Sécurité des vannes d'oxygène : Minimiser les risques potentiels

Certains matériaux réagissent avec l'oxygène liquide et gazeux à des températures et des pressions spécifiques, ce qui provoque des incendies ou des explosions. En raison de ces risques inhérents, il est essentiel de concevoir et de sélectionner avec soin les matériaux des vannes de contrôle lorsque l'on travaille avec de l'oxygène. Cet article est un guide complet sur les dangers potentiels de l'oxygène dans les vannes de contrôle et les lignes directrices pour les minimiser.

Table des matières

• Sources courantes de températures élevées localisées
• Allumage de matériaux courants
• Lignes directrices générales
• FAQ

Sources courantes de températures élevées localisées

Les vannes de contrôle sont fabriquées dans des matériaux qui ont généralement des températures d'inflammation élevées, ce qui signifie qu'elles ne prennent pas facilement feu ou ne s'enflamment pas à des températures de fonctionnement normales. Le véritable danger réside dans les situations où la vanne ou son environnement subissent des températures anormales et localisées, c'est-à-dire que la température dans une zone spécifique peut augmenter de manière significative par rapport à la température normale de fonctionnement.

• Vitesse d'écoulement : Les matériaux utilisés pour les soupapes dans le service de l'oxygène doivent répondre aux critères de vitesse définis dans la brochure G-4.4 de la Compressed Gas Association. Si la vitesse à travers l'orifice de la soupape dépasse 61 m/s (200 pieds/s), n'utilisez que des matériaux en alliage de cuivre pour le corps de la soupape et les pièces d'habillage qui entrent en contact direct avec le flux d'écoulement.
• Impaction de particules étrangères : Lorsque le flux d'écoulement transporte des particules étrangères, telles que des éclats de soudure, et frappe la garniture ou la paroi du corps de la soupape, leur énergie cinétique se transforme en chaleur, ce qui peut porter la particule impactante ou le matériau qu'elle frappe à sa température d'allumage.
• Allumage par des matériaux déjà brûlés : Si un disque de soupape organique a été enflammé en raison de l'impact de particules étrangères, il peut dégager suffisamment de chaleur pour enflammer les matériaux métalliques avoisinants et provoquer un incendie important.
• Vibrations : Les vibrations, généralement causées par la vitesse du fluide, génèrent de la chaleur par frottement interne, ce qui peut augmenter la température d'un composant jusqu'à son point d'ignition.
• Compression adiabatique ou rapide d'un gaz : Lorsqu'une vanne est ouverte pour pressuriser le système en aval, la compression rapide du gaz dans le système peut entraîner des températures de gaz anormalement élevées. Cette température élevée peut potentiellement enflammer les matériaux à l'intérieur de la vanne et du système de tuyauterie.
• Décharge d'électricité statique : Le gaz circulant à travers la garniture de la vanne à bille ou de la vanne papillon crée une charge électrique sur la garniture. Ces vannes ne disposent généralement pas d'un chemin de mise à la terre fiable entre la garniture et le corps de la vanne ou entre le corps de la vanne et la canalisation ; il est essentiel de prendre les précautions nécessaires pour assurer une mise à la terre correcte. En cas de négligence, des étincelles peuvent se produire entre la garniture et le corps du robinet ou entre le corps du robinet et la tuyauterie voisine, ce qui peut provoquer l'inflammation des matériaux environnants.

Allumage de matériaux courants

L'ASTM G175 évalue la sensibilité à l'inflammation et la tolérance aux pannes des régulateurs d'oxygène. Cette section traite des caractéristiques d'inflammation des métaux et des matières organiques et inorganiques.

Matières organiques

Les matériaux organiques ont des températures d'inflammation plus basses que les métaux. Il faut donc éviter d'utiliser des matériaux organiques en contact direct avec l'oxygène, en particulier dans le flux d'écoulement. Lorsque des matériaux organiques sont nécessaires pour des composants tels que les sièges de soupapes, les garnitures ou les membranes, il convient de choisir un matériau présentant la température d'inflammation la plus élevée, les propriétés mécaniques requises et la chaleur spécifique la plus faible. Le tableau 1 indique les températures d'inflammation approximatives pour certaines matières organiques à 138 bars (2001 psi) d'oxygène.

Tableau 1 : Températures d'inflammation typiques des matières organiques courantes

Matériau	Température d'inflammation typique à 138 bar (2001 psi) d'oxygène
	Degré Celsius	Degré Fahrenheit
PTFE et PCTFE	468	875
70% PTFE chargé de bronze	468	875
Fluoroelastomer	316	600
Nylon	210	410
Polyethylene	182	360
Chloroprène et Nitrile	149	300

Métaux

Choisissez des matériaux d'alliage qui ne brûlent pas ou qui peuvent éteindre la flamme rapidement. Il en résulte une combustion minimale après exposition à des événements d'allumage. Sélectionnez le matériau en fonction de sa résistance à l'inflammation et de sa vitesse de réaction. La résistance à l'inflammation des matériaux oxygénés est indiquée ci-dessous dans l'ordre (du plus difficile à enflammer au plus facile à enflammer) :

• Cuivre
• Alliages de cuivre
• Acier inoxydable (série 300)
• Alliages de nickel et de cuivre
• Acier au carbone
• Aluminum

La vitesse de combustion varie selon les matériaux. Ils sont énumérés ci-dessous dans l'ordre de la vitesse de combustion la plus lente à la plus rapide :

• Cuivre, alliages de cuivre et alliages nickel-cuivre : Ces matériaux ne déclenchent généralement pas de combustion.
• Acier au carbone : L'acier au carbone a une vitesse de combustion modérée.
• Acier inoxydable (série 300) : L'acier inoxydable, une fois enflammé, brûle plus rapidement que l'acier au carbone ; toutefois, l'acier inoxydable de la série 300 est considéré comme supérieur à l'acier au carbone en raison de sa grande résistance à l'inflammation.
• Aluminium : L'aluminium a une vitesse de combustion très rapide.

Non-métaux

Les composants souples ont une forte probabilité de s'enflammer dans une soupape en raison d'une compression adiabatique (compression ou écrasement d'une substance sans échange de chaleur avec son environnement) ou d'un impact mécanique. Minimiser l'utilisation de matériaux non métalliques dans la soupape. Toutefois, lorsque les non-métaux, tels que les joints, les garnitures, les garnitures d'étanchéité et les lubrifiants, ne peuvent être évités, il convient de prendre des précautions suffisantes. L'une des méthodes consiste à entourer les parties non métalliques de métaux qui agissent comme des puits de chaleur. Cela permet d'éviter l'exposition directe des composants souples au flux d'écoulement et d'éviter les mouvements excessifs.

Lignes directrices générales

Ces lignes directrices sont essentielles pour garantir une sélection sûre et appropriée des équipements de traitement pour l'oxygène gazeux.

• Matériaux : Tous les métaux en contact avec l'oxygène dans le flux principal doivent être adaptés à l'utilisation de l'oxygène.
• Utiliser de l'acier au carbone, de l'acier inoxydable ou de la fonte pour les ressorts, les boîtiers de membrane, les plaques de membrane et les autres pièces qui ne se trouvent pas dans le flux principal.
• Utiliser du cuivre, un alliage de cuivre ou un alliage nickel-cuivre pour le corps du robinet et les pièces de finition en contact avec le flux d'écoulement.
• Les membranes en contact avec l'oxygène gazeux doivent être en élastomère fluoré.
• Les joints toriques en contact avec l'oxygène gazeux doivent être en élastomère fluoré ou en élastomère fluorocarboné similaire.
• Éviter d'utiliser des matériaux organiques pour les sièges de soupapes ou d'autres pièces exposées au flux d'écoulement.
• Pour les produits souples, sélectionner des matériaux physiquement et chimiquement stables dans les conditions du processus. Les matériaux souples préférés sont le Téflon, le PTFE, le PCTFE, le Kalrez et le Viton. Toutefois, des impuretés ou des variations de composition peuvent compromettre de manière significative la résistance au feu de ces matériaux.
• Problèmes spécifiques aux valves :
  • Les vannes à bille ou les vannes papillon s'ouvrent rapidement, ce qui entraîne une compression adiabatique. De plus, ils ont des bords d'attaque tranchants. La compression rapide de l'oxygène gazeux peut entraîner une combustion ; cependant, leur utilisation est plus acceptable avec l'oxygène liquide.
  • Le corps d'une vanne papillon à l'état ouvert n'est pas une zone d'impaction ; cependant, le disque, la vapeur et le siège sont des zones d'impaction potentielles car ils sont en contact direct avec le flux de fluide. Un corps en acier inoxydable peut être acceptable, mais des matériaux plus résistants au feu, comme le Monel, seraient nécessaires pour les parties internes.
  • Filtres : Placer des filtres en amont de tous les régulateurs et de toutes les vannes pour protéger les processus en aval. Utiliser des éléments filtrants inorganiques et non ferreux pour éviter les risques d'inflammation. Entretenir et nettoyer régulièrement les filtres.
  • Lubrifiants et produits d'étanchéité : Les lubrifiants ordinaires à base de pétrole ne sont pas adaptés à l'utilisation d'oxygène et présentent un risque important en raison de leur forte chaleur de combustion et de leur vitesse de réaction rapide. Utilisez des lubrifiants et des composés d'étanchéité adaptés aux services de l'oxygène, tels que des graisses compatibles avec l'oxygène ou des lubrifiants à base de polyéther perfluoré (PFPE). Il faut également les utiliser avec parcimonie.
  • Instruments et actionneurs pneumatiques : Réduire au minimum le nombre de pièces en contact avec l'oxygène en évitant d'utiliser l'oxygène comme pression d'alimentation des instruments ou des actionneurs pneumatiques.
  • Pièces plaquées : Ne pas utiliser de pièces plaquées (ajout d'une fine couche de métal à la surface du matériau de base) dans le flux principal afin d'éviter toute contribution potentielle à l'impact de particules étrangères.
  • Assemblage et nettoyage des vannes : L'assemblage de la valve pour le service d'oxygène doit être effectué dans une salle blanche. Les différentes pièces et l'assemblage sont manipulés avec des gants ou des vêtements non pelucheux. Les outils utilisés sont exempts de poussière et de traces d'hydrocarbures ou d'huile. La norme ASTM G93 prescrit l'une ou l'autre des méthodes de nettoyage pour les vannes fonctionnant à l'oxygène :
• Nettoyage aqueux : Utilisation de solutions de nettoyage à base d'eau ou de détergents pour éliminer les contaminants de la surface des soupapes.
• Nettoyage mécanique : Éliminer physiquement la saleté, les débris ou les contaminants des surfaces des soupapes à l'aide de techniques telles que le brossage, le récurage ou le nettoyage abrasif.
• Nettoyage au solvant : Utilisation de solvants, tels que des composés organiques ou des nettoyants chimiques, pour dissoudre ou éliminer les contaminants de la surface des soupapes.
• Dégraissage à la vapeur : Un solvant volatil est chauffé pour produire des vapeurs qui se condensent sur la surface de la valve, dissolvant et éliminant efficacement les huiles, les graisses et autres contaminants.

FAQ

Comment puis-je savoir si une vanne est adaptée à l'utilisation d'oxygène ?

Recherchez des vannes explicitement étiquetées ou certifiées pour l'utilisation d'oxygène et qui ont subi des tests pour s'assurer qu'elles répondent aux normes de sécurité nécessaires.