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1、Selection of Materials for Oxygen Service 氧服务材料的选择 非金属材料 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 氧的性质 最普通的元素
2、 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 25 或其他值 在此极限阈值以上 必须考虑材料的氧兼容性 燃烧三角形 结构材料 化学反应 w O2 AIT DH O I 热导率 结构 厚度 方位等 从周围材料释放的能量 颗粒冲击 电能 绝热压缩 共振谐振 摩擦 机械撞击 温度 压力 速度 稀释度 外部污染物 碳氢化合物 油 脂 润滑剂 加工毛刺 焊巴等 氧 燃料 点
3、火源 影响材料氧兼容性的因素 压力 浓度 温度 速度 稀释剂 CO2 N2 Ar 系统设计 部件的结构形式 清洁程度 运行程序 部件的厚度 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 l氧指数试验 燃烧 l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 气态氧 冲击试验 点火 l绝热压缩 压力波冲击 试验 点火 评估材料 或压力部件 l填料环试验 燃烧 损坏可能性 评估部件 l促进燃烧试验 燃烧 l摩擦试验
4、点火 l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 选择那些在点火后有熄灭 停止反应 倾向的材料 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 无压缩石棉
5、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 有严格的规定 O 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 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 99 7 O2 2000 psig 99 7 O2 促进燃烧试验中金属的消耗 1 8 Al 6061 Alloy Before After 1 8 Al Bronze AB2 Cu 10Al 5Fe 5Ni Before After Al Pd Pyrofuze
6、ignition wire 300 psig 99 7 O2 2000 psig 99 7 O2 1 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 psig 99 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 500 Cu Ni Co Cu Ni 合金 黄铜 Sn Si P 青铜 海恩斯 188 242 哈斯合金 C22 440C S S Inconel 600 哈斯合金C276 316 304 不锈钢 铝青铜 1018
7、 碳钢 Al 6061 铝合金 Ti Ti 6Al 4V 极限压力 psia 10 000 10 000 7 000 5 000 2 500 3 000 500 200 30 25 1 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 O2 100 下层 上层 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 结构 尺寸 温度 O2 稀释剂 速度 其他 合金 杆 1 8 1 2 管 RT 1000C 25 100 N2 Ar CO2
8、0 500 ft s 促进燃烧试验 试验参数 316 不锈钢 1 8 RT 100 O2 500 尺寸影响 316 不锈钢 1 4 RT 100 O2 725 碳钢 1 8 177 C 96 O2 4 N2 25 不燃烧 温度影响 碳钢 1 8 1000 C 96 O2 4 N2 25 100 燃烧 碳钢 1 4 RT 100 O2 25 O2 浓度影响 碳钢 1 4 RT 93 O2 7 Ar 80 铝 1 8 RT 100 O2 30 稀释剂影响 铝 1 8 RT 99 82 O2 0 18 Ar 115 316L 不锈钢 1 2 99 5 O2 静止 无流动 1200 流速的影响 316
9、L 不锈钢 1 2 99 5 O2 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 19 0 0850 31 316不锈钢60 x60 0 19 0 0850 81 304不锈钢60 x60 0 17 0 0850 99 碳钢60 x60 0 19 0 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
10、金属3mm 棒料 1 2mm 金属丝 6 9mm 直径管 3mm 板 0 8mm 板 烧结型 过滤器 丝网 镍 48 4 20 7 0 69 蒙乃尔 48 4 0 6948 448 4 38 69 黄铜 48 4 0 1 不锈钢3 5 6 9 0 16 935 69 10 000 psi 9 46 20 7 3000 psi 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
11、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 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
12、 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40 50 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 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
13、 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 出口 轴 固定试样转动试样 试验腔 气态 O2 同轴的一对固定和转 动轴 配置有特殊尺 寸管状试验零件 摩擦试验数据 试验金属 Pv 乘积值 固定试样 转动试样 W m2 x 10 8 锡青铜 锡青铜 2 1 2 2 球墨铸铁 WC 涂层 41401 7 1 8 1 8 锡青铜304 不锈钢0 95 1 0 1 2 球墨铸铁 硬质合金 6B0 82 0 88 1 1 球墨铸铁锡青铜0 80 1 4 1 7 球墨铸铁Nitronic 600 44 0 51 0 75 铝青铜C355 铝0 29 0 31 青铜浇注巴氏合金
14、蒙乃尔 K 5000 09 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 加热的 气态氧 试验腔试样试样夹持器 渐缩 扩张喷嘴 系统增压到4000 psig 速度达
15、到音速 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 根据粒子的速度 可以使用两种温度目标范围 壁厚 0 06 1 5 mm 粒子冲击试验数据 NASA WSTF 材料 C 反应温度 F 蒙乃尔 400 329 625 锡青铜 307 585 黄铜 346 655 硬质合金 600 332 630 7 铝青铜 304 580 硬质合金 625 302 575 球墨铸铁 202 395 硬质合金 718 202 395 耐热合金 800 196 385 316 不锈钢 52 125 304 不锈钢 46 115 6061 铝合金 34 30 O 图1EIGA13 02 E 图1
16、流量scfh400 000400 000 运行温度F100100 运行压力psig400400 管道尺寸inches44 管道内直径inches4 0264 026 计算三通管三通管 管道截面积sq ft0 08840 0884 实际流量acfm249 69249 69 实际流速ft s47 0747 07 无冲击场合流速公式ft s188 000 xP 1 292 N A 有冲击场合流速公式 1 ft s94 000 xP 1 292 22 500 P 无冲击场合流速ft s81 71N A 有冲击场合流速ft s40 8654 26 结果需要豁免材料许可非豁免材料 注释 按照CGA G4 4 93版 有冲击场合许可流速是无冲击场合许可流速的一半 案例研究 II 直管段 示例 2 无冲击场合 直管段 4 Pipe 案例研究 II 直管段 示例 无冲击场合速度计算并与许可数值对比 给定条件单位G 4 4 93版 图1EIGA13 02 E 图1 流量scfh400 000400 000 运行温度F100100 运行压力psig400400 管道尺寸inches44 管道内直径inche
