Compatibilidad con el oxígeno

La compatibilidad con el oxígeno es la cuestión de la compatibilidad de los materiales para su uso en altas concentraciones de oxígeno . Es una cuestión crítica en aplicaciones espaciales, aeronáuticas, médicas, de buceo submarino e industriales. Entre los aspectos que se incluyen se encuentran los efectos de una mayor 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 fácilmente 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]

• Identificación de las peores condiciones operativas.
• Evaluación de la inflamabilidad de los materiales del sistema. Se debe tener en cuenta la geometría, ya que la mayoría de los materiales son más inflamables cuando tienen secciones transversales pequeñas o están finamente divididos.
• Evaluación de la presencia y probabilidad de mecanismos de ignición. Estos pueden incluir:
  • Reacción química: Una reacción exotérmica entre sustancias químicas que podría liberar suficiente calor para encender los materiales circundantes.
  • Arco eléctrico: Arco de corriente eléctrica con suficiente energía para encender el material que recibe el arco.
  • Escape del motor
  • Cargas explosivas
  • Fricción de flujo: calor generado por el flujo de oxígeno a alta velocidad sobre un no metal.
    • Nota : La fricción del flujo es una hipótesis. La fricción del flujo no se ha verificado experimentalmente y solo debe considerarse junto con mecanismos de ignición validados.
  • Fricción entre partes relativamente móviles
  • Fragmentos de vasos que estallaron
  • Exposición a metal fresco: calor de oxidación que se libera cuando un metal no oxidado se expone a una atmósfera oxidante. Generalmente se asocia con fractura, impacto o fricción.
  • Rozamiento y fricción : calor generado al frotar los componentes entre sí.
  • Rayos y otras descargas de arco eléctrico
  • Impacto mecánico: Calor generado por el impacto sobre un material con energía suficiente para encenderlo.
  • Llamas abiertas
  • Impacto de partículas: calor generado cuando pequeñas partículas golpean un material con suficiente velocidad para encender la partícula o el material.
  • Personal fumando
  • Presurización rápida: calor generado por eventos de compresión adiabática únicos o múltiples .
  • Resonancia : Vibraciones acústicas en cavidades resonantes que provocan un aumento rápido de la temperatura.
  • Descarga estática: Descarga de carga eléctrica estática acumulada con suficiente energía para encender el material que recibe la carga.
  • Fuga térmica: proceso que produce calor más rápido de lo que puede disiparse.
  • Soldadura
• Estimación del riesgo de ignición y de las consecuencias de la ignición. Desarrollo posterior o disipación del incendio.
• Análisis de las consecuencias de un incendio

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 detecte todos los contaminantes. ^[2]

El diseño para el servicio de oxígeno incluye varios aspectos:

• Elección de materiales compatibles con oxígeno para componentes expuestos. ^[5]
• Minimizar el área expuesta de materiales que son necesarios por razones funcionales pero menos compatibles y evitar altas velocidades de flujo en contacto con estos materiales. ^[5]
• Proporcionar una transferencia de calor eficaz para evitar el aumento de las temperaturas de los componentes. ^[5]
• Minimizar la posibilidad de calentamiento adiabático por aumentos repentinos de presión, por ejemplo, utilizando válvulas que no se puedan abrir repentinamente hasta el paso completo o que se abran contra un regulador de presión. ^[5]
• Proporcionar superficies lisas en contacto con el flujo cuando sea posible y minimizar los cambios repentinos en la dirección del flujo.
• Uso de cortafuegos de oxígeno / cortafuegos de oxígeno / cortafuegos de oxígeno en mangueras flexibles

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 que se utilizan habitualmente y que tienen una alta resistencia a la ignición en presencia de oxígeno incluyen el cobre, las aleaciones de cobre y las aleaciones de níquel-cobre, y estos metales normalmente no propagan la combustión, lo que los hace generalmente adecuados para el servicio con 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 con 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]

• Aeroespacial  – Término utilizado para referirse colectivamente a la atmósfera y al espacio exterior.
• Medicina  – Diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades.
• Manufactura  – Actividad industrial que produce bienes para la venta utilizando mano de obra y máquinas.
• Buceo submarino  : descender por debajo de la superficie del agua para interactuar con el medio ambiente.

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.