氧气清洁 | 清除零部件表面可燃性污染物,以防与富氧环境接触的工业制造火灾和爆炸

发布时间: 2021年09月15日 浏览次数:264

氧气是我们生存必备的一种气体,通常情况下氧气的浓度值是正常的,但在一些富氧环境(OSHA 定义为按体积计含氧量大于 23.5%)的工业制造中,当遇到是燃料、热源或点火源,会显著增加火灾和爆炸的风险。

当不受抑制的链式反应被添加到具有强氧化剂的环境中时,结果可能是爆炸性的。如在航空航天工业中,不正确清洁的氧气系统更加危险。在加压环境中,由于氧气净化不良而产生的小火花可能会立即产生灾难性的影响,使整个航天器处于危险之中。这种事故在化工、制造、生物医疗、电气、半导体、液压汽压等相关场合屡见不鲜。

图源:Tmpi

 

工业制造的富氧环境隐患

 

氧气设备和系统的所有组件和零件,必须在引入氧气之前进行适当清洁以去除有害污染物——在工业制造环境中产生的油脂出现在新生产的零件表面上,当碳氢化合物残渣与富氧或者强氧化剂接触时就会有着火的风险,一旦燃烧得比平时更热、更快,甚至可能导致爆炸。

另一个值得关注的污染物是颗粒物。它们可以在管道或管道内以流动气体流的形式传播。在富氧环境中,尤其是在高压下,通常不被认为易燃的东西可能会着火和燃烧。如果颗粒随气流移动并以足够的速度撞击管道或管壁,则可能会形成一个小爆点。

图源:Core-sensors

此外,如果颗粒是金属的,甚至可能会产生火花。在任何一种情况下,管道中的污染物,甚至管道本身的管壁都可能着火。这可能导致管道破裂,释放高压气体,从而危及四周。这种高压气体破裂的本质就是爆炸。

出于生产安全和产品纯度考虑,必须从与富氧环境接触的任何设备、零件表面去除金属屑、棉绒、油和其他颗粒等污染物。氧气清洁可减少可能导致火灾或潜在爆炸的污染物。它还降低了在远低于材料选择预期的温度下自燃的机会。本文就详细展开,请君继续阅读。

 

何为氧气清洁

 

氧气清洁,或氧气清洗服务(Oxygen Cleaning)可以定义为对气态氧 (GOX) 和液氧 (LOX) 的生产、储存、分配和使用中使用的组件、设备、管道及其系统进行专业清洗。氧气清洁是基于化学清洗或者其他方式的零部件表面精密处理服务,为用于氧气和高纯度工艺和环境的产品提供氧气清洗,使这些产品可以延长零件的使用寿命和性能。

 

LOX 是氧元素(O2) 的液态形式。许多 CPV 客户(包括但不限于制药、航空航天、军事和国防、氯气和压缩气体市场)每天在其运营中使用LOX。气态氧 (GOX) 还用于医疗、食品加工、制造和其他对无菌产品至关重要的行业。在这样的环境中,潜在的热源可能来自以下方面:

  • 材料(如金属)与其他材料滑动的摩擦
  • 设备产生的静电或电弧形式的电
  • 撞击或被物体或粒子撞击
  • 振动或共振
  • 液体的压缩,称为压缩热

美国各主要机构和组织需要对氧气处理设备和系统进行特殊清洁的氧气阈值百分比的摘要。在美国,管理机构对氧气清洁中使用的溶剂、设备和工艺以及不同子行业的工业氧气系统清洁度标准进行监管。这包括压缩气体协会 (CGA)、环境服务与技术研究所 (IEST)、ASTM International(前身为美国测试与材料协会)、SAE International(汽车工程师协会)和 NASA 肯尼迪航天中心( KSC)。

氧气清洁涉及使用不同的技术、设备和溶剂从氧气服务设备中去除污染物。氧气清洁技术是独一无二的,因为它们使用与氧气兼容的溶剂和专门设计的设备和流程,以确保安全、彻底地去除危险和可能引起火灾的污染物。

 

◆ 氧气清洗去除的污染物类型

 

氧气服务精密清洗的主要目标是去除任何可能促进燃烧或影响产品纯度的污染物,根据 ASTM G93,存在三种类型的污染物:

  • 无机物:硝酸盐、磷酸盐、水性清洁剂和切削油、酸/溶
  • 有机物:挥发性有机化合物 (VOC)(苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物);润滑脂和油(烃基)
  • 微粒:制造过程中产生的焊渣和金属磨屑或锉屑;颗粒、棉绒和纤维;污垢、灰尘;废料、纸张

这些污染物可以存在于典型材料的表面,包括:

  • 不锈钢、铜、铬镍铁合金、低碳钢、哈氏合金、钛和其他各种合金和特种塑料
  • 聚四氟乙烯软管、不锈钢软管和管道、储罐和容器、线轴和线圈、喷嘴和阀门、液压管、歧管、法兰、仪表和仪表
  • 汽车制造、医疗器械、航空零部件和配件等

图源:Longworth

图源:Delstar

图源:Ampo

如开篇所讲的那样,以上这些材料和产品表面残留的碳氢化合物和颗粒,如果不进行氧气清洁,会增加摩擦导致性能脆弱,当它们暴露在富氧环境中时,由于过度摩擦和挥发性增加,会导致可燃反应或燃烧。

对于使用某些合金(即不锈钢)构建的富氧环境,不仅需要去除可燃有机物和颗粒污染物,还需要提供耐腐蚀性的最佳钝化表面。钝化层表面将抑制氧化和腐蚀反应,从而最大限度地减少颗粒污染。

图源:Mpo-mag

因此,您需要为您制造的材料和零件做氧气清洁并包装您的设备,以便在安装和初次接触氧气环境之前,它可以在储存和运输之前保持纯净。清洁氧气后,该部件可以贴上标签以满足您的客户(制药、食品和饮料、生物技术、汽车和制造行业)对无菌产品的精细化要求。

 

氧气清洗机制

 

氧气清洁是一套专业的清洗系统,需要辅助清洁剂实现,清洁剂的选择和使用方法将由以下因素决定: 

  • 系统设计
  • 污染的严重程度和类型
  • 设备建造中使用的材料
  • 污染物的性质以及标准或任何其他客户规范规定的要求

氧气清洁可以通过多种方式进行。ICLEAN为您列表部分清洁方法如下:

①机械清洗

  • 包括喷砂、研磨和钢丝刷
  • 去除水垢、油漆或涂层以及焊渣

②水洗

热水和蒸汽——有或没有清洁剂

  • 去除水溶性污染物
  • 喷雾或搅拌
  • 清洁剂必须在干燥前冲洗干净

碱性或腐蚀性清洁

  • 苛性盐溶解在水中,形成高碱度的溶液
  • 去除碳氢化合物油、油脂和蜡
  • 可喷涂、浸泡、手拭,或通过搅拌或超声波搅拌增强
  • 干燥前必须除去溶剂残留

③半水清洗

烃类溶剂和水乳液

  • 去除重油蜡和难以去除的污垢
  • 混合和维持混合物所需的搅拌
  • 乳液一定要洗掉

④酸洗

盐酸

  • 去除水垢、铁锈和氧化物
  • 去除铬、锌、镉和其他镀层或涂层
  • 仅推荐用于碳钢和低合金钢
  • 必须去除/冲洗
  • 可能需要中和

铬酸或硝酸

  • 用于脱氧、增白、去除碱性残留物(黑斑)
  • 去除/减少油脂
  • 推荐用于铝、铜及其合金
  • 必须去除/冲洗
  • 可能需要中和

磷酸

  • 去除氧化物、轻锈和助焊剂
  • 被移除/冲洗
  • 可能需要中和

⑤溶剂洗涤

  • 酒精或其他溶剂
  • 用于根据检查保证重新清洁区域
  • 有或没有水稀释或乳液
  • 无残留/无需冲洗

⑥蒸气脱脂

  • 对难以进入的区域有效
  • 使用蒸发的溶剂,同时将要清洁的部件保持在较低的温度

合规的氧气清洗剂 图源:Paktechpoint

对氧气服务无用的清洁剂 图源:Paktechpoint

 

氧气清洁流程

 

氧气清洁不仅消除潜在的火灾危险,而且确保产品以其预期的纯净形式输送。用于处理食品的医院呼吸机或设备中的任何异物显然是不可接受的。用于汽车精密零件、微电子芯片存在任何颗粒物也是不能过质检的。氧气清洁服务不仅限于氧气清洗,它可以应用于其他气体,如氮气、氩气、氖气或氪气。

 

◆ 氧气清洁无尘室(洁净室)

 

为了尽量减少污染,氧气清洗在指定的洁净室进行。氧气清洁最重要的方面是正确遵循程序和文档。只有接受过这些程序培训的员工才能参与该过程。必须严格遵守既定的溶液比例、温度、pH 读数和清洁时间。

氧气清洁无尘室 图源:Parker

这个洁净室是一个特殊的无尘房间,封闭的房间具有消除灰尘和其他颗粒物的系统,并采取预防措施,避免油、润滑剂和其他制造污染物通过员工的手、手套或工具进入洁净室。洁净室为 10,000 级,这意味着每立方英尺的颗粒必须小于 110,000 微米。

洁净室空间有过滤空气交换、无油压缩空气供应和仅在洁净室中使用的工具。房间有轻微的超压,污染控制是用黑灯完成的。中小型组件可以在无尘室进行高达 100% 的氧气清洁、大修或组装,然后进行包装。

图源:Jdtechniek

洁净室提供洁净室服务和(低温)泵、机械密封、关键部件的精确清洁,包括:氧气清洁、水清洁和脱脂、超声波清洁以及零部件清洗后的排放和压力测试。包装上标有氧气清洁声明。如果需要,将在交付时提供氧气清洁报告。

 

◆ 清洗方式的选择

 

为供氧气使用而需要清洁的部件首先要经过一系列预清洗步骤。这包括浸泡、喷洒、刷洗、刮擦、擦拭或以其他方式从零件上物理去除污染物。灰尘、纸张和碎屑在清洁过程开始之前被冲洗/吹出。预清洗通常可以去除多达 75% 的污染物。根据尺寸和几何形状,下一步是在水溶液中清洗零件。

以超声波清洗为例,较小的部件将浸没在超声波清洗机中。顾名思义,超声波清洗机通过充满高低压交替相的溶液的罐辐射声波,低压会产生数百万个微小气泡,这被称为空化。高压阶段使气泡破裂,释放出巨大的能量。这个释放每秒重复多次,从组件中去除污染物并将其悬浮在溶液中。充当刷子的微小气泡能够到达所有凹槽和裂缝。

图源:Jomarvalve

较大的组件在搅拌式提升清洗机中清洗。与超声波清洗机一样,零件浸没在水溶液中。然后自动升降机反复升高和降低组件。由此产生的搅动与家用洗衣机相当。污染物被释放并悬浮在溶液中。冲洗循环完成清洁过程。

松散粘附的碎屑(如锈迹)或粘附紧密的材料(如氧化皮或过多的焊缝氧化物)可以通过酸洗等化学清洁工艺去除。不锈钢设备应钝化, 以确保没有游离铁污染并确保耐腐蚀。具体可参照上文列表的清洗方法。

氧气清洁后应彻底干燥表面,以确保系统内没有水分。这通常使用过滤的清洁空气或氮气来完成。空气/气体被吹过设备直到它变干。

图源:美国宇航局 WSTF

 

清洁度检测

 

在清洁之后,组装和包装之前,材料/零件/组件会经过检查。这是氧气清洁服务的关键步骤,以确保它们满足最低清洁度要求。方法要么是定性的,要么是定量的。可以通过以下任何一种方式进行检查:

◆ 视觉(白光)

最简单的检查当然是只看清洁过的表面。这应该在 500 勒克斯以上的明亮白光(最好是自然光)下进行。任何可见的碎片或染色都会导致组件被重新处理。

◆ 拭子测试

使用干净的白纸、软化水或全氯乙烯润湿的白色无绒布轻轻擦拭看不见的区域表面。然后目视检查变色的迹象。布上的任何脏迹都表示“失败”,因此清洁不成功。

◆ 强光检测(紫外光检测) 

在紫外光下检查组件以检测是否存在可见的油或颗粒物。由于制造过程中使用的许多油都显示出荧光,因此使用黑光来检查表面。蓝白色的光芒将表明这些碳氢化合物薄膜的存在。如果观察到任何污染,则必须重新清洁该部件。

图源:Inoxpassivation

难以到达的区域,例如管道的内表面,将需要以不同的方式进行检查。对于短管段,可以将一个小的、湿润的塞子(或软清管器)穿过管道并进行检查,就像上述的拭子测试一样。然而,在大多数情况下,这可能很棘手。如果管线由不同直径的管道组成,它将不起作用,因为棉签要么太松要么太紧。

图源:Vecom-group

◆ 溶剂测试

选择一段管道,将一定量的全氯乙烯通过并收集。溶剂会拖出任何碳氢化合物碎片。然后将收集的样品蒸发,留下碳氢化合物碎片,对其进行称重以提供以 mg/m2 为单位的准确测量值。 可接受的 mg/m2 限值在每个公认的规范中都有规定。同样,这将由设备类型和服务性质决定。

图源:Wha-international

◆ 断水试验检查

表面喷上清水。如果表面没有油性残留物,它将形成一层薄薄的层,至少保持五秒钟不间断。如果表面有油,水会变成水滴。

◆ NVR 和粒子分析

其他检查过程包括非挥发性残留物 (NVR) 分析和颗粒计数。NVR 是一种使用溶剂萃取来补充目视检查的定性测试。当要检查的表面(例如圆柱体、管子、管道或内室)不可接近时,NVR 分析最有效。溶剂或水通常用于提取和量化被检查部件内的污染物水平。通常使用受控过程清洁和冲洗组件,然后引入二次冲洗以提取受控样品进行分析。使用已知孔隙率的特殊膜过滤器过滤该已知样品尺寸,并将该液体加热直至蒸发。蒸发后,剩余的残留物使用精密天平称重,以检测和量化总污染。

此外,在高倍显微镜下对膜过滤器进行分析,其中通过尺寸和浓度检查和量化颗粒。然后将两个测试的最终结果与 ASTM G93 规范和/或客户规范限制进行比较,以确保合规性。

图源:Harrisonep

 

检查后保持清洁

 

精密部件清洁并通过检查后,会采取预防措施以确保物品在交付给客户之前保持清洁和无腐蚀。经常使用管端盖和密封塑料袋。在可行的情况下,组件会用惰性气体加压,例如干燥、无油的氮气。

如前所述,正确的程序是成功氧气清洁服务计划的关键。程序将有助于确保满意的成品,文件提供可追踪的书面记录,以满足质量和环境审核。

氧气清洗后装袋 图源:Deltatvalves