Производство кислородных баллонов: от сырья к качественному контролю

Предыстория

Кислород (атомный номер 8, атомная масса 16) необходим всем живым организмам и реагирует почти со всеми элементами. При соединении с кислородом вещество окисляется. Наиболее распространенный элемент во Вселенной: ~90 % воды и 46 % земной коры (кремний 28 %, алюминий 8 %, железо 5 %). В чистом виде — бесцветный, беззапашный, безвкусный газ. Ниже –183 °C (–297 °F) сжижается в бледно-голубую жидкость.

Около двух третей человеческого тела — кислород. Вдыхается в легкие, транспортируется кровью к клеткам, где реагирует с другими молекулами для генерации энергии. Продукты дыхания — вода и CO₂ — выходят через легкие.

Медицинская кислородная терапия, применяемая при эмфиземе, астме, пневмонии, доставляет сжатый кислород из алюминиевых баллонов с редукторами или из крупных изолированных стальных резервуаров, рассчитанных на 141 кг/см² (2000 фунт/дюйм²).

История

Открытие кислорода приписывают нескольким ученым. В 1774 году Джозеф Пристли наблюдал газ, поддерживающий горение, назвав его «дефлогистированным воздухом». Антуан-Лоран Лавуазье переименовал в кислород (греч. oxy «кислота» + gene «рождающий») и доказал роль в горении и образовании кислот. Карл Вильгельм Шееле, шведский химик, изолировал газ раньше, в 1771 году, но не опубликовал вовремя.

Сырьё и материалы

Кислородные баллоны изготавливают из алюминия марки 6061 и жидкого воздуха. Алюминиевый болванчик отливают в длинный брусок, затем режут на заготовки, близкие к габаритам готового изделия. Жидкий воздух конденсируют и нагревают, пока азот и другие примеси не выкипят, оставляя почти чистый кислород (97–100 %) перед распределением в баллоны.

Дизайн

Медицинские кислородные цилиндры обычно имеют зашлифованный стальной корпус и зеленую верхнюю часть. Дизайн балансирует прочность, вес и коррозионную стойкость для соответствия строгим стандартам безопасности.

Производственный процесс

Формирование цилиндра

• 1. Одиночный алюминиевый болванчик 6061 режут на конвейере на заготовки.
• 2. Каждую заготовку помещают в матрицу и подвергают обратной экструзии, образуя большую полую чашеобразную заготовку.
• 3. Заготовка проходит визуальный осмотр и размерной контроль.
• 4. Штамповка (сваживание) замыкает открытый конец чашки, формируя бесшовный цилиндр.

Тепловая обработка

• 5. Цилиндр термически обрабатывают в печи при ~538 °C (1000 °F), достигая закалки Т-4.
• 6. Затем искусственно старят в духовке при ~177 °C (350 °F) для выделения легирующих элементов, получая более прочную закалку Т-6.

Конфигурация горлышка

• 7. ЧПУ-обработка сверлит центральное отверстие в горлышке.
• 8. Формообразовательный резец последовательно фрезерует верхнюю поверхность, желобок для O-кольца и резьбу, создавая надежную герметичность.

Финишная обработка

• 9. Гидростатическое испытание под давлением 5/3 рабочего; чрезмерное расширение — в брак.
• 10. Идентификационные марки (спецификации, серийный номер, производитель, дата) штампуют пневмоштампом.
• 11. Медицинские цилиндры получают зашлифованную поверхность, вращают на конвейере и автоматически шлифуют.
• 12. Зеленую краску наносят вручную, затем прозрачный порошковый лак, отверждают в печи.
• 13. Готовый баллон закрывают колпаком или устанавливают клапан по требованиям заказчика.

Наполнение баллонов

1. 1. Коммерческий сжатый кислород дистиллируют из жидкого воздуха, сжижающегося при –183 °C.
2. 2. Воздух компрессируют и расширяют через поршневые двигатели, охлаждая и снижая давление.
3. 3. Многоступенчатое расширение сжижает воздух, который хранят в изолированных резервуарах.
4. 4. Выкипание удаляет азот (точка кипения –196 °C / –320 °F), давая 97–100 % чистый кислород для заполнения цилиндров.

Контроль качества

На протяжении производства цилиндры проходят повторные инспекции и очистку. После продажи каждый баллон должен проходить гидростатический и визуальный повторный тест каждые 5 лет по рекомендациям Ассоциации сжатых газов. Цилиндры с минимальным износом могут иметь неограниченный срок службы.

Маркировка DOT-3AL указывает на соответствие регулям Министерства транспорта по перевозке сжатых газов.

Побочные продукты и отходы

Почти 93 % литого болванчика восстанавливается в готовом продукте, оставляя <7 % лома. Списанные цилиндры депрессируют, удаляют клапаны, распиливают пополам для переработки, обеспечивая минимум отходов.

Будущее

Прогресс в кислородной терапии дал более компактные, маневренные баллоны. Стандартный баллон Е вмещает 680 л и выдает до 11,3 ч при 1 л/мин, весит пустым всего 3,6 кг (7,9 фунт). Баллон М9 — 240 л, 4 ч при 1 л/мин или 2 ч непрерывного потока. Аксессуары — тележки или сумки — позволяют легкую транспортировку.

Источники для дополнительного изучения

Другие ресурсы

Catalina Cylinders Web Page. 8 ноября 2001. https://www.catalinacylinders.com.

Tri‑Med, Inc. Web Page. 8 ноября 2001. https://www.trimed.freeservers.com.

Дейрдре С. Бланчфилд