Hierdie oorsig verskaf aanbevelings vir die veilige ontwerp van pypstelsels vir waterstofverspreiding.
Waterstof is 'n hoogs vlugtige vloeistof met 'n hoë neiging om te lek.Dit is 'n baie gevaarlike en dodelike kombinasie van neigings, 'n vlugtige vloeistof wat moeilik is om te beheer.Dit is neigings om in ag te neem wanneer materiale, pakkings en seëls gekies word, sowel as die ontwerpeienskappe van sulke stelsels.Hierdie onderwerpe oor die verspreiding van gasvormige H2 is die fokus van hierdie bespreking, nie die produksie van H2, vloeibare H2 of vloeibare H2 nie (sien regterkantbalk).
Hier is 'n paar sleutelpunte om jou te help om die mengsel van waterstof en H2-lug te verstaan.Waterstof brand op twee maniere: ontploffing en ontploffing.
deflagrasie.Deflagrasie is 'n algemene verbrandingsmodus waarin vlamme teen subsoniese snelhede deur die mengsel beweeg.Dit gebeur byvoorbeeld wanneer 'n vrye wolk van waterstof-lugmengsel deur 'n klein ontstekingsbron aan die brand gesteek word.In hierdie geval sal die vlam teen 'n spoed van tien tot 'n paar honderd voet per sekonde beweeg.Die vinnige uitsetting van warm gas skep drukgolwe waarvan die sterkte eweredig is aan die grootte van die wolk.In sommige gevalle kan die krag van die skokgolf genoeg wees om boustrukture en ander voorwerpe in sy pad te beskadig en besering te veroorsaak.
ontplof.Toe dit ontplof het, het vlamme en skokgolwe teen supersoniese spoed deur die mengsel beweeg.Die drukverhouding in 'n ontploffingsgolf is baie groter as in 'n ontploffing.Weens die verhoogde krag is die ontploffing gevaarliker vir mense, geboue en nabygeleë voorwerpe.Normale ontploffing veroorsaak 'n ontploffing wanneer dit in 'n beperkte ruimte aangesteek word.In so 'n nou area kan ontsteking deur die minste hoeveelheid energie veroorsaak word.Maar vir die ontploffing van 'n waterstof-lugmengsel in 'n onbeperkte ruimte, is 'n kragtiger ontstekingsbron nodig.
Die drukverhouding oor die detonasiegolf in 'n waterstof-lugmengsel is ongeveer 20. By atmosferiese druk is 'n verhouding van 20 300 psi.Wanneer hierdie drukgolf met 'n stilstaande voorwerp bots, verhoog die drukverhouding tot 40-60.Dit is as gevolg van die weerkaatsing van 'n drukgolf vanaf 'n stilstaande hindernis.
Neiging om te lek.As gevolg van sy lae viskositeit en lae molekulêre gewig, het H2-gas 'n hoë neiging om te lek en selfs verskeie materiale deur te dring of binne te dring.
Waterstof is 8 keer ligter as aardgas, 14 keer ligter as lug, 22 keer ligter as propaan en 57 keer ligter as petroldamp.Dit beteken dat wanneer dit buite geïnstalleer word, die H2-gas vinnig sal styg en verdwyn, wat enige tekens van eweredige lekkasies verminder.Maar dit kan 'n tweesnydende swaard wees.'n Ontploffing kan voorkom as sweiswerk op 'n buite-installasie bo of windaf van 'n H2-lek uitgevoer moet word sonder 'n lekopsporingstudie voor sweiswerk.In 'n geslote ruimte kan H2-gas styg en van die plafon af ophoop, 'n toestand wat dit toelaat om tot groot volumes op te bou voordat dit meer geneig is om met ontstekingsbronne naby die grond in aanraking te kom.
Toevallige brand.Selfontbranding is 'n verskynsel waarin 'n mengsel van gasse of dampe spontaan ontbrand sonder 'n eksterne bron van ontsteking.Dit staan ​​ook bekend as "spontane verbranding" of "spontane verbranding".Selfontbranding hang af van temperatuur, nie druk nie.
Die selfontbrandingstemperatuur is die minimum temperatuur waarteen 'n brandstof spontaan sal ontbrand voor ontsteking in die afwesigheid van 'n eksterne bron van ontsteking by kontak met lug of 'n oksideermiddel.Die selfontbrandingstemperatuur van 'n enkele poeier is die temperatuur waarteen dit spontaan ontbrand in die afwesigheid van 'n oksideermiddel.Die selfontbrandingstemperatuur van gasvormige H2 in lug is 585°C.
Die ontstekingsenergie is die energie wat benodig word om die voortplanting van 'n vlam deur 'n brandbare mengsel te begin.Minimum ontstekingsenergie is die minimum energie wat benodig word om 'n bepaalde brandbare mengsel by 'n bepaalde temperatuur en druk aan die brand te steek.Minimum vonk-ontstekingsenergie vir gasvormige H2 in 1 atm lug = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Ontploffingsgrense is die maksimum en minimum konsentrasies van dampe, newels of stowwe in lug of suurstof waarteen 'n ontploffing plaasvind.Die grootte en geometrie van die omgewing, sowel as die konsentrasie van die brandstof, beheer die perke."Ontploffingslimiet" word soms as 'n sinoniem vir "ontploffingslimiet" gebruik.
Die plofbare grense vir H2-mengsels in lug is 18,3 vol.% (onderste limiet) en 59 vol.% (boonste limiet).
By die ontwerp van pypstelsels (Figuur 1), is die eerste stap om die boumateriaal wat nodig is vir elke tipe vloeistof te bepaal.En elke vloeistof sal geklassifiseer word in ooreenstemming met ASME B31.3 paragraaf.300(b)(1) bepaal, "Die eienaar is ook verantwoordelik vir die bepaling van klas D, M, hoë druk en hoë suiwer pype, en om te bepaal of 'n spesifieke kwaliteit stelsel gebruik moet word."
Vloeistofkategorisering definieer die graad van toetsing en die tipe toetsing wat vereis word, sowel as baie ander vereistes gebaseer op die vloeistofkategorie.Die verantwoordelikheid van die eienaar hiervoor val gewoonlik by die ingenieursafdeling van die eienaar of 'n uitgekontrakteerde ingenieur.
Alhoewel die B31.3-prosespypkode nie vir die eienaar sê watter materiaal om vir 'n spesifieke vloeistof te gebruik nie, verskaf dit wel leiding oor sterkte, dikte en materiaalverbindingsvereistes.Daar is ook twee stellings in die inleiding tot die kode wat duidelik stel:
En brei uit op die eerste paragraaf hierbo, paragraaf B31.3.300(b)(1) bepaal ook: “Die eienaar van ’n pyplyninstallasie is uitsluitlik verantwoordelik vir die nakoming van hierdie Kode en vir die daarstelling van die ontwerp-, konstruksie-, inspeksie-, inspeksie- en toetsvereistes wat alle vloeistofhantering of -proses beheer waarvan die pyplyn deel is.Installasie.”Dus, nadat ons 'n paar grondreëls vir aanspreeklikheid en vereistes vir die definisie van vloeistofdienskategorieë neergelê het, kom ons kyk waar waterstofgas inpas.
Omdat waterstofgas optree as 'n vlugtige vloeistof met lekkasies, kan waterstofgas as 'n normale vloeistof of 'n Klas M-vloeistof onder kategorie B31.3 vir vloeibare diens beskou word.Soos hierbo genoem, is die klassifikasie van vloeistofhantering 'n eienaarvereiste, mits dit voldoen aan die riglyne vir die geselekteerde kategorieë beskryf in B31.3, paragraaf 3. 300.2 Definisies in die afdeling "Hidruliese dienste".Die volgende is definisies vir normale vloeistofdiens en Klas M vloeistofdiens:
“Normale Vloeistofdiens: Vloeistofdiens van toepassing op die meeste pype onderhewig aan hierdie kode, dws nie onderhewig aan regulasies vir klasse D, M, hoë temperatuur, hoë druk, of hoë vloeistofreinheid nie.
(1) Die toksisiteit van die vloeistof is so groot dat 'n enkele blootstelling aan 'n baie klein hoeveelheid van die vloeistof wat deur 'n lek veroorsaak word, ernstige permanente besering kan veroorsaak aan diegene wat inasem of daarmee in aanraking kom, selfs al word onmiddellike herstelmaatreëls getref.geneem
(2) Na oorweging van pypleidingontwerp, ondervinding, bedryfstoestande en ligging, bepaal die eienaar dat die vereistes vir normale gebruik van die vloeistof nie voldoende is om die digtheid te verskaf wat nodig is om personeel teen blootstelling te beskerm nie.”
In die bogenoemde definisie van M, voldoen waterstofgas nie aan die kriteria van paragraaf (1) nie omdat dit nie as 'n giftige vloeistof beskou word nie.Deur subartikel (2) toe te pas, laat die Kode egter die klassifikasie van hidrouliese stelsels in klas M toe na behoorlike oorweging van "...pypontwerp, ondervinding, bedryfstoestande en ligging..." Die eienaar laat die bepaling van normale vloeistofhantering toe.Die vereistes is onvoldoende om te voldoen aan die behoefte aan 'n hoër vlak van integriteit in die ontwerp, konstruksie, inspeksie, inspeksie en toetsing van waterstofgaspypstelsels.
Verwys asseblief na Tabel 1 voordat Hoë Temperatuur Waterstofkorrosie (HTHA) bespreek word.Kodes, standaarde en regulasies word in hierdie tabel gelys, wat ses dokumente insluit oor die onderwerp van waterstofbroswording (HE), 'n algemene korrosie-anomalie wat HTHA insluit.OH kan by lae en hoë temperature voorkom.As 'n vorm van korrosie beskou word, kan dit op verskeie maniere geïnisieer word en ook 'n wye verskeidenheid materiale beïnvloed.
HE het verskeie vorme, wat verdeel kan word in waterstofkrake (HAC), waterstofspanningkrake (HSC), spanningskorrosiekrake (SCC), waterstofkorrosiekrake (HACC), waterstofborrel (HB), waterstofkrake (HIC).)), spanningsgeoriënteerde waterstofkrake (SOHIC), progressiewe krake (SWC), sulfied spanning krake (SSC), sagte sone krake (SZC), en hoë temperatuur waterstof korrosie (HTHA).
In sy eenvoudigste vorm is waterstofbrosheid 'n meganisme vir die vernietiging van metaalkorrelgrense, wat lei tot verminderde rekbaarheid as gevolg van die penetrasie van atoomwaterstof.Die maniere waarop dit gebeur is gevarieerd en word deels gedefinieer deur hul onderskeie name, soos HTHA, waar gelyktydige hoë temperatuur en hoë druk waterstof nodig is vir brosheid, en SSC, waar atoomwaterstof as geslote gasse en waterstof geproduseer word.as gevolg van suurkorrosie sypel hulle in metaalkaste in, wat tot brosheid kan lei.Maar die algehele resultaat is dieselfde as vir alle gevalle van waterstofbrosheid wat hierbo beskryf word, waar die sterkte van die metaal verminder word deur brosheid onder sy toelaatbare spanningsbereik, wat op sy beurt die stadium vir 'n potensieel katastrofiese gebeurtenis stel, gegewe die vlugtigheid van die vloeistof.
Benewens wanddikte en meganiese laswerkverrigting, is daar twee hooffaktore om in ag te neem wanneer materiale vir H2-gasdiens gekies word: 1. Blootstelling aan hoëtemperatuurwaterstof (HTHA) en 2. Ernstige kommer oor potensiële lekkasie.Beide onderwerpe is tans onder bespreking.
Anders as molekulêre waterstof, kan atoomwaterstof uitsit, wat die waterstof aan hoë temperature en druk blootstel, wat die basis vir potensiële HTHA skep.Onder hierdie toestande is atoomwaterstof in staat om in koolstofstaalpypmateriaal of -toerusting te diffundeer, waar dit met koolstof in metaaloplossing reageer om metaangas by graangrense te vorm.As dit nie kan ontsnap nie, brei die gas uit, wat krake en splete in die mure van pype of vate skep - dit is HTGA.Jy kan die HTHA-resultate duidelik sien in Figuur 2 waar krake en krake sigbaar is in die 8″-muur.Die gedeelte van nominale grootte (NPS) pyp wat onder hierdie toestande misluk.
Koolstofstaal kan vir waterstofdiens gebruik word wanneer die bedryfstemperatuur onder 500°F gehandhaaf word.Soos hierbo genoem, vind HTHA plaas wanneer waterstofgas teen hoë parsiële druk en hoë temperatuur gehou word.Koolstofstaal word nie aanbeveel wanneer die waterstofparsiële druk na verwagting ongeveer 3000 psi sal wees en die temperatuur bo ongeveer 450°F is nie (wat die ongelukstoestand in Figuur 2 is).
Soos gesien kan word uit die gewysigde Nelson-plot in Figuur 3, gedeeltelik geneem uit API 941, het hoë temperatuur die grootste effek op waterstofforsering.Waterstofgas se gedeeltelike druk kan 1000 psi oorskry wanneer dit gebruik word met koolstofstaal wat by temperature tot 500 ° F werk.
Figuur 3. Hierdie gewysigde Nelson-kaart (aangepas vanaf API 941) kan gebruik word om geskikte materiale vir waterstofdiens by verskillende temperature te kies.
Op fig.3 toon die keuse van staal wat gewaarborg is om waterstofaanval te vermy, afhangende van die bedryfstemperatuur en gedeeltelike druk van waterstof.Austenitiese vlekvrye staal is ongevoelig vir HTHA en is bevredigende materiale by alle temperature en druk.
Austenitic 316/316L vlekvrye staal is die mees praktiese materiaal vir waterstoftoepassings en het 'n bewese rekord.Terwyl post-sweis hittebehandeling (PWHT) aanbeveel word vir koolstofstaal om oorblywende waterstof tydens sweiswerk te kalsineer en hitte-geaffekteerde sone (HAZ) hardheid na sweiswerk te verminder, word dit nie vir austenitiese vlekvrye staal benodig nie.
Termotermiese effekte wat deur hittebehandeling en sweiswerk veroorsaak word, het min effek op die meganiese eienskappe van austenitiese vlekvrye staal.Koue werk kan egter die meganiese eienskappe van austenitiese vlekvrye staal verbeter, soos sterkte en hardheid.Wanneer pype van austenitiese vlekvrye staal gebuig en gevorm word, verander hul meganiese eienskappe, insluitend die afname in die plastisiteit van die materiaal.
As austenitiese vlekvrye staal koue vorming vereis, sal oplossing uitgloeiing (verhitting tot ongeveer 1045°C gevolg deur blus of vinnige verkoeling) die meganiese eienskappe van die materiaal tot hul oorspronklike waardes herstel.Dit sal ook die allooisegregasie, sensitisering en sigma-fase wat na koue bewerking bereik word, uitskakel.Wanneer u oplossingsgloeiing uitvoer, moet u daarop let dat vinnige afkoeling die oorblywende spanning in die materiaal kan plaas indien dit nie behoorlik hanteer word nie.
Verwys na tabelle GR-2.1.1-1 Pyp- en buissamestellingmateriaalspesifikasie-indeks en GR-2.1.1-2 Pypmateriaalspesifikasie-indeks in ASME B31 vir aanvaarbare materiaalkeuses vir H2-diens.pype is 'n goeie plek om te begin.
Met 'n standaard atoomgewig van 1,008 atoommassa-eenhede (amu), is waterstof die ligste en kleinste element op die periodieke tabel, en het dus 'n hoë geneigdheid om te lek, met potensieel verwoestende gevolge, kan ek byvoeg.Daarom moet die gaspypleidingstelsel so ontwerp word om meganiese tipe verbindings te beperk en daardie verbindings wat werklik nodig is, te verbeter.
Wanneer potensiële lekpunte beperk word, moet die stelsel volledig gesweis word, behalwe vir flensverbindings op toerusting, pypelemente en toebehore.Skroefdraadverbindings moet sover moontlik vermy word, indien nie heeltemal nie.As skroefverbindings om enige rede nie vermy kan word nie, word dit aanbeveel om hulle ten volle te verbind sonder skroefseëlmiddel en dan die sweislas te verseël.Wanneer koolstofstaalpyp gebruik word, moet die pypverbindings stompgesweis en na-sweishitte behandel word (PWHT).Na sweiswerk word pype in die hitte-geaffekteerde sone (HAZ) blootgestel aan waterstofaanval selfs by omgewingstemperatuur.Terwyl waterstofaanval hoofsaaklik by hoë temperature plaasvind, sal die PWHT-stadium hierdie moontlikheid heeltemal verminder, indien nie uitskakel nie, selfs onder omgewingstoestande.
Die swak punt van die geheel-gelaste stelsel is die flensverbinding.Om 'n hoë mate van digtheid in flensverbindings te verseker, moet Kammprofile-pakkings (fig. 4) of 'n ander vorm van pakkings gebruik word.Gemaak op amper dieselfde manier deur verskeie vervaardigers, hierdie pad is baie vergewensgesind.Dit bestaan ​​uit getande geheelmetaalringe wat tussen sagte, vervormbare verseëlingsmateriale ingedruk is.Die tande konsentreer die las van die bout in 'n kleiner area om 'n stywe pas te bied met minder spanning.Dit is so ontwerp dat dit kan kompenseer vir ongelyke flensoppervlaktes sowel as wisselende bedryfstoestande.
Figuur 4. Kammprofiel-pakkings het 'n metaalkern wat aan beide kante met 'n sagte vuller gebind is.
Nog 'n belangrike faktor in die integriteit van die stelsel is die klep.Lekke rondom die stamseël en liggaamsflense is 'n werklike probleem.Om dit te voorkom, word dit aanbeveel om 'n klep met 'n blaas seël te kies.
Gebruik 1 duim.Skool 80 koolstofstaalpyp, in ons voorbeeld hieronder, gegewe vervaardigingstoleransies, korrosie en meganiese toleransies in ooreenstemming met ASTM A106 Gr B, kan die maksimum toelaatbare werksdruk (MAWP) in twee stappe by temperature tot 300°F bereken word (Let wel: Die rede vir "...vir temperature tot ... s om te versleg wanneer die temperatuur 300ºF.(S) oorskry, dus Vergelyking (1) vereis Pas aan by temperature bo 300ºF.)
Met verwysing na formule (1), is die eerste stap om die pyplyn teoretiese barsdruk te bereken.
T = pypwanddikte minus meganiese, korrosie- en vervaardigingstoleransies, in duim.
Die tweede deel van die proses is om die maksimum toelaatbare werksdruk Pa van die pyplyn te bereken deur die veiligheidsfaktor S f toe te pas op die resultaat P volgens vergelyking (2):
Dus, wanneer 1″ skool 80 materiaal gebruik word, word die barsdruk soos volg bereken:
'n Veiligheid Sf van 4 word dan toegepas in ooreenstemming met die ASME-drukvataanbevelings afdeling VIII-1 2019, Paragraaf 8. UG-101 word soos volg bereken:
Die gevolglike MAWP-waarde is 810 psi.duim verwys slegs na pyp.Die flensverbinding of komponent met die laagste gradering in die stelsel sal die bepalende faktor wees in die bepaling van die toelaatbare druk in die stelsel.
Volgens ASME B16.5 is die maksimum toelaatbare werkdruk vir 150 koolstofstaalflenstoebehore 285 psi.duim by -20°F tot 100°F.Klas 300 het 'n maksimum toelaatbare werkdruk van 740 psi.Dit sal die drukgrensfaktor van die stelsel wees volgens die materiaalspesifikasievoorbeeld hieronder.Ook, slegs in hidrostatiese toetse, kan hierdie waardes 1,5 keer oorskry.
As 'n voorbeeld van 'n basiese koolstofstaal materiaal spesifikasie, 'n H2 gas dienslyn spesifikasie wat werk teen 'n omgewingstemperatuur onder 'n ontwerp druk van 740 psi.duim, kan die materiaalvereistes bevat wat in Tabel 2 getoon word. Die volgende is tipes wat dalk aandag vereis om by die spesifikasie ingesluit te word:
Afgesien van die pyp self, is daar baie elemente waaruit die pypstelsel bestaan, soos toebehore, kleppe, lyntoerusting, ens. Terwyl baie van hierdie elemente in 'n pyplyn saamgevoeg sal word om dit in detail te bespreek, sal dit meer bladsye verg as wat geakkommodeer kan word.Hierdie artikel.