Anhang 2: Untersuchungsmethoden der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zur Beurteilung der Eignung nichtmetallischer Materialien für die Verwendung in Sauerstoff

Die folgenden Prüfmethoden berücksichtigen nur die Reaktionsfähigkeit der Materialien mit Sauerstoff.

1   Prüfung des Reaktionsverhaltens von Materialien bei Einwirkung von Sauerstoffdruckstößen

Zur Untersuchung werden Feststoffe vorher zerkleinert, Flüssigkeiten werden auf Keramikfaser aufgetragen. Etwa 0,1 g bis 0,5 g der Probe werden dann in eine heizbare Probenhülse von ca. 15 cm3 Volumen gegeben.
Über ein Rohr und ein Schnellöffnungsventil ist diese Probenhülse mit einem Sauerstoff-Druckbehälter verbunden. Nachdem Rohr und Probenhülse mit Sauerstoff bis zum gewünschten Druck pa (im Allgemeinen Umgebungsdruck) gefüllt sind und die Probe die Versuchstemperatur angenommen hat, wird vorgewärmter Sauerstoff (im Regelfall 60 °C) vom höheren Druck pe schlagartig über das Schnellöffnungsventil in Rohr und Probenhülse geleitet.
Hierbei wird der Sauerstoff in der Probenhülse quasi adiabatisch vom Anfangsdruck pa auf den Enddruck pe verdichtet und erwärmt. Eine mögliche Reaktion der Probe mit dem Sauerstoff wird am steilen Temperaturanstieg in der Probenhülse erkannt.
Beurteilungskriterium:
Im Falle einer eindeutigen Reaktion werden die Versuche bei einem kleineren Druckverhältnis pe/pa fortgesetzt, bis jenes Druckverhältnis gefunden worden ist, bei dem bei fünf aufeinanderfolgenden Druckstößen keine Reaktion festgestellt werden kann. Wird dieses Ergebnis in einer zweiten Serie von fünf aufeinanderfolgenden Druckstößen bestätigt, wird die Prüfung beendet oder bei einer anderen Probentemperatur fortgesetzt.

2   Zündtemperaturbestimmung in verdichtetem Sauerstoff

Zur Untersuchung werden Feststoffe zunächst zerkleinert, Flüssigkeiten werden auf Keramikfaser aufgetragen. Eine Probenhülse, die etwa 0,1 g bis 0,5 g der Probe enthält, wird dann in einen Autoklaven von ca. 34 cm3 Volumen gegeben. Mit Hilfe einer Niederfrequenzanlage wird die Probe nahezu linear mit etwa 110 °C/min induktiv aufgeheizt.
Die Temperatur wird am Boden der Probenhülse mittels eines Thermoelements registriert und der Druck mit Hilfe eines Druckaufnehmers verfolgt.
Beurteilungskriterium:
Die Entzündung der Probe ist an einem plötzlichen steilen Temperatur- und Druckanstieg erkennbar.
Die maximale Betriebstemperatur der Probe wird auf einen Wert festgelegt, der im Allgemeinen 100 °C unter der ermittelten Zündtemperatur liegt. Diese Sicherheitsspanne soll hauptsächlich berücksichtigen, dass die Zündtemperatur einerseits keine Konstante ist und andererseits stets von der gewählten Prüfmethode, der Probenzubereitung und anderen Parametern abhängt. Publikationen in der Fachliteratur sowie Untersuchungen in der BAM bestätigen diesen Sachverhalt.
Die Sicherheitsspanne von 100 °C hat sich in jahrzehntelanger Praxis bewährt. Bei der Verwendung von Materialien im Sauerstoffbereich bei Temperaturen bis 60 °C führt die BAM je nach angedachtem Verwendungszweck nur eine Druckstoßprüfung (Prüfmethode 1) oder eine Flanschprüfung (Prüfmethode 4) durch.

3   Prüfung von Materialien auf Alterungsbeständigkeit

Eine Probe mit bekannter Masse wird in einem Autoklaven 100 Stunden bei erhöhter Temperatur, in der Regel 25 °C oberhalb der vorgesehenen Betriebstemperatur, verdichtetem Sauerstoff ausgesetzt.
Beurteilungskriterium:
Die Probe darf nach der Alterung keine wesentlichen Änderungen aufweisen hinsichtlich Masse, Zündtemperatur und äußerer Beschaffenheit. Andernfalls wird die Alterungsprüfung bei geringeren Drücken oder Temperaturen wiederholt.

4   Prüfung von Flanschdichtungen in gasförmigem Sauerstoff

Die Prüfapparatur besteht im Wesentlichen aus zwei je etwa 1 m langen Stahlrohren, an die entsprechende Normflansche angeschweißt sind. Unter Verwendung des zu prüfenden Dichtungswerkstoffs in Form einer Scheibe werden die beiden Rohrabschnitte gasdicht geflanscht. Die Apparatur wird mit Sauerstoff bis zum Prüfdruck gefüllt und durch eine entsprechende Heizvorrichtung auf eine Prüftemperatur erwärmt, die mindestens 50 °C unter der Zündtemperatur des zu prüfenden Materials liegt. Unter Verwendung eines elektrischen Glühdrahts wird der ins Rohrinnere hineinragende Teil der Dichtungsscheibe dann absichtlich gezündet.
Beurteilungskriterium:
Maßgebend ist bei dieser Prüfung das Verhalten des Dichtungsmaterials nach dessen Zündung. Verbrennt die Dichtung mit einer derartig heißen Flamme, dass der Brand auf den Stahl des Flansches oder sogar auf die Rohrleitung übertragen wird, ist das Material von vornherein ungeeignet. Bei einem positiven Prüfergebnis verbrennen nur die ins Rohrinnere hineinragenden Teile der Dichtung ohne zwischen den Flanschen weiterzubrennen. Wird dieses Ergebnis auch bei viermaliger Wiederholung des Versuchs bestätigt, bestehen in sicherheitstechnischer Hinsicht keine Bedenken gegen den Einsatz der Dichtung bis zum Prüfdruck und bis zur Prüftemperatur.
Wird die Flanschverbindung undicht, weil das Dichtungsmaterial zwischen den Flanschen weiterbrennt oder erweicht, muss die Prüfung bei niedrigeren Temperaturen oder Sauerstoffdrücken fortgesetzt werden, bis letztlich bei fünf Versuchen ein positives Prüfergebnis erhalten wird.

5   Prüfung des Reaktionsverhaltens von Materialien mit flüssigem Sauerstoff bei mechanischer Einwirkung

In einem Schälchen aus 0,01 mm dickem Kupferblech werden 0,5 g der zerkleinerten Probe mit flüssigem Sauerstoff übergossen, bis die Probe vollständig mit Flüssigkeit umgeben ist. Die Probe wird dann der Schlagwirkung eines Fallhammers mit einer Masse von 76,5 kg ausgesetzt, wobei die Fallhöhe und damit die Schlagenergie variiert werden können.
Eine Reaktion der Probe mit dem flüssigen Sauerstoff ist in der Regel an einer Flammenbildung und einem mehr oder weniger deutlichen Explosionsknall erkennbar. Durch Veränderung der Fallhöhe des Hammers wird jene Schlagenergie ermittelt, bei der in einer Folge von zehn Versuchen gerade noch keine Reaktion eintritt.
Beurteilungskriterium:
Falls bei einer Schlagenergie von 125 Nm oder weniger Reaktionen beobachtet werden, gilt das Material erfahrungsgemäß sicherheitstechnisch als ungeeignet für Flüssigsauerstoff-Anlagen.

6   Beispiele für den Prüfungsumfang

Die folgende Tabelle zeigt für einige ausgewählte Anwendungsbereiche, welche Prüfungen erforderlich sind:
Ver­wen­dung des Ma­te­rials alsZünd­tem­pe­ra­turSauer­stoff
Druck­stoß
Alte­rungs­be­stän­dig­keitFlüs­sig-Sauer­stoffFlansch
Gleitmittel+1+ +2 
Flanschdichtung+1 +1+2+
Gewindedichtung     
– Band, Schnur+1++1+2 
– Flüssigkeiten, Pasten+1+ +2 
Sitzdichtung+1++1+2 
Kolbenring++++2 
Füllflüssigkeit
– für Vakuumpumpen+    
– für Messgeräte++   
Die maximalen Betriebsbedingungen für ein Material hinsichtlich Druck und Temperatur ergeben sich aus der Gesamtbeurteilung der einzelnen Prüfergebnisse.
Fußnote 1
bei Betriebstemperaturen über 60 °C
Fußnote 2
nur wenn gewünscht

7   Normen zu den Untersuchungsmethoden

ASTM G 114-14: Standard Practices for Evaluating the Age Resistance of Polymeric Materials used in Oxygen Service
EN 1797:2002: Kryo-Behälter – Verträglichkeit von Gas/Werkstoffen
ISO 21010:2017-12: Kryo-Behälter – Verträglichkeit von Gas mit Werkstoffen