У гэтым аглядзе дадзены рэкамендацыі па бяспечнай канструкцыі сістэм трубаправодаў для размеркавання вадароду.
Вадарод - гэта вельмі лятучая вадкасць з высокай тэндэнцыяй да ўцечкі.Гэта вельмі небяспечная і смяротная камбінацыя схільнасцей, лятучая вадкасць, якую цяжка кантраляваць.Гэта тэндэнцыі, якія варта ўлічваць пры выбары матэрыялаў, пракладак і ўшчыльняльнікаў, а таксама канструктыўных характарыстык такіх сістэм.Гэтыя тэмы пра размеркаванне газападобнага H2 знаходзяцца ў цэнтры ўвагі гэтага абмеркавання, а не вытворчасць H2, вадкага H2 або вадкага H2 (гл. правую бакавую панэль).
Вось некалькі ключавых момантаў, якія дапамогуць вам зразумець сумесь вадароду і H2-паветра.Вадарод гарыць двума спосабамі: дэфлаграцыяй і выбухам.
дэфлаграцыя.Дэфлаграцыя - гэта звычайны рэжым гарэння, пры якім полымя рухаецца праз сумесь з дозвуковой хуткасцю.Гэта адбываецца, напрыклад, калі свабоднае воблака вадародна-паветранай сумесі запальваецца невялікай крыніцай запальвання.У гэтым выпадку полымя будзе рухацца з хуткасцю ад дзесяці да некалькіх сотняў футаў у секунду.Хуткае пашырэнне гарачага газу стварае хвалі ціску, сіла якіх прапарцыйная памеру воблака.У некаторых выпадках сілы ўдарнай хвалі можа быць дастаткова, каб пашкодзіць будаўнічыя канструкцыі і іншыя аб'екты на сваім шляху і выклікаць траўмы.
выбухнуць.Калі ён выбухнуў, полымя і ўдарныя хвалі перамяшчаліся па сумесі са звышгукавымі хуткасцямі.Каэфіцыент ціску ў дэтанацыйнай хвалі значна большы, чым у дэтанацыі.З-за павелічэння сілы выбух больш небяспечны для людзей, будынкаў і бліжэйшых аб'ектаў.Звычайная дэфлаграцыя выклікае выбух пры запальванні ў абмежаванай прасторы.У такой вузкай вобласці ўзгаранне можа быць выклікана найменшай колькасцю энергіі.Але для дэтанацыі вадародна-паветранай сумесі ў неабмежаванай прасторы патрабуецца больш магутны крыніца запальвання.
Каэфіцыент ціску на хвалі дэтанацыі ў вадародна-паветранай сумесі складае каля 20. Пры атмасферным ціску каэфіцыент 20 складае 300 psi.Калі гэтая хваля ціску сутыкаецца з нерухомым аб'ектам, каэфіцыент ціску павялічваецца да 40-60.Гэта звязана з адлюстраваннем хвалі ціску ад нерухомай перашкоды.
Схільнасць да ўцечкі.З-за сваёй нізкай глейкасці і нізкай малекулярнай масы газ H2 мае высокую тэндэнцыю да ўцечкі і нават пранікненню або пранікненню ў розныя матэрыялы.
Вадарод у 8 разоў лягчэйшы за прыродны газ, у 14 разоў лягчэйшы за паветра, у 22 разы лягчэйшы за прапан і ў 57 разоў лягчэйшы за пары бензіну.Гэта азначае, што пры ўсталёўцы на адкрытым паветры газ H2 будзе хутка падымацца і рассейвацца, памяншаючы любыя прыкметы нават уцечак.Але гэта можа быць палкай аб двух канцах.Выбух можа адбыцца, калі зварка будзе выконвацца на вонкавай устаноўцы над уцечкай H2 або з ветру ад яе без даследавання выяўлення ўцечкі перад зваркай.У закрытай прасторы газ H2 можа падымацца і назапашвацца ад столі ўніз, што дазваляе яму назапашвацца ў вялікіх аб'ёмах, перш чым з большай верагоднасцю ўвойдзе ў кантакт з крыніцамі ўзгарання паблізу зямлі.
Выпадковы пажар.Самазагаранне — з'ява, пры якой адбываецца самаадвольнае ўзгаранне сумесі газаў або пароў без знешняй крыніцы ўзгарання.Ён таксама вядомы як «самазагаранне» або «самазагаранне».Самазагаранне залежыць ад тэмпературы, а не ад ціску.
Тэмпература самазапальвання - гэта мінімальная тэмпература, пры якой паліва самазагараецца перад узгараннем у адсутнасць вонкавай крыніцы ўзгарання пры кантакце з паветрам або акісляльнікам.Тэмпература самазагарання асобнага парашка - гэта тэмпература, пры якой ён самазагараецца ў адсутнасць акісляльніка.Тэмпература самазапальвання газападобнага Н2 у паветры складае 585°С.
Энергія ўзгарання - гэта энергія, неабходная для распаўсюду полымя па гаручай сумесі.Мінімальная энергія запальвання — мінімальная энергія, неабходная для ўзгарання пэўнай гаручай сумесі пры пэўнай тэмпературы і ціску.Мінімальная энергія запальвання іскры для газападобнага H2 у 1 атм паветра = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 мДж).
Межы выбуханебяспечнасці - гэта максімальная і мінімальная канцэнтрацыі пароў, туману або пылу ў паветры або кіслародзе, пры якіх адбываецца выбух.Памер і геаметрыя асяроддзя, а таксама канцэнтрацыя паліва кантралююць межы.«Мяжа выбуханебяспечнасці» часам выкарыстоўваецца як сінонім «мяжы выбуханебяспечнасці».
Межы выбуханебяспечнасці для сумесяў H2 у паветры складаюць 18,3 аб.% (ніжняя мяжа) і 59 аб.% (верхняя мяжа).
Пры праектаванні сістэм трубаправодаў (малюнак 1) першым крокам з'яўляецца вызначэнне будаўнічых матэрыялаў, неабходных для кожнага тыпу вадкасці.І кожная вадкасць будзе класіфікавацца ў адпаведнасці з параграфам ASME B31.3.300(b)(1) абвяшчае: «Уладальнік таксама нясе адказнасць за вызначэнне класаў D, M, высокага ціску і трубаправодаў высокай чысціні, а таксама за вызначэнне таго, ці трэба выкарыстоўваць пэўную сістэму якасці».
Катэгарызацыя вадкасці вызначае ступень тэставання і тып неабходнага тэставання, а таксама многія іншыя патрабаванні, заснаваныя на катэгорыі вадкасці.Адказнасць уладальніка за гэта звычайна кладзецца на інжынерны аддзел уладальніка або на старонняга інжынера.
У той час як B31.3 Код тэхналагічнага трубаправода не паведамляе ўладальніку, які матэрыял выкарыстоўваць для канкрэтнай вадкасці, ён дае рэкамендацыі па трываласці, таўшчыні і патрабаванням да злучэння матэрыялу.Ёсць таксама дзве заявы ва ўводзінах да кодэкса, якія ясна абвяшчаюць:
І разгарніце першы абзац вышэй, параграф B31.3.300(b)(1) таксама абвяшчае: «Уладальнік трубаправоднай устаноўкі нясе выключную адказнасць за выкананне гэтага Кодэкса і за ўстанаўленне патрабаванняў да праектавання, канструкцыі, праверкі, праверкі і выпрабаванняў, якія рэгулююць усю апрацоўку вадкасці або працэс, часткай якога з'яўляецца трубаправод.Ўстаноўка».Такім чынам, пасля ўстанаўлення некаторых асноўных правілаў адказнасці і патрабаванняў да вызначэння катэгорый абслугоўвання вадкасцяў, давайце паглядзім, дзе ўваходзіць вадародны газ.
Паколькі вадарод дзейнічае як лятучая вадкасць з уцечкамі, вадарод можна лічыць звычайнай вадкасцю або вадкасцю класа M у адпаведнасці з катэгорыяй B31.3 для выкарыстання вадкасці.Як было сказана вышэй, класіфікацыя апрацоўкі вадкасці з'яўляецца патрабаваннем уладальніка пры ўмове, што яна адпавядае рэкамендацыям для выбраных катэгорый, апісаным у B31.3, параграф 3. 300.2 Вызначэнні ў раздзеле «Гідраўлічныя паслугі».Ніжэй прыводзяцца азначэнні для звычайнай службы вадкасці і службы вадкасці класа M:
«Нармальнае абслугоўванне вадкасцю: абслугоўванне вадкасцю прымяняецца да большасці трубаправодаў, якія падпадаюць пад дзеянне гэтага кодэкса, г.зн. не падпарадкоўваюцца правілам для класаў D, M, высокай тэмпературы, высокага ціску або высокай чысціні вадкасці.
(1) Таксічнасць вадкасці настолькі вялікая, што аднаразовае ўздзеянне вельмі невялікай колькасці вадкасці, выкліканае ўцечкай, можа нанесці сур'ёзныя незваротныя траўмы тым, хто яе ўдыхае або ўваходзіць у кантакт з ёю, нават калі будуць прыняты неадкладныя меры па аднаўленні.узяты
(2) Пасля разгляду канструкцыі трубаправода, вопыту, умоў эксплуатацыі і месцазнаходжання ўладальнік вызначае, што патрабаванні да нармальнага выкарыстання вадкасці недастатковыя для забеспячэння герметычнасці, неабходнай для абароны персаналу ад уздзеяння.»
У прыведзеным вышэй вызначэнні M вадарод не адпавядае крытэрам параграфа (1), таму што ён не лічыцца таксічнай вадкасцю.Аднак, прымяняючы падраздзел (2), Кодэкс дазваляе класіфікаваць гідраўлічныя сістэмы ў клас М пасля належнага разгляду «...канструкцыі трубаправодаў, вопыту, умоў эксплуатацыі і размяшчэння...» Уладальнік дазваляе вызначаць нармальную апрацоўку вадкасці.Патрабаванняў недастаткова, каб задаволіць патрэбу ў больш высокім узроўні цэласнасці пры праектаванні, будаўніцтве, праверцы, праверцы і выпрабаванні сістэм трубаправодаў для вадароднага газу.
Калі ласка, звярніцеся да табліцы 1 перад абмеркаваннем высокатэмпературнай вадароднай карозіі (HTHA).Кодэксы, стандарты і правілы пералічаны ў гэтай табліцы, якая ўключае шэсць дакументаў па тэме вадароднай далікатнасці (HE), распаўсюджанай анамаліі карозіі, якая ўключае HTHA.ОН можа ўзнікаць пры нізкіх і высокіх тэмпературах.Разгледжаная як форма карозіі, яна можа ўзнікаць некалькімі спосабамі, а таксама закранаць шырокі спектр матэрыялаў.
HE мае розныя формы, якія можна падзяліць на вадародны крэкінгу (HAC), вадародны крэкінгу (HSC), каразійнага крэкінгу (SCC), вадароднага каразійнага крэкінгу (HACC), вадароднага бурбалкі (HB), вадароднага крэкінгу (HIC).)), вадародны крэкінгу, арыентаваны на напружанне (SOHIC), прагрэсіўны крэкінгу (SWC), сульфідны крэкінгу напружання (SSC), крэкінгу мяккай зоны (SZC) і высокатэмпературнай вадароднай карозіі (HTHA).
У сваёй найпрасцейшай форме вадародная далікатнасць - гэта механізм разбурэння межаў металічных зерняў, што прыводзіць да зніжэння пластычнасці з-за пранікнення атамарнага вадароду.Спосабы, якімі гэта адбываецца, розныя і часткова вызначаюцца іх адпаведнымі назвамі, такімі як HTHA, дзе адначасовая высокая тэмпература і высокі ціск вадароду неабходны для далікатнасці, і SSC, дзе атамарны вадарод утвараецца ў выглядзе закрытых газаў і вадароду.з-за кіслотнай карозіі яны прасочваюцца ў металічныя корпусы, што можа прывесці да далікатнасці.Але агульны вынік такі ж, як і ва ўсіх выпадках вадароднай далікатнасці, апісанай вышэй, калі трываласць металу зніжаецца з-за далікатнасці ніжэй за дапушчальны дыяпазон напружання, што, у сваю чаргу, стварае перадумовы для патэнцыйна катастрафічнай падзеі, улічваючы лятучасць вадкасці.
У дадатак да таўшчыні сценкі і механічных характарыстык злучэння, ёсць два асноўныя фактары, якія трэба ўлічваць пры выбары матэрыялаў для абслугоўвання газам H2: 1. Уздзеянне высокатэмпературнага вадароду (HTHA) і 2. Сур'ёзныя заклапочанасці адносна патэнцыйнай уцечкі.Абедзве тэмы цяпер абмяркоўваюцца.
У адрозненне ад малекулярнага вадароду, атамарны вадарод можа пашырацца, падвяргаючы вадарод уздзеянню высокіх тэмператур і ціску, ствараючы аснову для патэнцыяльнага HTHA.У гэтых умовах атамарны вадарод здольны дыфундзіраваць у трубаправодныя матэрыялы або абсталяванне з вугляродзістай сталі, дзе ён уступае ў рэакцыю з вугляродам у металічным растворы з адукацыяй метану на межах зерняў.Не маючы магчымасці выйсці, газ пашыраецца, ствараючы расколіны і шчыліны ў сценках труб або сасудаў - гэта HTGA.Вы можаце выразна ўбачыць вынікі HTHA на малюнку 2, дзе ў 8-цалевай сцяне відавочныя расколіны і расколіны.Частка трубы намінальнага памеру (NPS), якая выходзіць з ладу ў гэтых умовах.
Вугляродзістая сталь можа выкарыстоўвацца для працы з вадародам, калі працоўная тэмпература падтрымліваецца ніжэй за 500°F.Як згадвалася вышэй, HTHA ўзнікае, калі вадарод утрымліваецца пры высокім парцыяльным ціску і высокай тэмпературы.Не рэкамендуецца выкарыстоўваць вугляродзістую сталь, калі чакаецца, што парцыяльны ціск вадароду складзе каля 3000 фунтаў на квадратны цаля, а тэмпература перавышае прыкладна 450°F (гэта ўмова аварыі на малюнку 2).
Як відаць з мадыфікаванага графіка Нэльсана на малюнку 3, часткова ўзятага з API 941, высокая тэмпература аказвае найбольшы ўплыў на націск вадароду.Парцыяльны ціск вадароду можа перавышаць 1000 psi пры выкарыстанні з вугляродзістай сталлю, якая працуе пры тэмпературах да 500°F.
Малюнак 3. Гэтая мадыфікаваная дыяграма Нэльсана (адаптаваная з API 941) можа быць выкарыстана для выбару прыдатных матэрыялаў для вадароднай працы пры розных тэмпературах.
На мал.3 паказаны выбар сталей, якія гарантавана пазбягаюць уздзеяння вадароду ў залежнасці ад працоўнай тэмпературы і парцыяльнага ціску вадароду.Аўстэнітныя нержавеючыя сталі неадчувальныя да HTHA і з'яўляюцца здавальняючымі матэрыяламі пры любых тэмпературах і цісках.
Аўстэнітная нержавеючая сталь 316/316L з'яўляецца найбольш практычным матэрыялам для прымянення вадароду і мае правераны вопыт.У той час як тэрмічная апрацоўка пасля зваркі (PWHT) рэкамендуецца для вугляродзістых сталей для кальцынацыі рэшткавага вадароду падчас зваркі і зніжэння цвёрдасці зоны тэрмічнага ўздзеяння (HAZ) пасля зваркі, яна не патрабуецца для аўстенітных нержавеючых сталей.
Тэрматэрмічныя эфекты, выкліканыя тэрмічнай апрацоўкай і зваркай, практычна не ўплываюць на механічныя ўласцівасці аўстенітных нержавеючых сталей.Аднак халодная апрацоўка можа палепшыць механічныя ўласцівасці аўстэнітнай нержавеючай сталі, такія як трываласць і цвёрдасць.Пры згінанні і фармаванні труб з аўстэнітнай нержавеючай сталі змяняюцца іх механічныя ўласцівасці, у тым ліку зніжаецца пластычнасць матэрыялу.
Калі аўстэнітная нержавеючая сталь патрабуе халоднай фармоўкі, адпал у растворы (награванне прыблізна да 1045 °C з наступнай загартоўкай або хуткім астуджэннем) адновіць механічныя ўласцівасці матэрыялу да іх першапачатковых значэнняў.Гэта таксама ліквідуе сегрэгацыю сплаву, сенсібілізацыю і сігма-фазу, якія дасягаюцца пасля халоднай апрацоўкі.Выконваючы адпал раствора, майце на ўвазе, што хуткае астуджэнне можа вярнуць рэшткавае напружанне ў матэрыял, калі з ім не звяртацца належным чынам.
Звярніцеся да табліц GR-2.1.1-1 Індэкс спецыфікацый матэрыялаў для трубаправодаў і трубаправодаў і GR-2.1.1-2 Індэкс спецыфікацый матэрыялаў для трубаправодаў у ASME B31 для выбару прымальных матэрыялаў для абслугоўвання H2.трубы - добрае месца для пачатку.
Са стандартнай атамнай масай 1,008 атамных адзінак масы (а.е.м.) вадарод з'яўляецца самым лёгкім і маленькім элементам у перыядычнай сістэме, і таму мае высокую схільнасць да ўцечкі з патэнцыйна разбуральнымі наступствамі, я мог бы дадаць.Такім чынам, сістэма газаправода павінна быць спраектавана такім чынам, каб абмежаваць злучэнні механічнага тыпу і палепшыць тыя злучэнні, якія сапраўды неабходныя.
Пры абмежаванні патэнцыйных месцаў уцечкі сістэма павінна быць цалкам зварной, за выключэннем фланцавых злучэнняў абсталявання, элементаў трубаправодаў і фітынгаў.Наколькі гэта магчыма, калі не цалкам, варта пазбягаць разьбовых злучэнняў.Калі па якой-небудзь прычыне нельга пазбегнуць разьбовых злучэнняў, рэкамендуецца цалкам замацаваць іх без разьбовага герметыка, а затым загерметызаваць зварной шво.Пры выкарыстанні труб з вугляродзістай сталі злучэнні труб павінны быць звараны ўсутыч і падвергнуты тэрмічнай апрацоўцы пасля зваркі (PWHT).Пасля зваркі трубы ў зоне тэрмічнага ўздзеяння (ЗТВ) падвяргаюцца ўздзеянню вадароду нават пры тэмпературы навакольнага асяроддзя.У той час як вадародная атака адбываецца ў асноўным пры высокіх тэмпературах, этап PWHT цалкам паменшыць, калі не ліквідуе, гэтую магчымасць нават пры навакольных умовах.
Слабым месцам суцэльнасварны сістэмы з'яўляецца фланцавых злучэнне.Для забеспячэння высокай ступені герметычнасці фланцавых злучэнняў неабходна выкарыстоўваць пракладкі Kammprofile (мал. 4) або іншую форму пракладак.Вырабленая амаль аднолькава некалькімі вытворцамі, гэтая пляцоўка вельмі прабачлівая.Ён складаецца з зубчастых суцэльнаметалічных кольцаў, заціснутых паміж мяккімі ўшчыльняючымі матэрыяламі, якія паддаюцца дэфармацыі.Зубцы канцэнтруюць нагрузку ніта на меншай плошчы, каб забяспечыць шчыльную пасадку з меншай нагрузкай.Ён распрацаваны такім чынам, што можа кампенсаваць няроўнасці паверхні фланца, а таксама ваганні ўмоў працы.
Малюнак 4. Пракладкі Kammprofile маюць металічны стрыжань, злеплены з абодвух бакоў мяккім напаўняльнікам.
Яшчэ адным важным фактарам цэласнасці сістэмы з'яўляецца клапан.Уцечкі вакол ушчыльнення штока і фланцаў корпуса - сапраўдная праблема.Каб прадухіліць гэта, рэкамендуецца выбіраць клапан з сильфонным ўшчыльненнем.
Выкарыстоўвайце 1 цалю.Труба з вугляродзістай сталі School 80, у нашым прыкладзе ніжэй, улічваючы допускі на выраб, карозію і механічныя допускі ў адпаведнасці з ASTM A106 Gr B, максімальна дапушчальны працоўны ціск (MAWP) можа быць разлічаны ў два этапы пры тэмпературах да 300°F (Заўвага: прычына «…для тэмператур да 300ºF…» заключаецца ў тым, што дапушчальнае напружанне (S) матэрыялу ASTM A106 Gr B пачынаецца s пагаршацца, калі тэмпература перавышае 300ºF.(S), таму ўраўненне (1) патрабуе Адрэгуляваць да тэмператур вышэй за 300ºF.)
Спасылаючыся на формулу (1), першым крокам з'яўляецца разлік тэарэтычнага ціску разрыву трубаправода.
T = таўшчыня сценкі трубы мінус механічныя, каразійныя і вытворчыя допускі, у цалях.
Другая частка працэсу заключаецца ў разліку максімальна дапушчальнага працоўнага ціску Pa трубаправода шляхам прымянення каэфіцыента бяспекі S f да выніку P у адпаведнасці з ураўненнем (2):
Такім чынам, пры выкарыстанні матэрыялу School 80 1″ ціск разрыву разлічваецца наступным чынам:
Затым прымяняецца каэфіцыент бяспекі Sf, роўны 4, у адпаведнасці з рэкамендацыямі ASME па сасудах пад ціскам, раздзел VIII-1 2019, параграф 8. UG-101 разлічваецца наступным чынам:
Атрыманае значэнне MAWP складае 810 psi.цаля адносіцца толькі да трубы.Фланцавае злучэнне або кампанент з самым нізкім паказчыкам у сістэме будзе вызначальным фактарам пры вызначэнні дапушчальнага ціску ў сістэме.
Згодна з ASME B16.5, максімальна дапушчальны працоўны ціск для фланцавых фітынгаў з вугляродзістай сталі 150 складае 285 фунтаў на квадратны дюйм.цаляў пры тэмпературы ад -20°F да 100°F.Клас 300 мае максімальна дапушчальны працоўны ціск 740 psi.Гэта будзе лімітавы каэфіцыент ціску ў сістэме ў адпаведнасці з прыкладам спецыфікацыі матэрыялу ніжэй.Таксама толькі пры гідрастатычных выпрабаваннях гэтыя значэння могуць перавышаць 1,5 разы.
У якасці прыкладу асноўнай спецыфікацыі матэрыялу з вугляродзістай сталі можна прывесці спецыфікацыю газавай лініі H2, якая працуе пры тэмпературы навакольнага асяроддзя ніжэй разліковага ціску 740 фунтаў на квадратны дюйм.цаляў, могуць змяшчаць патрабаванні да матэрыялаў, паказаныя ў табліцы 2. Наступныя тыпы могуць запатрабаваць увагі, каб быць уключанымі ў спецыфікацыі:
Акрамя саміх трубаправодаў, ёсць шмат элементаў, якія складаюць сістэму трубаправодаў, такіх як фітынгі, клапаны, лінейнае абсталяванне і г.д. Нягледзячы на ​​тое, што многія з гэтых элементаў будуць сабраны ў канвеер для іх дэталёвага абмеркавання, гэта запатрабуе больш старонак, чым можна змясціць.Гэты артыкул.