Veiligheid van zuurstofventielen: Potentiële gevaren minimaliseren

Bepaalde materialen reageren bij specifieke temperaturen en drukken met vloeibare en gasvormige zuurstof, wat kan leiden tot brand of explosies. Vanwege deze inherente gevaren is het van cruciaal belang dat de materialen van regelkleppen die met zuurstof werken zorgvuldig worden ontworpen en geselecteerd. Dit artikel is een uitgebreide gids over de mogelijke gevaren van zuurstof in regelkleppen en richtlijnen om deze gevaren te minimaliseren.

Inhoudsopgave

• Veel voorkomende bronnen van plaatselijke hoge temperaturen
• Ontsteking van gewone materialen
• Algemene richtlijnen
• FAQ

Veel voorkomende bronnen van plaatselijke hoge temperaturen

Regelkleppen zijn gemaakt van materialen die doorgaans een hoge ontbrandingstemperatuur hebben, wat betekent dat ze niet gemakkelijk vlam vatten of ontbranden bij normale bedrijfstemperaturen. Het echte gevaar schuilt in situaties waarin de klep of de omgeving ervan te maken krijgt met abnormale, plaatselijke hoge temperaturen, d.w.z. dat de temperatuur in een bepaald gebied aanzienlijk hoger kan oplopen dan de normale bedrijfstemperatuur.

• Stroomsnelheid: De materialen die worden gebruikt voor kleppen in zuurstofleidingen moeten voldoen aan de snelheidscriteria die worden beschreven in brochure G-4.4 van de Compressed Gas Association. Als de snelheid door de kleppoort hoger is dan 61 m/s (200 voet/s), gebruik dan alleen materialen van koperlegeringen voor de klepbehuizing en afwerkingsonderdelen die in direct contact komen met de flowstroom.
• Botsing met vreemde deeltjes: Wanneer de stroming vreemde deeltjes, zoals lasspatten, met zich meedraagt en de klepbekleding of de wand van de klepbehuizing raakt, wordt hun kinetische energie omgezet in warmte, waardoor het botsende deeltje of het materiaal dat het raakt de ontstekingstemperatuur kan bereiken.
• Ontsteking door reeds brandend materiaal: Als een organische klepschijf is aangestoken door inwerking van vreemde deeltjes, kan er genoeg hitte vrijkomen om nabijgelegen metalen materialen te ontsteken, wat tot een grote brand kan leiden.
• Trillingen: Vibratie, meestal veroorzaakt door vloeistofsnelheid, genereert warmte door interne wrijving, waardoor de temperatuur van een onderdeel mogelijk stijgt tot het ontstekingspunt.
• Adiabatische of snelle compressie van gas: Wanneer een klep wordt geopend om het stroomafwaartse systeem onder druk te zetten, kan de snelle compressie van het gas in het systeem resulteren in abnormaal hoge gastemperaturen. Deze hoge temperatuur kan mogelijk materialen in de klep en het leidingsysteem ontsteken.
• Ontlading van statische elektriciteit: Gas dat over de kogel- of vlinderklepbekleding stroomt, creëert een elektrische lading op de bekleding. Deze kleppen hebben meestal geen betrouwbaar aardingspad van de trim naar de klepbehuizing of van de klepbehuizing naar de pijpleiding; het is cruciaal om de nodige voorzorgsmaatregelen te nemen voor een goede aarding. Verwaarlozing hiervan kan leiden tot vonken tussen de bekleding en de klepbehuizing of tussen de klepbehuizing en nabijgelegen pijpleidingen, wat ontsteking van de omringende materialen kan veroorzaken.

Ontsteking van gewone materialen

ASTM G175 evalueert de ontstekingsgevoeligheid en fouttolerantie van zuurstofregelaars. In dit hoofdstuk worden de ontstekingseigenschappen van metalen, organische en anorganische materialen besproken.

Organische materialen

Organische materialen hebben lagere ontbrandingstemperaturen dan metalen. Vermijd daarom het gebruik van organische materialen in direct contact met zuurstof, vooral in de stroming. Als organische materialen nodig zijn voor onderdelen zoals klepzittingen, pakkingen of membranen, kies dan een materiaal met de hoogste ontbrandingstemperatuur, de vereiste mechanische eigenschappen en de laagste soortelijke warmte. Tabel 1 toont de geschatte ontbrandingstemperaturen voor geselecteerde organische materialen bij 138 bar (2001 psi) zuurstof.

Tabel 1: Typische ontbrandingstemperaturen van veelvoorkomende organische materialen

Materiaal	Typische ontbrandingstemperatuur bij 138 bar (2001 psi) zuurstof
	Graad Celsius	Graad Fahrenheit
PTFE en PCTFE	468	875
70% Bronsgevuld PTFE	468	875
Fluoroelastomer	316	600
Nylon	210	410
Polyethyleen	182	360
Chloropreen en nitril	149	300

Metaal industrie

Kies legeringmaterialen die niet verbranden of de vlam snel kunnen doven. Dit resulteert in de minste verbranding na blootstelling aan ontstekingsgebeurtenissen. Selecteer het materiaal op basis van de ontstekingsweerstand en reactiesnelheid. De ontstekingsweerstand van zuurstofmaterialen wordt hieronder opgesomd in volgorde (moeilijkst te ontsteken tot gemakkelijkst te ontsteken):

• Koper
• Koperlegeringen
• Roestvrij staal (300-serie)
• Legeringen van nikkel en koper
• Koolstofstaal
• Aluminium

De verbrandingssnelheid varieert per materiaal. Ze staan hieronder in volgorde van de langzaamste tot de snelste verbrandingssnelheid:

• Koper, koperlegeringen en nikkel-koperlegeringen: Deze materialen initiëren doorgaans geen verbranding.
• Koolstofstaal: Koolstofstaal heeft een matige verbrandingssnelheid.
• Roestvrij staal (300-serie): Roestvast staal brandt, eenmaal ontstoken, sneller dan koolstofstaal; toch wordt roestvast staal uit de 300-serie beschouwd als superieur aan koolstofstaal vanwege de hoge weerstand tegen ontsteking.
• Aluminium: Aluminium heeft een zeer snelle verbrandingssnelheid.

Niet-metalen

Zachte onderdelen hebben een grote kans om te ontbranden in een klep door adiabatische compressie (samenpersen of samendrukken van een stof zonder warmte-uitwisseling met de omgeving) of mechanische impact. Minimaliseer het gebruik van niet-metalen materialen in de klep. Neem echter voldoende voorzorgsmaatregelen wanneer niet-metalen, zoals afdichtingen, pakkingen en smeermiddelen, niet kunnen worden vermeden. Eén methode is om de niet-metalen onderdelen te omringen met metalen die fungeren als koellichamen. Dit voorkomt directe blootstelling van zachte onderdelen aan de stroming en voorkomt overmatige beweging.

Algemene richtlijnen

Deze richtlijnen zijn van cruciaal belang voor een veilige en juiste selectie van procesapparatuur voor het gebruik van gasvormige zuurstof.

• Materialen: Alle metalen die in contact komen met zuurstof in de hoofdstroom moeten geschikt zijn voor gebruik met zuurstof.
• Gebruik koolstofstaal, roestvast staal of gietijzer voor veren, membraanschalen, membraanplaten en andere onderdelen die zich niet in de hoofdstroom bevinden.
• Gebruik koper, een koperlegering of nikkel-koperlegeringen voor de klepbehuizing en afwerkingsonderdelen die in contact komen met de stroming.
• Membranen die in contact komen met zuurstofgas moeten gemaakt zijn van fluorelastomeer.
• O-ringen die in contact komen met zuurstofgas moeten gemaakt zijn van fluorelastomeer of een vergelijkbaar fluorkoolstofelastomeer.
• Vermijd het gebruik van organische materialen voor klepzittingen of andere onderdelen die blootstaan aan de stroming.
• Selecteer voor zachte producten fysisch en chemisch stabiele materialen onder procesomstandigheden. Voorkeursmaterialen voor zachte materialen zijn Teflon, PTFE, PCTFE, Kalrez en Viton. Onzuiverheden of variaties in de samenstelling kunnen de brandwerendheid van deze materialen echter aanzienlijk aantasten.
• Specifieke problemen met kleppen:
  • Kogelkleppen of vlinderkleppen gaan snel open, wat leidt tot adiabatische compressie. Ze hebben ook scherpe randen. Snelle compressie van gasvormige zuurstof kan leiden tot verbranding; het gebruik ervan is echter acceptabeler met vloeibare zuurstof.
  • De klepbehuizing in een vlinderklep is in geopende toestand een niet-inslaggebied; de schijf, stoom en zitting zijn echter potentiële inslaggebieden omdat ze in direct contact komen met de vloeistofstroom. Een roestvrijstalen behuizing kan aanvaardbaar zijn, maar voor de interne onderdelen zijn brandbestendiger materialen nodig, zoals Monel.
  • Filters: Plaats filters stroomopwaarts van alle regelaars en kleppen om stroomafwaartse processen te beschermen. Gebruik anorganische, non-ferro filterelementen om ontstekingsgevaar te voorkomen. Onderhoud en reinig filters regelmatig.
  • Smeermiddelen en afdichtingsmiddelen: Gewone aardoliesmeermiddelen zijn niet geschikt voor gebruik met zuurstof en vormen een aanzienlijk gevaar door hun hoge verbrandingswarmte en snelle reactiesnelheid. Gebruik smeermiddelen en afdichtingen die geschikt zijn voor zuurstofdiensten, zoals zuurstofcompatibele vetten of smeermiddelen van perfluorpolyether (PFPE). Gebruik ze ook spaarzaam.
  • Pneumatische instrumenten en actuatoren: Minimaliseer het aantal onderdelen dat in contact komt met zuurstof door het gebruik van zuurstof als toevoerdruk voor pneumatische instrumenten of actuatoren te vermijden.
  • Geplateerde onderdelen: Gebruik geen geplateerde (door een dunne laag metaal toe te voegen aan het oppervlak van het basismateriaal) onderdelen in de hoofdstroom om mogelijke bijdragen aan het binnendringen van vreemde deeltjes te voorkomen.
  • Montage en reiniging van kleppen: De assemblage van kleppen voor zuurstofgebruik moet plaatsvinden in een schone ruimte. De verschillende onderdelen en assemblage worden gehanteerd met handschoenen of pluisvrije kleding. Het gebruikte gereedschap is vrij van stof en sporen van koolwaterstof of olie. ASTM G93 schrijft een van de reinigingsmethoden voor bij zuurstofhoudende kleppen:
• Waterige reiniging: Reinigingsoplossingen of detergenten op waterbasis gebruiken om verontreinigingen van het oppervlak van kleppen te verwijderen.
• Mechanisch reinigen: Fysiek verwijderen van vuil, afval of verontreinigingen van de klepoppervlakken met technieken zoals borstelen, schrobben of schurend reinigen.
• Reinigen met oplosmiddelen: Het gebruik van oplosmiddelen, zoals organische verbindingen of chemische reinigingsmiddelen, om verontreinigingen van de klepoppervlakken op te lossen of te verwijderen.
• Dampontvetting: Een vluchtig oplosmiddel wordt verhit om dampen te produceren die condenseren op het klepoppervlak, waardoor oliën, vetten of andere verontreinigingen effectief worden opgelost en verwijderd.

FAQ

Hoe weet ik of een klep geschikt is voor zuurstof?

Zoek naar kleppen die expliciet gelabeld of gecertificeerd zijn voor zuurstofgebruik en die getest zijn om te garanderen dat ze aan de nodige veiligheidsnormen voldoen.