酸素適合性

酸素適合性は、高濃度酸素での使用に対する材料の適合性の問題です。これは、宇宙、航空機、医療、水中ダイビング、​​および産業用途において重要な問題です。側面には、使用中にこれらの濃度にさらされる材料およびコンポーネントの 発火および燃焼に対する酸素濃度の上昇の影響が含まれます。

酸素システムを設計、操作、保守する際には、火災を予防するために火災の危険性を理解することが必要です。熱源を制御し、該当する環境で発火しない、または燃焼を助長しない材料を使用することで、発火のリスクを最小限に抑えることができます。一部の材料は酸素が豊富な環境で発火しやすいため、コンポーネントを酸素システムに導入する前に適合性を評価する必要があります。^[1]酸素の分圧と濃度の両方が火災の危険性に影響します。

清掃と設計の問題は、酸素サービスにおける安全性と耐久性のための材料の適合性と密接に関連しています。

火災は、酸素、燃料、熱エネルギーが自律的な化学反応で結合したときに発生します。酸素システムでは酸素の存在が暗示され、酸素分圧が十分に高い場合、ほとんどの物質は燃料とみなされます。ほぼすべての酸素システムには潜在的な発火源が存在しますが、酸素、燃料、または熱に関連するリスク要因を制御して化学反応の発生傾向を制限することで、火災の危険性を軽減できます。

酸素の圧力や濃度が増加すると、物質はより容易に発火し、燃焼するため、酸素システムを可能な限り低い圧力と濃度で操作すれば、発火や燃焼を回避するのに十分な場合があります。

本質的に発火しにくい、持続的な燃焼に耐える、または燃焼時に放出するエネルギーが少ない材料を使用すると、場合によっては火災の可能性を排除したり、火災による被害を最小限に抑えることができます。

酸素システムの動作には熱源がつきものですが、熱源の発火能力を制御することで、システム材料と酸素の間の化学反応の開始を制限することができます。発生する熱を制限または放散してシステム材料の発火温度未満に保つ設計機能により、発火を防止できます。

酸素システムは外部の熱源からも保護される必要がある。^[1]

酸素適合性の評価プロセスは、一般的に以下の段階から構成される。^[1]

• 最悪の動作条件の特定。
• システム材料の可燃性の評価。ほとんどの材料は、断面が小さいか細​​かく分割されている場合に可燃性が高くなるため、形状を考慮する必要があります。
• 発火メカニズムの存在と可能性の評価。これには以下が含まれます。
  • 化学反応: 周囲の物質を発火させるのに十分な熱を放出する可能性のある化学物質間の発熱反応。
  • 電気アーク: アークを受ける物質を発火させるのに十分なエネルギーを持つ電流アーク。
  • エンジン排気
  • 爆発物
  • 流動摩擦：非金属上の高速酸素流によって発生する熱
    • 注:流動摩擦は仮説です。流動摩擦は実験的に検証されておらず、検証済みの点火メカニズムと組み合わせてのみ考慮する必要があります。
  • 相対的に動く部品間の摩擦
  • 破裂した船の破片
  • 新鮮な金属の露出: 酸化されていない金属が酸化雰囲気にさらされたときに発生する酸化熱。通常は、破損、衝撃、または摩擦に関連します。
  • かじりと摩擦: 部品同士が擦れ合うことで発生する熱。
  • 雷およびその他の電気アーク放電
  • 機械的衝撃: 物質に衝撃を与え、それを発火させるのに十分なエネルギーを与えることで発生する熱。
  • 直火
  • 粒子衝撃: 小さな粒子が十分な速度で物質に衝突し、粒子または物質が発火したときに発生する熱。
  • 喫煙者
  • 急速加圧: 単一または複数の断熱圧縮イベントによって生成される熱。
  • 共鳴: 共鳴空洞内の音響振動により急激な温度上昇を引き起こします。
  • 静電気放電: 蓄積された静電気の放電により、電荷を受ける物質が発火するほどのエネルギーが発生します。
  • 熱暴走: 放散できるよりも速く熱を生成するプロセス。
  • 溶接
• 発火の危険性と発火の結果の推定。火災のさらなる拡大または消散。
• 火災の影響の分析

互換性分析では、同様の条件でのコンポーネントまたは材料の使用履歴、または同様のコンポーネントの使用履歴も考慮されます。

酸素サービスとは、高酸素分圧に接触して使用することを意味します。一般的に、これは圧縮空気から得られる分圧よりも高い分圧を意味しますが、濃度が高い場合は低圧でも発生する可能性があります。

酸素洗浄は、使用中に高酸素分圧に接触する可能性のある表面に、発火の危険性を高める汚染物質がないことを確認することで、酸素サービスに備えることです。^[2]

酸素洗浄は高分圧または高濃度酸素サービスには必要ですが、必ずしも十分な条件ではありません。使用される材料も、予想されるすべてのサービス条件で酸素に適合する必要があります。特にアルミニウムとチタンの部品は酸素サービスには適していません。^[2]

ダイビング機器の場合、酸素洗浄は通常、機器を個々の部品に分解し、不燃性で無毒の洗浄剤を使用して炭化水素やその他の可燃性汚染物質を徹底的に洗浄します。乾燥したら、機器を清潔な状態で再組み立てします。再組み立て中に、潤滑剤は酸素と互換性のある代替品に交換されます。^[2]

ダイビング器具の酸素洗浄の基準と要件は、用途や適用される法律、実施規則によって異なります。スキューバ器具の場合、業界標準では、体積比で 40% を超える酸素濃度にさらされる呼吸器具は、そのようなサービスに投入される前に酸素洗浄する必要があります。^[2]表面供給器具は、事故の際にダイバーが器具を取り外せない可能性があるため、より厳しい要件が適用される場合があります。酸素洗浄は、23% という低い濃度でも必要になる場合があります。^[3]酸素洗浄のその他の一般的な仕様には、ASTM G93 と CGA G-4.1 があります。^[4]

使用される洗浄剤は、液体フロン、トリクロロエチレン、無水リン酸三ナトリウムなどの強力な工業用溶剤や洗剤から、脱イオン水ですすぐものまで多岐にわたります。これらの物質は、現在では環境に優しくなく、不必要な健康被害をもたらすため、一般的に推奨されていません。強力な家庭用万能洗剤が十分に機能することがわかっています。使用前に水で希釈し、最大の効果を得るために熱い状態で使用します。超音波撹拌、振とう、圧力噴霧、ガラスまたはステンレス鋼のビーズまたは中性セラミック研磨剤を使用したタンブリングは、適切な場合にプロセスをスピードアップするために効果的に使用されます。機器が洗浄剤で汚染されないようにするには、徹底したすすぎと乾燥が必要です。すすぎは、すすぎ水が透明になり、振っても泡が残らなくなるまで続ける必要があります。加熱ガス（通常は熱風）を使用した乾燥は一般的であり、プロセスをスピードアップします。低酸素分率の乾燥ガスを使用すると、スチールシリンダー内部のフラッシュ錆びを軽減できます。^[2]

洗浄と乾燥の後、再組み立ての前に、洗浄された表面を検査し、必要に応じて汚染物質の存在をテストします。紫外線照射下での検査では蛍光汚染物質の存在が示されますが、すべての汚染物質が検出される保証はありません。^[2]

酸素サービスの設計にはいくつかの側面が含まれます。

• 露出部品には酸素に適合した材料を選択する。^[5]
• 機能上必要だが互換性が低い材料の露出面積を最小限に抑え、これらの材料との接触時に高い流速を避ける。^[5]
• 部品の温度上昇を防ぐために効果的な熱伝達を提供する。^[5]
• 突然の圧力上昇による断熱加熱の可能性を最小限に抑える - 例えば、突然全開に開くことができないバルブを使用したり、圧力調整器に逆らって開いたりするなど。^[5]
• 実行可能な場合は流れと接触する表面を滑らかにし、流れの方向の突然の変化を最小限に抑えます。
• 火炎防止装置/逆火防止装置/フレキシブルホース内の酸素防火帯の使用

一般的に、酸素との適合性は発火温度が高く、発火後の反応速度が低いことに関連している。^[6]

有機材料は一般に、酸素供給に適していると考えられる金属よりも発火温度が低い。したがって、特に材料がガス流に直接さらされる場合は、酸素と接触する有機材料の使用は避けるか最小限に抑えるべきである。ダイアフラム、シール、パッキン、バルブシートなどの部品に有機材料を使用する必要がある場合は、通常、必要な機械的特性に対して最も高い発火温度を持つ材料が選択される。大きな面積が酸素流と直接接触する場合は、フッ素エラストマーが好まれる。流れが部品と直接接触しない静的シールには、他の材料が許容される場合がある。^[6]

試験され、認定された酸素適合性の潤滑剤とシーラントのみを使用し、効果的に機能するために合理的に実行可能な最小限の量で使用してください。過剰なシーラントの噴射や潤滑剤による流れ領域への汚染は避けてください。^[5]

酸素中での発火に対する耐性が高い一般的なエンジニアリング金属には、銅、銅合金、ニッケル銅合金などがあり、これらの金属は通常は燃焼を伝播しないため、酸素サービスに適しています。また、快削性、鋳造性、高延性合金もあり、適度に強度があるため、酸素サービスの幅広いコンポーネントに使用できます。^[6]

アルミニウム合金は発火温度が比較的低く、燃焼時に多量の熱を放出するため、直接流れにさらされる酸素供給には適さないと考えられていますが、流量と温度が低い貯蔵シリンダーには適しています。^[5]

• 航空宇宙 – 大気圏と宇宙空間を総称して指す用語
• 医療 – 病気の診断、治療、予防
• 製造業 – 労働力と機械を使って販売用の商品を生産する産業活動
• 水中ダイビング – 水面下に潜って環境と交流する

材料、コンポーネント、システムに対して危険性分析が行われ、故障分析によって火災の原因が特定されます。結果は安全な酸素システムの設計と運用に使用されます。