氧环境下材料的选择

1、Selection of Materials for Oxygen Service氧服务材料的选择氧服务材料的选择非金属材料非金属材料金属材料金属材料SCOPE 范围 金属和非金属的选择取决于它们性质，这些性质是通过氧兼容性评估方法及其相关的材料选择指导原则确定。 不同氧服务应用场合材料的选择。 氧兼容性试验方法概述。氧兼容性评估/试验的作用 材料的选择取决于在将要运行的状态（最差情况）下它们影响点火和燃烧的能力。 一种材料的氧兼容性质随特定点火机制下材料评估所设计的试验方法而不同 不同材料及其适用的选择规则。 为了选择适当的氧服务材料，关键是要完全理解一个部件在其使用结构中潜在的点火机制。氧

2、的性质 最普通的元素（空气中含量为21%）。 生命必需的，无色无嗅的气体。 不可燃，但强力地支持燃烧。 氧化剂，大多数材料可以与氧反应。 氧化能力低于F2 (7.5) 和 NF3 (1.5)；O2 (1.0)。 本身具有热力学稳定性（不像N2O, NF3 ）。Reactivity of O2 Creates its Values & Problems!氧的反应性是其价值之源，也是其问题之源！氧的反应性是其价值之源，也是其问题之源！ “氧兼容性”的定义(ASTM)在用户可以接受的风险水平之内，一种物质与氧和潜在点火在用户可以接受的风险水平之内，一种物质与氧和潜在点火源两者在预期的压力和温

3、度下可以共存的能力。（在规定的源两者在预期的压力和温度下可以共存的能力。（在规定的运行条件下）运行条件下）一个系统可以被看作是氧兼容的，条件是：一个系统可以被看作是氧兼容的，条件是： 它不能或不大可能燃烧（不可燃的）；它不能或不大可能燃烧（不可燃的）； 失火事件是极为罕见的；失火事件是极为罕见的； 如果失火可以得到隔离，并且对其影响可以承受。如果失火可以得到隔离，并且对其影响可以承受。行业人士的观点仍然认为要设置一个浓度极限阈值（行业人士的观点仍然认为要设置一个浓度极限阈值（21%；23.5%;25%或其他值），在此极限阈值以上或其他值），在此极限阈值以上必须考虑材料的氧兼容性。必须考虑材料的

4、氧兼容性。燃烧三角形 结构材料结构材料(化学反应化学反应 w/ O2: AIT, D DH, O.I.，热导率热导率, 结构：厚度结构：厚度/方位等）方位等） 从周围材料释放的能量从周围材料释放的能量 颗粒冲击颗粒冲击 电能电能 绝热压缩绝热压缩 共振谐振共振谐振 摩擦摩擦 机械撞击机械撞击 温度温度 压力压力 速度速度 稀释度稀释度 外部污染物：碳氢化合物，油外部污染物：碳氢化合物，油/脂脂/润滑剂，加工毛刺，焊巴等。润滑剂，加工毛刺，焊巴等。 氧氧燃料燃料点火源点火源影响材料氧兼容性的因素 压力压力 浓度浓度 温度温度 速度速度 稀释剂稀释剂(CO2, N2, Ar) 系统设计系统设计 部

5、件的结构形式部件的结构形式 清洁程度清洁程度 运行程序运行程序 部件的厚度部件的厚度 点火链点火链氧兼容性涉及许多变量点火机制 温度升高 颗粒冲击 机械撞击 摩擦 绝热压缩 新鲜金属暴露（反应性金属如铝，钛等） 流动摩擦 静电 电弧/电火花 声学共振 雷电氧兼容性评估方法的分类l自动点火试验（点火）自动点火试验（点火）l氧指数试验（燃烧）氧指数试验（燃烧）l燃烧发热试验（损坏可能性）燃烧发热试验（损坏可能性）l环境压力下，液氧冲击试验；压力下液氧环境压力下，液氧冲击试验；压力下液氧/气态氧气态氧冲击试验（点火）冲击试验（点火） l绝热压缩（压力波冲击）试验（点火，评估材料绝热压缩（压力波冲击）

6、试验（点火，评估材料或压力部件）或压力部件）l填料环试验（燃烧填料环试验（燃烧/损坏可能性，评估部件）损坏可能性，评估部件）l促进燃烧试验（燃烧）促进燃烧试验（燃烧） l摩擦试验（点火）摩擦试验（点火） l颗粒冲击试验（点火）颗粒冲击试验（点火） Classification of O2 Compatibility Tests (cont.)Continued Description on Notes材料选择的先后顺序 消除点火 选择在给定运行条件下点火可能性最低的材料。：要实施这一点可能是困难的或不切合实际的！ 防止继续反应防止继续反应 选择那些在点火后有熄灭（停止反应）倾向的材料。：是最现

7、实和最可行的方法！：是最现实和最可行的方法！ 减小反应速率 选择那些点火后反应速度尽可能慢的材料，以便可以对反应（燃烧）进行控制/封堵。非金属材料的选择 聚合材料： 塑性材料：阀门座，填料，软管衬里等； 弹性材料：O型环，膜片，软管衬里等。 垫片材料（有有/无无压缩石棉纤维）： 油/脂/润滑剂/密封剂：机械零件，螺纹接头等。 对于医用氧系统，非金属材料的选择对于医用氧系统，非金属材料的选择有严格的规定（有严格的规定（O&ED 03/98）。）。非金属材料的选择非金属材料的选择可以按照下列性质进行：非金属材料的选择可以按照下列性质进行：（这些性质是根据给定运行条件和可能的点火机制通过相关

8、的氧兼容性试验确定的）自点燃温度（自点燃温度（AIT）：）：AIT试验和试验和Pot维持试验维持试验 燃烧热：燃烧热：燃烧发热量测试燃烧发热量测试氧指数（氧指数（O.I.）：）：氧指数试验氧指数试验液氧和气氧中机械冲击的敏感性液氧和气氧中机械冲击的敏感性 ：液氧机械冲击试验和气氧机械冲击试验液氧机械冲击试验和气氧机械冲击试验抗绝热压缩能力：抗绝热压缩能力：气氧压力波冲击试验气氧压力波冲击试验 法兰垫片损坏可能性：法兰垫片损坏可能性：垫片环形试验垫片环形试验非金属与金属的对比 非金属材料（除无机材料外） 绝大多数有机材料，包括聚合材料，油/脂，和碳氢化合物在大气压下的富氧气氛中是可燃的。全氟弹性

9、材料可能是唯一的例外，如PTFE和PCTFE（依靠燃烧结构）。 非金属的可燃性由它们在环境温度和压力下的氧指数（OI）表征。 自点燃试验（AIT试验） 在静态条件下确定液体和固体在高压（15002000psig）富氧环境中的自点燃温度。 AIT试验可以参考ASTM (G72), BSI (3/4N 100), BAM and CEN。 BOC使用BS 3/4N 100 SIT （高压腔）试验来确定材料的自点燃温度。用于选择非金属材料的数据在压力升高时有可能产生温度偏差。 BOC的BS 3N 100 SIT 试验机自点燃试验自点燃试验温度记录仪温度记录仪试验样品试验样品样品夹持器样品夹持器内反应

10、容器内反应容器高压试验腔高压试验腔加热套加热套气态气态 O2热电偶热电偶温度停止上升或压力波动即表明自点燃发生。温度停止上升或压力波动即表明自点燃发生。AIT 数据 C 聚三氟氯乙烯聚三氟氯乙烯 400 - 405 C特氟隆特氟隆 PFA 400 C Vespel SP 21 350 C Fluorel 297 C 维通橡胶维通橡胶 A 268 C PVDF偏聚氟乙烯偏聚氟乙烯 243-310 C EPDM 206 C 硅橡胶硅橡胶 200-300 C 尼龙尼龙 6,6 178 C 氯丁橡胶氯丁橡胶 170 - 250 C 布纳橡胶布纳橡胶 N 166 C 这些数据可参考这些数据可参考BOC

11、OCSB-6 & 8章章, 以及以及 ASTM TPT 相关资料。相关资料。AIT 数据 C C (CAF+PTFE) (CAF+黏结剂) Grafoil 500 C Flexicarb NR 400 C (石墨纤维) (石墨/镍 层压结构)Gylon Fawn/3500 400 C Sigma 511/522/533 400 C Top-Chem 2000 400 C Klingersil 4430 184 C Grafoil TG 323 400 C Valqua 7020 400 CCAF=Compressed Asbestos Fiber 压缩石棉纤维压缩石棉纤维BOC 批准的

12、非批准的非CAF 垫片垫片,可参考可参考 OCSB-8章中章中 (表表 8-2)AIT 数据 C Krytox 240 AC 427+ C Fomblin RT-15 425 C Braycote 1720/1730 400 C Halocarbon 25-5S 425 C 氟碳润滑剂氟碳润滑剂 362/290 425 C Molykote 321 427+ C 烃基液压油烃基液压油 150250 C (矿物油或合成油) 阀门密封阀门密封 A 280 C 液压油液压油 199 C (道-科尔宁, 硅基) (中-高-5606)这些数据可参考这些数据可参考BOC OCSB-第第3章章, 以及以及

13、ASTM TPT 相关资料。相关资料。AIT 数据 (续) 大多数金属材料的自点燃温度为 900-2000oC(通过在富氧气氛中电阻加热金属丝来确定) 点燃温度. (oC)/O2 压力 (psig)金属 0 500 1000 1800 铜 1084 885 835 805镍 1457 - - -430不锈钢 1365 - - -中碳钢 1276 1104 1018 926碳钢 900-1100 - - -铁 (Fe) 930 825 740 630铝 Al 1640* - - - AIT 试验数据的应用 材料分级 按照由ASTM, BAM, BSI & CEN设定的指导原则为基础选择材

14、料 ASTM: 最小160加100的余量，最好大于400。 BAM: 最小160加100的安全余量。 BSI & CEN: 按照BS 3N 100中同样的指导原则 将这些数据与运行条件相比较，制订材料选择的指导原则。 应用范围：阀座，O型环，螺纹密封剂，油/脂/润滑剂，软管的选择。 影响AIT的各种变量 AIT 随着试样加热速度的提高而升高. 在下列情况下AIT 下降： 试样数量增加 试样表面积增大 氧纯度增加 氧压力增大 例外的情况: Nihart & Smith (1964), NASA (1995), & BOC (1997)BS 3N 100 Pot Test在

15、下列条件下确定大气压的氧中标准点燃温度SIT： 耐热玻璃反应器 动态氧流量为2升/分 温度步进，每次增量为20 试验通过，或者失败 接受标准：6次试验，AIT 250 材料适用于纯氧，最高压力到0.4 MPa。用于非金属材料选择的数据在低压时有可能产生温度偏差，例如氧-乙炔焊割炬的软管材料，用于食品MAP的包装材料等。燃烧热试验(ASTM D4809) 采用高压量热器测量液体碳氢化合物燃料或固体有机物燃烧热的标准试验方法。 数据的应用：用于氧服务的软阀座，O型环密封，填料，油/脂，润滑剂等有机材料的鉴别和选择。燃烧热试验试验腔试验腔电极电极试样杯（盛放样品）试样杯（盛放样品）点火丝点火丝:铂铂

16、或镍铬合金或镍铬合金气态气态 O2- 通过电点火装置实施肯定的点火。通过电点火装置实施肯定的点火。- 量热器温度升高值测量并与刻度标准量热器温度升高值测量并与刻度标准 苯甲酸进行对照。苯甲酸进行对照。- 高压瓶充装以高压瓶充装以2535 atm的纯氧的纯氧 燃烧热数据聚乙烯聚乙烯 (polyethylene) 11,150尼龙尼龙6/6 (Nylon 6/6)7,4007,900EPDM9,500氯丁橡胶氯丁橡胶 (Neoprene)7,500维通合成橡胶维通合成橡胶 (Viton A)3,700聚三氟氯乙烯聚三氟氯乙烯 (Kel F, PCTFE)2,500聚四氟乙烯聚四氟乙烯 (PTFE)

17、1,0001,700硅脂硅脂 (Silicone Grease)4,800Krytox 240 AC9001000燃烧热数据-铝铝7,425Ti-45Nb3,675不锈钢不锈钢1,9002,000碳钢碳钢1,6301,850Inconel 600 (铬镍铁合金铬镍铁合金)1,300Al Bronzes 铝青铜铝青铜1,1001,400Monel 400 蒙乃尔蒙乃尔(铜镍合金铜镍合金)870Copper 纯铜纯铜585Nickel 镍镍980Silver 银银35燃烧热试验结果的应用 材料分级 评估一种金属燃烧时通过点火链机制点燃周围材料的可能性。 根据ASTM建议的指导原则选择材料： 最好是

18、DHc 2500 cal/g 的非金属； 当2500 cal/g DHc 10,000 cal/g时不适用于氧服务。氧指数试验(ASTM D2863) 测量在与氮的混合上升气流中维持塑性材料蜡烛一样燃烧的最低氧浓度的标准方法。 氧指数（OI）的定义是：“体积百分数型式表示的氧浓度”这些数据的应用：选择用于低压富氧环境中的服装材料和聚合材料。 氧指数试验氧指数试验O2 进进N2 进进O2/N2 混合气混合气玻璃珠玻璃珠点火器（丙烷枪）点火器（丙烷枪）玻璃园柱塔玻璃园柱塔(试验腔试验腔)试验样品试验样品:聚合物，聚合物， 服装材料，服装材料，油油，不挥发性残余物，等。不挥发性残余物，等。 样品夹持

19、器样品夹持器热阻型玻璃园柱塔（最小尺寸热阻型玻璃园柱塔（最小尺寸，高，高450毫米，内径毫米，内径75毫米）毫米）在在NASA/WSTF进行的氧指数实验进行的氧指数实验- 聚苯乙烯薄膜聚苯乙烯薄膜聚苯乙烯膜聚苯乙烯膜在空气中是在空气中是不可燃的不可燃的但在含氧达但在含氧达30%气氛中气氛中立即燃烧。立即燃烧。标准及ASTM D 2863方法修订的燃烧极限 (NASA的最新数据) 环境温度下环境温度下加热到加热到200 燃烧上限燃烧上限燃烧下限燃烧下限燃烧上限燃烧上限燃烧下限燃烧下限聚四氟乙烯 PTFE99.549.084.440.8聚三氟氯乙烯 Kel-F 8199.554.385.351.8

20、硅橡胶 Silicone45.423.533.920.6 Zytel 4231.823.031.021.7维通橡胶 Viton A31.522.527.821.0氯丁橡胶 Neoprene23.917.521.917.0布纳橡胶 Buna N22.817.3- EPDM21.916.519.516.0 Delrin17.211.514.710.6数据的比较 高氧指数高氧指数O.I.倾向于相对较低的燃烧热倾向于相对较低的燃烧热HoC和高的和高的 AIT 物质物质 O.I. HoC (cal/gram) AIT* (oC) *在大气在大气压下压下 聚四氟乙烯聚四氟乙烯 100 1274 510 -

21、 525 纯氧纯氧中测量中测量 聚三氟氯乙烯聚三氟氯乙烯81 100 1877 - 2337 425 - 480 维通橡胶维通橡胶 56 - 100 3084 - 4446 460 - 480 聚氯乙烯聚氯乙烯PVC 37 4988 400 氯丁橡胶氯丁橡胶 32-35 6386 - 6523 300 - 320 布纳布纳-N 22 8355 200 - 220 聚氨酯泡沫聚氨酯泡沫 21-26 5200 - 6500 - 聚丙烯聚丙烯PP 18 11000 230 - 260 聚乙烯聚乙烯PE 17.5 11154 225 这些数据可参考这些数据可参考BOC OCSB-第第8章章, 以及以及

22、 ASTM TPT相关资料相关资料的的OI-3页表页表3。液氧机械冲击试验(ASTM D2512) 用于研究在大气压下有机械冲击能量影响的条件下材料与液氧兼容性的标准试验方法 以ABMA型冲击试验机为基础进行设计。 可以用做： 合格或不合格试验合格或不合格试验(98 焦耳焦耳/72 ft-lb)； 用于确定冲击能量极限阈值（从用于确定冲击能量极限阈值（从14 到到 98焦耳之间的某一数值焦耳之间的某一数值 ） BOC 习惯于使用BS 3N 100 液氧机械冲击试验。液氧机械冲击试验 数据的应用：鉴别/选择用于液氧的 主要非主要非金属材料。金属材料。 大多数非金属材料，除了像Chemraz/Ka

23、lrez, PTFE, PCTFE (Kel-F 81)等氟化物，一般是与液氧不相兼容的。 大多数金属材料, 除了比较薄的反应性金属 (如 Al, Ti, Mg, 等) , 一般都是与液氧相兼容的。液氧冲击试验液氧冲击试验重锤重锤:9.07 Kg冲击销导向器冲击销导向器冲击销冲击销试样杯试样杯液氧液氧 O2试样杯夹持器试样杯夹持器 试样试样砧座砧座BS 3N 100 液氧机械冲击试验机液氧机械冲击试验机 6英尺重锤重锤试样夹持器试样夹持器三脚支撑三脚支撑 滑行导轨滑行导轨加压的机械冲击试验(ASTM G86) 用于确定材料在压力氧（包括液氧和气氧，到10000psig）环境下对机械冲击的点火敏

24、感性的标准试验方法。 以ABMA型冲击试验机为基础进行设计。 数据的应用：用于泵，压缩机，透平机械，化学反应器中，通常是处于高压环境的非金属密封和填料材料的选择和研发。加压的机械冲击试验试验气体进口试验气体进口试验气体出口试验气体出口冲击销冲击销试验腔试验腔试验样品试验样品试样杯试样杯加热器加热器砧座螺母砧座螺母重锤重锤加压的机械冲击试验的应用 与液氧相比，在气氧中的冲击试验更为敏感和剧烈。在液氧中（低温下）点火比较难以实现；而在液氧中的燃烧通常在液氧中（低温下）点火比较难以实现；而在液氧中的燃烧通常则更为严酷（强化的供氧和体积膨胀）。则更为严酷（强化的供氧和体积膨胀）。 液氧冲击试验一般是用

25、于材料的筛选鉴别： 如果通过（合格），可以放弃该材料的气氧冲击试验； 如果失败（不合格），则拒绝使用。 如果一种材料通过了给定压力下的气氧冲击试验，它就可以在类似或更高压力下适用于液氧。绝热压缩气流冲击试验(ASTM G74) 研究材料在气流冲击下点火敏感性的标准试验方法。 运行原理类似于BAM的绝热压缩试验和CEN的气氧压力波冲击试验（CEN/TC268/WG2）。 数据的应用：用于氧压缩机活塞环，O型密封环，压力调节装置中的软密封，软管等的非金属材料的筛选鉴别，选择和研发。Gaseous Fluid Impact TestContinued Description on Notes气流冲击

26、试验气态气态 O2 进入进入试验腔试验腔试样试样试样夹持器试样夹持器热偶热偶- 需要产生的快速增压循环次数- 增压时间 3 s时间时间Pmw x 1.2放气放气CEN/ISO 部件的绝热压缩试验 EN 849 用于气瓶阀 EN 961 用于汇流排调节器 EN 585 用于压力调节器 ISO/EN 7291 用于300bar汇流排系统的压力调节器 ISO/EN 2503 用于300bar气瓶的压力调节器。绝热压缩部件试验的优点 在接近复制的运行条件下进行实际的部件试验。 与材料氧兼容性相关联，以复制的环境条件和实际使用的结构，对一个压力部件的工程设计进行仔细考察。 系统和部件的氧兼容性是一个复杂

27、的函数，其变系统和部件的氧兼容性是一个复杂的函数，其变量包括工程设计、材料选择、以及运行的结构和量包括工程设计、材料选择、以及运行的结构和条件。条件。 医用氧系统O&ED 03/98: 用于医用氧/氧化气体系统中的聚合物医用氧系统/呼吸器 氟化/氯化物材料，包括塑性的（PTFE, PFA, PCTFE等），弹性的（Kalrez, Viton A等）以及油/脂类（Krytox, 卤化碳等）在氧系统中有着广泛的应用。 在一定运行条件下（例如气瓶充装），系统的设计结构和现场工程实践指出，卤素化合物材料在氧中有可能发生点火或热分解，从而导致促进燃烧并/或产生毒性高的反应产物。（绝热压缩是最可能

28、发生的点火机制） 聚合物的选择和使用受到严格的控制。医用氧系统/呼吸器(续)按照BOC O&ED03/98，“用于医用氧气/氧化气体系统的聚合物”中的定义： 承受氧压力大于20barg并直接位于氧气流中的部件和系统为高风险部件高风险部件。它们包括，但不限于软管，外圆接头，汇流排阀门，气瓶阀门以及逆止阀、控制阀、调节阀、截止阀。 承受氧压力小于等于20barg，并在正常运行条件下或非正常条件下直接位于氧气流中的部件和系统为低风低风险部件险部件。它们包括，例如，动作时气体释放到大气中的压力释放阀。运行与工程指令O&ED-03/98- 高风险部件：高风险部件： 高风险部件 ( 20

29、barg) 不得使用卤化的(氟化的或氯化的) 聚合物，包括PTFE/PFA/TFE/FEP, PCTFE(Neoflon/Kel-F), PVDF( Kynar), ECTFE (Halar); Kalrez, Viton, 氯丁橡胶。 氯化物的替代材料是：尼龙 66, PEEK, Delrin, Vespel SP-21; EPDM, 硅树脂。- 低风险部件低风险部件 卤素聚合物允许用于低风险部件，调节器膜片，截止和逆止阀密封等。运行与工程指令O&ED-03/98(续) 新设备和装置 只能使用经过认证和试验的设备。 与氧气流直接接触的高风险部件绝对不能含有卤素聚合物 。 所有新的高风

30、险部件必须通过绝热压缩试验检验批准。 现有设备和装置 消除所有没有取得试验证明的含有卤素聚合物的高风险部件。 取得试验证明的高风险部件，如果其上游安装有20 mm的过滤器，可以继续使用。 过滤器必须定期交换或清洗。运行与工程指令O&ED-03/98(续) 按照O&ED 03/98, 所有高风险部件必须由批准的试验机构进行试验并取得许可证明。（批准的机构包括：BAM, AL/巴黎，DNV (奥斯陆/挪威), WHA, 或 NASA/WSTF ） 低风险部件的安装应符合BOC最佳实施规范。运行与工程指令O&ED-03/98(续)软管软管 只允许用于BOC的设施和充装站，不得

31、用于客户现场！ 根据系统的设计，实际运行结构配置和风险分析，需要装配1个或2个水冷却器。 冷却器必须由黄铜或铜制造，长度至少要大于150mm。当软管长度大于4英尺时，冷却器长度的选择必须符合“0.2比例”的设计指南（见IMSS-OCSB 1.5章）。 ASTM PS 127 关于医用氧调压器 像像G175一样，一样，PS 127-制订并出版了制订并出版了 “用于用于评估医疗和紧急应用场合的氧压力调节器点评估医疗和紧急应用场合的氧压力调节器点火敏感性和故障耐受能力的试验方法火敏感性和故障耐受能力的试验方法”。 G175预期要控制美国所有（铝和黄铜阀体的）预期要控制美国所有（铝和黄铜阀体的）医用氧

32、调节器的制造资质和市场准入。医用氧调节器的制造资质和市场准入。 按照按照G175修订的修订的ISO10524预计将在全球执预计将在全球执行。行。 ASTM PS 127 关于医用氧调压器 G175 是用于压力调节器的评估工具，它由两是用于压力调节器的评估工具，它由两个部分组成，即个部分组成，即“绝热压缩绝热压缩”和和“强迫点火强迫点火”。 “强迫点火强迫点火”是通过一个是通过一个“尼龙尼龙6/6点火弹丸点火弹丸”实现的，它可以释放实现的，它可以释放500卡热量使之点火。卡热量使之点火。 对于绝热压缩，对于绝热压缩，G175比比O&ED 03/98的要求更的要求更严格。严格。 某些压力调

33、节器，黄铜或铝阀体，以前已经由某些压力调节器，黄铜或铝阀体，以前已经由BAM型的绝热压缩试验认可的，在型的绝热压缩试验认可的，在G175的试的试验中通不过。验中通不过。 医用氧系统/呼吸器 原则上，运行在18barg以下的清洁氧系统是难以通过绝热压缩点火的。（氧从0压缩到18barg能达到的最高温度是400）。 但是，其他的点火源（如碳氢化合物污染等）可能仍然存在，它们具有相当低的点火极限。 如果含有任何聚合物的部件要用于氧系统，必须对它进行彻底的脱脂，达到50 mg/m2的清洁程度。 气氧中的垫片填料环试验 部件试验仅在BAM中有。 用于评估与气氧接触的垫片材料在被点火时抵抗运行故障性能的标

34、准试验。 数据的应用：用于氧系统运行压力和温度下填料垫片的选择和筛选。BAM的垫片填料环试验如何进行 ? 两个不锈钢管道之间的做法兰并加入垫片。两个不锈钢管道之间的做法兰并加入垫片。 垫片的内径伸入到气流之中。垫片的内径伸入到气流之中。 气源：气态氧。气源：气态氧。 系统密封并增压到选择的试验压力。系统密封并增压到选择的试验压力。 从外部对垫片加热到低于其自点燃温度从外部对垫片加热到低于其自点燃温度50k的的温度。温度。 通过电热丝点燃伸出的垫片部分。通过电热丝点燃伸出的垫片部分。 评估对管道和垫片造成的损坏。评估对管道和垫片造成的损坏。 确定是否合格。确定是否合格。 填料垫片材料选择指南 如

35、果在4次试验中有一次或多次实质性的反应发生，该填料不合格。 实质性反应就是，产生的能量足以使不锈钢管道或法兰之间的垫片填料发生燃烧或破坏。 最低要求： 压力大于4MPa 温度高于60 垫片填料环试验的优点 部件试验非常接近填料的实际运行条件。 可以用于研发在一定运行压力和温度条件下使用的材料。 BS 3N 100 SIT 试验：没有部件试验，只能确定在最大工作温度(90oC)下的使用压力。Selection of Metallic Materials金属材料的选择金属材料的选择金属材料 所有的金属，除了贵金属金、银、铂以外，与氧接触时在热力学上都是不稳定的。 与非金属相比，金属的自点燃温度一般

36、要更高一些。 金属拥有很高热导率，有助于热量的消散。 大多数金属在燃烧时产生凝聚的氧化物，而不会产生可以稀释附近氧气的气体。 金属在更高的温度下燃烧，将更有可能将火传播到临近的材料。金属材料的选择金属材料可以根据其预期的运行状态和可能的点火机制，按照相关氧兼容性试验确定的下列性质选择： 对于持续燃烧，极限压力：促进燃烧试验；对于在液氧中经由引火链促进燃烧的倾向性：与液氧的兼容性试验；Pv 乘机：摩擦试验；抗粒子冲击性能（极限温度）：粒子冲击试验。对于小尺寸，薄结构的材料，可能要考虑对于小尺寸，薄结构的材料，可能要考虑“绝热压缩绝热压缩”!促进燃烧试验 (ASTM G124) 确定金属材料在富氧

37、气氛中燃烧行为（易燃性）的标准试验方法。 如何应用数据？确定极限压力（或自熄灭压力）； 考虑结构影响（例如管/板或杆状）； 采用安全系数（风险分析）。 数据的应用：对于ASU/ICO/PPU/VSA 的管道和阀门，压缩的氧，C&P处理反应器，氧枪、克劳思/苏尔炉等所用的材料的选择和研发。BOC的促进燃烧试验机促进燃烧试验促进燃烧试验试验气氛出口试验气氛出口试验气氛进口试验气氛进口试样试样视孔视孔点火器引线点火器引线试样夹持器试样夹持器试验腔试验腔促进剂促进剂为了确定极限压力，需要在不同的压力下进行多次（大于为了确定极限压力，需要在不同的压力下进行多次（大于5次）试验。次）试验。促进燃烧

38、试验中金属的消耗促进燃烧试验中金属的消耗 试验前和试验后的金属杆结构 1/8” Al 6061 AlloyBefore After 1/8” 316 不锈钢不锈钢 前前 后后 1/8” Al 6061 合金合金 前前 后后 Al/Pd 熔断点火丝熔断点火丝300 psig;99.7% O22000 psig;99.7% O2促进燃烧试验中金属的消耗促进燃烧试验中金属的消耗 1/8” Al 6061 AlloyBefore After 1/8” Al-Bronze (AB2; Cu-10Al-5Fe-5Ni)Before AfterAl/Pd Pyrofuze ignition wire300

39、psig;99.7% O22000 psig;99.7% O21/4” 碳钢 A216 WCB 前 后 1/8” 铝铜合金 (AB2; Cu-10Al-5Fe-5Ni) 前 后试验前和试验后的金属杆结构99.6%O2-Ar;100 psig99.6%O2-Ar;2500 psig铝-铅热熔保险丝促进燃烧数据材料 (1/8” 杆料)蒙乃尔 400/K-500Cu, Ni, Co, Cu-Ni 合金黄铜, Sn-/Si-/P- 青铜海恩斯 188/242, 哈斯合金 C22440C S.S., Inconel 600, 哈斯合金C276316/304 不锈钢铝青铜铝青铜1018 碳钢Al, 606

40、1 铝合金Ti/Ti-6Al-4V极限压力 (psia)10,00010,0007,0005,0002,500-3,00050020030251促进燃烧数据 按照G124，促进燃烧试验是在静态下，作为氧压力和浓度的函数有代表性的进行。 数据的特性曲线:极限压力极限压力O2 %100下层下层上层上层转换区域：数据有重大分散转换区域：数据有重大分散抵抗燃烧的材料: Ni200, Cu, Monel 400, etc. 抵抗能力较差的材料: Al, C.S., S.S., etc. 材料材料 ; 结构结构/尺寸尺寸; 温度温度 ; O2 %; 稀释剂稀释剂; 速度速度; 其他其他. 合金合金 杆杆

41、(1/81/2”), 管管 RT-1000C 25-100% N2/Ar/CO2 0-500 ft/s 促进燃烧试验促进燃烧试验 - 试验参数试验参数316 不锈钢不锈钢 (1/8”, RT, 100%O2 ) 500 尺寸影响尺寸影响316 不锈钢不锈钢 (1/4”, RT, 100%O2) 725 碳钢碳钢 (1/8”, 177 C, 96%O2, 4%N2) 25 (不燃烧不燃烧) 温度影响温度影响碳钢碳钢 (1/8”, 1000 C, 96%O2, 4%N2)25 (100% 燃烧燃烧)碳钢碳钢 (1/4”, RT, 100%O2) 25 O2 浓度影响浓度影响 碳钢碳钢 (1/4”,

42、 RT, 93%O2, 7%Ar)80铝铝 (1/8”, RT, 100%O2) 30 稀释剂影响稀释剂影响铝铝 (1/8”, RT, 99.82%O2, 0.18% Ar) 115316L 不锈钢不锈钢 (1/2”, 99.5% O2) 静止静止/无流动无流动 1200 流速的影响流速的影响316L 不锈钢不锈钢 (1/2”, 99.5% O2) 流动流动(75 f/s) 0.77不持续燃烧铜101(99.9%)60 x60/0.190.330.36蒙乃尔40060 x60/0.190.0850.31316不锈钢60 x60/0.190.0850.81304不锈钢60 x60/0.170.0

43、850.99碳钢60 x60/0.190.0850.95*NASA的试验结果TP大于10000psig(NFPA); 普莱克斯大于5000psig。- 镍200是对尺寸最不敏感的材料，被认为是最适用于薄尺寸工程部件（例如过滤器）的材料。（燃烧速率是在0.6MPa压力下的数据）不同结构合金的极限压力 (MPa) 金属3mm棒料12mm金属丝69mm直径管3mm板0.8mm板烧结型过滤器丝网镍48.420.7-0.69蒙乃尔48.4-0.6948.448.4-38-69-黄铜48.40.1-不锈钢3.5-6.9-0.16.935? 69 (10,000 psi) 9.46 20.7 (3000 p

44、si)10.3 2.1 (305 psi)13.9 2.1 (305 psi)试样结构/尺寸的影响 根据对铝 6061，304/316不锈钢， 9% Ni 的镍钢和1018 碳钢的大量实验研究可知： 用类似的或稍微小的材料尺寸（壁厚相对于直径）进行试验，与棒状试样相比，管道试样的可燃性较低，板状试样可能是可燃性最低的。 如果氧管道材料的选择以棒材的可燃性为依据，会提供一个安全余量。根据促进燃烧的性质选择材料 固体状态的燃烧具有极大的多样性，并且受到试样结构和环境条件的巨大影响。 材料在氧中的点火和燃烧涉及非常复杂的反应，在材料、环境或系统运行状态上即使是不大的变化都会对点火和燃烧造成巨大的影响

45、。 金属材料与液氧的兼容性 在Fushan, Bintulu 和 Highveld的空分装置事故发生之前，大家认为大多数金属与液氧是兼容的。 Fushun 和 Bintulu 的事故表明：板式铝热交换器（BAHX）有可能被烧掉并产生“巨大能量释放”从而引起重大爆炸。 Highveld 的事故证明：1-5/8英寸316不锈钢阀体的笼式阀，在用于液氧时（P 从40降低到3bar）有可能被烧掉4050%。 在液氧中使用金属金属材料（特别是铝和铝合金）时需要特别注意。 在液氧中点火比在气态氧中点火要困难的多（低温！）。 如果一种材料可以被点燃，它将剧烈地燃烧 爆炸！（气态氧增强供给和液氧膨胀形成的极大

46、体积）摩擦点火试验 没有ASTM标准化的试验。 NASA的试验方法是用于确定在气/液氧中一对材料摩擦点火的阈值极限（Pv乘积）。 Pv（w/m2）：单位接触面积上所产生的能量。）：单位接触面积上所产生的能量。 Sulzer Brothers公司有一个类似的装备，但具有不同的设计结构。 数据的应用：氧系统/部件中具有摩擦运动（例如泵、压缩机、轴承等）材料对的选择和研发。 NASA的摩擦点火试验试验气体进试验气体进/出口出口轴轴固定试样固定试样转动试样转动试样试验腔试验腔气态气态 O2同轴的一对固定和转同轴的一对固定和转动轴，配置有特殊尺动轴，配置有特殊尺寸管状试验零件。寸管状试验零件。摩擦试验数

47、据 试验金属试验金属 Pv* 乘积值乘积值 固定试样固定试样 转动试样转动试样 (W/m2 x 10-8)锡青铜锡青铜 锡青铜锡青铜 2.1, 2.2, -球墨铸铁球墨铸铁 WC-涂层涂层 41401.7, 1.8, 1.8锡青铜锡青铜304 不锈钢不锈钢0.95, 1.0, 1.2球墨铸铁球墨铸铁 硬质合金硬质合金 6B0.82, 0.88, 1.1球墨铸铁球墨铸铁锡青铜锡青铜0.80, 1.4, 1.7球墨铸铁球墨铸铁Nitronic 600.44, 0.51, 0.75铝青铜铝青铜C355 铝铝0.29, 0.31, -青铜浇注巴氏合金青铜浇注巴氏合金蒙乃尔蒙乃尔 K-5000.09,

48、0.16, 0.19*在6.9 MPa的纯氧中，以每分钟17000的转速，在逐渐增加负荷过程中发生点火时的Pv乘积值。* P 是作用于原始试样表面的正常接触压力；v 是转动试样上的平均线速度。粒子冲击试验 没有ASTM标准化的试验。 NASA的试验方法是用于确定在气态氧中材料对以音速或亚音速运动的粒子冲击产生点火的敏感性。 数据的应用：对于在预期的运行结构中有可能遭遇粒子冲击工况的氧管道系统（例如管道、阀体、阀杆）和氧工艺反应器的金属材料的选择和研发。粒子冲击试验粒子注入器粒子注入器加热的加热的气态氧气态氧试验腔试验腔试样试样试样夹持器试样夹持器渐缩渐缩/扩张喷嘴扩张喷嘴- 系统增压到系统增压

49、到4000 psig ，速度达到音速；，速度达到音速；- 试样温度控制的目标最高为试样温度控制的目标最高为700K 。点火阈值极限用试样温度表示；点火阈值极限用试样温度表示；根据粒子的速度，可以使用两种温度目标范围。根据粒子的速度，可以使用两种温度目标范围。（壁厚：（壁厚：0.06”/1.5 mm） 粒子冲击试验数据- NASA/WSTF 材料材料 (C) 反应温度反应温度 (F) 蒙乃尔蒙乃尔 400 329 625锡青铜锡青铜 307 585黄铜黄铜 346 655硬质合金硬质合金 600 332 6307% 铝青铜铝青铜 304 580硬质合金硬质合金 625 302 575球墨铸铁球墨

50、铸铁 202 395硬质合金硬质合金 718 202 395 耐热合金耐热合金 800 196 385316 不锈钢不锈钢 52 125304 不锈钢不锈钢 46 1156061 铝合金铝合金 -34 -30O&ED 05/99: 氧系统中铝青铜的使用 铝青铜（含铝最高到14%）历史上用于阀门、泵、压缩机和压力装置中需要高强度的地方。 铝青铜通过摩擦可容易地被点燃，对于促进燃烧试验表现出较低的极限压力（1/8英寸棒料为 200225psig）。 普莱克斯的工程指导中规定氧中使用的1/8英寸壁厚的铝青铜，极限压力为150psig。 O&ED 05/99:氧系统中铝青铜的使用 鉴于

51、（含铝513%）铝青铜对于促进燃烧试验的压力极限过低，O&ED 05/99 给出的解决办法是：氧充装系统中与氧直接接触的部件消除铝青铜的使用；确定需要修改消除铝青铜的范围；在空分装置、管道、客户工程、气体应用和输送系统所使用的材料中减少铝的含量。O&ED 05/99:氧系统中铝青铜的使用 在气瓶充装系统中： 新建或更新的充瓶系统中不得使用铝青铜； 现有系统中更新零部件时不得使用铝青铜； 对于不与氧直接接触的零件，像填料函的螺母，仍允许使用，以达到需要的强度； 对于现有系统必须进行调查以确定铝青铜使用的范围，将有助于确定是否需要整改。 O&ED 05/99:氧系统中铝青铜

52、的使用 在空分装置和管道系统中： 阀门和管件的结构材料中许可的最大铝含量减小到2.5%； 现有零部件不需要更新； 必须对所有的工程规格规范进行修改更新，以反映该新要求。O&ED 05/99:氧系统中铝青铜的使用 对于客户工程、气体应用和运输系统： 阀门和管件的结构材料中许可的最大铝含量减小到2.5%； 现有零部件不需要更新； 必须对所有的工程规格规范进行更新，以反映该新要求。O&ED 05/99:氧系统中铝青铜的使用 现有库存： 现有库存的铝青铜部件，凡不符合O&ED 05/99要求的，不得用于氧服务； 应将它们尽可能地转移到氮、氩或空气的应用场合。 用于氧管道系统的全

53、球行业指南 作为CGA和EIGA之间广泛联合的一个成果，在2002年制订了用于氧管道系统的全球行业指南。 该行业指南（CGA G-4.4/EIGA 13/02/E）是在对由CGA G4.4 (1993) 和 EIGA规定的工程实施规范进行协调整和后得到的。 CGA G-4.4；EIGA 13/02/E 和和 CGA G-4.4 (1993第第3版版)之间的主要差别是：之间的主要差别是： 扩大了内容目录 CGA G-4.4 (2003第4版) 和EIGA 13/02/E中增加的内容有： 清洗（第6章）； 气站的设计和施工（第8章）：阀门、流量计、过滤器、仪表、屏障、气体储存等； 总体保护措施（第

54、10章）。 根据有冲击和无冲击两种场合下，对于以工艺气体速度为基础的材料选择提供了更详细的分析说明。CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统氧管道系统CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统 与CGA G4.4 (1993 版) 相比，是一个更为全面“氧管道系统”的行业指南。 绘制出用于碳钢和不锈钢的压力-速度曲线，并且与CGA G4.4-1993的数据协调一致。 按照“豁免压力”和“最小厚度”对材料列表。 运行在规定条件下的那些材料是免除速度限制的。CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统 当 P3000ps

55、ig ；含氧量O235%（体积）时，对于由含铁或不含铁材料构成的无碳氢化合物的系统，速度限度可以豁免。（根据促进燃烧试验，碳钢和不锈钢是阻燃的！） 该文件可以在网上下载。CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统豁免压力和最小厚度豁免压力和最小厚度 合金合金 最小厚度最小厚度 (in) 豁免压力豁免压力 (MPa) 黄铜黄铜 没有规定没有规定 21 (3000 psig) 斯太立特斯太立特 6/6B 没有规定没有规定 3.6 (500 psig) 铜铜 没有规定没有规定 21 (3000 psig) Cu-Ni 合金合金 没有规定没有规定 21 (3000 psig)

56、 锡青铜锡青铜 没有规定没有规定 21 (3000 psig) 蒙乃尔蒙乃尔400/k-500 没有规定没有规定 21 (3000 psig) 镍镍 200 没有规定没有规定 21 (3000 psig)304/304L,316/316L,321,347 1/8 1.4 (200 psig)304/304L,316/316L,321,347 1/4 2.0 (290 psig) Carpenter 20 Cb-3 1/8 2.6 (375 psig) 410/430/X3NiCrMo 13-4 1/8 1.8 (250 psig) 17-4 PH (aged) 1/8 2.2 (300 psi

57、g)CGA G-4.4 (1993) 和CGA G-4.4 (2003) EIGA 13/02/E之间的主要差别最常用金属列表如下完整的材料列表见 CGA G-4.4 和EIGA 13/02/E 的附件D。工程合金工程合金最小厚度最小厚度(mm)豁免压力豁免压力(MPa)不锈钢（轧制）不锈钢（轧制） 304/304L，316/316L，321，3473.181.4 304/304L，316/316L，321，3476.352.0铁铸件（不锈的）铁铸件（不锈的） CF3/CF8，CF3M/CF8M，CG8M3.181.4 CF3/CF8，CF3M/CF8M，CG8M6.352.0铜铜没有规定21

58、铁铸件（可锈的）铁铸件（可锈的） 灰铸铁3.180.27 球墨铸铁3.180.45镍合金镍合金 蒙乃尔 400没有规定21 蒙乃尔 K-500没有规定21 镍 200没有规定21CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统 图图1：用于氧气材料的选择（有冲击场合）：用于氧气材料的选择（有冲击场合）CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统有冲击场合的速度曲线： 对于碳钢管道最高温度为150；对于不锈钢管道最高温度为200。 如果进行了危险分析，碳钢的温度极限可以提高到200。 压力极限最大为21MPa。“如果冲击场所有可能存在，在新管道系统，阀

59、门，设备以及相关管道的设计中必须使用有冲击的速度曲线。”CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统 图图2：用于氧气材料的选择（无冲击场合）：用于氧气材料的选择（无冲击场合）CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: O2 Pipeline Systems无冲击场合的速度曲线: 对于碳钢管道最高温度为150；对于不锈钢管道最高温度为200。 如果进行了危险分析，碳钢的温度极限可以提高到200。 压力极限最大为21MPa。“如果速度在无冲击曲线以上，在无冲击场合也必须使用豁免材料。 CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统 有冲击的速度曲线： P (MPa) 0.3 P 1.5 V = 30 m/s (100 ft/s) 1.5 P 10 P*V = 45 Mpa-m/s 10 P 20 V = 4.5 m/s (15 ft/s) 无冲击的速度曲线： P (MPa) 0.3 P 1.5 V = 60 m/s