer oder entzünden sich. Die eigentliche Gefahr liegt in Situationen, in denen das Ventil oder seine Umgebung anormal hohen Temperaturen ausgesetzt sind, d.h. die Temperatur in einem bestimmten Bereich kann erheblich über die normale Betriebstemperatur ansteigen.

• Fließgeschwindigkeit: Die für Ventile im Sauerstoffbereich verwendeten Werkstoffe sollten die im Pamphlet G-4.4 der Compressed Gas Association beschriebenen Geschwindigkeitskriterien erfüllen. Wenn die Geschwindigkeit durch den Ventilanschluss 61 m/s (200 Fuß/s) übersteigt, verwenden Sie für das Ventilgehäuse und die Verkleidungsteile, die direkt mit dem Durchfluss in Berührung kommen, nur Materialien auf Kupferbasis.
• Aufprall von Fremdkörpern: Wenn der Strömungsstrom Fremdpartikel, wie z. B. Schweißspritzer, mit sich führt und auf die Ventilverkleidung oder die Wand des Ventilgehäuses trifft, wird deren kinetische Energie in Wärme umgewandelt, wodurch das auftreffende Partikel oder das Material, auf das es trifft, auf seine Zündtemperatur ansteigen kann.
• Entzündung durch bereits brennendes Material: Wenn sich ein organischer Ventilteller durch den Aufprall von Fremdkörpern entzündet hat, kann er genügend Wärme freisetzen, um in der Nähe befindliche metallische Werkstoffe zu entzünden, was zu einem erheblichen Brand führen kann.
• Vibration: Vibrationen, die in der Regel durch die Flüssigkeitsgeschwindigkeit verursacht werden, erzeugen durch innere Reibung Wärme, die die Temperatur eines Bauteils bis zu seinem Zündpunkt erhöhen kann.
• Adiabatische oder schnelle Kompression von Gas: Wenn ein Ventil geöffnet wird, um das nachgeschaltete System unter Druck zu setzen, kann die schnelle Kompression des Gases innerhalb des Systems zu abnormal hohen Gastemperaturen führen. Diese hohe Temperatur kann Materialien innerhalb der Armatur und des Rohrleitungssystems entzünden.
• Entladung statischer Elektrizität: Das durch die Kugel- oder Klappenventilgarnitur strömende Gas erzeugt eine elektrische Ladung an der Garnitur. Diese Ventile verfügen in der Regel nicht über einen zuverlässigen Erdungspfad von der Armatur zum Ventilgehäuse oder vom Ventilgehäuse zur Rohrleitung; es ist wichtig, die notwendigen Vorkehrungen zu treffen, um eine ordnungsgemäße Erdung sicherzustellen. Wird dies nicht beachtet, können sich Funken zwischen der Armatur und dem Ventilgehäuse oder zwischen dem Ventilgehäuse und den nahe gelegenen Rohrleitungen entladen, was zu einer Entzündung der umgebenden Materialien führen kann.

Entzündung üblicher Materialien

ASTM G175 bewertet die Entzündungsempfindlichkeit und Fehlertoleranz von Sauerstoffreglern. In diesem Abschnitt werden die Entzündungseigenschaften von Metallen, organischen und anorganischen Stoffen behandelt.

Organische Materialien

Organische Materialien haben im Vergleich zu Metallen niedrigere Zündtemperaturen. Vermeiden Sie daher die Verwendung von organischen Stoffen in direktem Kontakt mit Sauerstoff, insbesondere in der Strömung. Wenn organische Werkstoffe für Bauteile wie Ventilsitze, Packungen oder Membranen erforderlich sind, wählen Sie einen Werkstoff mit der höchsten Zündtemperatur, den erforderlichen mechanischen Eigenschaften und der geringsten spezifischen Wärme. Tabelle 1 zeigt die ungefähren Zündtemperaturen für ausgewählte organische Stoffe bei 138 bar (2001 psi) Sauerstoff.

Tabelle 1: Typische Zündtemperaturen üblicher organischer Stoffe

Material	Typische Entzündungstemperatur bei 138 bar (2001 psi) Sauerstoff
	Grad Celsius	Degree Fahrenheit
PTFE und PCTFE	468	875
70% bronzegefülltes PTFE	468	875
Fluoroelastomer	316	600
Nylon	210	410
Polyethylen	182	360
Chloropren und Nitril	149	300

Metalle

Wählen Sie Legierungsmaterialien, die entweder nicht brennen oder die Flamme schnell löschen können. Dies führt dazu, dass die Verbrennung nach der Einwirkung von Zündvorgängen am geringsten ist. Wählen Sie das Material auf der Grundlage seiner Entzündungsfestigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit aus. Der Entzündungswiderstand von Sauerstoffmaterialien ist nachstehend in der Reihenfolge (am schwersten zu entzünden bis am leichtesten zu entzünden) aufgeführt:

• Kupfer
• Kupferlegierungen
• Rostfreier Stahl (Serie 300)
• Legierungen aus Nickel und Kupfer
• Kohlenstoffstahl
• Aluminum

Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist von Material zu Material unterschiedlich. Sie sind im Folgenden in der Reihenfolge von der langsamsten bis zur schnellsten Verbrennungsrate aufgeführt:

• Kupfer, Kupferlegierungen und Nickel-Kupfer-Legierungen: Diese Materialien lösen normalerweise keine Verbrennung aus.
• Kohlenstoffstahl Kohlenstoffstahl hat eine mäßige Verbrennungsrate.
• Rostfreier Stahl (Serie 300): Nichtrostender Stahl brennt, wenn er einmal entzündet ist, schneller als Kohlenstoffstahl; dennoch gilt der nichtrostende Stahl der Serie 300 aufgrund seiner hohen Entzündungsbeständigkeit als besser als Kohlenstoffstahl.
• Aluminum Aluminium hat eine sehr schnelle Verbrennungsrate.

Nicht-Metalle

Weiche Komponenten haben eine hohe Wahrscheinlichkeit, sich in einer Armatur durch adiabatische Kompression (Komprimieren oder Quetschen einer Substanz ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) oder mechanische Einwirkungen zu entzünden. Minimieren Sie die Verwendung von nicht-metallischen Materialien im Ventil. Wenn jedoch Nichtmetalle wie Dichtungen, Dichtungsringe, Packungen und Schmiermittel nicht vermieden werden können, sind ausreichende Vorkehrungen zu treffen. Eine Methode besteht darin, die nichtmetallischen Teile mit Metallen zu umgeben, die als Wärmesenken dienen. Dadurch wird verhindert, dass weiche Komponenten direkt dem Strom ausgesetzt sind, und es werden übermäßige Bewegungen vermieden.

Allgemeine Leitlinien

Diese Leitlinien sind von entscheidender Bedeutung für die sichere und angemessene Auswahl von Prozessanlagen für den Einsatz von gasförmigem Sauerstoff.

• Materialien Alle Metalle, die im Hauptstrom mit Sauerstoff in Berührung kommen, sollten für den Einsatz mit Sauerstoff geeignet sein.
• Verwenden Sie Kohlenstoffstahl, Edelstahl oder Gusseisen für Federn, Membrangehäuse, Membranteller und andere Teile, die nicht im Hauptstrom liegen.
• Verwenden Sie Kupfer, Kupferlegierungen oder Nickel-Kupfer-Legierungen für das Ventilgehäuse und die Verkleidungsteile, die mit dem Durchfluss in Berührung kommen.
• Membranen, die mit Sauerstoffgas in Berührung kommen, sollten aus Fluorelastomer gefertigt sein.
• O-Ringe, die mit Sauerstoffgas in Berührung kommen, sollten aus Fluorelastomer oder einem ähnlichen Fluorkohlenstoffelastomer hergestellt werden.
• Vermeiden Sie die Verwendung organischer Materialien für Ventilsitze oder andere Teile, die der Strömung ausgesetzt sind.
• Wählen Sie für weiche Waren physikalisch und chemisch stabile Materialien unter den Prozessbedingungen. Zu den bevorzugten Weichstoffmaterialien gehören Teflon, PTFE, PCTFE, Kalrez und Viton. Verunreinigungen oder Schwankungen in der Zusammensetzung können jedoch die Brandfestigkeit dieser Materialien erheblich beeinträchtigen.
• Spezifische Ventilprobleme:
  • Kugelhähne oder Absperrklappen öffnen sich schnell, was zu einer adiabatischen Kompression führt. Außerdem haben sie scharfe Vorderkanten. Die schnelle Komprimierung von gasförmigem Sauerstoff kann zur Verbrennung führen; ihre Verwendung ist jedoch bei flüssigem Sauerstoff akzeptabler.
  • Das Ventilgehäuse einer Absperrklappe ist im geöffneten Zustand eine Stelle, an der es zu keiner Beeinträchtigung kommen kann; die Klappenscheibe, der Dampf und der Sitz sind jedoch potenzielle Beeinträchtigungsbereiche, da sie in direktem Kontakt mit dem Flüssigkeitsstrom stehen. Ein Gehäuse aus rostfreiem Stahl kann akzeptabel sein, aber für die Einbauten wären feuerbeständigere Materialien wie Monel erforderlich.
  • Filter: Bringen Sie Filter vor allen Reglern und Ventilen an, um nachgeschaltete Prozesse zu schützen. Verwenden Sie anorganische, nicht eisenhaltige Filterelemente, um Entzündungsgefahren zu vermeiden. Regelmäßige Wartung und Reinigung der Filter.
  • Schmiermittel und Dichtungsmassen: Gewöhnliche Erdölschmierstoffe sind für den Einsatz mit Sauerstoff nicht geeignet und stellen aufgrund ihrer hohen Verbrennungswärme und schnellen Reaktionsgeschwindigkeit eine erhebliche Gefahr dar. Verwenden Sie Schmier- und Dichtmittel, die für Sauerstoffanwendungen geeignet sind, wie sauerstoffverträgliche Fette oder Perfluorpolyether (PFPE)-Schmiermittel. Außerdem sollten Sie sie sparsam verwenden.
  • Pneumatische Instrumente und Aktuatoren: Minimieren Sie die Anzahl der Teile, die mit Sauerstoff in Berührung kommen, indem Sie die Verwendung von Sauerstoff als Versorgungsdruck für pneumatische Instrumente oder Aktuatoren vermeiden.
  • Plattierte Teile: Verwenden Sie keine beschichteten Teile (d. h. eine dünne Metallschicht auf der Oberfläche des Grundmaterials) im Hauptstrom, um zu verhindern, dass Fremdpartikel in den Strom gelangen.
  • Montage und Ventilreinigung: Die Montage der Ventile für Sauerstoffanwendungen sollte in einem Reinraum erfolgen. Die verschiedenen Teile und die Montage werden mit Handschuhen oder fusselfreier Kleidung angefasst. Die verwendeten Werkzeuge sind frei von Staub und Spuren von Kohlenwasserstoff oder Öl. ASTM G93 schreibt eine der Reinigungsmethoden für Ventile in Sauerstoffanwendungen vor:
• Wässrige Reinigung: Verwendung von Reinigungslösungen oder -mitteln auf Wasserbasis, um Verunreinigungen von der Oberfläche der Ventile zu entfernen.
• Mechanische Reinigung: Physikalische Entfernung von Schmutz, Ablagerungen oder Verunreinigungen von den Ventiloberflächen mit Techniken wie Bürsten, Schrubben oder abrasiver Reinigung.
• Reinigung mit Lösungsmitteln: Verwendung von Lösungsmitteln, wie z. B. organischen Verbindungen oder chemischen Reinigern, um Verunreinigungen von den Ventiloberflächen zu lösen oder zu entfernen.
• Entfetten mit Dampf: Ein flüchtiges Lösungsmittel wird erhitzt, um Dämpfe zu erzeugen, die auf der Ventiloberfläche kondensieren und Öle, Fette oder andere Verunreinigungen wirksam auflösen und entfernen.

FAQ

Wie kann ich feststellen, ob ein Ventil für den Einsatz mit Sauerstoff geeignet ist?

Achten Sie auf Ventile, die ausdrücklich für die Verwendung mit Sauerstoff gekennzeichnet oder zertifiziert sind und die Prüfungen unterzogen wurden, um sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Sicherheitsstandards erfüllen.