Normes de nettoyage sans huile pour les débitmètres d'oxygène

Normes de nettoyage sans huile pour les débitmètres d'oxygène : explication des normes CGA G-4.1 et ASTM G93

Réponse rapide

Les débitmètres d'oxygène nécessitent un nettoyage sans huile car les résidus d'hydrocarbures, la graisse et les particules libres peuvent s'enflammer à l'intérieur d'un système enrichi en oxygène, même sans étincelle externe.

Deux normes couvrent ce sujet : la CGA G-4.1 pour les équipements de production, de stockage et de distribution de gaz, et l'ASTM G93 pour une gamme plus large d'environnements enrichis en oxygène, y compris l'aérospatiale et les semi-conducteurs.

Silver Automation Instruments dégraisse et inspecte les pièces mouillées sur chaque débitmètre de service d'oxygène, visant un niveau de résidus non volatils de 220 mg/m² ou plus strict, correspondant à la ligne de base CGA G-4.1.

Pourquoi l'oxygène nécessite une norme de nettoyage différente de celle de l'air ou de l'azote

L'oxygène à une concentration supérieure à 23,5 % en volume est classé comme comburant selon les deux normes. Ce seuil est important car l'air ambiant contient environ 21 % d'oxygène, et même un léger enrichissement modifie la combustion des matériaux. Les graisses et les huiles qui restent immobiles sur une surface en acier à l'air ambiant s'enflamment facilement au contact d'oxygène pur sous pression.

Il est important de connaître deux mécanismes d'inflammation avant de choisir un débitmètre pour une application à l'oxygène. La compression adiabatique se produit lorsqu'une masse d'oxygène est comprimée rapidement contre une butée ou un siège de soupape ; la chaleur de compression suffit alors à enflammer les résidus présents. L'inflammation par impact de particules se produit lorsqu'un fragment de calamine ou de copeau d'usinage, projeté à grande vitesse, heurte la surface du capteur et produit une étincelle par friction. Aucun de ces mécanismes ne nécessite de source d'inflammation externe.

Ainsi, un corps de débitmètre fonctionnant parfaitement à l'air comprimé peut présenter un risque avec l'oxygène s'il n'a jamais été dégraissé. Il ne s'agit pas d'un risque théorique. C'est pourquoi les fournisseurs de gaz, les hôpitaux et les aciéries spécifient tous des normes de nettoyage dans leurs bons de commande, au lieu de s'en remettre au hasard.

CGA G-4.1 et ASTM G93 : quelles différences ?

CGA G-4.1, Nettoyage des équipements pour le service d'oxygène

La norme CGA G-4.1, publiée par la Compressed Gas Association, est la référence pour la plupart des fournisseurs de gaz, exploitants d'usines d'oxygène et distributeurs de gaz médicaux. Elle couvre les réservoirs de stockage, les camions-citernes, les compresseurs, les pompes et l'instrumentation, soit tout élément entrant en contact avec de l'oxygène à une concentration supérieure à 23,5 %. Cette norme est prescriptive : elle définit des méthodes de nettoyage spécifiques (solvant, eau, ultrasons), les étapes d'inspection et les exigences d'emballage. Elle fixe également un niveau de propreté minimal, de sorte qu'un acheteur qui se contente d'indiquer « nettoyer selon la norme CGA G-4.1 » sur un bon de commande obtient tout de même un niveau de propreté défini.

ASTM G93, Méthodes de nettoyage et niveaux de propreté pour les environnements enrichis en oxygène

La norme ASTM G93 adopte une approche plus globale, fondée sur l'analyse des risques. Au lieu d'un niveau de référence unique, elle définit les niveaux de propreté A à D, le niveau A étant le plus exigeant (utilisé dans la propulsion aérospatiale et les systèmes d'oxygène haute pression) et le niveau D le moins exigeant. Contrairement à la norme CGA G-4.1, il n'existe pas de niveau par défaut automatique ; l'acheteur doit donc préciser le niveau applicable. Cette norme est plus fréquemment utilisée dans les secteurs de l'aérospatiale, des semi-conducteurs et des gaz spéciaux, bien que les deux normes se recoupent et que la norme CGA G-4.1 fasse elle-même référence à la norme ASTM G93 pour les méthodes d'essai détaillées.

Pour un client industriel type utilisant des gaz, une usine de production d'oxygène, un système d'approvisionnement centralisé d'un hôpital ou une ligne d'oxycombustion d'une aciérie, la norme CGA G-4.1 est généralement suffisante. Les clients des secteurs de l'aérospatiale, de la propulsion à oxygène liquide et certains clients des semi-conducteurs doivent spécifier explicitement le niveau ASTM G93 dans leur commande.

La technologie des compteurs a également une incidence sur la sécurité de l'oxygène, et pas seulement sur le nettoyage.

Un certificat de nettoyage ne résout pas à lui seul un problème de conception. Les débitmètres à turbine et volumétriques fonctionnent grâce à des pièces rotatives montées sur des roulements, et de nombreux roulements nécessitent un film lubrifiant pour assurer leur longévité. Les lubrifiants classiques à base d'hydrocarbures sont précisément ce que la norme CGA G-4.1 vise à éliminer ; par conséquent, ces débitmètres requièrent généralement une graisse compatible avec l'oxygène, des intervalles d'inspection plus rapprochés, ou les deux.

Les débitmètres massiques thermiques et les débitmètres à vortex évitent ce problème de manière plus structurelle. N'ayant aucune pièce mobile dans le circuit d'écoulement, il n'y a ni roulement à lubrifier ni surface d'usure susceptible de libérer des particules métalliques au fil des années. C'est pourquoi les débitmètres massiques thermiques SRK-100 et les débitmètres à vortex STLU-G sont fréquemment mentionnés dans les demandes de renseignements concernant l'oxygène et l'azote que nous recevons d'Asie du Sud-Est et du Moyen-Orient. Le capteur doit néanmoins être dégraissé et inspecté avant expédition. Une fois le débitmètre installé, il n'y a plus aucun risque de lubrification.

Choix des matériaux et des composants à vérifier avant de commander

Quelques points reviennent presque systématiquement dans les demandes de renseignements que nous traitons concernant les débitmètres d'oxygène ; il est donc préférable de les énoncer directement plutôt que d'attendre que la question soit posée.

• Pour les joints en contact avec le fluide, il est déconseillé d'utiliser du nitrile ou du néoprène standard. Le PTFE et le Viton sont des matériaux couramment utilisés, compatibles avec l'oxygène, mais il est indispensable de vérifier leur compatibilité avec les conditions réelles d'utilisation en termes de pression et de température.
• Le laiton et l'acier inoxydable sont les matériaux couramment utilisés pour les boîtiers des applications d'oxygène à basse et moyenne pression. L'aluminium et le titane nécessitent une étude d'ingénierie avant toute utilisation en haute pression d'oxygène, en raison du risque d'inflammation par impact de particules au sein même du métal, et non seulement par contamination superficielle.
• Il ne faut jamais utiliser de mastic d'étanchéité standard à base d'hydrocarbures pour le montage des raccords filetés. Des lubrifiants de montage résistants à l'oxygène existent et doivent être spécifiés sur le bon de commande plutôt que d'être supposés par l'installateur.
• Si une conduite transportait auparavant un autre gaz avant de passer au service d'oxygène, le compteur nécessite un nettoyage complet de requalification, et non un simple essuyage.

Comment nous préparons les débitmètres pour services d'oxygène

Débitmètre massique thermique pour oxygène

Lorsqu'une commande de nettoyage à l'oxygène est reçue, nous prélevons les composants mouillés et les dégraissons séparément du reste de la pièce, en suivant la procédure de nettoyage aux solvants décrite dans la norme CGA G-4.1. Après dégraissage, les pièces sont inspectées sous lumière UV et, pour les commandes plus exigeantes, un test d'essuyage est effectué afin de vérifier que les résidus non volatils sont conformes aux exigences. Une fois la pièce validée, elle est emballée, étiquetée avec la date de nettoyage et la norme appliquée, puis conservée sous scellé jusqu'à l'assemblage final.

Il s'agit de la procédure standard pour les débitmètres massiques thermiques SRK-100 et les débitmètres à vortex STLU-G commandés pour la production d'oxygène. Sur demande, nous pouvons effectuer un nettoyage plus rigoureux que la norme CGA G-4.1, moyennant un délai de livraison supplémentaire. Nous ne revendiquons pas de certification d'atelier selon les normes CGA G-4.1 ou ASTM G93. Nous confirmons par écrit le niveau de propreté spécifique, la méthode d'inspection et la documentation fournie avec chaque unité. Nous recommandons aux clients ayant des exigences strictes en matière d'assurance qualité interne de préciser le niveau requis et le format de documentation souhaité directement sur le bon de commande.

Application des normes CGA G-4.1 et ASTM G93 dans différents secteurs d'activité

En Asie du Sud-Est, les petites unités de production d'oxygène PSA et VPSA sont une source récurrente de ce type de demandes. Les intégrateurs d'installations au Vietnam, en Indonésie et aux Philippines préconisent souvent l'installation d'un débitmètre à masse thermique ou à vortex sur la ligne de sortie du produit, précisément parce que cela évite les problèmes de lubrification des paliers liés aux débitmètres à turbine.

Les clients du Moyen-Orient posent principalement cette question en raison de la combustion enrichie en oxygène dans le traitement du verre et des métaux, où l'enrichissement reste inférieur au seuil de 23,5 % sur certaines lignes mais le dépasse sur d'autres au sein de la même usine ; chaque ligne nécessite donc un examen individuel plutôt qu'une réponse générale.

En Australie et en Nouvelle-Zélande, les hôpitaux dimensionnent systématiquement la surveillance du débit d'alimentation en oxygène central autour de la valeur de référence CGA G-4.1, car la norme NFPA 99 et les codes régionaux similaires relatifs aux gaz médicaux l'exigent, bien que ce soit l'ingénieur du système de gaz de l'établissement qui définisse les exigences finales en matière de documentation, et non le fournisseur du compteur.

Les aciéries sud-américaines exploitant des lignes de découpe ou de découpe à l'oxycoupage sont généralement le groupe le plus sensible aux coûts de cette liste, et elles ont tendance à demander spécifiquement si un débitmètre à turbine moins coûteux peut être requalifié pour l'oxygène au lieu de commander une unité thermique ou à vortex nettoyée à cet effet.

Étude de cas

Un intégrateur d'équipements gaziers vietnamien, fournisseur de petits générateurs d'oxygène PSA, nous a demandé un devis pour des compteurs massiques thermiques SRK-100, nettoyés selon la norme CGA G-4.1, destinés à la conduite de sortie d'une installation de 50 Nm³/h. L'ingénieur en charge de la spécification avait hérité d'une installation de compteur à turbine ayant échoué à un audit interne, la graisse des paliers n'étant pas adaptée à l'oxygène. Nous rencontrons fréquemment des cas d'échec similaires lors d'audits de compteurs lubrifiés, généralement après un changement d'exploitant ou un incident survenu ailleurs dans la région. C'est en partie pourquoi les modèles thermiques et à vortex reviennent régulièrement dans ces demandes.