Този преглед предоставя препоръки за безопасно проектиране на тръбопроводни системи за разпределение на водород.
Водородът е силно летлива течност с висока склонност към изтичане.Това е много опасна и смъртоносна комбинация от склонности, летлива течност, която трудно се контролира.Това са тенденции, които трябва да имате предвид при избора на материали, уплътнения и уплътнения, както и конструктивните характеристики на такива системи.Тези теми за разпределението на газообразен H2 са в центъра на тази дискусия, а не производството на H2, течен H2 или течен H2 (вижте дясната странична лента).
Ето няколко ключови точки, които ще ви помогнат да разберете сместа от водород и H2-въздух.Водородът гори по два начина: дефлаграция и експлозия.
дефлаграция.Дефлаграцията е често срещан режим на горене, при който пламъците преминават през сместа с дозвукови скорости.Това се случва, например, когато свободен облак от водородно-въздушна смес се запали от малък източник на запалване.В този случай пламъкът ще се движи със скорост от десет до няколкостотин фута в секунда.Бързото разширяване на горещия газ създава вълни на налягане, чиято сила е пропорционална на размера на облака.В някои случаи силата на ударната вълна може да бъде достатъчна, за да повреди строителни конструкции и други обекти по пътя си и да причини нараняване.
експлодирам.Когато избухна, пламъци и ударни вълни преминаха през сместа със свръхзвукова скорост.Коефициентът на налягане при детонационна вълна е много по-голям, отколкото при детонация.Поради увеличената сила експлозията е по-опасна за хора, сгради и близки обекти.Нормалната дефлаграция причинява експлозия при запалване в затворено пространство.В такава тясна област запалването може да бъде причинено от най-малко количество енергия.Но за детонацията на смес от водород и въздух в неограничено пространство е необходим по-мощен източник на запалване.
Съотношението на налягането през детонационната вълна в смес водород-въздух е около 20. При атмосферно налягане съотношение 20 е 300 psi.Когато тази вълна на налягане се сблъска с неподвижен обект, съотношението на налягането се увеличава до 40-60.Това се дължи на отразяването на вълна на налягане от неподвижно препятствие.
Склонност към изтичане.Поради ниския си вискозитет и ниско молекулно тегло, H2 газът има висока склонност към изтичане и дори проникване или проникване през различни материали.
Водородът е 8 пъти по-лек от природния газ, 14 пъти по-лек от въздуха, 22 пъти по-лек от пропана и 57 пъти по-лек от бензиновите пари.Това означава, че когато се монтира на открито, газът H2 бързо ще се издигне и разсее, намалявайки всички признаци на равномерни течове.Но това може да бъде нож с две остриета.Може да възникне експлозия, ако заваряването трябва да се извърши на открита инсталация над или надолу от изтичане на H2 без изследване за откриване на теч преди заваряването.В затворено пространство газът H2 може да се издигне и да се натрупа от тавана надолу, състояние, което му позволява да се натрупа до големи обеми, преди да е по-вероятно да влезе в контакт с източници на запалване близо до земята.
Случаен пожар.Самозапалването е явление, при което смес от газове или пари се запалва спонтанно без външен източник на запалване.Известно е още като „спонтанно запалване“ или „спонтанно запалване“.Самозапалването зависи от температурата, а не от налягането.
Температурата на самозапалване е минималната температура, при която дадено гориво ще се запали спонтанно преди запалване в отсъствието на външен източник на запалване при контакт с въздух или окислител.Температурата на самозапалване на единичен прах е температурата, при която той спонтанно се запалва в отсъствието на окислител.Температурата на самозапалване на газообразния H2 във въздуха е 585°C.
Енергията на запалване е енергията, необходима за иницииране на разпространението на пламък през горима смес.Минималната енергия на запалване е минималната енергия, необходима за запалване на определена горима смес при определена температура и налягане.Минимална енергия на искрово запалване за газообразен H2 в 1 atm въздух = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Границите на експлозивност са максималните и минималните концентрации на пари, мъгла или прах във въздуха или кислорода, при които възниква експлозия.Размерът и геометрията на околната среда, както и концентрацията на горивото, контролират границите.„Граница на експлозия“ понякога се използва като синоним на „граница на експлозия“.
Границите на експлозивност за H2 смеси във въздуха са 18,3 об.% (долна граница) и 59 об.% (горна граница).
При проектирането на тръбопроводни системи (Фигура 1), първата стъпка е да се определят строителните материали, необходими за всеки тип течност.И всяка течност ще бъде класифицирана в съответствие с параграф ASME B31.3.300(b)(1) гласи: „Собственикът също е отговорен за определянето на клас D, M, високо налягане и тръбопроводи с висока чистота и определянето дали трябва да се използва определена система за качество.“
Категоризацията на течностите определя степента на тестване и вида на изискваното тестване, както и много други изисквания, базирани на категорията на течността.Отговорността на собственика за това обикновено се пада на инженерния отдел на собственика или на външен инженер.
Въпреки че B31.3 Кодексът за процесните тръбопроводи не казва на собственика кой материал да използва за конкретен флуид, той предоставя насоки относно здравината, дебелината и изискванията за свързване на материала.Във въведението към кода има и две твърдения, които ясно заявяват:
И разширете първия параграф по-горе, параграф B31.3.300(b)(1) също така гласи: „Собственикът на тръбопроводна инсталация е единствено отговорен за спазването на този кодекс и за установяване на изискванията за проектиране, конструкция, инспекция, инспекция и изпитване, управляващи всички манипулации с течности или процеси, от които тръбопроводът е част.Инсталация."И така, след като определихме някои основни правила за отговорност и изисквания за определяне на категории услуги за флуиди, нека да видим къде се вписва водородният газ.
Тъй като водородният газ действа като летлива течност с течове, водородният газ може да се счита за нормална течност или течност от клас M по категория B31.3 за течно обслужване.Както е посочено по-горе, класификацията на манипулациите с течности е изискване на собственика, при условие че отговаря на указанията за избраните категории, описани в B31.3, параграф 3. 300.2 Дефиниции в раздела „Хидравлични услуги“.Следват дефиниции за нормално обслужване на течности и обслужване на течности от клас M:
„Нормално флуидно обслужване: флуидно обслужване, приложимо за повечето тръбопроводи, предмет на този код, т.е. не е предмет на разпоредби за класове D, M, висока температура, високо налягане или висока чистота на флуида.
(1) Токсичността на течността е толкова голяма, че еднократно излагане на много малко количество от течността, причинено от изтичане, може да причини сериозно трайно нараняване на тези, които я вдишват или влизат в контакт с нея, дори ако се предприемат незабавни мерки за възстановяване.взета
(2) След разглеждане на конструкцията на тръбопровода, опита, работните условия и местоположението, собственикът определя, че изискванията за нормално използване на флуида не са достатъчни, за да осигурят херметичността, необходима за защита на персонала от излагане.”
В горната дефиниция на М водородният газ не отговаря на критериите на параграф (1), тъй като не се счита за токсична течност.Въпреки това, чрез прилагане на подраздел (2), Кодексът позволява класифицирането на хидравличните системи в клас M след надлежно разглеждане на „...дизайн на тръбопроводи, опит, условия на работа и местоположение...“ Собственикът позволява определянето на нормална работа с течности.Изискванията са недостатъчни, за да отговорят на необходимостта от по-високо ниво на интегритет при проектирането, изграждането, проверката, проверката и изпитването на тръбопроводни системи за газ водород.
Моля, вижте таблица 1, преди да обсъдите високотемпературната водородна корозия (HTHA).Кодовете, стандартите и разпоредбите са изброени в тази таблица, която включва шест документа по темата за водородната крехкост (HE), често срещана корозионна аномалия, която включва HTHA.OH може да възникне при ниски и високи температури.Считана за форма на корозия, тя може да бъде инициирана по няколко начина и да засегне широк спектър от материали.
HE има различни форми, които могат да бъдат разделени на водороден крекинг (HAC), водороден крекинг под напрежение (HSC), крекинг от корозия под напрежение (SCC), крекинг от водородна корозия (HACC), водородно кипене (HB), водороден крекинг (HIC).)), напукано ориентирано водородно напукване (SOHIC), прогресивно напукване (SWC), сулфидно напукване на напрежение (SSC), напукване в мека зона (SZC) и високотемпературна водородна корозия (HTHA).
В най-простата си форма, водородната крехкост е механизъм за разрушаване на границите на металните зърна, което води до намалена пластичност поради проникването на атомен водород.Начините, по които това се случва, са разнообразни и частично се определят от съответните им имена, като HTHA, където е необходим едновременно водород при висока температура и високо налягане за крехкост, и SSC, където атомният водород се произвежда като затворени газове и водород.поради киселинна корозия те проникват в метални кутии, което може да доведе до чупливост.Но общият резултат е същият като за всички случаи на водородна трошливост, описани по-горе, където силата на метала е намалена от крехкост под неговия допустим диапазон на напрежение, което от своя страна подготвя сцената за потенциално катастрофално събитие, като се има предвид летливостта на течността.
В допълнение към дебелината на стената и характеристиките на механичното съединение, има два основни фактора, които трябва да се имат предвид при избора на материали за обслужване с H2 газ: 1. Излагане на високотемпературен водород (HTHA) и 2. Сериозни опасения за потенциално изтичане.И двете теми в момента се обсъждат.
За разлика от молекулярния водород, атомният водород може да се разширява, излагайки водорода на високи температури и налягания, създавайки основата за потенциална HTHA.При тези условия атомният водород може да дифундира в тръбопроводни материали или оборудване от въглеродна стомана, където реагира с въглерод в метален разтвор, за да образува газ метан по границите на зърната.Неспособен да излезе, газът се разширява, създавайки пукнатини и пукнатини в стените на тръби или съдове – това е HTGA.Можете ясно да видите резултатите от HTHA на Фигура 2, където пукнатини и пукнатини са очевидни в 8-инчовата стена.Частта от тръбата с номинален размер (NPS), която се поврежда при тези условия.
Въглеродната стомана може да се използва за водородно обслужване, когато работната температура се поддържа под 500°F.Както бе споменато по-горе, HTHA възниква, когато водородният газ се държи при високо парциално налягане и висока температура.Въглеродната стомана не се препоръчва, когато се очаква парциалното налягане на водорода да бъде около 3000 psi и температурата е над около 450°F (което е аварийното състояние на Фигура 2).
Както може да се види от модифицираната диаграма на Нелсън на фигура 3, частично взета от API 941, високата температура има най-голям ефект върху форсирането на водорода.Парциалното налягане на водородния газ може да надвишава 1000 psi, когато се използва с въглеродни стомани, работещи при температури до 500°F.
Фигура 3. Тази модифицирана диаграма на Нелсън (адаптирана от API 941) може да се използва за избор на подходящи материали за работа с водород при различни температури.
На фиг.3 показва избора на стомани, които гарантирано избягват водородна атака, в зависимост от работната температура и парциалното налягане на водорода.Аустенитните неръждаеми стомани са нечувствителни към HTHA и са задоволителни материали при всякакви температури и налягания.
Аустенитната неръждаема стомана 316/316L е най-практичният материал за водородни приложения и има доказан опит.Докато термичната обработка след заваряване (PWHT) се препоръчва за въглеродни стомани за калциниране на остатъчния водород по време на заваряване и намаляване на твърдостта на засегнатата от топлина зона (HAZ) след заваряване, тя не е необходима за аустенитни неръждаеми стомани.
Термотермичните ефекти, причинени от топлинна обработка и заваряване, имат малък ефект върху механичните свойства на аустенитните неръждаеми стомани.Студената обработка обаче може да подобри механичните свойства на аустенитните неръждаеми стомани, като здравина и твърдост.При огъване и формоване на тръби от аустенитна неръждаема стомана техните механични свойства се променят, включително намаляване на пластичността на материала.
Ако аустенитната неръждаема стомана изисква студено формоване, отгряването в разтвор (нагряване до приблизително 1045°C, последвано от закаляване или бързо охлаждане) ще възстанови механичните свойства на материала до първоначалните им стойности.Той също така ще елиминира сегрегацията на сплавта, сенсибилизацията и сигма фазата, постигнати след студена обработка.Когато извършвате отгряване с разтвор, имайте предвид, че бързото охлаждане може да върне остатъчното напрежение в материала, ако не се борави правилно.
Обърнете се към таблиците GR-2.1.1-1 Индекс на спецификациите на материала за тръбопроводи и тръбни възли и GR-2.1.1-2 Индекс на спецификациите на материала на тръбопроводите в ASME B31 за избор на приемлив материал за услуга H2.тръбите са добро място за начало.
Със стандартно атомно тегло от 1,008 единици атомна маса (amu), водородът е най-лекият и най-малък елемент в периодичната таблица и следователно има висока склонност към изтичане, с потенциално опустошителни последици, мога да добавя.Следователно газопроводната система трябва да бъде проектирана по такъв начин, че да ограничи механичните връзки и да подобри тези връзки, които наистина са необходими.
Когато се ограничават потенциалните точки на теч, системата трябва да бъде напълно заварена, с изключение на фланцовите връзки на оборудването, тръбопроводните елементи и фитингите.Резбовите връзки трябва да се избягват, доколкото е възможно, ако не и напълно.Ако резбовите връзки не могат да бъдат избегнати по някаква причина, препоръчително е да ги захванете напълно без уплътнител за резби и след това да запечатате заваръчния шев.Когато се използва тръба от въглеродна стомана, тръбните съединения трябва да бъдат челно заварени и термично обработени след заваряване (PWHT).След заваряване тръбите в зоната на топлинно въздействие (HAZ) са изложени на водородна атака дори при температура на околната среда.Докато водородната атака се случва предимно при високи температури, етапът на PWHT напълно ще намали, ако не и елиминира, тази възможност дори при околни условия.
Слабото място на изцяло заварената система е фланцовата връзка.За да се осигури висока степен на плътност във фланцовите връзки, трябва да се използват уплътнения Kammprofile (фиг. 4) или друга форма на уплътнения.Направена по почти същия начин от няколко производителя, тази подложка е много прощаваща.Състои се от назъбени изцяло метални пръстени, поставени между меки, деформируеми уплътнителни материали.Зъбците концентрират натоварването на болта в по-малка площ, за да осигурят плътно прилягане с по-малко напрежение.Той е проектиран по такъв начин, че да може да компенсира неравните повърхности на фланците, както и колебанията в работните условия.
Фигура 4. Уплътненията Kammprofile имат метална сърцевина, свързана от двете страни с мек пълнеж.
Друг важен фактор за целостта на системата е вентилът.Течовете около уплътнението на стеблото и фланците на тялото са истински проблем.За да предотвратите това, се препоръчва да изберете вентил със силфонно уплътнение.
Използвайте 1 инч.Тръба от въглеродна стомана School 80, в нашия пример по-долу, при производствени толеранси, корозия и механични толеранси в съответствие с ASTM A106 Gr B, максимално допустимото работно налягане (MAWP) може да се изчисли на две стъпки при температури до 300°F (Забележка: Причината за „…за температури до 300ºF…“ е, защото допустимото напрежение (S) на ASTM A106 Gr B материал започва s да се влоши, когато температурата надвиши 300ºF.(S), така че Уравнение (1) изисква Настройване към температури над 300ºF.)
Позовавайки се на формула (1), първата стъпка е да се изчисли теоретичното налягане на разрушаване на тръбопровода.
T = дебелина на стената на тръбата минус механични, корозионни и производствени толеранси, в инчове.
Втората част от процеса е да се изчисли максимално допустимото работно налягане Pa на тръбопровода чрез прилагане на коефициента на безопасност S f към резултата P съгласно уравнение (2):
По този начин, когато се използва материал от 1″ school 80, налягането на спукване се изчислява, както следва:
След това се прилага Sf за безопасност от 4 в съответствие с препоръките на ASME за съдове под налягане, раздел VIII-1 2019, параграф 8. UG-101 се изчислява, както следва:
Получената стойност на MAWP е 810 psi.инч се отнася само за тръба.Фланцовата връзка или компонентът с най-ниска оценка в системата ще бъде определящият фактор при определяне на допустимото налягане в системата.
Според ASME B16.5 максималното допустимо работно налягане за 150 фланцови фитинги от въглеродна стомана е 285 psi.инча при -20°F до 100°F.Клас 300 има максимално допустимо работно налягане от 740 psi.Това ще бъде коефициентът на ограничаване на налягането на системата според примера за спецификация на материала по-долу.Освен това само при хидростатични тестове тези стойности могат да надвишават 1,5 пъти.
Като пример за основна спецификация на материал от въглеродна стомана, спецификация на линия за обслужване на газ H2, работеща при температура на околната среда под проектно налягане от 740 psi.инча, може да съдържа изискванията за материалите, показани в таблица 2. Следните типове може да изискват внимание, за да бъдат включени в спецификацията:
Освен самите тръбопроводи, има много елементи, които изграждат тръбопроводната система, като фитинги, клапани, тръбопроводно оборудване и т.н. Докато много от тези елементи ще бъдат събрани в тръбопровод, за да ги обсъдим подробно, това ще изисква повече страници, отколкото могат да бъдат поместени.Тази статия.