氧氣系統材料的選擇

徐秀偉

摘要：對氧氣和氧氣系統來說，由于它有極大的危險性，這樣，對設計者和使用者來說，對它都有莫名的擔心和驚悚，唯恐設計和制程的不周造成巨大的事故，本人在大量閱讀了國外文獻，并結合工作中碰到的問題，著重從氧氣的特性，氧氣和氧氣系統的操作安全，材料在氧氣中的燃點，氧氣系統設計的一些要點，分別有一定的介紹，最后，著重闡述了氧氣系統所用材料的選用，以對相關人員安全地進入這一領域，起一定的指導作用。

關鍵詞：氧氣和氧氣系統的操作安全材料在氧氣中的燃點 氧氣系統設計 氧氣系統材料選用

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)06(c)-0045-02

1 氧氣特性和操作危險性

氧氣自身是化學穩態的物質,沒有振動的敏感性,不會分解,也不易燃燒,但它的使用有一個危險的溫度問題,這一點,有時是不會被人所注意的,其危險在于:氧氣是種很強的氧化劑,它強力支持燃燒,如果氧氣在環境溫度下會起反應,那么,它的反應能力隨壓力的增高,溫度和濃度也會急劇地提高,會很容易引起爆炸。絕大部分的金屬和非金屬,在高壓氧氣下是可燃的。因此,系統設計應該降低或消除燃點引起的危險。

1.1 液態氧操作危險性

(1)液態氧在系統中濃縮后,如果滴漏在一些不與之兼容的表面,比如柏油表面,會發生事故。一些材料當它們被暴露于液態氧系統,它們將會由于振動沖擊等引燃(碳,纖維素,燃料和油),浸有液氧的材料,會很容易被靜電放電或別的點火源等點燃。

(2)氧氣當溫度高于(-118.57℃(-181.41F))時,就不能保持在液態,在1個標準大氣壓下,液態氧在-182.9℃(-297.3F)下氣化,可能會引起系統爆裂和飛片。

(3)液態氧在低溫下,會有凍傷皮膚等傷害。

1.2 氣態氧操作危險性

(1)氧氣系統發生的絕大部分火災是由于系統材料中有污染或不兼容的物質存在而引起的。

(2)氧氣的毒性,在一個標準大氣壓和濃度大于50%時,要考慮它對人呼吸的毒性。

2 材料在氧氣系統中的燃點機制

(1)在氧氣或富氧的大氣中,燃料氧混合物的燃點與普通大氣相比,所需的輸入能量和溫度都更低。

(2)材料點燃要遵循3T原則:①足夠高的溫度;②足夠長的反應時間;③紊流,必須有足夠高的紊流使燃料和氧化物相混合,從而使能量從反應媒體轉移到未反應的物質上。

(3)影響固體材料燃點的因素有:材料的組份、純度、尺寸、形狀和樣品的狀態、氧化物層的特性、燃點源、氣體壓力和氣體組份等。

(4)到現在為止,沒有單一的測試能產生材料的絕對燃點或一致性的相對率,材料的燃點是通過測試燃點或燃燒特性,研究氧氣相關的失敗數據中被估算出來的。

潛在的燃點機理和點燃源

(1)粒子的沖擊:熱量由運動,熱或化學能轉移而來,當小粒子高速運動并撞擊粒子時,這熱量足夠能點燃粒子。

(2)機械沖擊:熱量將由運動能量中轉移過來而產生,當一個物體有一個相對大的質量和瞬態撞擊一組件時,熱量和機械能在不同物體間的相互作用足以點燃被沖擊的組件。

(3)壓縮空氣的沖擊:當氣體從低壓變成高壓時,熱量由機械作功轉變而來,壓縮空氣的沖擊對非金屬聚合體而言是有效的點燃方式。

(4)提高了的燃點:熱輸入源的產生,它讓最近的材料點燃。

(5)摩擦:熱量由兩物體相互摩擦而產生,兩零件的相互作用,一方面,破壞了保護的氧化層或表皮層,引起零件的燃燒。

(6)共振:在共振腔中,聲音的共振能引起溫度的快速上升。

(7)電弧擊穿:發動機的摩擦,電力源,點火等都能引起電弧放電擊穿。

3 氧氣系統中材料的選擇

3.1 選擇的原則

(1)材料的選擇不能完全解決不成功系統,但選擇合適的材料再加上好的設計實踐能降低系統失敗的可能性。材料的評估和選擇是基于對材料點火和燃燒特性的測試和研究液態氧和氣態氧相關失效的基礎上得出的。

(2)氧氣系統中,非金屬材料應限制使用,包括它的數量和暴露于氧氣的表面積應最小化,因非金屬與金屬相比,其燃點會更容易受影響

(3)選擇材料和評估系統安全的信息應包括材料組成和構造,環境和操作條件(溫度,壓力,流速或燃點機制)

(4)在氧氣系統中,低于它們自燃溫度(AIT)下,材料沒有點燃源是不會燃燒的,如輸入的能量值高于熱量損耗時,才會引起燃燒。燃點的溫度與材料的特性、構造、環境(溫度,壓力,氧氣濃度和燃料特性)、流體系統的動態條件相關。

(5)非金屬,比如高分子聚合體,通常它在比金屬更低的溫度和壓力下點燃。

(6)通常,金屬是不太容易點燃的,但金屬粒子很容易點燃,一旦點燃時,點燃金屬比非金屬會有更多的損壞和破壞。

(7)應用于氧氣系統的材料應有一個好的物理特性,比如在使用溫度下,材料有好的強度和延展性。

(8)選擇氧氣系統材料時,它必須要有特定的清潔程序來去除污染、微粒和可燃的材料。

3.2 非金屬材料的選擇

在氧氣系統中,使用的非金屬通常是高分子聚合體(包括橡膠彈性體)、塑料、熱固性材料、混合物和潤滑劑。陶瓷和玻璃不經常應用于氧氣系統中,在使用它們時,一般認為它們是隋性的。非金屬材料的選擇是基于測試結果和使用經驗的基礎上。

(1)在氧氣系統中,常用的彈性橡膠是氟橡膠,Viton和Fluorel化合物,彈性橡膠典型的應用是O形圈和膜片,它們都有彈性,有低于室溫的玻璃化溫度(Tg),通常溫度可用到243C(406F)或高于玻璃化溫度,硅橡膠由于它有特別低的Tg,而經常用于氧氣系統中,但它的點燃抗性差。

(2)最通常使用的塑料是半透明的材料,比如PTFE,FEP(FEPTeflon),PCTFE,Kel-F81,無定形的聚合體如聚酰亞胺(Vespel SP21),聚四氟乙烯由于它的低燃燒熱量值而通常用于氧氣中,但PTFE抗蠕動性差,因此,它經常用于與氧氣系統不兼容而必須由高分子聚合物所替代的場合

(3)熱固性塑料在氧氣中是不常使用的,包括環氧和交鏈聚酰亞胺,比如:Polybon。

復合材料包括以上的非金屬聚合體強化物組。

(4)氧氣系統中使用的潤滑油和潤滑脂主要是氟化了的或是鹵化(加鹵)。

高分子聚合體,在氧氣中是可燃的,并且其可燃性有相當大的變化,它的風險是通過合適選擇它的系統結構組合和適當的設計來使其風險最小化。在高壓氧系統中選擇聚合體時,高分子聚合體燃點的敏感性、系統中燃點源的可能性,將要和系統結構一起有相當仔細地考慮。

3.2 金屬材料的選擇

金屬是氧氣系統中最常使用的結構材料,金屬與非金屬多分子聚合物比,其點火有較低的敏感性。它們經常是被多分子聚合物或碳氫污染物著火引起的鏈狀反應而點燃。為氧氣系統選擇合適的金屬材料,外加好的設計實踐能使金屬點火或燃燒最小化,然而,為氧氣應用場合選擇金屬,其結構配制的可燃性必須被評估。在一些應用中,金屬材料的點火抗力是由于有一層保護性金屬表面氧化膜的作用。

以下是氧氣系統中,可使用金屬的優缺點:

1)鎳和鎳合金

a.鎳鐵合金(比如Inconel合金),各Inconel合金的點火抗力與其合金的特性是不同的,在最近幾年內,高壓氧氣系統中,Inconel718用得很廣泛,因它是一種很好的結構材料,并比不銹鋼更不可燃。一些Inconel合金已成功地用于壓力69MPa(10000Psia)的場合。

b.鎳銅合金(比如Monel合金),通常Monel合金在作為結構材料中是最不可點燃的,在Monel400和K-500的粒子沖擊試驗中沒有被點燃。

2)不銹鋼

不銹鋼與鈦合金和鋁合金相比,有更好的點火抗力,在高壓氧氣系統中有廣泛的應用,對絕大多數的不銹鋼來說,其點火和燃燒抗力是相同的,偶而的有例外存在,比如不銹鋼440C,它的點火和傳播能力比別的不銹鋼差。使用不銹鋼儲罐和管路的經驗中,很少會有問題,盡管不銹鋼粒子能點燃別的材料,但它比起鋁粒子來說,其危險性更小。不銹鋼有很高的燃燒熱量,由于摩擦熱,粒子沖擊等很容易點燃。

3)銅和銅合金

a.在氧氣系統中,銅合金適用于任何壓力,對粒子沖擊的點火抗力好,但它有低的抗氧化性,粘性不足,容易脫落,從而造成了氧氣系統的污染。

b.鋁銅合金,即使有很高的銅含量,因它是可燃和可點著,不推薦在氧氣系統中使用。

c.測試數據表明,燒結青銅比燒結Monel?400過濾元件的不銹鋼比,它有更高的不燃性。

4)鋁和鋁合金

a.對壓力容器而言,鋁合金因它有高的強度重量比,比鈦不太容易點火而成為很好的備選材料,在航空系統中當重量是一個最要的因素時也有廣泛的應用,對氧氣儲罐和沒有點火危險的使用場合,它有多的應用。

b.鋁由于粒子的沖擊是很容易點燃的,測試數據表明,鋁粒子與別的金屬粒子相比,是一種很有效的點火源,由鋁制成的高壓氧系統設計時,應多多考慮如何消除粒子的沖擊。

c.鋁表面的薄氧化薄能防止在氧氣中的反應,鋁堅硬和韌性的氧化膜,它的熔點是2342℃,它能保護基層金屬即使在鋁的熔點1406.5℃之上,也不會燃燒。

5)鐵合金

a.對氧氣系統來說,鐵合金很容易被點燃,重量重,而認為不是一個好的材料,鐵合金大多用于氣缸,能用于點火源明確被排除的場合。

b.合金鋼(Fe-Ni)包括5%鎳,9%鎳,36%鎳(Invar),它們都適合用于氧氣系統中,Invar的壓力閥值與絕大多數不銹鋼相類似,摩擦熱測試中,PV產品的點火性也與不銹鋼類似。

當然,許多其它金屬和合金,它們的機械特性適合于高壓氧系統應用,被持續地開發出來,它們在高壓氧氣系統中的點火能力和點燃后散播火的能力應該與上述所談材料的燃燒性相比較,在決定使用材料前,應確定與高壓氧系統的適合性。

參考文獻:

[1] 氧氣系統操作安全—— NHB1700.1(1993).

[2] 氧氣系統選擇非金屬材料的標準:ASTMG63(1985).

[3] 氧氣和氧氣系統的安全標準—— NSS1740.15JANUARY1996.