La compatibilidad con el oxígeno es la cuestión de la compatibilidad de los materiales para el servicio en altas concentraciones de oxígeno . Es un tema crítico en aplicaciones espaciales, aeronáuticas, médicas, de buceo submarino e industriales. Los aspectos incluyen los efectos del aumento de la concentración de oxígeno en la ignición y combustión de materiales y componentes expuestos a estas concentraciones en servicio.
Es necesario comprender los riesgos de incendio al diseñar, operar y mantener sistemas de oxígeno para poder prevenir incendios. Los riesgos de ignición se pueden minimizar controlando las fuentes de calor y utilizando materiales que no se enciendan o que no favorezcan la combustión en el entorno aplicable. Algunos materiales son más susceptibles a la ignición en entornos ricos en oxígeno, y se debe evaluar la compatibilidad antes de introducir un componente en un sistema de oxígeno. [1] Tanto la presión parcial como la concentración de oxígeno afectan el riesgo de incendio.
Las cuestiones de limpieza y diseño están estrechamente relacionadas con la compatibilidad de los materiales para la seguridad y durabilidad en el servicio de oxígeno.
Los incendios se producen cuando el oxígeno, el combustible y la energía térmica se combinan en una reacción química autosostenida. En un sistema de oxígeno, la presencia de oxígeno está implícita y, con una presión parcial de oxígeno suficientemente alta, la mayoría de los materiales pueden considerarse combustibles. Existen fuentes potenciales de ignición en casi todos los sistemas de oxígeno, pero los peligros de incendio pueden mitigarse controlando los factores de riesgo asociados con el oxígeno, el combustible o el calor, lo que puede limitar la tendencia a que se produzca una reacción química.
Los materiales son más fáciles de encender y arder más rápidamente a medida que aumenta la presión o la concentración de oxígeno, por lo que operar sistemas de oxígeno a la presión y concentración más bajas posibles puede ser suficiente para evitar la ignición y la combustión.
El uso de materiales que son inherentemente más difíciles de encender o que son resistentes a la combustión sostenida, o que liberan menos energía cuando se queman, puede, en algunos casos, eliminar la posibilidad de incendio o minimizar el daño causado por un incendio.
Aunque las fuentes de calor pueden ser inherentes al funcionamiento de un sistema de oxígeno, el inicio de la reacción química entre los materiales del sistema y el oxígeno se puede limitar controlando la capacidad de esas fuentes de calor para provocar la ignición. Las características de diseño que pueden limitar o disipar el calor generado para mantener las temperaturas por debajo de las temperaturas de ignición de los materiales del sistema evitarán la ignición.
Un sistema de oxígeno también debe protegerse de fuentes de calor externas. [1]
El proceso de evaluación de la compatibilidad del oxígeno generalmente incluiría las siguientes etapas: [1]
El análisis de compatibilidad también consideraría el historial de uso del componente o material en condiciones similares, o de un componente similar.
El uso de oxígeno implica el contacto con altas presiones parciales de oxígeno. En general, esto se entiende como una presión parcial más alta que la que puede darse con el aire comprimido, pero también puede darse a presiones más bajas cuando la concentración es alta.
La limpieza con oxígeno es una preparación para el servicio de oxígeno que consiste en garantizar que las superficies que puedan entrar en contacto con altas presiones parciales de oxígeno durante su uso estén libres de contaminantes que aumenten el riesgo de ignición. [2]
La limpieza con oxígeno es una condición necesaria, pero no siempre suficiente, para el servicio de oxígeno a alta presión parcial o alta concentración. Los materiales utilizados también deben ser compatibles con el oxígeno en todas las condiciones de servicio previstas. Los componentes de aluminio y titanio no son especialmente adecuados para el servicio con oxígeno. [2]
En el caso de los equipos de buceo, la limpieza con oxígeno generalmente implica desmontar el equipo en componentes individuales que luego se limpian a fondo de hidrocarburos y otros contaminantes combustibles utilizando limpiadores no inflamables y no tóxicos. Una vez seco, el equipo se vuelve a ensamblar en condiciones limpias. Los lubricantes se reemplazan por sustitutos específicamente compatibles con el oxígeno durante el reensamblaje. [2]
La norma y los requisitos para la limpieza con oxígeno de los aparatos de buceo varían según la aplicación, la legislación aplicable y los códigos de práctica. En el caso de los equipos de buceo, la norma de la industria es que los aparatos de respiración que estarán expuestos a concentraciones superiores al 40 % de oxígeno por volumen deben limpiarse con oxígeno antes de ponerse en servicio. [2] Los equipos con suministro desde la superficie pueden estar sujetos a requisitos más estrictos, ya que es posible que el buzo no pueda quitárselos en caso de accidente. La limpieza con oxígeno puede ser necesaria para concentraciones tan bajas como el 23 % [3] Otras especificaciones comunes para la limpieza con oxígeno incluyen ASTM G93 y CGA G-4.1. [4]
Los agentes de limpieza utilizados varían desde disolventes industriales de alto rendimiento y detergentes como freón líquido , tricloroetileno y fosfato trisódico anhidro , seguido de enjuague con agua desionizada . Estos materiales ahora están generalmente en desuso por ser perjudiciales para el medio ambiente y un peligro innecesario para la salud. Se ha descubierto que algunos detergentes domésticos fuertes para todo uso hacen el trabajo adecuadamente. Se diluyen con agua antes de su uso y se utilizan calientes para una máxima eficacia. La agitación ultrasónica, el sacudido, la pulverización a presión y el volteo utilizando perlas de vidrio o acero inoxidable o abrasivos cerámicos suaves se utilizan de manera efectiva para acelerar el proceso cuando sea apropiado. Es necesario un enjuague y secado completos para garantizar que el equipo no se contamine con el agente de limpieza. El enjuague debe continuar hasta que el agua de enjuague esté clara y no forme una espuma persistente cuando se agita. El secado con gas calentado, generalmente aire caliente, es común y acelera el proceso. El uso de un gas de secado con baja fracción de oxígeno puede reducir la oxidación instantánea del interior de los cilindros de acero. [2]
Después de la limpieza y el secado, y antes de volver a ensamblar, se inspeccionan las superficies limpias y, cuando corresponda, se prueban para detectar la presencia de contaminantes. La inspección con luz ultravioleta puede mostrar la presencia de contaminantes fluorescentes, pero no se garantiza que muestre todos los contaminantes. [2]
El diseño para el servicio de oxígeno incluye varios aspectos:
Como regla general, la compatibilidad del oxígeno se asocia con una temperatura de ignición alta y una baja tasa de reacción una vez encendida. [6]
Los materiales orgánicos generalmente tienen temperaturas de ignición más bajas que los metales considerados adecuados para el servicio con oxígeno. Por lo tanto, se debe evitar o minimizar el uso de materiales orgánicos en contacto con el oxígeno, en particular cuando el material está expuesto directamente al flujo de gas. Cuando se debe utilizar un material orgánico para piezas como diafragmas, sellos, empaquetaduras o asientos de válvulas, generalmente se elige el material con la temperatura de ignición más alta para las propiedades mecánicas requeridas. Los fluoroelastómeros son los preferidos cuando hay grandes áreas en contacto directo con el flujo de oxígeno. Otros materiales pueden ser aceptables para sellos estáticos donde el flujo no entra en contacto directo con el componente. [6]
Se deben utilizar únicamente lubricantes y selladores compatibles con el oxígeno, probados y certificados, y en cantidades tan pequeñas como sea razonablemente posible para un funcionamiento eficaz. Se debe evitar la proyección de exceso de sellador o la contaminación por lubricante en las regiones de flujo. [5]
Los metales de ingeniería de uso común con una alta resistencia a la ignición en oxígeno incluyen cobre, aleaciones de cobre y aleaciones de níquel-cobre, y estos metales normalmente tampoco propagan la combustión, lo que los hace generalmente adecuados para el servicio de oxígeno. También están disponibles en aleaciones de fácil mecanización, moldeables o altamente dúctiles, y son razonablemente fuertes, por lo que son útiles para una amplia gama de componentes para servicio de oxígeno. [6]
Las aleaciones de aluminio tienen una temperatura de ignición relativamente baja y liberan una gran cantidad de calor durante la combustión y no se consideran adecuadas para el servicio de oxígeno donde estarán expuestas directamente al flujo, pero son aceptables para cilindros de almacenamiento donde el caudal y las temperaturas son bajos. [5]
Se realizan análisis de riesgos en materiales, componentes y sistemas, y análisis de fallas para determinar la causa de los incendios. Los resultados se utilizan en el diseño y operación de sistemas de oxígeno seguros.
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