氧环境下材料的选择.pptx
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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。氧的性质最普通
2、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度下可以共存的能力。(在规定的源两者在预期的压力和
3、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
4、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
5、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)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
6、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)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
7、/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
8、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),BA
9、M 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(聚合物:塑性材料和弹性材料)绝大多数聚合物自点燃温度在绝大多数聚合物自点燃温度在绝大多数聚合物自点燃温度在绝大多数聚合物自点燃温度在 150-500150-
10、500o oC C聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚四氟乙烯PTFEPTFE 427+427+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 OCSB-6&8章章,以及以及 ASTM TPT 相关资料。相关资料。AIT 数据
11、(垫片:有/无压缩石棉纤维型)大多数非金属自点燃温度为大多数非金属自点燃温度为大多数非金属自点燃温度为大多数非金属自点燃温度为 150-500150-500o oC C RM 607 400 RM 607 400 C Scandura 1786 190-223 Scandura 1786 190-223 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
12、 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(油/脂/润滑剂:以全氟聚合物和 CTFE 为基础的)大多数非金属的自点燃温度为大多数非金属的自点燃温度为大多数非金属的自点燃温度为大多数非金属的自点燃温度为 150-500150-500o oC CLOX-8LOX-8 500 500 C Krytox 240 AC 427+C Fomblin RT-15 4
13、25 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 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(p
14、sig)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,
15、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(AST
16、M 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 燃烧热数据非金属燃烧热数据非金属燃烧热数据非金属燃烧热数据非金属燃烧热数据 (-(-D D
17、 D DH Hc c,cal/g),cal/g)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)1,0001,700硅脂硅脂(Silicone Grease)4,800Krytox 240 AC9001000燃烧热数据-金属的燃烧热(-DHc cal/g)铝铝7,425Ti-45Nb3,675不锈钢不锈钢1,9002,000碳钢
18、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
19、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
20、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
21、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 510-525 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 32-3
22、5 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 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
23、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/Kalrez,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
24、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
25、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/TC2
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