氧环境下材料的选择

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

3、化合物，油/脂 /润滑剂，加工毛刺，焊巴等。,氧,燃料,点火源,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,自动点火试验（点火） 氧指数试验（燃烧） 燃烧发热试验（损坏可能性） 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） 绝热压缩（压力波冲击）试验（点火，评估材料或压力部件） 填料环试验（

4、燃烧/损坏可能性，评估部件） 促进燃烧试验（燃烧） 摩擦试验（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 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，

5、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”

6、 Al-Bronze (AB2; Cu-10Al-5Fe-5Ni) Before After,Al/Pd Pyrofuze 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

7、-/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 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

8、, 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 (1/81/2”), 管 RT-1000C 25-100% N2/Ar/CO2 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)

9、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 316L 不锈钢 (1/2”, 99.5% O2) 流动(75 f/s) 50,材料状态 极限压力, psig,材料的使用范围碳钢、铝合金、不锈钢和其他金属,金属丝网促进燃烧能力的等级,*NASA的试验结果TP大于10000psig(NFPA); 普莱克

10、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),材料组分/合金元素的影响,金属/合金的可燃性与其组分(合金元素)关系极大，但这种关系不能从一个混合规律进行外推使用。 例如： Ni-Al (Al 重量%)极限压力 (MPa) 1.0, 3.0, 5.1, 6.0, 6.9, 7.8 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

11、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。,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

12、，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

13、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、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,

14、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

15、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

16、 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&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

17、05/99:氧系统中铝青铜的使用,鉴于（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

18、/99:氧系统中铝青铜的使用,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

19、全球行业指南,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 CGA G-4.4 (1993第3版)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10章）。 根据有冲击

20、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,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 P3000psig ；含氧量O235%（

21、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 合金 最小厚度 (in) 豁免压力 (MPa) 黄铜 没有规定 21 (3000 psig) 斯太立特 6/6B 没有规定 3.6 (500 psig) 铜 没有规定 21 (3000 psig) Cu-Ni 合金 没有规定 21 (3000 psig) 锡青铜 没有规定 21 (3000 psig) 蒙乃尔400/k-500 没有规定 21 (3000 ps

22、ig) 镍 200 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 psig),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

23、料列表见 CGA G-4.4 和EIGA 13/02/E 的附件D。,CGA G4.4 - EIGA IGC 13/02/E: 氧管道系统,图1：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2：用于

24、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

25、 = 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 (200 ft/s) 1.5 P 10 P.V = 80 Mpa-m/s 10 P 20 V = 8 m/s (15 ft/s),CGA G-4.4 (1993版),图3：用于氧气材料的选择（按 G-4.4/1993年版）,区域A可使用碳钢,不锈钢 或铜以及镍合金 区域B可使用不锈钢 (最小1 英寸管；最小厚度1/8英寸) 铜和镍合金 区域C可使用铜和镍合金 最大运行温度为 200F 对于有冲击场合，速度降低 到图中数值的50%。,Key Differences btw CGA G-4.4 (3rd Ed., 1