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Cylinder valves for oxygen service that meet the standard DIN EN ISO 10297 should be safe, if properly handled by the user. In the last few years, however, the number of incidents with oxygen valves that has been reported to Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) has increased. According to the incident reports, incorrect handling can be ruled out. People were seriously injured and in most cases, the causes of these incidents were not clear. Very often, such incidents occurred during opening and closing of the valves. Therefore, the technical-scientific community has put the existing test methods for type testing more and more into question. Besides other mandatory tests, the above-mentioned standard allows to perform the endurance test with air or with nitrogen. This is appropriate for all other gases but not for oxygen. Up to now, this test does not consider the fact that cylinder valves also contain nonmetallic seat materials and lubricants that may react with oxygen in a dangerous way. Because of this unsatisfactory situation, BAM initiated a research project to perform endurance testing of cylinder valves for oxygen service much more practice related with oxygen. This test simulates very well real life situations when the cylinder valve is opened or closed. The first part of this project was the development of a new oxygen operated endurance tester in accordance with DIN EN ISO 10297. In a second part, endurance testing of valves with air and with oxygen was performed and the results were compared. In addition, another mandatory test of the standard, the oxygen pressure surge test was carried out on new valves and on valves that had undergone endurance tests with air or oxygen, to see the influence on the burn-out safety of such pre-stressed valves. This paper presents the main results of the project. The findings clearly speak for implementing the oxygen endurance test not only to DIN EN ISO 10297 but also to various other standards to increase the burn-out safety of oxygen cylinder valves.
In den letzten Jahren gab es bei Ventilen zahlreiche technische Weiterentwicklungen, die einerseits zusätzliche Funktionen wie Strömungsbegrenzungs-, Druckregel- und Restdruckfunktion andererseits auch eine immer kompaktere Bauweise betrafen. Diese sogenannten VIPR (Valve with Integrated Pressure Regulator) werden immer häufiger, insbesondere im medizinischen Bereich, eingesetzt. Dies hat leider auch zu einer Zunahme von Ausbränden in Zusammenhang beim Einsatz mit hoch verdichtetem Sauerstoff geführt. Eine mögliche Ursache hierfür können Sauerstoffdruckstöße beim Öffnen der VIPR in Kombination mit mechanischen Bewegungen von Bauteilen im Inneren sein. Auch die Verwendung von für diesen speziellen Fall ungeeigneten Dichtmaterialien und Gleitmittel erscheint als Ursache für die Ausbrände möglich. Allerdings ist es ebenfalls denkbar, dass beim Betrieb der VIPR, z.B. bei Reinigungs- und Desinfektionsarbeiten, organische Stoffe in die VIPR und Anschlüsse gelangen und so die Ausbrände verursachen.
Um konstruktions- und bauseitige Ursachen sicher auszuschließen, schlägt die BAM vor, eine neuartige Lebensdauerprüfung mit verdichtetem Sauerstoff für VIPR zu entwickeln und später in Normen zu überführen. Bei der zzt. üblichen Lebensdauerprüfung, die mit Luft bzw. mit Stickstoff durchgeführt wird, werden die VIPR mit einer vorgegebenen Anzahl von Öffnungs- und Schließvorgängen unter Last geprüft. Diese Prüfung hat sich durchaus bewährt, berücksichtigt aber nicht die Besonderheiten des Reaktionsverhaltens der Dichtungselemente und der eingesetzten Materialien mit Sauerstoff.
Gegenstand des Vorhabens ist es, VIPR auf einem „Sauerstoff-Lebensdauerprüfstand“ mit Sauerstoff unter hohem Druck zu untersuchen und ein Prüfverfahren zur sicherheitstechnischen Bewertung von VIPR für Sauerstoff zu entwickeln.
Neben der systematischen Untersuchung des sauerstoffspezifischen Einflusses auf die eingesetzten Dichtungen und Gleitmittel soll auch eine sicherheitstechnische Bewertung der VIPR vorgenommen werden. Dabei sollen sowohl industrielle/technische VIPR (gemäß EN ISO 22435) wie auch VIPR für medizinische Anwendungen (gemäß EN ISO 10524-3) untersucht werden. Im Ergebnis soll die Eignung des neuartigen Prüfverfahrens für die sicherheitstechnische Bewertung von VIPR festgestellt werden.
Nichtmetallische Materialien dürfen generell als Gleitmittel, Dichtungsmaterialien, Flanschdichtungen und Füllflüssigkeiten nur dann in Sauerstoffanwendungen eingesetzt werden, wenn sie sicherheitstechnisch für die entsprechenden Betriebsbedingungen geeignet sind. Genormte Prüfverfahren sowie weitere Untersuchungsmöglichkeiten wie die Sauerstoff- Druckstoßprüfung, die Bestimmung der Zündtemperatur in verdichtetem Sauerstoff, die Untersuchung des Alterungsverhaltens, die Flanschprüfung sowie die Prüfung des Reaktionsverhaltens des Materials mit flüssigem Sauerstoff bei mechanischer Einwirkung sollen dies gewährleisten und können auch bei der BAM durchgeführt werden. Die vorhandenen Prüfungen und Beurteilungskriterien verursachen jedoch manchmal Probleme, wenn es um die Übertragbarkeit auf die tatsächliche, praktische Anwendung oder um die Interpretation von Prüfergebnissen geht. Der Vortrag stellt diesbezüglich die BAM- Sicherheitsphilosophie vor.
In der Praxis kommt es immer wieder zu Ausbränden von medizinischen Geräten und industriellen Anlagen mit Sauerstoff. Armaturen und Anlagenteile dürfen deshalb nur dann mit Sauerstoff verwendet werden, wenn sie sicherheitstechnisch für die entsprechenden Betriebsbedingungen geeignet sind. Neben ganz konkreten Anforderungen aus produktspezifischen Normen und Richtlinien, müssen die Prüfungen in vielen Fällen individuell auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten werden. Der Vortrag stellt die BAM-Sicherheitsphilosophie hinsichtlich der unterschiedlichen Anforderungen und Möglichkeiten der Beurteilung der Ausbrennsicherheit vor.
Alle nichtmetallischen und metallischen Materialien sowie alle Armaturen und Anlagenteile müssen für Sauerstoff- Anwendungen geeignet sein. Im ersten Teil des Vortrags werden die Prüfverfahren und Untersuchungsmethoden auf dem BAM Stammgelände sowie die Bewertungskriterien vorgestellt. Die BAM Sicherheitsphilosophie setzt bei der Interpretation der Prüfergebnisse teilweise auf strengere oder erweiterte Bewertungskriterien, um somit beispielsweise die bessere Übertragbarkeit der Laborergebnisse auf praktische Anwendungen zu gewährleisten. Im zweiten Teil des Vortrags werden die erweiterten Sauerstoff Untersuchungsmöglichkeiten auf dem BAM Testgelände Technische Sicherheit vorgestellt. Nach der Planung und der technischen Umsetzung konnte im Probebetrieb gezeigt werden, dass die neue, weltweit einzigartige 750 bar Sauerstoff Druckstoßanlage korrekt arbeitet. Da es sich um eine komplette Neuentwicklung für extreme Betriebsbedingungen handelt, wurden für ein korrektes Funktionieren der Anlage teilweise aufwändige Modifikationen notwendig. Für 2021 ist die Inbetriebnahme dieser Prüfeinrichtung geplant.
The Oxygen Pressure Surge Test (OPST) is considered to be best practice for evaluating the burn out safety of plant components and testing the compatibility of nonmetallic materials for oxygen service. Nevertheless, there are only a few laboratories worldwide performing the OPST. The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) already operates oxygen pressure surge test facilities with maximum OPST pressures of 450 bar.
However, to ensure technical innovation and to enhance research and development, the decision was made to develop a new and large-scale oxygen pressure surge test facility. Due to the size and the high potential impact energies, the test facility is located outside of Berlin at BAM Test Site for Technical Safety (TTS), where large scale testing is carried out. In addition to an intended maximum OPST pressure of 750 bar, there is the possibility of testing industrial equipment with large inner volumes and diameters. The new quick opening valve constitutes the core of the system and was developed by BAM. It allows to perform tests with the standardized pressure rise times of 15 ms to 20 ms or with adjustable pressure rise times at higher or lower values. As a result, it is possible to provide customized test parameters for specific practical applications as well as research projects.
This presentation shows the status quo of this unique test facility, its performance, its technical specifications, and its new possibilities for research and development for a long term enhancement of burn out safety in oxygen application.