氧气系统材料的选择

徐秀伟

摘要：对氧气和氧气系统来说，由于它有极大的危险性，这样，对设计者和使用者来说，对它都有莫名的担心和惊悚，唯恐设计和制程的不周造成巨大的事故，本人在大量阅读了国外文献，并结合工作中碰到的问题，着重从氧气的特性，氧气和氧气系统的操作安全，材料在氧气中的燃点，氧气系统设计的一些要点，分别有一定的介绍，最后，着重阐述了氧气系统所用材料的选用，以对相关人员安全地进入这一领域，起一定的指导作用。

关键词：氧气和氧气系统的操作安全材料在氧气中的燃点 氧气系统设计 氧气系统材料选用

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2012)06(c)-0045-02

1 氧气特性和操作危险性

氧气自身是化学稳态的物质,没有振动的敏感性,不会分解,也不易燃烧,但它的使用有一个危险的温度问题,这一点,有时是不会被人所注意的,其危险在于:氧气是种很强的氧化剂,它强力支持燃烧,如果氧气在环境温度下会起反应,那么,它的反应能力随压力的增高,温度和浓度也会急剧地提高,会很容易引起爆炸。绝大部分的金属和非金属,在高压氧气下是可燃的。因此,系统设计应该降低或消除燃点引起的危险。

1.1 液态氧操作危险性

(1)液态氧在系统中浓缩后,如果滴漏在一些不与之兼容的表面,比如柏油表面,会发生事故。一些材料当它们被暴露于液态氧系统,它们将会由于振动冲击等引燃(碳,纤维素,燃料和油),浸有液氧的材料,会很容易被静电放电或别的点火源等点燃。

(2)氧气当温度高于(-118.57℃(-181.41F))时,就不能保持在液态,在1个标准大气压下,液态氧在-182.9℃(-297.3F)下气化,可能会引起系统爆裂和飞片。

(3)液态氧在低温下,会有冻伤皮肤等伤害。

1.2 气态氧操作危险性

(1)氧气系统发生的绝大部分火灾是由于系统材料中有污染或不兼容的物质存在而引起的。

(2)氧气的毒性,在一个标准大气压和浓度大于50%时,要考虑它对人呼吸的毒性。

2 材料在氧气系统中的燃点机制

(1)在氧气或富氧的大气中,燃料氧混合物的燃点与普通大气相比,所需的输入能量和温度都更低。

(2)材料点燃要遵循3T原则:①足够高的温度;②足够长的反应时间;③紊流,必须有足够高的紊流使燃料和氧化物相混合,从而使能量从反应媒体转移到未反应的物质上。

(3)影响固体材料燃点的因素有:材料的组份、纯度、尺寸、形状和样品的状态、氧化物层的特性、燃点源、气体压力和气体组份等。

(4)到现在为止,没有单一的测试能产生材料的绝对燃点或一致性的相对率,材料的燃点是通过测试燃点或燃烧特性,研究氧气相关的失败数据中被估算出来的。

潜在的燃点机理和点燃源

(1)粒子的冲击:热量由运动,热或化学能转移而来,当小粒子高速运动并撞击粒子时,这热量足够能点燃粒子。

(2)机械冲击:热量将由运动能量中转移过来而产生,当一个物体有一个相对大的质量和瞬态撞击一组件时,热量和机械能在不同物体间的相互作用足以点燃被冲击的组件。

(3)压缩空气的冲击:当气体从低压变成高压时,热量由机械作功转变而来,压缩空气的冲击对非金属聚合体而言是有效的点燃方式。

(4)提高了的燃点:热输入源的产生,它让最近的材料点燃。

(5)摩擦:热量由两物体相互摩擦而产生,两零件的相互作用,一方面,破坏了保护的氧化层或表皮层,引起零件的燃烧。

(6)共振:在共振腔中,声音的共振能引起温度的快速上升。

(7)电弧击穿:发动机的摩擦,电力源,点火等都能引起电弧放电击穿。

3 氧气系统中材料的选择

3.1 选择的原则

(1)材料的选择不能完全解决不成功系统,但选择合适的材料再加上好的设计实践能降低系统失败的可能性。材料的评估和选择是基于对材料点火和燃烧特性的测试和研究液态氧和气态氧相关失效的基础上得出的。

(2)氧气系统中,非金属材料应限制使用,包括它的数量和暴露于氧气的表面积应最小化,因非金属与金属相比,其燃点会更容易受影响

(3)选择材料和评估系统安全的信息应包括材料组成和构造,环境和操作条件(温度,压力,流速或燃点机制)

(4)在氧气系统中,低于它们自燃温度(AIT)下,材料没有点燃源是不会燃烧的,如输入的能量值高于热量损耗时,才会引起燃烧。燃点的温度与材料的特性、构造、环境(温度,压力,氧气浓度和燃料特性)、流体系统的动态条件相关。

(5)非金属,比如高分子聚合体,通常它在比金属更低的温度和压力下点燃。

(6)通常,金属是不太容易点燃的,但金属粒子很容易点燃,一旦点燃时,点燃金属比非金属会有更多的损坏和破坏。

(7)应用于氧气系统的材料应有一个好的物理特性,比如在使用温度下,材料有好的强度和延展性。

(8)选择氧气系统材料时,它必须要有特定的清洁程序来去除污染、微粒和可燃的材料。

3.2 非金属材料的选择

在氧气系统中,使用的非金属通常是高分子聚合体(包括橡胶弹性体)、塑料、热固性材料、混合物和润滑剂。陶瓷和玻璃不经常应用于氧气系统中,在使用它们时,一般认为它们是隋性的。非金属材料的选择是基于测试结果和使用经验的基础上。

(1)在氧气系统中,常用的弹性橡胶是氟橡胶,Viton和Fluorel化合物,弹性橡胶典型的应用是O形圈和膜片,它们都有弹性,有低于室温的玻璃化温度(Tg),通常温度可用到243C(406F)或高于玻璃化温度,硅橡胶由于它有特别低的Tg,而经常用于氧气系统中,但它的点燃抗性差。

(2)最通常使用的塑料是半透明的材料,比如PTFE,FEP(FEPTeflon),PCTFE,Kel-F81,无定形的聚合体如聚酰亚胺(Vespel SP21),聚四氟乙烯由于它的低燃烧热量值而通常用于氧气中,但PTFE抗蠕动性差,因此,它经常用于与氧气系统不兼容而必须由高分子聚合物所替代的场合

(3)热固性塑料在氧气中是不常使用的,包括环氧和交链聚酰亚胺,比如:Polybon。

复合材料包括以上的非金属聚合体强化物组。

(4)氧气系统中使用的润滑油和润滑脂主要是氟化了的或是卤化(加卤)。

高分子聚合体,在氧气中是可燃的,并且其可燃性有相当大的变化,它的风险是通过合适选择它的系统结构组合和适当的设计来使其风险最小化。在高压氧系统中选择聚合体时,高分子聚合体燃点的敏感性、系统中燃点源的可能性,将要和系统结构一起有相当仔细地考虑。

3.2 金属材料的选择

金属是氧气系统中最常使用的结构材料,金属与非金属多分子聚合物比,其点火有较低的敏感性。它们经常是被多分子聚合物或碳氢污染物着火引起的链状反应而点燃。为氧气系统选择合适的金属材料,外加好的设计实践能使金属点火或燃烧最小化,然而,为氧气应用场合选择金属,其结构配制的可燃性必须被评估。在一些应用中,金属材料的点火抗力是由于有一层保护性金属表面氧化膜的作用。

以下是氧气系统中,可使用金属的优缺点:

1)镍和镍合金

a.镍铁合金(比如Inconel合金),各Inconel合金的点火抗力与其合金的特性是不同的,在最近几年内,高压氧气系统中,Inconel718用得很广泛,因它是一种很好的结构材料,并比不锈钢更不可燃。一些Inconel合金已成功地用于压力69MPa(10000Psia)的场合。

b.镍铜合金(比如Monel合金),通常Monel合金在作为结构材料中是最不可点燃的,在Monel400和K-500的粒子冲击试验中没有被点燃。

2)不锈钢

不锈钢与钛合金和铝合金相比,有更好的点火抗力,在高压氧气系统中有广泛的应用,对绝大多数的不锈钢来说,其点火和燃烧抗力是相同的,偶而的有例外存在,比如不锈钢440C,它的点火和传播能力比别的不锈钢差。使用不锈钢储罐和管路的经验中,很少会有问题,尽管不锈钢粒子能点燃别的材料,但它比起铝粒子来说,其危险性更小。不锈钢有很高的燃烧热量,由于摩擦热,粒子冲击等很容易点燃。

3)铜和铜合金

a.在氧气系统中,铜合金适用于任何压力,对粒子冲击的点火抗力好,但它有低的抗氧化性,粘性不足,容易脱落,从而造成了氧气系统的污染。

b.铝铜合金,即使有很高的铜含量,因它是可燃和可点着,不推荐在氧气系统中使用。

c.测试数据表明,烧结青铜比烧结Monel?400过滤元件的不锈钢比,它有更高的不燃性。

4)铝和铝合金

a.对压力容器而言,铝合金因它有高的强度重量比,比钛不太容易点火而成为很好的备选材料,在航空系统中当重量是一个最要的因素时也有广泛的应用,对氧气储罐和没有点火危险的使用场合,它有多的应用。

b.铝由于粒子的冲击是很容易点燃的,测试数据表明,铝粒子与别的金属粒子相比,是一种很有效的点火源,由铝制成的高压氧系统设计时,应多多考虑如何消除粒子的冲击。

c.铝表面的薄氧化薄能防止在氧气中的反应,铝坚硬和韧性的氧化膜,它的熔点是2342℃,它能保护基层金属即使在铝的熔点1406.5℃之上,也不会燃烧。

5)铁合金

a.对氧气系统来说,铁合金很容易被点燃,重量重,而认为不是一个好的材料,铁合金大多用于气缸,能用于点火源明确被排除的场合。

b.合金钢(Fe-Ni)包括5%镍,9%镍,36%镍(Invar),它们都适合用于氧气系统中,Invar的压力阀值与绝大多数不锈钢相类似,摩擦热测试中,PV产品的点火性也与不锈钢类似。

当然,许多其它金属和合金,它们的机械特性适合于高压氧系统应用,被持续地开发出来,它们在高压氧气系统中的点火能力和点燃后散播火的能力应该与上述所谈材料的燃烧性相比较,在决定使用材料前,应确定与高压氧系统的适合性。

参考文献:

[1] 氧气系统操作安全—— NHB1700.1(1993).

[2] 氧气系统选择非金属材料的标准:ASTMG63(1985).

[3] 氧气和氧气系统的安全标准—— NSS1740.15JANUARY1996.