l`ossigeno

L’OSSIGENO
DOCUMENTAZIONE TECNICA
Perché nei sistemi a ossigeno è così importante evitare oli e grassi?
1.
Premessa
La manipolazione dell’ossigeno, questo gas essenziale alla vita, è molto più complessa di quanto lascerebbe
supporre la facilità con cui lo respiriamo tutti i giorni. E l’industria deve affrontare sempre nuove sfide poste
dall’impiego dell’ossigeno.
SERTO AG, società produttrice di elementi di
raccordo per tubazioni e valvole, conscia delle
crescenti esigenze del mercato, ha sviluppato per i
propri prodotti una particolare procedura di pulizia
appositamente studiata. Il presente saggio
costituisce una panoramica delle capillari ricerche
condotte su questo argomento. Esamina le
particolarità del gas ossigeno e sottolinea i punti
chiave da considerare in questo contesto.
2.
Ossigeno (O2)
L’ossigeno è presente in natura in grandi quantità.
Quasi la metà della massa terrestre consiste di
ossigeno legato chimicamente. L’atmosfera
contiene circa il 21% di ossigeno (Oxygenium).
L’ossigeno è un gas incolore e inodore. L’ossigeno
puro non brucia ma è assolutamente necessario per
la combustione e la respirazione. L’ossigeno crea
composti con tutti gli elementi. Quando si lega ad
un’altra sostanza, si ha l’ossidazione. La
combustione è un’ossidazione. Se questo processo
si sviluppa velocemente, si sprigiona una fiamma,
se, invece, si verifica all’improvviso si parla di
esplosione. La maggior parte delle sostanze
bruciano rapidamente ed in modo violento in
Impianto di separazione aria
Fonte: Linde
presenza di ossigeno puro o compresso. Questo
vale anche per le sostanze che non potrebbero
essere portate a combustione nell’atmosfera. Le singole sostanze reagiscono così violentemente con l’ossigeno
che o bruciano dopo l’accensione o si infiammano da sole, come avviene ad esempio con oli e grassi.
L’Associazione delle Industrie Chimiche si è occupata tra l’altro anche di questa tematica. Nelle proprie norme
per la prevenzione degli infortuni1 definisce l’ossigeno come segue:
• Ossigeno puro
• Tutte le miscele con un contenuto di ossigeno >21%
2.1.
Produzione e utilizzo
Il processo criogenico utilizzato per la produzione dell’ossigeno prende il nome da Carl von Linde che lo ha
sviluppato oltre 100 anni fa. In base a questo processo, l’aria viene liberata da umidità, polvere e anidride
carbonica, compressa e considerevolmente raffreddata. Quindi viene scomposta nei suoi componenti tramite
distillazione (rettificazione). A –196°C, evapora per primo l’azoto, e rimane quasi ossigeno puro che assume
forma gassosa solo a –183°C. Attualmente vengono utilizzati anche altri processi fisici per la separazione e la
purificazione dei gas atmosferici, ad esempio la separazione tramite membrana o assorbimento. In questo modo,
diverse componenti dell’aria vengono assorbite tramite uno speciale materiale, mentre altre passano indisturbate.
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Norma per la prevenzione degli infortuni 62, ossigeno, versione del 1° Gennaio 1997
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L’ossigeno ha molte applicazioni. Oltre all’impiego come gas per la respirazione in medicina, aeronautica e
astronautica, viene utilizzato nell’industria soprattutto come agente ossidante nei processi di combustione per
raggiungere alte temperature:
•
In metallurgia, per la produzione di ferro grezzo e acciaio e nella raffinazione
del rame
Nei processi chimici, per l’ossidazione dell’olefina, per la parziale ossidazione
del carbone e dell’olio pesante per la produzione di idrogeno e gas di sintesi,
per la produzione di acido solforico e acido nitrico, di acetilene,...
Nella tecnica autogena per saldatura, taglio, decapaggio alla fiamma, nel
taglio termico, ad esempio del calcestruzzo
Nella tecnica missilistica
Nel trattamento di acqua potabile e acque reflue
Per la produzione di ozono
•
•
•
•
•
Altri importanti settori di impiego sono tecnica di
misurazione, cellule di combustibile, semiconduttori e
processi biologici.
3.
Rischi connessi ai sistemi a ossigeno
2
l’EIGA , nel suo documento IGC 04/003 si è occupata approfonditamente di questo tema, perché l’ossigeno è
solo apparentemente innocuo. Sebbene l’ossigeno in sé non bruci, anzi sia perfino indispensabile alla
sopravvivenza, nasconde un elevato potenziale di rischio. Nel trattare l’ossigeno è quindi richiesta la massima
attenzione. L’ossigeno non solo favorisce la combustione, ma in forma pura conduce velocemente alla
combustione la maggior parte delle sostanze note e, sotto pressione, anche in modo fulmineo (esplosione). Per
gli uomini è impossibile riconoscere la presenza di una dose maggiore di ossigeno senza adeguati mezzi di
supporto.
3.1.
Cosa serve perché si sprigioni un incendio?
Generalmente è necessaria la presenza di tre elementi: combustibile, ossigeno e un elemento innescante. Se
manca uno di questi elementi, il fuoco non può sprigionarsi.
combustibile
elemento innescante
Vale il seguente assunto: quanto maggiore è la
percentuale di ossigeno
• Tanto maggiore è il rischio di incendio
da ossigeno
• Tanto inferiore è la temperatura di
innesco
• Tanto maggiore è la temperatura della
fiamma e quindi tanto più distruttivo
l’incendio
ossigeno
Il triangolo del fuoco è il modo usuale di rappresentare questo
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European Industrial Gases Association
Fire Hazards of Oxygen and Oxygen-enriched Atmospheres
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3.2.
Combustibili
In linea di principio, tutti i materiali possono bruciare con l’ossigeno, e questo vale anche per la maggior parte dei
metalli e delle leghe metalliche. Oli e grassi sono costituiti in gran parte da carbonio e sono particolarmente
pericolosi nei sistemi a ossigeno, poiché si infiammano molto facilmente e bruciano in modo esplosivo.
L’infiammarsi di oli e grassi in impianti a ossigeno causa una reazione a catena che comporta la fusione o la
combustione dei metalli. Parti dei materiali fusi possono schizzare, e in questo modo potrebbe verificarsi una
fuoriuscita di ossigeno con conseguente possibilità che l’incendio si propaghi più velocemente nell’ambiente.
3.3.
Ossigeno
In questi sistemi l’ossigeno è inscindibile, ciò significa che i combustibili, tubi, raccordi, valvole o dispositivi di
tenuta, sono inevitabilmente carichi di ossigeno
3.4.
Elemento innescante
Nei sistemi in pressione, l’elemento innescante non è così evidente come una fiamma o una superficie
surriscaldata. Gli incendi possono avere le seguenti cause:
• Attrito
• Azioni meccaniche
• Scintille elettriche
• Elevate velocità di flusso con la contemporanea presenza di particelle
• Riscaldamento a causa di turbolenze
• Riscaldamento a causa di compressione adiabatica
La compressione adiabatica si manifesta quando l’ossigeno ad alta pressione raggiunge improvvisamente un
sistema a bassa pressione. Inoltre il gas può in parte scorrere alla velocità del suono. Spesso questa situazione
si verifica con valvole e rubinetti. Se un gas con velocità elevata incontra una resistenza, la temperatura aumenta
molto rapidamente a causa della compressione adiabatica. Questo avviene sempre quando i gas vengono
compressi così velocemente che l’energia termica rimane inalterata. In generale vale la regola che maggiore è la
pressione di uscita più elevata è la temperatura. Circostanza di cui si avvantaggia anche il motore diesel. Nella
maggior parte dei casi queste resistenze sono rappresentate da valvole chiuse.
Compressione adiabatica g
chiuso
aperto
chiuso
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4.
Progettazione e materiali nei sistemi a ossigeno
4.1.
Generalità
La sicurezza dei sistemi a ossigeno inizia dalla loro costruzione o progettazione. Considerato il potenziale di
rischio di tali sistemi, è assolutamente indispensabile che vengano interpellati unicamente degli specialisti e degli
esperti qualificati. Le informazioni che seguono costituiscono solo delle indicazioni e non dispensano in alcun
modo il costruttore dal rivolgersi ad un esperto competente e tecnicamente preparato. La norma ASTM G884
definisce un esperto come segue: “Personale specializzato qualificato: persone, quali ad esempio chimici od
ingegneri che, a seguito della loro formazione ed esperienza, sanno in che modo utilizzare i principi fisici e
chimici coinvolti nella reazione dell’ossigeno con altri materiali.”
Se nella vostra zona non è disponibile tale personale specializzato, il fornitore di ossigeno potrà sicuramente
essere d’aiuto.
4.2.
Rischi e pericoli nei sistemi a ossigeno
Per aumentare la sicurezza dei sistemi a ossigeno e limitare i rischi è importante conoscere le possibili fonti di
pericolo.
4.3.
Velocità di flusso
La velocità di flusso determina se il gas può infiammarsi o meno. Ad
elevate velocità, le particelle presenti possono autoinfiammarsi a
causa della collisione con tubi e raccordi e scatenare quindi una
reazione a catena. Si deve perciò fare in modo di impedire il
verificarsi di velocità elevate. Sono da evitare in particolare i
passaggi subitanei da un diametro elevato ad uno limitato. Bruschi
cambi di direzione o vortici possono causare alte temperature che a
loro volta possono portare all’innesco dei gas. Per questo motivo
bisogna assicurarsi che valvole, raccordi a T e simili non siano
troppo vicini all’unità in pressione, come ad esempio la bombola.
V1
V2
4.4.
Materiali
Si dovranno utilizzare solo materiali difficilmente infiammabili. La composizione della lega, lo spessore dei
componenti (spessore della parete del tubo), la temperatura, la pressione e la purezza dell’ossigeno sono fattori
chiave, in grado di influire sull’infiammabilità. Se la pressione è al di sotto di un determinato limite5, la velocità in
quanto tale non rappresenta più un pericolo.
4.5.
Compressione adiabatica
Questa può verificarsi ad esempio quando una valvola viene aperta velocemente e l’ossigeno ad alta pressione
urta contro una valvola chiusa. Per impedire questo effetto, è importante che soprattutto per quanto riguarda le
valvole ad azione manuale, l’apertura avvenga molto lentamente.
4.6.
Pulizia
La pulizia dei sistemi e dei componenti è importantissima. Tutti gli enti, le associazioni ed i produttori noti mettono
a disposizione direttive, specifiche e norme che trattano questo tema in modo esplicito. A questo proposito si
deve ricordare in particolare la norma ASTM G93-96.
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Standard Guide for Designing Systems for Oxygen Service
IGC 13/02, Appendice D
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La sicurezza del sistema può essere migliorata notevolmente grazie a una adeguata progettazione. In un
esempio, durante l’esercizio è stata aperta inavvertitamente una valvola a sfera a cui da un lato era applicata alta
pressione. Il gas è fluito ad alta velocità nella regione retrostante a bassa pressione e ha urtato un raccordo a T.
A causa di questa collisione, il sistema si è infiammato e la conduttura in acciaio inox e la valvola si sono
incendiate.
Esistono varie istruzioni su come si dovrebbe progettare un sistema a ossigeno per evitare che quest’ultimo si
incendi; si raccomanda tuttavia di rivolgersi sempre ad uno specialista.
5.
Materiali
Di estrema importanza è una corretta scelta dei materiali, poiché la diffusione di incendi provocati dall’ossigeno
dipende in gran parte dalla resistenza alla fiamma dei materiali prescelti. Il materiale giusto nei punti decisivi può
contribuire a tenere confinato un eventuale incendio all’interno delle condutture.
5.1.
Materiali metallici
Le leghe a base di rame, come ad esempio ottone, bronzo o le leghe di rame e nickel sono impiegate da tempo
con successo nei sistemi a ossigeno, per i quali sono particolarmente adatte. Anche gli acciai inossidabili
possono essere utilizzati. La resistenza alla combustione delle leghe di acciaio inox (secondo DIN 1.4xxx) si
colloca tra quella delle leghe di rame e quella delle leghe di acciaio al carbonio. L’acciaio al carbonio, se
possibile, dovrebbe essere utilizzato solo in sistemi con una pressione di esercizio inferiore a 2 bar.
5.2.
Materiali non metallici
Questi materiali sono meno adatti per i sistemi a ossigeno e vengono utilizzati prevalentemente per dispositivi di
tenuta, lubrificanti o guarnizioni delle valvole, per aumentare la tenuta o ridurre l’attrito. In base al Doc 13/026
dell’IGC, il PTFE e il FEP sono i materiali non metallici più adatti ad essere utilizzati con l’ossigeno. Anche gli
elastomeri come ad esempio Kalrez®, Viton®, ecc. sono indicati. In caso di combustione possono però
sprigionarsi gas tossici.
I sigillanti per le filettature sono spesso in materiale plastico; è quindi indispensabile scegliere un sigillante
compatibile con l’ossigeno. Le filettature avvolte con un nastro in PTFE hanno dato ottimi risultati.
6.
Pulizia e purificazione
Come già indicato in precedenza, la pulizia dei componenti rappresenta un fattore decisivo per rendere più sicuri
i sistemi a ossigeno. Un sistema è pulito quando tutte le impurità organiche e inorganiche sono state rimosse. La
rimozione dello sporco, come ad esempio grassi, oli, sigillanti per filettature, lubrificanti, trucioli, ecc. è
essenziale. Si raccomanda un controllo periodico del sistema.
Per garantire la pulizia, tutti gli enti rinomati quali ASTM, CGA, EIGA, NPF prescrivono che i componenti (valvole,
raccordi, tubi) siano forniti prepuliti.
6.1.
Impurità organiche
I grassi e gli oli minerali consistono in massima parte di composti di carbonio. Il carbonio si combina con molte
sostanze, in particolare idrogeno e ossigeno. Il carbonio con l’ossigeno si ossida molto facilmente e si producono
rapidamente (in parte in modo esplosivo) temperature estremamente elevate che a loro volta possono portare a
un auto-innesco del materiale circostante e a una reazione a catena. È perciò essenziale che tutte le superfici dei
componenti che vengono a contatto con l’ossigeno siano prive di oli e grassi. Per questo motivo, oli e grassi non
devono mai essere impiegati come lubrificanti nei sistemi a ossigeno.
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Oxygen Pipeline System
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7.
Pulizia e montaggio di parti di impianto e componenti di SERTO AG per l’impiego
in sistemi di tubazioni con ossigeno arricchito
In qualità di produttori di raccordi per tubazioni e valvole ad anello di serraggio montabili/smontabili radialmente,
che garantiscono tenuta metallica, siamo particolarmente impegnati a soddisfare le esigenze di mercato. Molte
norme e direttive si occupano della pulizia dei componenti dell’impianto, a dimostrazione dell’importanza
attribuita a questo problema. Questo tema è trattato in modo esaustivo dall’ASTM7 nella norma G93-968, che è
servita come base per lo sviluppo del processo di pulizia generale di SERTO AG.
7.1.
Impurità
Il comma 10.3.1 “Obiettivo conservativo generale” dice: “Per la maggior parte dei sistemi, si propone un obiettivo
di pulizia pari a circa 1-5 mg/ft2 (11-55mg/m2) o meno di oli e grassi indesiderati...”. SERTO AG si è posta un
obiettivo di 33 mg/m2 di impurità residue non volatili. Questo livello di pulizia corrisponde al livello B9 secondo
l’ASTM.
7.2.
Pulizia dei componenti
Per ottenere questa elevata purezza delle superfici a
contatto con le sostanze, abbiamo sviluppato, in
collaborazione con degli specialisti, un processo
multifase. I componenti da pulire vengono posti
individualmente in speciali cestelli di raccolta e viene
assicurato un deflusso pulito delle sostanze
detergenti e di risciacquo. A seconda del materiale,
ottone o acciaio inox, i componenti vengono
sottoposti ad una serie di bagni basici e acidi.
SERTO AG ha posto particolare attenzione ad
utilizzare esclusivamente sostanze ecocompatibili. I
componenti vengono ripetutamente lavati in bagni
d’acqua ad ultrasuoni D caldi, in particolare nella fase
finale, e quindi asciugati con aria asciutta per ottenere
una pulizia scevra da residui. Il procedimento di
pulizia prescelto è descritto nella norma ASTM
G13110. Nel corso dell’implementazione del processo
Impianto di pulizia SERTO AG
c’è stata una stretta collaborazione con l’EMPA11, tra
l’altro lì è stata misurata con metodi diversi la pulizia
delle superfici dei componenti puliti. Queste analisi vengono eseguite periodicamente.
7.3.
Sorveglianza e controlli
La sicurezza dei processi è di vitale importanza e, di conseguenza, sono stati definiti procedimenti e misure volti
a garantirla. Da un lato, nell’intero impianto di pulizia viene controllata elettronicamente la qualità dei detergenti.
Tutte le fasi della produzione vengono eseguite da personale appositamente istruito e sono documentate. La
qualità della pulizia superficiale viene verificata e garantita periodicamente tramite il metodo di prova descritto in
ASTM G14412. Tutte le fasi del processo di pulitura vengono documentate e possono essere rintracciate.
7
American Society for Testing and Materials
Standard Practice for Cleaning Methods and Cleanliness Levels for Materials and Equipment Used in Oxygen-Enriched Environments
ASTM 93-96, Capitolo 11.4.3
10
Standard Practice for Cleaning of Materials and Components by Ultrasonic Techniques
11
Eidgenössische Materialprüfungsanstalt (Istituto Svizzero per la prova dei materiali)
12
Standard Test Method for Determination of Residual Contamination of Materials and Components by Total Carbon Analysis Using a High Temperature Combustion Analyzer
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7.4.
Montaggio
Per garantire che, dopo la pulizia, i componenti non vengano
nuovamente contaminati, accanto all’impianto per la pulitura è
stata realizzata un’isola per la produzione e il montaggio separata
dal resto dell’ambiente. In quest’area vigono per il personale
severe norme di comportamento.
7.5.
Lubrificanti
Secondo l’IGC13, si dovrebbe di preferenza evitare l’impiego di
lubrificanti. Qualora ciò non fosse possibile, si dovranno utilizzare
sostanze lubrificanti testate e approvate per l’uso in applicazioni
con ossigeno. SERTO AG impiega un lubrificante testato dal
BAM14 e approvato per l’uso in parti di impianto per applicazioni
con l’ossigeno. La scelta è avvenuta in modo da non dover ridurre
inormali limiti di impiego dei prodotti +200°C e 250 bar.
7.6.
Dispositivi di tenuta
In particolare in elementi quali valvole di regolazione e di ritegno vengono utilizzati O-ring e altri dispositivi di
tenuta. Poiché i loro componenti sono costituiti in massima parte da materiale non metallico, si deve prestare la
massima attenzione a questo fattore. SERTO AG utilizza solo materiali provenienti da produttori i cui prodotti
sono stati approvati dal BAM.
7.7.
Collaudo
Le attrezzature vengono testate in modo tale che dopo la prova funzionale non siano di nuovo contaminate.
7.8.
Imballaggio
Per garantire la pulizia durante il trasporto e l’immagazzinaggio fino all’impiego dei componenti in sito, le parti
vengono imballate singolarmente in sacchetti di plastica sigillati. I sacchetti sono contrassegnati in modo da
poterne identificare il contenuto anche senza aprirli.
I componenti senza grassi né oli, puliti e imballati da SERTO AG possono essere utilizzati senza rischi per
applicazioni con l’ossigeno, a condizione che, in particolare in occasione del montaggio finale, vengano adottati
tutti i necessari provvedimenti affinché i componenti non subiscano una nuova contaminazione. L’intero processo
di pulitura, montaggio e controllo è contenuto nelle istruzioni per la pulizia CSO-OX specifiche di SERTO.
Nota
Il contenuto della presente documentazione tecnica intende sensibilizzare i nostri clienti sui rischi connessi
all’uso dell’ossigeno. Lo intendiamo come un servizio al cliente. Per un funzionamento sicuro e senza problemi,
nella scelta di un prodotto si deve considerare l’intera configurazione del sistema. Il progettista del sistema e
l’utente sono responsabili del funzionamento dei prodotti, della loro compatibilità a livello di materiali, dei rispettivi
dati prestazionali e limiti di impiego oltre che della loro corretta manipolazione, dell’esercizio e della
manutenzione. In questo caso raccomandiamo in modo particolare il ricorso ad uno specialista. SERTO AG non
è uno specialista di questo settore e declina ogni responsabilità.
13
14
Industrial Gas Council
Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung (Istituto Tedesco per la ricerca e la prova dei materiali)
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