Chai chứa khí - tính tương thích của vật liệu làm chai và làm van với khí chứa - phần 1: vật liệu kim loại - phần 1

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 6874-1:2013

ISO 11114-1:2012

CHAI CHỨA KHÍ - TÍNH TƯƠNG THÍCH CỦA VẬT LIỆU LÀM CHAI VÀ LÀM VAN VỚI KHÍ CHỨA - PHẦN 1: VẬT LIỆU KIM LOẠI

Gas cylinders - Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents - Part 1: Metallic materials

Lời nói đầu

TCVN 6874-1:2013 thay thế TCVN 6874-1:2001 (ISO 11114-1:1999).

TCVN 6874-1:2013 hoàn toàn tương đương với ISO 11114-1:2012.

TCVN 6874-1:2013 do Ban kỹ thuật Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN/TC58 Chai chứa khí biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Bộ tiêu chuẩn TCVN 6874 (ISO 11114) Chai chứa khí - Tính tương thích của vật liệu làm chai và làm van với khí chứa bao gồm các phần sau:

- Phần 1: Vật liệu kim loại;

- Phần 2: Vật liệu phi kim loại;

- Phần 3: Thử độ tự bốc cháy đối với vật liệu phi kim loại trong môi trường oxy;

- Phần 4: Phương pháp thử để lựa chọn vật liệu kim loại chịu được sự giòn do hydro.

CHAI CHỨA KHÍ - TÍNH TƯƠNG THÍCH CỦA VẬT LIỆU LÀM CHAI VÀ LÀM VAN VỚI KHÍ CHỨA - PHẦN 1: VẬT LIỆU KIM LOẠI

Gas cylinders - Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents - Part 1: Metallic materials

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này đưa ra các yêu cầu về sự lựa chọn sự phối hợp trong lĩnh vực an toàn của các vật liệu kim loại làm chai chứa và làm van với khí chứa trong chai.

Các dữ liệu đã cho về tính tương thích có liên quan đến các khí đơn và các hỗn hợp khí.

Các chai chứa khí bằng vật liệu kim loại không hàn, hàn và vật liệu composit và các van của chúng, dùng để chứa khí nén, khí hóa lỏng và khí hòa tan cũng được xem xét.

CHÚ THÍCH: Trong tiêu chuẩn này thuật ngữ “chai" ám chỉ các bình chịu áp lực di động, trong đó cũng bao gồm cả các ống và tang (thùng) chịu áp lực.

Tiêu chuẩn này không xem xét đến các khía cạnh như chất lượng của sản phẩm khí được cung cấp.

2. Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn có ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 6550 (ISO 10156), Khí và hỗn hợp khí - Xác định tính cháy và khả năng oxy hóa để chọn đầu ra của van chai chứa khí.

TCVN 6874-2 (ISO 11114-2), Chai chứa khí di động - Xác định tính tương thích của vật liệu làm chai chứa và làm van với khí chứa - Phần 2: Vật liệu phi kim loại.

TCVN 6874-3 (ISO 11114-3), Chai chứa khí - Tính tương thích của vật liệu làm chai và làm van với khí chứa - Phần 3: Thử độ tự bốc cháy đối với vật liệu phi kim loại trong môi trường oxy.

TCVN 7163 (ISO 10297), Chai chứa khí di động- Van chai - Điều kiện kỹ thuật và thử kiểu.

TCVN 7388-1 (ISO 9809-1), Chai chứa khí- Chai chứa khí bằng thép không hàn nạp lại được - Thiết kế, kết cấu và thử nghiệm - Phần 1: Chai chứa khí bằng thép tôi và ram có độ bền kéo nhỏ hơn 1100 MPa.

ISO 11120, Gas cylinders - Refillable seamless steel tubes for compressed gas transport, of water capacity between 150 L and 3000 L - Design construction and testing (Chai chứa khí - Ống thép không hàn nạp lại được dùng để vận chuyển khí nén có dung tích nước từ 150 L đến 3000 L - Thiết kế, cấu tạo và thử nghiệm).

3. Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau.

3.1. Người có thẩm quyền (competent person)

Người có hiểu biết kỹ thuật, kinh nghiệm và thẩm quyền cần thiết để đánh giá, chấp thuận các vật liệu để dùng với các loại khí và xác định các điều kiện sử dụng đặc biệt cần thiết.

3.2. Chấp nhận (acceptable), A

Việc sử dụng phù hợp giữa vật liệu và loại khí chứa trong chai bảo đảm an toàn trong các điều kiện sử dụng bình thường, với điều kiện là có tính đến các rủi ro về bất cứ tính không tương thích nào đã được chỉ dẫn.

CHÚ THÍCH: Các mức thấp của độ không tinh khiết có thể ảnh hưởng đến sự chấp nhận của một số loại khí đơn hoặc hỗn hợp khí.

3.3. Không chấp nhận (not-acceptalbe), N

Việc sử dụng không phù hợp giữa vật liệu và loại khí chứa trong chai không bảo đảm an toàn trong tất cả các điều kiện sử dụng bình thường.

CHÚ THÍCH: Đối với các hỗn hợp khí, có thể áp dụng các điều kiện đặc biệt (xem 6.2 và Bảng 1).

3.4. Khô (dry)

Trạng thái trong đó không có nước tự do ở trong chai trong bất kỳ điều kiện làm việc nào, kể cả ở áp suất làm việc cao nhất và ở nhiệt độ làm việc thấp nhất dự tính.

CHÚ THÍCH: Đối với các khí nén ở áp suất 200 bar và nhiệt độ - 20 ^oC chẳng hạn, độ ẩm lớn nhất không vượt quá 5 ppmV, để tránh sự ngưng tụ của nước tự do. Đối với các nhiệt độ và áp suất khác, độ ẩm lớn nhất cần thiết để tránh sự ngưng tụ nước sẽ khác đi.

3.5. Ẩm (wet)

Trạng thái, trong đó các điều kiện như đã quy định đối với trạng thái (khô) (3.4) không được đáp ứng.

3.6. Hỗn hợp khí (gas mixture)

Hỗn hợp của các khí đơn khác nhau được hòa trộn một cách có tính toán theo các tỷ lệ quy định.

3.7. Khí đơn (single gas)

Khí không chứa hàm lượng được thêm vào một cách có tính toán của khí hoặc các khí khác.

4. Vật liệu

4.1. Quy định chung

Tính tương thích của hầu hết các vật liệu được sử dụng để chế tạo các chai chứa khí và van được xác định trong tiêu chuẩn này.

Ngoài ra có thể sử dụng các vật liệu khác không được đề cập trong tiêu chuẩn này nếu như tính tương thích của vật liệu đó đã được cơ quan hoặc người có thẩm quyền xem xét và phê duyệt.

4.2. Vật liệu làm chai

Các vật liệu kim loại được dùng phổ biến nhất để làm chai là: thép cacbon mangan, thép crom molipden, thép crom niken molipden, thép không gỉ và các hợp kim nhôm như đã quy định trong các tiêu chuẩn sau:

- Nhôm, ISO 7866 và TCVN 7051 (ISO 11118);

- Thép: TCVN 6292 (ISO 4706), ISO 9328-5, TCVN 7388-1 (ISO 9809-1), TCVN 7388-2 (ISO 9809-2), TCVN 7388-3 (ISO 9809-3), ISO 9809-4, TCVN 7051 (ISO 11118) và ISO 11120;

- Các hợp kim nhôm và thép không gỉ: ISO 6361-2 và ISO 15510.

4.3. Vật liệu làm van

4.3.1. Quy định chung

Các vật liệu kim loại phổ biến nhất dùng làm thân van và các chi tiết bên trong tiếp xúc với khí là đồng thau và các hợp kim tương tự khác trên nền đồng, thép cacbon, thép không gỉ, niken và các hợp kim niken, Cu-Be (2 %) và các hợp kim nhôm.

4.3.2. Các lưu ý đặc biệt

4.3.2.1. Trong các trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng các vật liệu không tương thích cho các khí không oxy hóa nếu được mạ phủ hoặc bảo vệ thích hợp. Quy định này chỉ có thể thực hiện được nếu toàn bộ các khía cạnh của tính tương thích đã được người có thẩm quyền xem xét và cho phép đối với toàn bộ tuổi thọ của van.

4.3.2.2. Phải có các biện pháp phòng ngừa đặc biệt phù hợp với TCVN 6874-3 (ISO11114-3) (chủ yếu nhằm vào thử nghiệm) đối với các khí oxy hóa như đã quy định trong TCVN 6550 (ISO 10156). Trong trường hợp này, không chấp nhận các vật liệu không tương thích (xem 3.3) để sử dụng trong các van, mặc dù đã được mạ, phủ hoặc bảo vệ thích hợp.

4.3.2.3. Đối với các van chai, phải xem xét tính tương thích trong các điều kiện ẩm ướt bởi vì có nguy cơ nhiễm bẩn cao bởi độ ẩm trong khí quyển và chất nhiễm bẩn trong không khí.

CHÚ THÍCH: Tài liệu tham khảo trong tiêu chuẩn này đối với thép không gỉ có ký hiệu thường dùng theo AISI, ví dụ 304. Để có thêm thông tin, các mác thép tương đương theo EN 10088-1 như sau:

304 1.4301

304L 1.4306 và 1.4307

316 1.4401

316L 1.4404

5. Tiêu chí của tính tương thích

5.1. Quy định chung

Tính tương thích giữa khí và vật liệu chai/van, chịu tác động của các phản ứng hoá học và các ảnh hưởng về vật lý có thể được phân thành năm loại:

- Sự ăn mòn;

- Sự tạo thành vết nứt do ăn mòn có ứng suất;

- Sự giòn do hydro;

- Sự tạo ra các sản phẩm nguy hiểm thông qua phản ứng hoá học;

- Các phản ứng mãnh liệt như sự bốc cháy;

Các chi tiết phi kim loại (vòng bít kín van, cụm nắp bít, vòng O v.v ...) tại trụ van phải tương thích với khí chứa.

CHÚ THÍCH: Phụ lục A đưa ra các mã tương thích NQSAB của khí/vật liệu để tham khảo.

5.2. Sự ăn mòn

Có thể xảy ra nhiều kiểu cơ chế ăn mòn do sự hiện diện của khí như đã nêu trong 5.2.1 đến 5.2.3.

5.2.1. Ăn mòn trong điều kiện khô

Sự ăn mòn này là sự ăn mòn hoá học bởi khí khô trên vật liệu chai. Kết quả là chiều dày thành chai bị giảm đi. Kiểu ăn mòn này không phổ biến bởi vì tốc độ ăn mòn khô rất thấp ở nhiệt độ môi trường xung quanh.

5.2.2. Ăn mòn trong điều kiện ướt

Sự ăn mòn này là kiểu ăn mòn phổ biến nhất, chỉ xảy ra trong chai chứa khí do sự hiện diện của nước tự do hoặc các dung dịch ngậm nước. Tuy nhiên, với một số khí hút ẩm (ví dụ, HCI, Cl₂), ăn mòn có thể xảy ra mặc dù hàm lượng nước đã nhỏ hơn giá trị bão hoà. Vì thế, một số sự kết hợp khi/vật liệu không được khuyến nghị sử dụng cho dù có tính trơ trong các điều kiện khô về mặt lý thuyết. Điều này rất quan trọng để ngăn ngừa bất cứ sự xâm nhập nào của nước vào trong các chai chứa khí. Các nguồn gốc hoặc lý do phổ biến nhất của sự xâm nhập của nước là

a) Do khách hàng, vì sự khuếch tán ngược lại/sự nạp ngược lại hoặc khí chai trống rỗng do không khí lọt vào nếu van không được đóng kín;

b) Sự làm khô không có hiệu quả sau khí thử thuỷ lực; và

c) Trong quá trình nạp.

Trong một số trường hợp, rất khó có thể ngăn ngừa hoàn toàn sự xâm nhập của nước, đặc biệt là khi khí có tính hút ẩm (ví dụ HCI, Cl₂). Trong trường hợp khí người nạp không thể bảo đảm được độ khô của khí và của chai, phải sử dụng vật liệu làm chai tương thích với khí ẩm cho dù khí khô không gây ra ăn mòn.

Có nhiều kiểu "ăn mòn ẩm" khác nhau trong các hợp kim:

a) Ăn mòn chung dẫn đến làm giảm chiều dày thành chai, ví dụ bởi các khí axit (CO₂, SO₂) hoặc các khí oxy hoá (O₂,CI₂);

b) Ăn mòn cục bộ, ví dụ ăn mòn lỗ chỗ hoặc ăn mòn tinh giới.

Ngoài ra, một số khí, mặc dù là khí trơ, khí bị thủy phân cũng có thể tạo ra các sản phẩm ăn mòn.

5.2.3. Ăn mòn do tạp chất

Các khí bản thân là khí trơ (không ăn mòn) cũng có thể gây ra ăn mòn do sự hiện diện của các tạp chất. Sự nhiễm bẩn của các khí có thể xảy ra trong quá trình nạp, sử dụng hoặc nếu sản phẩm ban đầu không hoàn toàn sạch.

Các chất gây bẩn thông dụng nhất là:

a) Không khí của khí quyển, trong trường hợp này các tạp chất có hại có thể là hơi ẩm (cũng xem 5.2.2) và oxy (ví dụ, trong amoniac hoá lỏng);

b) Các sản phẩm ăn mòn mạnh chứa trong một số khí, ví dụ H₂S trong khí tự nhiên;

c) Các vết ăn mòn (axit, thuỷ ngân, v.v...) còn sót lại từ quá trình điều chế một số loại khí.

Phải sử dụng các vật liệu tương thích với các tạp chất nếu không thể ngăn ngừa được sự hiện hiện của các tạp chất này và nếu tốc độ ăn mòn tương ứng là không thể chấp nhận được cho mục đích sử dụng.

5.3 Hiện tượng giòn do hydro

Có thể xảy ra hiện tượng giòn do hydro ở nhiệt độ môi trường xung quanh trong trường hợp một số loại khí và trong các điều kiện phục vụ gây ra ứng suất cho vật liệu làm chai.

Hiện tượng nứt do ứng suất có thể xảy ra trong một số điều kiện nhất định, dẫn đến sự phá huỷ các chai chứa khí và/hoặc các chi tiết của van có chứa hydro, các hỗn hợp của hydro và các khí khác.

5.4. Sự tạo ra các sản phẩm nguy hiểm

Trong một số trường hợp, các phản ứng của một loại khí với vật liệu kim loại có thể dẫn đến việc tạo ra các sản phẩm nguy hiểm. Ví dụ, phản ứng của C₂H₂ với hợp kim đồng có chứa trên 65 % đồng và của CH₃CI trong các chai hợp kim nhôm.

5.5. Các phản ứng mãnh liệt (ví dụ, sự bốc cháy)

Về nguyên tắc các phản ứng mãnh liệt của khí chứa trong chai và vật liệu kim loại thường không xảy ra ở điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường, bởi vì cần phải có các năng lượng kích hoạt cao để bắt đầu các phản ứng như vậy. Trong trường hợp, khi sử dụng phối hợp của các vật liệu phi kim loại và kim loại thì loại phản ứng này có thể xảy ra với một số khí (ví dụ : O₂,CI₂).

5.6. Sự tạo thành vết nứt do ăn mòn có ứng suất

Sự tạo thành vết nứt do ăn mòn có ứng suất có thể xảy ra trong nhiều vật liệu kim loại chịu tác dụng của ứng suất, hơi ẩm và một số chất nhiễm bẩn trong cùng một thời gian. Trong một số điều kiện nhất định, sự tạo thành vết nứt do ăn mòn có ứng suất có thể dẫn đến sự phá hủy chai chứa khí hoặc van và/hoặc các chi tiết của van (ví dụ, amoniac tiếp xúc với các van bằng hợp kim đồng hoặc các hỗn hợp của cacbon monoxit/cacbon dioxit trong các chai bằng thép).

6. Tính tương thích của vật liệu

6.1. Bảng về tính tương thích đối với các khí đơn (xem Bảng 1)

Trước khi lựa chọn vật liệu của chai và van cho phù hợp với khí chứa trong chai cần nghiên cứu kỹ các đặc tính chủ yếu của tính tương thích được cho trong Bảng 1. Cần lưu ý đặc biệt đến các hạn chế của vật liệu được áp dụng.

CHÚ THÍCH: Các khí thường được liệt kê trong bảng theo thứ tự chữ cái tiếng Anh.

6.2. Tính tương thích đối với các hỗn hợp khí

Bất cứ các hỗn hợp khí nào có chứa các khí đơn hoàn toàn tương thích với một vật liệu đã cho phải được xem là tương thích với vật liệu này.

Đối với các hỗn hợp khí gây ra sự giòn (xem 5.3 và Bảng A.3, các nhóm 2 và 11), nguy cơ dẫn đến sự giòn do hydro chỉ xảy ra nếu áp suất riêng phần của khí lớn hơn 5 MPa (50 bar) và mức ứng suất của vật liệu chai đủ cao.

Một số tiêu chuẩn như TCVN 6874-4 (ISO 11114-4) quy định các phương pháp thử để lựa chọn các thép thích hợp có độ bền kéo giới hạn lớn nhất (UTS max) lớn hơn 950 MPa.

CHÚ THÍCH: Trong một hỗn hợp khí, áp suất riêng phần đối với sunfua hydro và metyl mecaptaln được giảm đi tới 0,25 MPa (2,5 bar) ở mức tối đa UTS 950 MPa.

Đối với tính không tương thích của một số khí halogen với các hợp kim nhôm, hàm lượng lớn nhất chấp nhận được cho trong Bảng 1. Mức độ ẩm có thể ảnh hưởng đến khả năng chấp nhận của các hỗn hợp này.

6.3. Sử dụng Bảng 1

6.3.1. Các quy ước và các ký hiệu số

Trong Bảng 1, chữ in đậm chỉ vật liệu là thông dụng trong các điều kiện phục vụ bình thường.

- A = Chấp nhận (xem 3.2);

- N = Không chấp nhận (xem 3.3).

Nếu không có số UN nào được liệt kê cho một loại khí (hoặc chất lỏng) thì khí không có số UN chính thức nhưng có thể được chuyên chở khi sử dụng một số NOS (không được quy định khác) chung.

VÍ DỤ: Khí nén, dễ cháy, NOS.UN 1954.

6.3.2. Các chữ viết tắt cho vật liệu

CS        Thép cacbon dùng để chế tạo thân van của chai.

NS        Thép cacbon được xử lý nhiệt bằng thường hóa, được đùng để chế tạo các chai hàn và không hàn

QTS      Thép hợp kim được xử lý nhiệt bằng tôi và ram, được dùng để chế tạo các chai bằng thép không hàn

SS        Thép không gỉ loại austenit dùng để chế tạo các chai hàn và không hàn và một số thân van và các chi tiết của van

AA        Hợp kim nhôm được quy định trong ISO 7866 khi được dùng để chế tạo các chai không hàn. Đối với các thân van bằng nhôm, cũng có thể sử dụng các hợp kim không được quy định trong ISO 7866.

B          Đồng thau và các hợp kim đồng khác dùng để chế tạo các van chai.

Ni         Hợp kim niken dùng để chế tạo các chai, van và các chi tiết của van

Cu        Đồng

ASB     Đồng silic nhôm

Bảng 1 - Tính tương thích của khí/vật liệu

Xem tiếp: Chai chứa khí - tính tương thích của vật liệu làm chai và làm van với khí chứa - phần 1: vật liệu kim loại - phần 2