Überlegungen zur Materialauswahl in Anwendungen, mit Sauerstoff

von Mitch Spronck

Normalerweise halten wir Sauerstoff für relativ harmlos. Sauerstoff kommt in der Natur häufig vor, da es etwa 21 % (Volumenprozent) der Atmosphäre um uns herum ausmacht. Als Säugetiere atmen wir sauerstoffhaltige Luft ein, Pflanzen produzieren es und sogar die meisten Bakterien sind zur Energiegewinnung darauf angewiesen.

Sauerstoff und das Verbrennungsdreieck

Sauerstoff ist jedoch nicht nur harmlos und unbedenklich. Er kann in höheren Partialdrücken toxisch sein, er ist der Grund, dass Metalle rosten (Oxidation) und Sauerstoff ist neben Wärme und Brennstoff eine der drei Komponenten des Verbrennungsdreiecks. Sauerstoff (genau wie andere Oxidationsmittel) senkt die Zündtemperatur des Brennstoffs und erleichtert das Anzünden. Dieser Artikel befasst sich mit diesem letzten Punkt und erklärt, warum Sauerstoff in Umgebungen, in denen Edelstahl verwendet wird, äußerst gefährlich sein kann.

Spielen Sie nicht mit dem Feuer

Angenommen, Sie möchten eine Kerze anzünden. Egal, ob Sie ein Streichholz oder ein Feuerzeug verwenden, Sie benötigen Brennstoff, Wärme und Sauerstoff. Um das Streichholz anzuzünden, reiben Sie das Streichholz an der Seite der Streichholzschachtel und wupp… Feuer! Die Verwendung eines Feuerzeugs ist noch einfacher: Drücken Sie einfach den Knopf und los geht's.

Wenn man bedenkt, wie einfach das ist, mit 21% (Volumenprozent) Sauerstoff Feuer zu machen, können wir diese Übung auf ein Lagerfeuer ausweiten. Dieses Mal werden wir kein Streichholz oder Feuerzeug verwenden, aber wir werden das Feuer selbst entzünden. Was brauchen wir?

• Zwei Zweige
• Etwas trockenen Zunder oder ein anderes leicht entflammbares Material

Durch Reiben der beiden Zweige wird genügend Reibung (Wärme) erzeugt, um den Zunder zu entzünden. Der kann wiederum verwendet werden, um den rest (in diesem Fall Holz) zu entzünden und ein Feuer zu machen. Um den Zunder am Brennen zu halten, ist das Anblasen eine häufig verwendete Methode, da die Luft, die wir ausatmen, noch etwa 17% Sauerstoff enthält und die Zündtemperatur senkt, indem frischer Sauerstoff zur Quelle gebracht wird.

Für das nächste Beispiel benötigen Sie ein wenig Fantasie. Stellen Sie sich einen großen, hermetisch abgeschlossenen Raum mit reinem Sauerstoff vor; anstelle von Luft, die Stickstoff, Argon, Kohlendioxid usw. enthält, ist es nur Sauerstoff. Stellen Sie sich nun vor, dass das Innere dieses Raumes komplett aus Edelstahl gebaut ist und eine Pistolenkugel in den Raum geschossen wird. Die Kugel wird irgendwo von der Wand abprallen und kann dabei einen Funken erzeugen. Die Energie in Form eines Funkens (Wärme) könnte zusammen mit dem Edelstahl (Brennstoff) und dem Sauerstoff ausreichen, um die Umgebungstemperatur auf die Selbstzündungstemperatur des Geschosses oder des Stahls zu erhöhen und so unser Verbrennungsdreieck zu vervollständigen und eine riesige Explosion zu erzeugen.

Risiken bei der Verwendung von Edelstahl mit Sauerstoff

Wenden wir unsere Aufmerksamkeit wieder der realen Welt zu, können wir dieses letzte Gedankenexperiment auf Prozesse ausdehnen, bei denen Edelstahl und reiner Sauerstoff verwendet werden. Sie können sich vorstellen, dass es dort der gleiche Effekt passieren kann, wenn ein kleines Stückchen Schmutz in einen Edelstahltank, ein Rohrstück oder – weshalb wir dieses Thema so ausführlich beleuchten – einen Vordruckregler geschleudert wird. Dieses kleine Schmutzstück könnte, genau wie die Kugel in der Kammer, einen Funken erzeugen.
Obwohl dies eine der wahrscheinlichsten Ursachen ist, ist dies nicht die einzige mögliche Ursache für erhöhte Temperaturen und Entzündungen. Mehrere andere Faktoren können zur Selbstentzündung von Stahl (oder verwandten Materialien) beitragen:

• Strömungsgeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit eines Fluids durch ein Ventil darf bei Verwendung von Stahl nicht über 61 m/s (200 ft/s) liegen. Das liegt daran, dass die Geschwindigkeit die sogenannte kinetische Energie des betreffenden Fluids erhöht. Kinetische Energie ist als die Energie definiert, die ein Objekt aufgrund von Bewegung besitzt und in Wärmeenergie (Wärme) umgewandelt werden kann. In diesem Fall kann die Schwelle für Selbstentzündung überschritten werden und es kann zu einem Brand oder einer Explosion kommen.
• Vibration: Interne Reibung durch Vibration kann ausreichend Wärme für die Selbstentzündung bestimmter Materialien verursachen. Jeder Kontakt zwischen schnell fließenden Fluiden und festen Gegenständen (Rohrleitungen, Wände, Regler, Ventile usw.) führt zu Reibung. Reibung kann - ebenso wie erhöhte Strömungsgeschwindigkeit - als kinetische Energie angesehen werden und kann daher auch in Wärmeenergie umgewandelt werden.
• Adiabatische oder schnelle Kompression von Gas: Eine schnelle Kompression von Gasen kann zu ungewöhnlich hohen Gastemperaturen führen, die wiederum Materialien im Ventil oder in den Rohrleitungen entzünden können. Im frühen 19.^th Jahrhundert entdeckte Joseph Louis Gay-Lussac, ein französischer Chemiker und Physiker, dass Temperatur und Druck eines Gases (mit fester Masse und festem Volumen) direkt proportional zueinander sind. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur eines Gases steigt, steigt auch der Druck und umgekehrt. Wenn Gas sehr schnell komprimiert wird, kollidieren alle Atome oder Moleküle schneller miteinander und erhöhen die - Sie haben es erraten - kinetische Energie.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung von Edelstahlreglern zur Druckregelung in Anwendungen, in denen Sauerstoff verwendet wird, nicht ungefährlich ist, so harmlos Sauerstoff auch erscheinen mag. Glücklicherweise können andere Materialien für Sauerstoff-Anwendungen eingesetzt werden, um dieses Risiko zu vermeiden.

Materialauswahl für Druckregelungsanwendungen mit Sauerstoff

Eines der besten und am weitesten verbreiteten Materialien ist Monel, eine Nickel-Kupfer-Legierung. Weitere Vorteile von Monel gegenüber Edelstahl sind seine hohe Korrosionsbeständigkeit und seine Fähigkeit, duktil zu bleiben und selbst bei extrem niedrigen Temperaturen nicht spröde zu werden.

Ebenso gibt es für Dichtungen, die normalerweise nicht aus Metallen bestehen, bestimmte Voraussetzungen. Es wird empfohlen, dass alle Polymermaterialien aus Fluorelastomeren hergestellt werden. Dies bedeutet, dass häufig verwendete Materialien wie FKM (Viton ©), FFKM (Kalrez ©), PTFE usw. für diese Art von Anwendungen verwendet werden können.

Schließlich müssen alle Teile, die mit einem Medium wie reinem Sauerstoff in Kontakt kommen, entfettet werden, um das Risiko einer Entzündung zu minimieren. Dieses Verfahren wird angewendet, um Fette, Öle etc. und Substanzen zu entfernen, die sich leicht entzünden können.

Zusammenfassend ist die Auswahl der geeigneten Materialien und die Anwendung geeigneter Entfettungsverfahren der beste Weg, um die mit der Verwendung von Sauerstoff in Ihrer Druckregelungsanwendung verbundenen Risiken zu mindern. Fragen Sie Pressure Control Solutions, wenn Sie die Materialauswahl für Ihre Anwendung besprechen oder lesen Sie über die Materialauswahl für Druckregler auf unserer Wartung und Ersatzteile Seite.