Bu icmal hidrogen paylanması üçün boru sistemlərinin təhlükəsiz dizaynı üçün tövsiyələr verir.
Hidrogen sızma meyli yüksək olan yüksək dərəcədə uçucu bir mayedir. Bu, çox təhlükəli və ölümcül meyllərin kombinasiyasıdır, idarə olunması çətin olan uçucu bir mayedir. Bunlar materiallar, contalar və möhürlər seçərkən, eləcə də bu cür sistemlərin dizayn xüsusiyyətlərini nəzərə alarkən nəzərə alınmalı olan meyllərdir. Qaz halında H2-nin paylanması ilə bağlı bu mövzular bu müzakirənin əsas mövzusudur, H2, maye H2 və ya maye H2 istehsalı deyil (sağ yan panelə baxın).
Hidrogen və H2-hava qarışığını başa düşməyinizə kömək edəcək bir neçə əsas məqam. Hidrogen iki şəkildə yanır: deflaqrasiya və partlayış.
Deflaqrasiya. Deflaqrasiya alovların qarışıqdan səsdən aşağı sürətlə keçdiyi ümumi bir yanma rejimidir. Bu, məsələn, hidrogen-hava qarışığının sərbəst buludu kiçik bir alovlanma mənbəyi tərəfindən alovlandıqda baş verir. Bu halda, alov saniyədə on ilə bir neçə yüz fut sürətlə hərəkət edəcək. İsti qazın sürətli genişlənməsi gücü buludun ölçüsü ilə mütənasib olan təzyiq dalğaları yaradır. Bəzi hallarda, zərbə dalğasının gücü bina konstruksiyalarına və yolundakı digər obyektlərə zərər vermək və xəsarət yetirmək üçün kifayət edə bilər.
partlayır. Partlayanda alovlar və zərbə dalğaları qarışıqdan səsdən sürətli sürətlə keçirdi. Detonasiya dalğasındakı təzyiq nisbəti detonasiyadakından daha böyükdür. Gücün artması səbəbindən partlayış insanlar, binalar və yaxınlıqdakı əşyalar üçün daha təhlükəlidir. Normal deflagrasiya məhdud bir məkanda alovlandıqda partlayışa səbəb olur. Belə dar bir ərazidə alovlanma ən az enerji miqdarı ilə baş verə bilər. Lakin limitsiz bir məkanda hidrogen-hava qarışığının detonasiyası üçün daha güclü bir alovlanma mənbəyi tələb olunur.
Hidrogen-hava qarışığında detonasiya dalğası üzərindəki təzyiq nisbəti təxminən 20-dir. Atmosfer təzyiqində 20 nisbəti 300 psi-dir. Bu təzyiq dalğası hərəkətsiz bir cisimlə toqquşduqda təzyiq nisbəti 40-60-a qədər artır. Bu, hərəkətsiz bir maneədən təzyiq dalğasının əks olunması ilə əlaqədardır.
Sızma meyli. Aşağı özlülüyü və aşağı molekulyar çəkisi səbəbindən H2 qazı müxtəlif materiallara sızma və hətta nüfuz etmə və ya nüfuz etmə meylinə malikdir.
Hidrogen təbii qazdan 8 dəfə, havadan 14 dəfə, propandan 22 dəfə və benzin buxarından 57 dəfə daha yüngüldür. Bu o deməkdir ki, açıq havada quraşdırıldıqda, H2 qazı tez bir zamanda qalxacaq və dağılacaq və bərabər sızma əlamətlərini azaldacaq. Lakin bu, iki tərəfli bir qılınc ola bilər. Qaynaqdan əvvəl sızma aşkarlama tədqiqatı aparılmadan, H2 sızmasının üstündə və ya külək istiqamətində açıq havada qaynaq aparılarsa, partlayış baş verə bilər. Qapalı məkanda H2 qazı tavandan aşağı qalxa və toplana bilər ki, bu da onun yerə yaxın alovlanma mənbələri ilə təmasda olma ehtimalının artmasına səbəb olur və böyük həcmdə toplanmasına imkan verir.
Təsadüfi yanğın. Öz-özünə alovlanma, qaz və ya buxar qarışığının xarici alovlanma mənbəyi olmadan öz-özünə alovlanması hadisəsidir. Bu, həmçinin "spontan yanma" və ya "spontan yanma" kimi də tanınır. Öz-özünə alovlanma təzyiqdən deyil, temperaturdan asılıdır.
Öz-özünə alışma temperaturu, yanacağın hava və ya oksidləşdirici maddə ilə təmasda xarici alovlanma mənbəyi olmadığı təqdirdə alovlanmadan əvvəl öz-özünə alovlanacağı minimum temperaturdur. Tək bir tozun öz-özünə alovlanma temperaturu, oksidləşdirici maddə olmadığı təqdirdə öz-özünə alovlandığı temperaturdur. Havadakı qaz halındakı H2-nin öz-özünə alovlanma temperaturu 585°C-dir.
Alovlanma enerjisi, alovun yanan qarışıqdan yayılmasını başlatmaq üçün tələb olunan enerjidir. Minimum alovlanma enerjisi, müəyyən bir temperaturda və təzyiqdə müəyyən bir yanan qarışığı alovlandırmaq üçün tələb olunan minimum enerjidir. 1 atmosfer havasında qaz halında olan H2 üçün minimum qığılcım alovlanma enerjisi = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Partlayıcı hədlər partlayışın baş verdiyi havada və ya oksigendə buxarların, dumanların və ya tozların maksimum və minimum konsentrasiyalarıdır. Ətraf mühitin ölçüsü və həndəsəsi, eləcə də yanacağın konsentrasiyası hədləri idarə edir. "Partlayış həddi" bəzən "partlayış həddi"nin sinonimi kimi istifadə olunur.
Havadakı H2 qarışıqları üçün partlayıcı limitlər 18,3 həcm% (aşağı limit) və 59 həcm% (yuxarı limit)-dir.
Boru sistemləri layihələndirilərkən (Şəkil 1), ilk addım hər bir maye növü üçün lazım olan tikinti materiallarını müəyyən etməkdir. Hər bir maye ASME B31.3 bəndinə uyğun olaraq təsnif ediləcək. 300(b)(1)-ci bənddə deyilir: "Sahib həmçinin D, M sinifli, yüksək təzyiqli və yüksək təmizlikli boru kəmərlərinin təyin edilməsinə və müəyyən bir keyfiyyət sisteminin istifadə olunub-olunmamasının müəyyən edilməsinə cavabdehdir."
Maye təsnifatı, sınaq dərəcəsini və tələb olunan sınaq növünü, eləcə də maye kateqoriyasına əsaslanan bir çox digər tələbləri müəyyən edir. Bunun üçün sahibinin məsuliyyəti adətən sahibinin mühəndislik şöbəsinə və ya autsorsinq edilmiş mühəndisə düşür.
B31.3 Proses Boru Kəməri Məcəlləsi sahibinə müəyyən bir maye üçün hansı materialdan istifadə edəcəyini deməsə də, möhkəmlik, qalınlıq və material birləşdirmə tələbləri barədə rəhbərlik verir. Kodun giriş hissəsində də aydın şəkildə bildirilən iki ifadə var:
Yuxarıdakı birinci abzası, B31.3. 300(b)(1) bəndini genişləndirərək, həmçinin bildirir: “Boru kəməri qurğusunun sahibi bu Məcəlləyə riayət etmək və boru kəmərinin bir hissəsi olduğu bütün mayenin işlənməsini və ya prosesini tənzimləyən dizayn, tikinti, yoxlama, yoxlama və sınaq tələblərini müəyyən etmək üçün yalnız məsuliyyət daşıyır. Quraşdırma.” Beləliklə, maye xidməti kateqoriyalarını müəyyən etmək üçün məsuliyyət və tələblər üçün bəzi əsas qaydalar müəyyən etdikdən sonra, gəlin hidrogen qazının harada uyğun olduğunu görək.
Hidrogen qazı sızmaları olan uçucu maye kimi çıxış etdiyindən, hidrogen qazı normal maye və ya maye xidməti üçün B31.3 kateqoriyası altında M Sinfi maye hesab edilə bilər. Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, mayenin idarə olunmasının təsnifatı, B31.3-ün 3-cü bəndində təsvir edilən seçilmiş kateqoriyalar üçün qaydalara cavab verdiyi təqdirdə, sahibin tələbidir. 300.2 "Hidravlik xidmətlər" bölməsindəki təriflər. Normal maye xidməti və M Sinfi maye xidməti üçün təriflər aşağıdakılardır:
“Normal Maye Xidməti: Bu koda tabe olan əksər boru kəmərlərinə tətbiq olunan maye xidməti, yəni D, M sinifləri, yüksək temperatur, yüksək təzyiq və ya yüksək maye təmizliyi qaydalarına tabe deyil.”
(1) Mayenin toksikliyi o qədər böyükdür ki, sızma nəticəsində yaranan çox az miqdarda mayeyə tək bir dəfə məruz qalma, hətta təcili bərpa tədbirləri görülsə belə, onu nəfəs alan və ya təmasda olan insanlarda ciddi daimi xəsarətlərə səbəb ola bilər.
(2) Boru kəmərinin dizaynını, təcrübəsini, istismar şərtlərini və yerini nəzərə aldıqdan sonra, sahibi mayenin normal istifadəsi üçün tələblərin personalı məruz qalmadan qorumaq üçün lazım olan sıxlığı təmin etmək üçün kifayət etmədiyinə qərar verir.
M-in yuxarıdakı tərifində hidrogen qazı (1) bəndinin meyarlarına cavab vermir, çünki o, zəhərli maye hesab edilmir. Lakin, (2) altbölməsini tətbiq etməklə, Məcəllə "...boru kəmərinin dizaynı, təcrübəsi, istismar şərtləri və yeri..." nəzərə alındıqdan sonra hidravlik sistemlərin M sinfində təsnif edilməsinə icazə verir. Sahibkar normal mayenin idarə olunmasının müəyyən edilməsinə icazə verir. Tələblər hidrogen qaz boru kəməri sistemlərinin dizaynında, tikintisində, yoxlanılmasında, yoxlanılmasında və sınaqdan keçirilməsində daha yüksək səviyyədə bütövlük tələbini ödəmək üçün kifayət deyil.
Yüksək Temperaturlu Hidrogen Korroziyası (HTHA) haqqında danışmazdan əvvəl Cədvəl 1-ə baxın. Kodlar, standartlar və qaydalar bu cədvəldə verilmişdir və buraya HTHA-nı da əhatə edən ümumi korroziya anomaliyası olan hidrogen kövrəkliyi (HE) mövzusunda altı sənəd daxildir. OH aşağı və yüksək temperaturlarda baş verə bilər. Korroziyanın bir forması hesab edilən bu, bir neçə yolla başlaya bilər və həmçinin geniş materiallara təsir göstərir.
HE müxtəlif formalara malikdir və bunlara bölünə bilər: hidrogen krekinqi (HAC), hidrogen gərginlikli krekinqi (HSC), gərginlikli korroziya krekinqi (SCC), hidrogen korroziya krekinqi (HACC), hidrogen köpüklənməsi (HB), hidrogen krekinqi (HIC). )), gərginlik yönümlü hidrogen krekinqi (SOHIC), mütərəqqi krekinq (SWC), sulfid gərginlikli krekinqi (SSC), yumşaq zona krekinqi (SZC) və yüksək temperaturlu hidrogen korroziyası (HTHA).
Ən sadə formada hidrogen kövrəkliyi metal dənəcik sərhədlərinin məhv edilməsi mexanizmidir və nəticədə atom hidrogeninin nüfuz etməsi səbəbindən elastikliyin azalmasına səbəb olur. Bunun baş vermə yolları müxtəlifdir və qismən müvafiq adları ilə müəyyən edilir, məsələn, kövrəklik üçün eyni vaxtda yüksək temperatur və yüksək təzyiqli hidrogen tələb olunan HTHA və atom hidrogeninin qapalı qazlar və hidrogen şəklində istehsal olunduğu SSC. Turşu korroziyası səbəbindən onlar metal korpuslara sızır və bu da kövrəkliyə səbəb ola bilər. Lakin ümumi nəticə yuxarıda təsvir edilən bütün hidrogen kövrəkliyi halları ilə eynidir, burada metalın möhkəmliyi icazə verilən gərginlik diapazonundan aşağı kövrəklik səbəbindən azalır və bu da öz növbəsində mayenin dəyişkənliyi nəzərə alınmaqla potensial olaraq fəlakətli bir hadisə üçün zəmin yaradır.
Divar qalınlığı və mexaniki birləşmə performansına əlavə olaraq, H2 qaz xidməti üçün materiallar seçərkən nəzərə alınmalı iki əsas amil var: 1. Yüksək temperaturlu hidrogenə (HTHA) məruz qalma və 2. Potensial sızma ilə bağlı ciddi narahatlıqlar. Hər iki mövzu hazırda müzakirə mərhələsindədir.
Molekulyar hidrogendən fərqli olaraq, atom hidrogeni genişlənərək hidrogeni yüksək temperatur və təzyiqlərə məruz qoyaraq potensial HTHA üçün zəmin yarada bilər. Bu şərtlər altında atom hidrogeni karbon polad boru materiallarına və ya avadanlıqlarına yayıla bilir və burada metal məhlulundakı karbonla reaksiyaya girərək dənəcik sərhədlərində metan qazı əmələ gətirir. Qaz çıxa bilmədiyi üçün genişlənir və boruların və ya qabların divarlarında çatlar və yarıqlar yaradır - bu HTGA-dır. Şəkil 2-də HTHA nəticələrini aydın şəkildə görə bilərsiniz, burada 8 düymlük divarda çatlar və yarıqlar görünür. Bu şərtlər altında sıradan çıxan nominal ölçülü (NPS) borunun hissəsi.
Karbon polad işləmə temperaturu 500°F-dən aşağı saxlanıldıqda hidrogen xidməti üçün istifadə edilə bilər. Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, HTHA, hidrogen qazı yüksək qismən təzyiqdə və yüksək temperaturda saxlanıldıqda baş verir. Hidrogenin qismən təzyiqinin təxminən 3000 psi olması gözlənildikdə və temperaturun təxminən 450°F-dən yuxarı olduğu zaman (Şəkil 2-də qəza vəziyyətidir) karbon polad tövsiyə edilmir.
Şəkil 3-də qismən API 941-dən götürülmüş modifikasiya edilmiş Nelson qrafikindən göründüyü kimi, yüksək temperatur hidrogenin məcbur edilməsinə ən böyük təsir göstərir. 500°F-ə qədər temperaturda işləyən karbon çelikləri ilə istifadə edildikdə hidrogen qazının qismən təzyiqi 1000 psi-ni keçə bilər.
Şəkil 3. Bu modifikasiya olunmuş Nelson cədvəli (API 941-dən uyğunlaşdırılmış) müxtəlif temperaturlarda hidrogen xidməti üçün uyğun materialları seçmək üçün istifadə edilə bilər.
Şəkil 3-də işləmə temperaturundan və hidrogenin qismən təzyiqindən asılı olaraq hidrogen hücumundan qorunacağına zəmanət verilən poladların seçimi göstərilir. Austenitik paslanmayan poladlar HTHA-ya qarşı həssas deyil və bütün temperatur və təzyiqlərdə qənaətbəxş materialdır.
Austenitik 316/316L paslanmayan polad hidrogen tətbiqləri üçün ən praktik materialdır və sübut edilmiş təcrübəyə malikdir. Qaynaq zamanı qalıq hidrogenin kalsiumlaşdırılması və qaynaqdan sonra istilik təsir zonasının (HAZ) sərtliyini azaltmaq üçün karbon poladları üçün qaynaq sonrası istilik emalı (PWHT) tövsiyə olunsa da, austenitik paslanmayan poladlar üçün tələb olunmur.
İstilik emalı və qaynaq nəticəsində yaranan termotermik effektlər austenitik paslanmayan poladların mexaniki xüsusiyyətlərinə az təsir göstərir. Lakin soyuq emal austenitik paslanmayan poladların möhkəmlik və sərtlik kimi mexaniki xüsusiyyətlərini yaxşılaşdıra bilər. Austenitik paslanmayan poladdan borular əyildikdə və formalaşdırıldıqda, onların mexaniki xüsusiyyətləri, o cümlədən materialın plastikliyinin azalması dəyişir.
Əgər austenitik paslanmayan polad soyuq formalaşdırma tələb edirsə, məhlulun tavlanması (təxminən 1045°C-yə qədər qızdırılması və sonra söndürülməsi və ya sürətli soyudulması) materialın mexaniki xüsusiyyətlərini orijinal dəyərlərinə qaytaracaq. Bu, həmçinin soyuq işləmədən sonra əldə edilən ərinti ayrılmasını, həssaslaşmanı və sigma fazasını aradan qaldıracaq. Məhlulun tavlanması zamanı nəzərə alın ki, düzgün işlənmədikdə sürətli soyutma materiala qalıq gərginliyi geri qaytara bilər.
H2 xidməti üçün məqbul material seçimləri üçün ASME B31-də GR-2.1.1-1 Boru və Boru Yığımı Materialı Spesifikasiyası İndeksi və GR-2.1.1-2 Boru Materialı Spesifikasiyası İndeksi cədvəllərinə baxın. Borular başlamaq üçün yaxşı bir yerdir.
Standart atom çəkisi 1.008 atom kütlə vahidi (amu) olan hidrogen dövri cədvəldəki ən yüngül və ən kiçik elementdir və buna görə də sızma meylinə malikdir və potensial olaraq dağıdıcı nəticələrə səbəb ola bilər, deyə əlavə edə bilərəm. Buna görə də, qaz boru kəməri sistemi mexaniki tipli əlaqələri məhdudlaşdıracaq və həqiqətən ehtiyac duyulan əlaqələri təkmilləşdirəcək şəkildə dizayn edilməlidir.
Potensial sızma nöqtələrini məhdudlaşdırarkən, avadanlıqlar, boru elementləri və fitinqlər üzərindəki flanşlı birləşmələr istisna olmaqla, sistem tam qaynaq edilməlidir. Yivli birləşmələrdən tamamilə olmasa da, mümkün qədər çəkinmək lazımdır. Əgər hər hansı bir səbəbdən yivli birləşmələrdən qaçınmaq mümkün deyilsə, onları yiv mastik olmadan tam birləşdirmək və sonra qaynağı möhürləmək tövsiyə olunur. Karbon polad boru istifadə edərkən, boru birləşmələri qaynaqlanmalı və qaynaqdan sonra istiliklə işlənməlidir (PWHT). Qaynaqdan sonra istilikdən təsirlənən zonadakı (HAZ) borular ətraf mühit temperaturunda belə hidrogen hücumuna məruz qalır. Hidrogen hücumu əsasən yüksək temperaturda baş versə də, PWHT mərhələsi ətraf mühit şəraitində belə bu ehtimalı tamamilə azaldacaq, bəlkə də aradan qaldıracaq.
Tam qaynaqlı sistemin zəif nöqtəsi flanş bağlantısıdır. Flanş birləşmələrində yüksək dərəcədə möhkəmlik təmin etmək üçün Kammprofile contaları (şəkil 4) və ya başqa bir conta formasından istifadə edilməlidir. Bir neçə istehsalçı tərəfindən demək olar ki, eyni şəkildə hazırlanan bu yastıq çox rahatdır. Yumşaq, deformasiyaya uğrayan möhürləyici materiallar arasında yerləşdirilmiş dişli tam metal halqalardan ibarətdir. Dişlər daha az gərginliklə sıx uyğunluq təmin etmək üçün boltun yükünü daha kiçik bir sahədə cəmləşdirir. Qeyri-bərabər flanş səthlərini, eləcə də dəyişkən iş şəraitini kompensasiya edə biləcək şəkildə hazırlanmışdır.
Şəkil 4. Kammprofil contaları hər iki tərəfində yumşaq doldurucu ilə birləşdirilmiş metal nüvəyə malikdir.
Sistemin bütövlüyündə digər vacib amil klapandır. Kök möhürü və gövdə flanşları ətrafında sızmalar real problemdir. Bunun qarşısını almaq üçün silfon möhürü olan klapan seçmək tövsiyə olunur.
Aşağıdakı nümunəmizdə ASTM A106 Gr B standartına uyğun olaraq istehsal toleransları, korroziya və mexaniki toleranslar nəzərə alınmaqla, 1 düymlük School 80 karbon polad borusundan istifadə edin, maksimum icazə verilən iş təzyiqi (MAWP) 300°F-ə qədər temperaturda iki mərhələdə hesablana bilər (Qeyd: "...300ºF-ə qədər temperatur üçün..." səbəbi, ASTM A106 Gr B materialının icazə verilən gərginliyinin (S) temperatur 300ºF-dən (S) yuxarı olduqda pisləşməyə başlamasıdır, buna görə də (1) tənliyi 300ºF-dən yuxarı temperaturlara uyğunlaşma tələb edir.)
(1) düsturuna istinad edərək, ilk addım boru kəmərinin nəzəri partlama təzyiqini hesablamaqdır.
T = boru divarının qalınlığından mexaniki, korroziya və istehsal tolerantlıqları çıxıldıqdan sonra düymlə.
Prosesin ikinci hissəsi, (2) tənliyinə əsasən nəticə P-yə təhlükəsizlik əmsalı S f tətbiq etməklə boru kəmərinin icazə verilən maksimum işçi təzyiqi Pa-nı hesablamaqdır:
Beləliklə, 1 düymlük məktəb 80 materialından istifadə edərkən partlayış təzyiqi aşağıdakı kimi hesablanır:
Daha sonra ASME Təzyiq Gəmiləri Tövsiyələrinin VIII-1 2019-cu il Bölməsinin 8-ci bəndinə uyğun olaraq 4 təhlükəsizlik Sf tətbiq olunur. UG-101 aşağıdakı kimi hesablanır:
Nəticədə alınan MAWP dəyəri 810 psi. düymdür və bu, yalnız boruya aiddir. Sistemdə ən aşağı reytinqə malik flanş bağlantısı və ya komponent sistemdə icazə verilən təzyiqin müəyyən edilməsində müəyyənedici amil olacaq.
ASME B16.5 standartına uyğun olaraq, 150 karbon polad flanş armaturları üçün icazə verilən maksimum iş təzyiqi -20°F ilə 100°F arasında 285 psi düymdür. 300 sinfinin icazə verilən maksimum iş təzyiqi 740 psi-dir. Bu, aşağıdakı material spesifikasiyası nümunəsinə uyğun olaraq sistemin təzyiq həddi faktoru olacaq. Həmçinin, yalnız hidrostatik sınaqlarda bu dəyərlər 1,5 dəfədən çox ola bilər.
Əsas karbon polad material spesifikasiyasına nümunə olaraq, 740 psi. düymlük dizayn təzyiqindən aşağı ətraf mühit temperaturunda işləyən H2 qaz xidmət xətti spesifikasiyası Cədvəl 2-də göstərilən material tələblərini ehtiva edə bilər. Spesifikasiyaya daxil edilməsi tələb olunan növlər aşağıdakılardır:
Boru kəmərinin özündən başqa, boru kəməri sistemini təşkil edən bir çox elementlər, məsələn, fitinqlər, klapanlar, xətt avadanlığı və s. mövcuddur. Bu elementlərin bir çoxu ətraflı müzakirə etmək üçün boru kəmərində birləşdirilsə də, bu, yerləşə biləcəyindən daha çox səhifə tələb edəcək. Bu məqalə.