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Gaseous oxygen impacts may occur in high-pressure oxygen systems whenever oxygen equipment is pressurized too fast. This is one of the main causes of fires in such systems. Therefore, equipment for high-pressure oxygen that contains nonmetallic sealing materials should be tested for burn-out safety. This is required by numerous international standards such as ISO, CEN or national standards as DIN in Germany. Because of new technical developments in industrial uses of oxygen, higher operating pressures up to 500 bar are becoming more and more frequent. With regard to this need, a new 500 bar gaseous oxygen impact tester has been designed and built at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in Berlin (Germany). This paper describes all elements of this test system. The most important element of this BAM test apparatus is a new hydraulically operated quick opening valve that meets all international standards. First experiences on performance and maintenance of the new test apparatus are given.
Autoignition temperature (AIT) round robin tests were conducted by seven laboratories on eight polymeric materials. A statistical analysis was conducted that focused on investigating data variability both within and between test methods. With some exceptions, the methods ranked the materials consistently and as expected from their chemical makeup. There was no consistent difference between AIT values determined at 6.9 and 10.3 MPa. BAM and ASTM G72 consistently provided lower, more conservative AITs at both 6.9 and 10.3 MPa. Within an estimated accuracy obtained from all methods from this round robin, data from the following methods appeared to be more accurate than the rest: NF E 29763/88 and Parr Bomb at 6.9 MPa; automated ASTM G72 at 10.3 MPa. The following methods provided lower within-method variability than the average for all methods: BS 3N 100 and ASTM G72 at 6.9 and 10.3 MPa; Parr Bomb at 6.9 MPa. At 6.9 MPa the BAM method provided data with greater within-method variability than the average for all methods. For most materials, the automated ASTM G72 method at 10.3 MPa provided data with greater within-method variability than the average for all methods. Two data points for this method, Zytel? and Teflon? FEP, exceeded critical . At 6.9 MPa, the largest within-method variability resulted from NF E 29763/88 on Zytel, the only data that exceeded critical . Two extreme results were caused by significant effects of method-specific test parameters: BAM on Zytel at 6.9 MPa and BS 3N 100 on Viton? at 10.3 MPa. Statistically these results had a probability of less than 5 percent of occurring by chance.
Combustion Tests under High Pressure Oxygen: Metals- vs. Component-Related Test Specifications
(2006)
Armaturen und Anlagenteile für Hochdruck-Sauerstoff enthalten meistens nichtmetallische Materialen als Sitz- und Dichtungswerkstoffe. Die Gefahr eines Ausbrands dieser Armaturen; ist grundsätzlich vorhanden, jedoch relativ gering, wenn neben dem richtigen Design geeignete metallische und nichtmetallische Materialien für die vorgesehenen Betriebsbedingungen von Druck und Temperatur gewählt werden. Aus sicherheitstechnischer Sicht sollte daher für Armaturen und Anlagenteile, die komplett aus Metall gefertigt und metallisch abgedichtet werden, eine noch geringere Gefahr eines Ausbrands bestehen. Während einer Versuchsreihe auf dem BAM-TTS- Frei Versuchsgelände mit Hochdruck-Sauerstoff brannte jedoch unerwartet ein solches - rein metallisches Anlagenteil - komplett ab. Bei diesen Versuchen platzt eine metallische Membran wie eine Berstscheibe bei einem bestimmten Sauerstoffdruck auf.
The new promoted ignition combustion test apparatus at BAM matches the requirements of ASTM test method G 124 [ASTM G 124, Standard Test Method for Determining the Combustion Behavior of Metallic Materials in Oxygen-Enriched Atmospheres, 2003] and of EIGA publication, IGC Doc 13/02/E [EIGA Gas Association Document IGC Doc 13/02/E, Oxygen Pipeline Systems, 2003]. The test apparatus is most likely the only one in Europe. The test chamber allows investigations with pure oxygen or oxygen mixtures at pressures up to 500 bar and at temperatures up to 400°C at static or flowing gas conditions. The ignition device consists of an electrical ignition wire and a promoter. IR-sensors, distributed over the whole length of the rod, measure and record the burning temperature and allow measurement of the burn rate. A video system records the experiment for visual characterization of the burning behavior. BAM test results are compared with published data. Results on investigations with coated rods are presented. Ceramic coatings seem to be a solution for the use of certain less compatible metallic materials at higher oxygen pressures.
Two different test apparatuses are used at BAM to evaluate the safety of oxygen components: First, the promoted ignition combustion test according to ASTM G 124 [1] and to EIGA IGC Doc 13/02/E [2], and second, the new metallic disk ignition test that has not been standardized yet. The standard test method ASTM G 124 allows a ranking of metallic materials for use at high pressure oxygen. However, the transfer of those test results to valves and fittings in real-life situations is rather complex. The metallic disk ignition test, developed at BAM, is more practice oriented and uses metallic disks of different thicknesses of the investigated material. A commonly used nonmetallic sealing ring is placed in front of this disk and serves as an igniter. This test array is then exposed to high pressure gaseous oxygen impacts in a standardized pneumatic impact tester according to DIN EN 1797 [3].
Nach nationalen und internationalen Vorschriften müssen
Armaturen und Anlagenteile für hoch verdichteten Sauerstoff
ausbrennsicher sein. Diese Forderung kann technisch dadurch
erreicht werden, dass sicherheitstechnisch geeignete
nichtmetallische und metallische Werkstoffe verwendet werden.
Für die Auswahl geeigneter metallischer Werkstoffe sind
der Verwendungszweck der Armatur, die Betriebsbedingungen
sowie werkstoffspezifische Parameter zu berücksichtigen.
Einige metallische Werkstoffe besitzen gute Materialeigenschaften,
lassen sich leicht be- bzw. verarbeiten und
sind kostengünstig in der Beschaffung, dürfen aber aufgrund
ihres ungünstigen Abbrandverhaltens in Sauerstoff nicht eingesetzt
werden. Es besteht daher ein großes Interesse, den
sicherheitstechnischen Beschränkungen dieser Werkstoffe
durch geeignete Maßnahmen entgegenzuwirken. Eine mögliche
Lösung stellt die Beschichtung dieser Werkstoffe beispielsweise
mit Keramik dar, um den unmittelbaren Kontakt
mit dem Sauerstoff zu verhindern. Um den Einfluss dieser
Keramikschichten auf das Abbrandverhalten metallischer
Werkstoffe zu untersuchen, wird die im Standard ASTM G124
[1] beschriebene Apparatur und das in der einschlägigen
Literatur beschriebene Bewertungsverfahren verwendet. Die
Ergebnisse zeigen, dass für keramikbeschichtete metallische
Werkstoffe ein Abbrand erst bei höheren Sauerstoffdrücken
erfolgt.
Die Gefahr eines Ausbrandes bei Armaturen und Anlagenteilen für Sauerstoff ist latent vorhanden wenn ungeeignete nichtmetallische Dichtungsmaterialien eingesetzt werden. Aus sicherheitstechnischer Sicht sollten daher komplett aus metallischen Materialien gefertigte und gedichtete Sauerstoffkomponenten kaum die Gefahr eines Ausbrands aufweisen. Auf dem 'BAM Testgelände Technische Sicherheit' (BAM-TTS) erfolgte der Ausbrand eines derartigen Sauerstoff-Anlagenteils daher völlig unerwartet. Neben dem heftigen Metallabbrand wurde glühendes metallisches Material bis zu 70 m weit geschleudert und führte zu mehreren Grasbränden. Die anschließenden Untersuchungen konzentrierten sich insbesondere auf die beiden Metallsorten Aluminium und Stahl, aus denen der Großteil der kommerziell erhältlichen Berstscheiben besteht.