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Organisationseinheit der BAM
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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.
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.
In oxygen components, even for high pressure oxygen service, it is possible to use organic seals, lubricants, or filling liquids, provided their oxygen compatibility has been checked. However, fire incidents in oxygen systems still occur because these materials ignite and burn. There are many reasons, such as incorrect design, contamination, faulty operation, unsuitable materials, etc., why this happens. Another cause that is overseen very often is proper maintenance on the user´s side. It is very important to replace in a component a worn out seal by the same one with identical oxygen compatibility properties. On the part of the producer or distributor of materials, batch testing and also a quality assurance system play a key role in the safety of an oxygen component. Any change in the manufacturing process of a material, or in its composition, and even its further processing may have an impact on its oxygen compatibility and finally on the component in which it is used. Numerous investigations by BAM over decades reveal the influence of minor constituents and fillers on a material´s oxygen compatibility. The test results in this paper show how important it is to regularly perform batch testing on nonmetallic materials used for oxygen service and to have a quality assurance system that helps minimize incidents where unsuitable materials are chosen by accident.
Self-contained underwater breathing apparatus (SCUBA) divers use different mixtures of nitrogen and oxygen as breathing gas. The so-called NITROX mixture often contains more oxygen than is contained in air and may increase the fire hazard in diving equipment. The SCUBA diving community, however, still differentiates between NITROX mixtures that contain more than 40 % oxygen or less. They consider a mixture with up to 40 % oxygen often as regular air. In filling operations of SCUBA cylinders, gas flows from high pressure to low pressure. Because of compressive heating, a sudden temperature rise in the gas occurs and nonmetallic materials, e.g., seals may ignite. BAM has used the pneumatic impact test to investigate the ignition sensitivity of ethylene propylene diene monomer (EPDM), fluorelastomer (FPM), polytetrafluorethylene (PTFE), polyetheretherketone (PEEK), and nylon (PA 6.6) to gaseous impacts in synthetic air, in various NITROX mixtures, and in pure oxygen. The test results clearly show that for nonmetallic materials, the maximum pressure of nonreaction in NITROX mixtures decreases at a content of 29 % oxygen in comparison to those in air. In addition, autoignition temperatures of the nonmetallic materials were also determined. The findings of this investigation support very well the results of other publications on oxygen enrichment. As a consequence of this study, in SCUBA diving, the same safety requirements for NITROX mixtures with more than 21 % oxygen should be applied as for pure oxygen in the industry.
Die meisten Sauerstoffarmaturen und -anlagenteile bestehen aus Metallen und enthalten nichtmetallische Materialen als Sitz- und Dichtungswerkstoffe. Die Gefahr eines Ausbrands ist grundsätzlich vorhanden, jedoch relativ gering, wenn neben der richtigen Konstruktion geeignete metallische und nichtmetallische Materialien für die vorgesehenen Betriebsbedingungen gewählt werden. Aus sicherheitstechnischer Sicht sollten Sauerstoffarmaturen und -anlagenteile, die komplett aus metallischen Materialien gefertigt und abgedichtet werden, ein noch geringeres Risiko eines Ausbrands aufweisen. Bei einer Versuchsreihe auf dem BAM-TTS-Freiversuchsgelände brannte unerwartet ein rein metallisches Anlagenteil komplett ab. Bei dieser Versuchsanordnung platzt eine metallische Berstscheibe bei einem bestimmten Sauerstoffdruck auf. Die anschließenden Untersuchungen konzentrierten sich auf die Frage, wie es bei diesem Versuch zu einem Ausbrand des massiven Anlagenteils kommen konnte. Im Vortrag werden die Ergebnisse der Untersuchungen diskutiert und die Sauerstoffverträglichkeit der verwendeten Metalle auf Grundlage des Abbrandverhaltens nach ASTM G 124-95 verglichen. Es wird versucht, die Frage zu beantworten, ob der Einsatz metallischer Berstscheiben zu einer Erhöhung der Brandgefahr in Sauerstoffanlagen führen kann.
The general requirement, that nonmetallic materials for oxygen service must be tested and found suitable for their intended use in plants and components is the current state of technical safety. However, numerous requests of manufacturers, sales offices, and users show that there is still a strong need for information on how these materials are tested and evaluated. Based on more than 60 years of expertise, this paper provides background information on BAM’s test approach. It explains why BAM applies additional assessment criteria on nonmetallic materials for certain use conditions. Hence, the test schedule as well as the final evaluation shall reflect the practical application in a more customer-related way in combination with a higher safety level. That is the demand of BAM’s safety philosophy.