تقدم هذه النظرة العامة توصيات للتصميم الآمن لأنظمة الأنابيب لتوزيع الهيدروجين.
الهيدروجين سائل شديد التطاير وسريع التسرب، ما يجعله مزيجًا خطيرًا ومميتًا من الخصائص، فهو سائل متطاير يصعب التحكم به. هذه بعض العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار المواد والحشيات والمانعات، بالإضافة إلى خصائص تصميم هذه الأنظمة. يركز هذا النقاش على توزيع غاز الهيدروجين، وليس على إنتاج الهيدروجين، أو الهيدروجين السائل (انظر الشريط الجانبي الأيمن).
إليك بعض النقاط الرئيسية التي تساعدك على فهم خليط الهيدروجين والهواء. يحترق الهيدروجين بطريقتين: الاحتراق البطيء والانفجار.
الاحتراق البطيء. الاحتراق البطيء نمط شائع من أنماط الاحتراق، حيث تنتقل ألسنة اللهب عبر الخليط بسرعات دون سرعة الصوت. يحدث هذا، على سبيل المثال، عند إشعال سحابة حرة من خليط الهيدروجين والهواء بواسطة مصدر إشعال صغير. في هذه الحالة، يتحرك اللهب بسرعة تتراوح بين عشرة إلى عدة مئات من الأقدام في الثانية. يُولّد التمدد السريع للغاز الساخن موجات ضغط تتناسب قوتها مع حجم السحابة. في بعض الحالات، قد تكون قوة موجة الصدمة كافية لإلحاق الضرر بهياكل المباني وغيرها من الأجسام في مسارها، والتسبب في إصابات.
انفجرت المادة. عند الانفجار، انتشرت ألسنة اللهب وموجات الصدمة عبر الخليط بسرعات تفوق سرعة الصوت. نسبة الضغط في موجة الانفجار أكبر بكثير منها في الانفجار العادي. وبسبب القوة المتزايدة، يكون الانفجار أكثر خطورة على الأشخاص والمباني والأجسام القريبة. يتسبب الاحتراق العادي في حدوث انفجار عند اشتعاله في مكان مغلق. في مثل هذه المساحة الضيقة، يمكن إحداث الاشتعال بأقل قدر من الطاقة. أما لانفجار خليط الهيدروجين والهواء في مساحة غير محدودة، فيتطلب الأمر مصدر اشتعال أقوى.
تبلغ نسبة الضغط عبر موجة الانفجار في خليط الهيدروجين والهواء حوالي 20. عند الضغط الجوي، تعادل هذه النسبة 300 رطل لكل بوصة مربعة. عندما تصطدم موجة الضغط هذه بجسم ثابت، ترتفع نسبة الضغط إلى ما بين 40 و60. ويعود ذلك إلى انعكاس موجة الضغط عن الجسم الثابت.
ميل للتسرب. نظراً لانخفاض لزوجته وانخفاض وزنه الجزيئي، فإن غاز الهيدروجين لديه ميل كبير للتسرب وحتى النفاذ أو الاختراق لمختلف المواد.
الهيدروجين أخف بثماني مرات من الغاز الطبيعي، وأربع عشرة مرة من الهواء، واثنتين وعشرين مرة من البروبان، وسبع وخمسين مرة من بخار البنزين. هذا يعني أنه عند تركيبه في الهواء الطلق، سيرتفع غاز الهيدروجين بسرعة ويتبدد، مما يقلل من احتمالية وجود أي تسرب. لكن هذا قد يكون سلاحًا ذا حدين. فقد يحدث انفجار إذا تم إجراء لحام على تركيب خارجي فوق أو في اتجاه الريح من مصدر تسرب الهيدروجين دون إجراء دراسة للكشف عن التسرب قبل اللحام. في الأماكن المغلقة، يمكن لغاز الهيدروجين أن يرتفع ويتراكم من السقف إلى الأسفل، مما يسمح له بالتراكم إلى أحجام كبيرة قبل أن يصبح أكثر عرضة للاشتعال بالقرب من الأرض.
حريق عرضي. الاشتعال الذاتي ظاهرةٌ تشتعل فيها خليط من الغازات أو الأبخرة تلقائيًا دون وجود مصدر إشعال خارجي. ويُعرف أيضًا باسم "الاحتراق التلقائي". ويعتمد الاشتعال الذاتي على درجة الحرارة، وليس على الضغط.
درجة حرارة الاشتعال الذاتي هي أدنى درجة حرارة يشتعل عندها الوقود تلقائيًا قبل الاشتعال في غياب أي مصدر اشتعال خارجي عند ملامسته للهواء أو عامل مؤكسد. وتُعرف درجة حرارة الاشتعال الذاتي لمسحوق واحد بأنها درجة الحرارة التي يشتعل عندها تلقائيًا في غياب عامل مؤكسد. وتبلغ درجة حرارة الاشتعال الذاتي لغاز الهيدروجين في الهواء 585 درجة مئوية.
طاقة الاشتعال هي الطاقة اللازمة لبدء انتشار اللهب في خليط قابل للاحتراق. أما الحد الأدنى لطاقة الاشتعال فهو أقل طاقة لازمة لإشعال خليط قابل للاحتراق عند درجة حرارة وضغط محددين. الحد الأدنى لطاقة الاشتعال الشراري لغاز الهيدروجين في ضغط جوي واحد يساوي 1.9 × 10⁻⁸ وحدة حرارية بريطانية (0.02 ملي جول).
حدود الانفجار هي الحد الأقصى والأدنى لتركيزات الأبخرة أو الرذاذ أو الغبار في الهواء أو الأكسجين التي يحدث عندها الانفجار. ويتحكم في هذه الحدود حجم البيئة وشكلها، بالإضافة إلى تركيز الوقود. ويُستخدم مصطلح "حد الانفجار" أحيانًا كمرادف لمصطلح "حد الانفجار".
الحدود المتفجرة لخليط الهيدروجين في الهواء هي 18.3% حجمًا (الحد الأدنى) و59% حجمًا (الحد الأعلى).
عند تصميم أنظمة الأنابيب (الشكل 1)، تتمثل الخطوة الأولى في تحديد مواد البناء اللازمة لكل نوع من السوائل. ويتم تصنيف كل سائل وفقًا للفقرة 300(ب)(1) من معيار ASME B31.3، والتي تنص على أن "المالك مسؤول أيضًا عن تحديد أنابيب الفئة D وM والأنابيب عالية الضغط والأنابيب عالية النقاء، وتحديد ما إذا كان ينبغي استخدام نظام جودة معين".
يُحدد تصنيف السوائل درجة الاختبار ونوعه المطلوب، بالإضافة إلى العديد من المتطلبات الأخرى بناءً على فئة السائل. وعادةً ما تقع مسؤولية ذلك على عاتق قسم الهندسة التابع للمالك أو مهندس خارجي.
على الرغم من أن كود أنابيب العمليات B31.3 لا يحدد للمالك نوع المادة المستخدمة لسائل معين، إلا أنه يقدم إرشادات حول متطلبات القوة والسماكة وتوصيلات المواد. كما يتضمن الكود عبارتين في مقدمته تنصان بوضوح على ما يلي:
وبالتوسع في الفقرة الأولى أعلاه، تنص الفقرة B31.3.300(ب)(1) أيضًا على ما يلي: "يتحمل مالك منشأة خط الأنابيب المسؤولية الكاملة عن الامتثال لهذا القانون وعن وضع متطلبات التصميم والإنشاء والتفتيش والاختبار التي تحكم جميع عمليات مناولة السوائل أو العمليات التي يُعد خط الأنابيب جزءًا منها." لذا، بعد وضع بعض القواعد الأساسية للمسؤولية ومتطلبات تحديد فئات خدمة السوائل، دعونا نرى أين يندرج غاز الهيدروجين.
نظرًا لأن غاز الهيدروجين يتصرف كسائل متطاير قابل للتسرب، يُمكن اعتباره سائلًا عاديًا أو سائلًا من الفئة M ضمن الفئة B31.3 لخدمات السوائل. وكما ذُكر سابقًا، يُعد تصنيف معالجة السوائل مطلبًا من المالك، شريطة أن يستوفي الإرشادات الخاصة بالفئات المُختارة الموضحة في الفقرة 3 من القسم 300.2 من القسم "الخدمات الهيدروليكية". وفيما يلي تعريفات لخدمات السوائل العادية وخدمات السوائل من الفئة M:
"خدمة السوائل العادية: خدمة السوائل التي تنطبق على معظم الأنابيب الخاضعة لهذا القانون، أي أنها غير خاضعة للوائح الخاصة بالفئات D و M، أو درجات الحرارة العالية، أو الضغط العالي، أو نظافة السوائل العالية."
(1) إن سمية السائل شديدة لدرجة أن التعرض لمرة واحدة لكمية صغيرة جدًا منه نتيجة تسرب يمكن أن يسبب إصابة خطيرة ودائمة لمن يستنشقه أو يلامسه، حتى مع اتخاذ تدابير علاجية فورية.
(2) بعد دراسة تصميم خط الأنابيب والخبرة وظروف التشغيل والموقع، يقرر المالك أن متطلبات الاستخدام العادي للسائل غير كافية لتوفير الإحكام اللازم لحماية الأفراد من التعرض له.
في التعريف المذكور أعلاه للفئة M، لا يستوفي غاز الهيدروجين معايير الفقرة (1) لأنه لا يُعتبر سائلاً ساماً. مع ذلك، وبتطبيق البند الفرعي (2)، يسمح القانون بتصنيف الأنظمة الهيدروليكية ضمن الفئة M بعد دراسة متأنية لـ "...تصميم الأنابيب، والخبرة، وظروف التشغيل، والموقع...". ويسمح المالك بتحديد مناولة السوائل بشكل طبيعي. إلا أن هذه المتطلبات غير كافية لتلبية الحاجة إلى مستوى أعلى من الدقة في تصميم وبناء وفحص واختبار أنظمة أنابيب غاز الهيدروجين.
يرجى الرجوع إلى الجدول 1 قبل مناقشة تآكل الهيدروجين في درجات الحرارة العالية (HTHA). يتضمن هذا الجدول قائمة بالرموز والمعايير واللوائح، بما في ذلك ست وثائق حول موضوع تقصف الهيدروجين (HE)، وهو أحد أنواع التآكل الشائعة التي تشمل تآكل الهيدروجين في درجات الحرارة العالية. يمكن أن يحدث تآكل الهيدروجين في درجات حرارة منخفضة وعالية. يُعتبر هذا النوع من التآكل أحد أشكال التآكل، ويمكن أن يبدأ بعدة طرق، كما أنه يؤثر على نطاق واسع من المواد.
تتخذ ظاهرة التآكل الهيدروجيني أشكالاً مختلفة، ويمكن تقسيمها إلى تشقق الهيدروجين (HAC)، وتشقق إجهاد الهيدروجين (HSC)، وتشقق تآكل الإجهاد (SCC)، وتشقق تآكل الهيدروجين (HACC)، وفقاعات الهيدروجين (HB)، وتشقق الهيدروجين (HIC)، وتشقق الهيدروجين الموجه بالإجهاد (SOHIC)، والتشقق التدريجي (SWC)، وتشقق إجهاد الكبريتيد (SSC)، وتشقق المنطقة اللينة (SZC)، وتآكل الهيدروجين عند درجات الحرارة العالية (HTHA).
في أبسط صورها، تُعدّ هشاشة الهيدروجين آلية لتدمير حدود حبيبات المعدن، مما يؤدي إلى انخفاض مطيليته نتيجةً لتغلغل الهيدروجين الذري. وتتنوع طرق حدوث هذه الظاهرة، ويُشار إليها جزئيًا بأسمائها، مثل HTHA، حيث يتطلب الأمر وجود هيدروجين عالي الحرارة والضغط في آنٍ واحد لحدوث الهشاشة، وSSC، حيث يُنتج الهيدروجين الذري على شكل غازات مغلقة. وبسبب التآكل الحمضي، يتسرب الهيدروجين إلى أغلفة المعدن، مما قد يؤدي إلى الهشاشة. لكن النتيجة الإجمالية واحدة كما في جميع حالات هشاشة الهيدروجين المذكورة أعلاه، حيث تنخفض قوة المعدن بسبب الهشاشة إلى ما دون نطاق الإجهاد المسموح به، مما يُهيئ الظروف لحدوث كارثة محتملة نظرًا لتقلب الهيدروجين السائل.
إضافةً إلى سُمك الجدار وأداء الوصلات الميكانيكية، هناك عاملان رئيسيان يجب مراعاتهما عند اختيار المواد المستخدمة في خدمة غاز الهيدروجين: 1. التعرض للهيدروجين ذي درجة الحرارة العالية (HTHA)، و2. المخاوف الجدية بشأن احتمالية التسرب. كلا الموضوعين قيد المناقشة حاليًا.
على عكس الهيدروجين الجزيئي، يتميز الهيدروجين الذري بقدرته على التمدد، مما يعرضه لدرجات حرارة وضغوط عالية، وهو ما يُهيئ الظروف لحدوث تآكل حراري عالي الحرارة. في ظل هذه الظروف، يستطيع الهيدروجين الذري الانتشار داخل أنابيب أو معدات الصلب الكربوني، حيث يتفاعل مع الكربون في المحلول المعدني مُكَوِّنًا غاز الميثان عند حدود الحبيبات. ولعدم قدرته على التسرب، يتمدد الغاز، مُحدثًا تشققات وفجوات في جدران الأنابيب أو الأوعية - وهذا ما يُعرف بالتآكل الحراري للغاز. يُمكنك ملاحظة نتائج التآكل الحراري عالي الحرارة بوضوح في الشكل 2، حيث تظهر التشققات والفجوات جليّةً في جدار الأنبوب ذي القطر 8 بوصات. هذا هو الجزء من الأنبوب ذي القطر الاسمي الذي يتعرض للتلف في ظل هذه الظروف.
يمكن استخدام الفولاذ الكربوني في تطبيقات الهيدروجين عند الحفاظ على درجة حرارة التشغيل أقل من 500 درجة فهرنهايت. وكما ذُكر سابقًا، يحدث فرط امتصاص الهيدروجين عند درجات حرارة وضغط جزئي مرتفعين. لا يُنصح باستخدام الفولاذ الكربوني عندما يُتوقع أن يكون الضغط الجزئي للهيدروجين حوالي 3000 رطل لكل بوصة مربعة، وأن تتجاوز درجة الحرارة 450 درجة فهرنهايت تقريبًا (وهي حالة الحادث الموضحة في الشكل 2).
كما يتضح من مخطط نيلسون المعدل في الشكل 3، المأخوذ جزئيًا من معيار API 941، فإن ارتفاع درجة الحرارة له التأثير الأكبر على قوة دفع الهيدروجين. قد يتجاوز الضغط الجزئي لغاز الهيدروجين 1000 رطل لكل بوصة مربعة عند استخدامه مع الفولاذ الكربوني الذي يعمل في درجات حرارة تصل إلى 500 درجة فهرنهايت.
الشكل 3. يمكن استخدام مخطط نيلسون المعدل هذا (المقتبس من API 941) لاختيار المواد المناسبة لخدمة الهيدروجين في درجات حرارة مختلفة.
يوضح الشكل 3 خيارات الفولاذ التي تضمن تجنب التآكل الهيدروجيني، وذلك تبعاً لدرجة حرارة التشغيل والضغط الجزئي للهيدروجين. الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي غير حساس للتآكل الهيدروجيني عند درجات الحرارة العالية، وهو مادة مناسبة في جميع درجات الحرارة والضغوط.
يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 316/316L المادة الأكثر عملية لتطبيقات الهيدروجين، وله سجل حافل بالنجاح. في حين يُوصى بالمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للفولاذ الكربوني لتكليس الهيدروجين المتبقي أثناء اللحام وتقليل صلابة المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) بعد اللحام، إلا أنها غير ضرورية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي.
لا تؤثر التأثيرات الحرارية الناتجة عن المعالجة الحرارية واللحام بشكل كبير على الخواص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. مع ذلك، يمكن للتشكيل على البارد تحسين الخواص الميكانيكية لهذا النوع من الفولاذ، مثل المتانة والصلابة. عند ثني وتشكيل الأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، تتغير خواصها الميكانيكية، بما في ذلك انخفاض لدونة المادة.
إذا تطلّب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي تشكيلاً على البارد، فإنّ التلدين المحلول (التسخين إلى حوالي 1045 درجة مئوية متبوعاً بالتبريد السريع) يُعيد الخواص الميكانيكية للمادة إلى قيمها الأصلية. كما يُزيل هذا التلدين انفصال السبائك، والحساسية، وطور سيجما الذي يحدث بعد التشكيل على البارد. عند إجراء التلدين المحلول، يجب الانتباه إلى أنّ التبريد السريع قد يُعيد الإجهاد المتبقي إلى المادة إذا لم يُعالج بشكل صحيح.
راجع الجدولين GR-2.1.1-1 وGR-2.1.1-2 في معيار ASME B31 للاطلاع على خيارات المواد المقبولة لخدمة الهيدروجين. تُعدّ الأنابيب نقطة انطلاق جيدة.
يُعدّ الهيدروجين، بوزنه الذري القياسي البالغ 1.008 وحدة كتلة ذرية (amu)، أخفّ العناصر وأصغرها في الجدول الدوري، ولذلك فهو شديد التعرّض للتسرب، ما قد يُؤدي إلى عواقب وخيمة. لذا، يجب تصميم نظام خطوط أنابيب الغاز بطريقة تحدّ من الوصلات الميكانيكية وتُحسّن الوصلات الضرورية فقط.
عند الحد من نقاط التسرب المحتملة، يجب لحام النظام بالكامل، باستثناء الوصلات ذات الحواف في المعدات وعناصر الأنابيب والتجهيزات. ينبغي تجنب الوصلات الملولبة قدر الإمكان، إن لم يكن تجنبها تمامًا. إذا تعذر تجنب الوصلات الملولبة لأي سبب، يُنصح بتثبيتها بالكامل دون استخدام مانع تسرب، ثم إحكام اللحام. عند استخدام أنابيب الصلب الكربوني، يجب لحام وصلات الأنابيب لحامًا طرفيًا ومعالجتها حراريًا بعد اللحام. بعد اللحام، تتعرض الأنابيب في المنطقة المتأثرة بالحرارة لهجوم الهيدروجين حتى في درجة حرارة الغرفة. في حين أن هجوم الهيدروجين يحدث بشكل أساسي عند درجات الحرارة العالية، فإن مرحلة المعالجة الحرارية بعد اللحام تقلل هذا الاحتمال تمامًا، إن لم تقضِ عليه، حتى في الظروف المحيطة.
تُعدّ وصلة الشفة نقطة الضعف في النظام الملحوم بالكامل. ولضمان إحكام عالٍ في هذه الوصلات، يُنصح باستخدام حشيات كامبروفايل (الشكل 4) أو أي نوع آخر من الحشيات. تُصنع هذه الحشية بطريقة متشابهة تقريبًا من قِبل العديد من الشركات المصنّعة، وهي تتميز بمرونتها العالية. تتكون من حلقات معدنية مسننة محصورة بين مواد مانعة للتسرب لينة وقابلة للتشكيل. تعمل الأسنان على تركيز حمل البرغي في مساحة أصغر لتوفير تثبيت محكم مع تقليل الإجهاد. صُممت هذه الحشية بطريقة تُمكنها من التعويض عن عدم استواء أسطح الشفة وظروف التشغيل المتغيرة.
الشكل 4. تحتوي حشيات Kammprofile على قلب معدني ملتصق من كلا الجانبين بحشو ناعم.
يُعد الصمام عاملاً مهماً آخر في سلامة النظام. وتُشكل التسريبات حول مانع التسرب في ساق الصمام وحواف جسمه مشكلة حقيقية. ولمنع ذلك، يُنصح باختيار صمام مزود بمانع تسرب منفاخي.
استخدم أنبوبًا من الفولاذ الكربوني مقاس 1 بوصة من النوع 80، في مثالنا أدناه، مع مراعاة التفاوتات التصنيعية والتآكل والتفاوتات الميكانيكية وفقًا لمعيار ASTM A106 Gr B، يمكن حساب أقصى ضغط تشغيل مسموح به (MAWP) على مرحلتين عند درجات حرارة تصل إلى 300 درجة فهرنهايت (ملاحظة: سبب عبارة "...لدرجات حرارة تصل إلى 300 درجة فهرنهايت..." هو أن الإجهاد المسموح به (S) لمادة ASTM A106 Gr B يبدأ في التدهور عندما تتجاوز درجة الحرارة 300 درجة فهرنهايت (S)، لذا تتطلب المعادلة (1) تعديلًا لدرجات الحرارة التي تزيد عن 300 درجة فهرنهايت).
بالرجوع 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 أقصى ضغط تشغيل مسموح به Pa لخط الأنابيب عن طريق تطبيق عامل الأمان S f على النتيجة P وفقًا للمعادلة (2):
وبالتالي، عند استخدام مادة المدرسة 80 بسمك 1 بوصة، يتم حساب ضغط الانفجار على النحو التالي:
ثم يتم تطبيق معامل أمان Sf بقيمة 4 وفقًا لتوصيات ASME لأوعية الضغط، القسم الثامن-1 لعام 2019، الفقرة 8. تم حساب UG-101 على النحو التالي:
تبلغ قيمة ضغط التشغيل الأقصى المسموح به 810 رطل/بوصة مربعة. تشير البوصة إلى الأنابيب فقط. سيكون وصلة الشفة أو المكون ذو التصنيف الأدنى في النظام هو العامل الحاسم في تحديد الضغط المسموح به في النظام.
وفقًا لمعيار ASME B16.5، يبلغ الحد الأقصى لضغط التشغيل المسموح به لوصلات الفلنجات المصنوعة من الفولاذ الكربوني 150، 285 رطل/بوصة مربعة عند درجة حرارة تتراوح بين -20 و100 درجة فهرنهايت. أما الفئة 300، فيبلغ الحد الأقصى لضغط التشغيل المسموح به فيها 740 رطل/بوصة مربعة. وسيكون هذا هو عامل حد الضغط للنظام وفقًا لمثال مواصفات المواد الموضح أدناه. كما تجدر الإشارة إلى أنه في الاختبارات الهيدروستاتيكية فقط، يمكن أن تتجاوز هذه القيم 1.5 مرة.
كمثال على مواصفات أساسية لمادة الفولاذ الكربوني، قد تتضمن مواصفات خط خدمة غاز الهيدروجين الذي يعمل عند درجة حرارة محيطة أقل من ضغط التصميم البالغ 740 رطل لكل بوصة مربعة، متطلبات المواد الموضحة في الجدول 2. وفيما يلي أنواع قد تتطلب الانتباه لإدراجها في المواصفات:
إلى جانب الأنابيب نفسها، يتكون نظام الأنابيب من عناصر عديدة كالتجهيزات والصمامات ومعدات الخطوط، وغيرها. ورغم أن مناقشة هذه العناصر بالتفصيل ستتطلب صفحات أكثر مما هو متاح في هذه المقالة.