تقدم هذه النظرة العامة توصيات للتصميم الآمن لأنظمة الأنابيب لتوزيع الهيدروجين.
الهيدروجين هو سائل شديد التقلب مع ميل كبير للتسرب.إنه مزيج خطير ومميت من الميول ، سائل متقلب يصعب السيطرة عليه.هذه اتجاهات يجب مراعاتها عند اختيار المواد والحشيات والأختام ، فضلاً عن خصائص تصميم هذه الأنظمة.هذه الموضوعات المتعلقة بتوزيع غاز H2 هي محور هذه المناقشة ، وليس إنتاج H2 أو سائل H2 أو سائل H2 (انظر الشريط الجانبي الأيمن).
فيما يلي بعض النقاط الأساسية لمساعدتك على فهم مزيج الهيدروجين و H2-air.يحترق الهيدروجين بطريقتين: الاحتراق والانفجار.
الاحتراق.الاحتراق هو وضع احتراق شائع تنتقل فيه النيران عبر الخليط بسرعات دون سرعة الصوت.يحدث هذا ، على سبيل المثال ، عندما تشتعل سحابة خالية من خليط الهيدروجين والهواء بواسطة مصدر اشتعال صغير.في هذه الحالة ، سوف يتحرك اللهب بسرعة من عشرة إلى عدة مئات من الأقدام في الثانية.يخلق التمدد السريع للغاز الساخن موجات ضغط تتناسب قوتها مع حجم السحابة.في بعض الحالات ، يمكن أن تكون قوة موجة الصدمة كافية لإتلاف هياكل المباني والأشياء الأخرى الموجودة في مسارها والتسبب في حدوث إصابات.
ينفجر.عندما انفجر ، انتقلت ألسنة اللهب وموجات الصدمة عبر الخليط بسرعة تفوق سرعة الصوت.نسبة الضغط في موجة التفجير أكبر بكثير منها في التفجير.بسبب القوة المتزايدة ، يكون الانفجار أكثر خطورة على الأشخاص والمباني والأشياء المجاورة.يتسبب الاحتراق الطبيعي في حدوث انفجار عند إشعاله في مكان مغلق.في مثل هذه المنطقة الضيقة ، يمكن أن يكون سبب الاشتعال أقل كمية من الطاقة.ولكن من أجل تفجير خليط الهيدروجين والهواء في مساحة غير محدودة ، يلزم وجود مصدر اشتعال أكثر قوة.
تبلغ نسبة الضغط عبر موجة التفجير في خليط الهيدروجين والهواء حوالي 20. عند الضغط الجوي ، تكون النسبة 20 هي 300 رطل لكل بوصة مربعة.عندما تصطدم موجة الضغط هذه بجسم ثابت ، تزداد نسبة الضغط إلى 40-60.هذا بسبب انعكاس موجة الضغط من عقبة ثابتة.
الميل للتسرب.نظرًا لانخفاض اللزوجة والوزن الجزيئي المنخفض ، فإن غاز H2 لديه ميل كبير للتسرب وحتى اختراق أو اختراق المواد المختلفة.
الهيدروجين أخف 8 مرات من الغاز الطبيعي وأخف 14 مرة من الهواء و 22 مرة أخف من البروبان و 57 مرة أخف من بخار الجازولين.هذا يعني أنه عند تركيبه في الهواء الطلق ، سيرتفع غاز H2 ويتبدد بسرعة ، مما يقلل من أي علامات حتى للتسرب.لكن يمكن أن يكون سلاح ذو حدين.قد يحدث انفجار إذا تم إجراء اللحام على تركيب خارجي فوق أو في اتجاه الريح لتسرب H2 دون دراسة الكشف عن التسرب قبل اللحام.في مكان مغلق ، يمكن أن يرتفع غاز H2 ويتراكم من السقف لأسفل ، وهي حالة تسمح له بالتراكم إلى كميات كبيرة قبل أن يتلامس مع مصادر الاشتعال بالقرب من الأرض.
حريق عرضي.الاشتعال الذاتي هو ظاهرة يشتعل فيها خليط من الغازات أو الأبخرة تلقائيًا دون وجود مصدر خارجي للاشتعال.يُعرف أيضًا باسم "الاحتراق التلقائي" أو "الاحتراق التلقائي".يعتمد الاشتعال الذاتي على درجة الحرارة وليس الضغط.
درجة حرارة الاشتعال الذاتي هي درجة الحرارة الدنيا التي يشتعل عندها الوقود تلقائيًا قبل الاشتعال في غياب مصدر خارجي للاشتعال عند التلامس مع الهواء أو عامل مؤكسد.درجة حرارة الاشتعال الذاتي لمسحوق واحد هي درجة الحرارة التي يشتعل عندها تلقائيًا في حالة عدم وجود عامل مؤكسد.درجة حرارة الاشتعال الذاتي لغاز H2 في الهواء هي 585 درجة مئوية.
طاقة الاشتعال هي الطاقة المطلوبة لبدء انتشار اللهب من خلال خليط قابل للاشتعال.الحد الأدنى من طاقة الاشتعال هو الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لإشعال خليط خاص قابل للاشتعال عند درجة حرارة وضغط معينين.الحد الأدنى لطاقة الإشعال بالشرارة للغاز H2 في 1 atm من الهواء = 1.9 × 10-8 وحدة حرارية بريطانية (0.02 مللي جول).
حدود المتفجرات هي الحد الأقصى والحد الأدنى لتركيزات الأبخرة أو الضباب أو الغبار في الهواء أو الأكسجين الذي يحدث فيه الانفجار.يتحكم حجم البيئة وهندستها ، وكذلك تركيز الوقود ، في الحدود.يستخدم "حد الانفجار" أحيانًا كمرادف لـ "حد الانفجار".
حدود المتفجرات لخلائط H2 في الهواء هي 18.3 بالحجم٪ (الحد الأدنى) و 59 بالحجم٪ (الحد الأعلى).
عند تصميم أنظمة الأنابيب (الشكل 1) ، فإن الخطوة الأولى هي تحديد مواد البناء اللازمة لكل نوع من أنواع السوائل.وسيتم تصنيف كل سائل وفقًا للفقرة ASME B31.3.ينص 300 (ب) (1) على أن "المالك مسؤول أيضًا عن تحديد أنابيب الفئة D و M والضغط العالي والأنابيب عالية النقاء ، وتحديد ما إذا كان ينبغي استخدام نظام جودة معين."
يحدد تصنيف السوائل درجة الاختبار ونوع الاختبار المطلوب ، بالإضافة إلى العديد من المتطلبات الأخرى بناءً على فئة السوائل.عادة ما تقع مسؤولية المالك عن هذا على عاتق القسم الهندسي للمالك أو مهندس الاستعانة بمصادر خارجية.
في حين أن كود أنابيب العملية B31.3 لا يخبر المالك بالمواد التي يجب استخدامها لسائل معين ، إلا أنه يوفر إرشادات بشأن متطلبات توصيل القوة والسمك والمواد.هناك أيضًا عبارتان في مقدمة الكود تنصان بوضوح على:
والتوسع في الفقرة الأولى أعلاه ، الفقرة B31.3.ينص 300 (ب) (1) أيضًا على ما يلي: "إن مالك تركيب خط الأنابيب هو المسؤول الوحيد عن الامتثال لهذه المدونة وعن تحديد متطلبات التصميم والبناء والتفتيش والفحص والاختبار التي تحكم جميع عمليات معالجة السوائل أو العملية التي يكون خط الأنابيب جزءًا منها.تثبيت."لذلك ، بعد وضع بعض القواعد الأساسية للمسؤولية والمتطلبات لتحديد فئات خدمة السوائل ، دعنا نرى أين يتناسب غاز الهيدروجين.
نظرًا لأن غاز الهيدروجين يعمل كسائل متطاير مع وجود تسريبات ، يمكن اعتبار غاز الهيدروجين سائلًا عاديًا أو سائلًا من الفئة M ضمن الفئة B31.3 للخدمة السائلة.كما هو مذكور أعلاه ، يعتبر تصنيف مناولة السوائل أحد متطلبات المالك ، بشرط أن يفي بالإرشادات الخاصة بالفئات المحددة الموضحة في الفقرة 3. ب 31.3 ، الفقرة 3. 300.2 التعريفات في قسم "الخدمات الهيدروليكية".فيما يلي تعريفات لخدمة السوائل العادية وخدمة السوائل من الفئة M:
"خدمة السوائل العادية: خدمة السوائل تنطبق على معظم الأنابيب الخاضعة لهذا الرمز ، أي لا تخضع للوائح الخاصة بالفئات D أو M أو درجة الحرارة المرتفعة أو الضغط العالي أو نظافة السوائل العالية.
(1) سمية السائل كبيرة جدًا لدرجة أن التعرض لمرة واحدة لكمية صغيرة جدًا من السائل الناجم عن التسرب يمكن أن يتسبب في إصابة دائمة خطيرة لمن يستنشقونه أو يتلامسون معه ، حتى لو تم اتخاذ تدابير التعافي الفوري.مأخوذ
(2) بعد النظر في تصميم خط الأنابيب والخبرة وظروف التشغيل والموقع ، يقرر المالك أن متطلبات الاستخدام العادي للسائل ليست كافية لتوفير الضيق اللازم لحماية الأفراد من التعرض."
في تعريف M أعلاه ، لا يفي غاز الهيدروجين بمعايير الفقرة (1) لأنه لا يعتبر سائلًا سامًا.ومع ذلك ، من خلال تطبيق القسم الفرعي (2) ، تسمح المدونة بتصنيف الأنظمة الهيدروليكية في الفئة M بعد مراعاة "... تصميم الأنابيب والخبرة وظروف التشغيل والموقع ..." يسمح المالك بتحديد مناولة السوائل العادية.المتطلبات غير كافية لتلبية الحاجة إلى مستوى أعلى من النزاهة في تصميم وإنشاء وفحص وفحص واختبار أنظمة أنابيب غاز الهيدروجين.
يرجى الرجوع إلى الجدول 1 قبل مناقشة تآكل الهيدروجين بدرجة حرارة عالية (HTHA).يتم سرد الرموز والمعايير واللوائح في هذا الجدول ، والذي يتضمن ستة وثائق حول موضوع التقصف الهيدروجين (HE) ، وهو شذوذ تآكل شائع يتضمن HTHA.يمكن أن تحدث OH في درجات حرارة منخفضة وعالية.يعتبر شكلاً من أشكال التآكل ، ويمكن أن يبدأ بعدة طرق ويؤثر أيضًا على مجموعة واسعة من المواد.
HE له أشكال مختلفة ، والتي يمكن تقسيمها إلى تكسير الهيدروجين (HAC) ، تكسير إجهاد الهيدروجين (HSC) ، تكسير التآكل الإجهادي (SCC) ، تكسير التآكل الهيدروجين (HACC) ، فقاعات الهيدروجين (HB) ، تكسير الهيدروجين (HIC).)) ، تكسير الهيدروجين الموجه بالإجهاد (SOHIC) ، التكسير التدريجي (SWC) ، تكسير إجهاد الكبريتيد (SSC) ، تكسير المنطقة الرخوة (SZC) ، تآكل الهيدروجين بدرجة حرارة عالية (HTHA).
في أبسط أشكاله ، التقصف الهيدروجين هو آلية لتدمير حدود الحبوب المعدنية ، مما يؤدي إلى انخفاض ليونة بسبب تغلغل الهيدروجين الذري.تتنوع الطرق التي يحدث بها هذا ويتم تحديدها جزئيًا من خلال أسمائها الخاصة ، مثل HTHA ، حيث يكون هناك حاجة إلى درجة حرارة عالية وضغط عالي في وقت واحد من أجل التقصف ، و SSC ، حيث يتم إنتاج الهيدروجين الذري كغازات مغلقة وهيدروجين.بسبب التآكل الحمضي ، فإنها تتسرب إلى الصناديق المعدنية ، مما قد يؤدي إلى هشاشتها.لكن النتيجة الإجمالية هي نفسها بالنسبة لجميع حالات التقصف الهيدروجين الموصوفة أعلاه ، حيث يتم تقليل قوة المعدن عن طريق التقصف إلى ما دون نطاق الإجهاد المسموح به ، والذي بدوره يمهد الطريق لحدث كارثي محتمل نظرًا لتقلب السائل.
بالإضافة إلى سماكة الجدار وأداء الوصلة الميكانيكية ، هناك عاملان رئيسيان يجب مراعاتهما عند اختيار المواد لخدمة غاز H2: 1. التعرض لدرجة حرارة عالية الهيدروجين (HTHA) و 2. مخاوف جدية بشأن التسرب المحتمل.كلا الموضوعين قيد المناقشة حاليا.
على عكس الهيدروجين الجزيئي ، يمكن أن يتمدد الهيدروجين الذري ، مما يعرض الهيدروجين لدرجات حرارة وضغوط عالية ، مما يخلق الأساس لإمكانية HTHA.في ظل هذه الظروف ، يكون الهيدروجين الذري قادرًا على الانتشار في مواد أو معدات أنابيب فولاذية كربونية ، حيث يتفاعل مع الكربون في محلول معدني لتكوين غاز الميثان عند حدود الحبوب.غير قادر على الهروب ، يتمدد الغاز ، مما يخلق شقوقًا وشقوقًا في جدران الأنابيب أو الأوعية - هذا هو HTGA.يمكنك أن ترى بوضوح نتائج HTHA في الشكل 2 حيث تظهر الشقوق والشقوق في الجدار 8.جزء من أنبوب الحجم الاسمي (NPS) الذي فشل في ظل هذه الظروف.
يمكن استخدام الفولاذ الكربوني لخدمة الهيدروجين عند الحفاظ على درجة حرارة التشغيل أقل من 500 درجة فهرنهايت.كما ذكرنا سابقًا ، يحدث HTHA عندما يتم الاحتفاظ بغاز الهيدروجين عند ضغط جزئي مرتفع ودرجة حرارة عالية.لا ينصح باستخدام الفولاذ الكربوني عندما يُتوقع أن يكون الضغط الجزئي للهيدروجين حوالي 3000 رطل / بوصة مربعة ودرجة الحرارة أعلى من حوالي 450 درجة فهرنهايت (وهي حالة الحادث في الشكل 2).
كما يتضح من مؤامرة نيلسون المعدلة في الشكل 3 ، المأخوذة جزئيًا من API 941 ، فإن درجة الحرارة المرتفعة لها التأثير الأكبر على تأثير الهيدروجين.يمكن أن يتجاوز الضغط الجزئي لغاز الهيدروجين 1000 رطل / بوصة مربعة عند استخدامه مع فولاذ كربوني يعمل في درجات حرارة تصل إلى 500 درجة فهرنهايت.
الشكل 3. يمكن استخدام مخطط نيلسون المعدل (المقتبس من API 941) لاختيار المواد المناسبة لخدمة الهيدروجين في درجات حرارة مختلفة.
على التين.يوضح الشكل 3 اختيار الفولاذ المضمون لتجنب هجوم الهيدروجين ، اعتمادًا على درجة حرارة التشغيل والضغط الجزئي للهيدروجين.الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ غير حساس لـ HTHA وهو مواد مرضية في جميع درجات الحرارة والضغط.
يعتبر الفولاذ الأوستنيتي 316 / 316L غير القابل للصدأ أكثر المواد العملية لتطبيقات الهيدروجين وله سجل حافل.في حين يوصى بالمعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) للفولاذ الكربوني لتكلس الهيدروجين المتبقي أثناء اللحام وتقليل صلابة المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) بعد اللحام ، فهي غير مطلوبة للفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ.
التأثيرات الحرارية الناتجة عن المعالجة الحرارية واللحام لها تأثير ضئيل على الخواص الميكانيكية للفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ.ومع ذلك ، فإن العمل على البارد يمكن أن يحسن الخصائص الميكانيكية للفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ ، مثل القوة والصلابة.عند ثني وتشكيل الأنابيب من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ ، تتغير خواصها الميكانيكية ، بما في ذلك انخفاض ليونة المادة.
إذا تطلب الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ تشكيلًا على البارد ، فإن التلدين بالمحلول (التسخين إلى حوالي 1045 درجة مئوية متبوعًا بالتبريد أو التبريد السريع) سيعيد الخصائص الميكانيكية للمادة إلى قيمها الأصلية.كما أنه سيقضي على فصل السبيكة والتوعية ومرحلة سيجما التي يتم تحقيقها بعد العمل على البارد.عند إجراء التلدين بالمحلول ، يجب أن تدرك أن التبريد السريع يمكن أن يعيد الضغط المتبقي إلى المادة إذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح.
ارجع إلى الجدول GR-2.1.1-1 فهرس مواصفات مواد تجميع الأنابيب والأنابيب و GR-2.1.1-2 فهرس مواصفات مواد الأنابيب في ASME B31 لاختيار المواد المقبولة لخدمة H2.الأنابيب هي مكان جيد للبدء.
مع وزن ذري قياسي يبلغ 1.008 وحدة كتلة ذرية (amu) ، فإن الهيدروجين هو أخف وأصغر عنصر في الجدول الدوري ، وبالتالي لديه ميل كبير للتسرب ، مع عواقب مدمرة محتملة ، كما يمكنني أن أضيف.لذلك ، يجب تصميم نظام خطوط أنابيب الغاز بطريقة تحد من توصيلات النوع الميكانيكي وتحسين تلك التوصيلات المطلوبة حقًا.
عند الحد من نقاط التسرب المحتملة ، يجب أن يكون النظام ملحومًا بالكامل ، باستثناء التوصيلات ذات الحواف على المعدات وعناصر الأنابيب والتجهيزات.يجب تجنب الوصلات الملولبة قدر الإمكان ، إن لم يكن تمامًا.إذا تعذر تجنب التوصيلات الملولبة لأي سبب من الأسباب ، فمن المستحسن ربطها بالكامل بدون مانع تسرب الخيط ثم ختم اللحام.عند استخدام أنبوب فولاذي كربوني ، يجب أن تكون وصلات الأنابيب ملحومة بعقب ومعالجة بالحرارة بعد اللحام (PWHT).بعد اللحام ، تتعرض الأنابيب في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) لهجوم الهيدروجين حتى في درجة الحرارة المحيطة.بينما يحدث هجوم الهيدروجين بشكل أساسي في درجات حرارة عالية ، فإن مرحلة PWHT ستقلل تمامًا ، إن لم يتم القضاء عليها ، هذا الاحتمال حتى في ظل الظروف المحيطة.
نقطة الضعف في النظام الملحوم بالكامل هي وصلة الفلنجة.لضمان درجة عالية من الإحكام في وصلات الفلنجات ، يجب استخدام حشوات Kammprofile (الشكل 4) أو شكل آخر من الحشوات.صُنعت هذه الوسادة بنفس الطريقة تقريبًا من قبل العديد من الشركات المصنعة ، وهي متسامحة للغاية.يتكون من حلقات معدنية مسننة محصورة بين مواد مانعة للتسرب ناعمة وقابلة للتشوه.تقوم الأسنان بتركيز حمل البرغي في منطقة أصغر لتوفير توافق محكم مع ضغط أقل.إنه مصمم بطريقة تمكنه من تعويض أسطح الحواف غير المستوية بالإضافة إلى ظروف التشغيل المتقلبة.
الشكل 4. حشوات Kammprofile لها قلب معدني مرتبط على كلا الجانبين بحشو ناعم.
عامل مهم آخر في سلامة النظام هو الصمام.تعتبر التسريبات حول السدادة وشفاه الجسم مشكلة حقيقية.لمنع ذلك ، يوصى باختيار صمام بختم منفاخ.
استخدم بوصة واحدة.أنبوب المدرسة 80 من الصلب الكربوني ، في مثالنا أدناه ، نظرًا لتحمل التصنيع والتآكل والتفاوتات الميكانيكية وفقًا لـ ASTM A106 Gr B ، يمكن حساب الحد الأقصى المسموح به لضغط العمل (MAWP) على خطوتين عند درجات حرارة تصل إلى 300 درجة فهرنهايت (ملاحظة: سبب "... لدرجات حرارة تصل إلى 300 درجة فهرنهايت ..." هو أن الضغط المسموح به (S) من ASTM A106 Gr B يتطلب درجة حرارة تتدهور عند درجة حرارة ASTM 1 إلى 300 درجة فهرنهايت. فوق 300 درجة فهرنهايت).
بالإشارة إلى الصيغة (1) ، فإن الخطوة الأولى هي حساب ضغط الانفجار النظري لخط الأنابيب.
T = سمك جدار الأنبوب مطروحًا منه التفاوتات الميكانيكية والتآكل والتصنيع ، بالبوصة.
الجزء الثاني من العملية هو حساب الحد الأقصى المسموح به لضغط العمل Pa لخط الأنابيب من خلال تطبيق عامل الأمان S f على النتيجة P وفقًا للمعادلة (2):
وبالتالي ، عند استخدام مادة 1 school 80 ، يتم حساب ضغط الانفجار على النحو التالي:
يتم بعد ذلك تطبيق سلامة Sf من 4 وفقًا لتوصيات أوعية الضغط ASME القسم VIII-1 2019 ، الفقرة 8. UG-101 محسوبة على النحو التالي:
قيمة MAWP الناتجة هي 810 رطل لكل بوصة مربعة.بوصة تشير إلى الأنبوب فقط.سيكون اتصال الفلنجة أو المكون ذو أدنى تصنيف في النظام هو العامل المحدد في تحديد الضغط المسموح به في النظام.
وفقًا لمعيار ASME B16.5 ، يبلغ الحد الأقصى لضغط العمل المسموح به لـ 150 قطعة من وصلات الفلنجات المصنوعة من الصلب الكربوني 285 رطلاً لكل بوصة مربعة.بوصة عند -20 درجة فهرنهايت إلى 100 درجة فهرنهايت.الفئة 300 لديها أقصى ضغط عمل مسموح به يبلغ 740 رطل لكل بوصة مربعة.سيكون هذا هو عامل حد الضغط للنظام وفقًا لمثال مواصفات المواد أدناه.أيضًا ، فقط في الاختبارات الهيدروستاتيكية ، يمكن أن تتجاوز هذه القيم 1.5 مرة.
كمثال على مواصفات مادة الصلب الكربوني الأساسية ، مواصفات خط خدمة غاز H2 تعمل في درجة حرارة محيطة أقل من ضغط التصميم 740 رطل / بوصة مربعة.بوصة ، قد تحتوي على متطلبات المواد الموضحة في الجدول 2. فيما يلي الأنواع التي قد تتطلب الانتباه لتضمينها في المواصفات:
بصرف النظر عن الأنابيب نفسها ، هناك العديد من العناصر التي تشكل نظام الأنابيب مثل التركيبات ، والصمامات ، ومعدات الخط ، وما إلى ذلك. بينما سيتم تجميع العديد من هذه العناصر معًا في خط أنابيب لمناقشتها بالتفصيل ، سيتطلب ذلك صفحات أكثر مما يمكن استيعابها.هذا المقال.