Ovaj pregled daje preporuke za sigurno projektovanje cevovodnih sistema za distribuciju vodonika.
Vodonik je vrlo isparljiva tečnost sa velikom tendencijom curenja.To je veoma opasna i smrtonosna kombinacija sklonosti, isparljiva tečnost koju je teško kontrolisati.Ovo su trendovi koje treba uzeti u obzir pri odabiru materijala, zaptivki i zaptivki, kao i karakteristike dizajna takvih sistema.Ove teme o distribuciji gasovitog H2 su fokus ove diskusije, a ne proizvodnja H2, tečnog H2 ili tečnog H2 (vidi desnu traku).
Evo nekoliko ključnih tačaka koje će vam pomoći da razumete mešavinu vodonika i H2-vazduha.Vodonik gori na dva načina: deflagracijom i eksplozijom.
deflagracija.Deflagacija je uobičajen način sagorijevanja u kojem plamen putuje kroz mješavinu podzvučnim brzinama.To se događa, na primjer, kada se slobodni oblak mješavine vodika i zraka zapali malim izvorom paljenja.U ovom slučaju, plamen će se kretati brzinom od deset do nekoliko stotina stopa u sekundi.Brzo širenje vrućeg plina stvara valove pritiska čija je snaga proporcionalna veličini oblaka.U nekim slučajevima, sila udarnog vala može biti dovoljna da ošteti građevinske konstrukcije i druge objekte na svom putu i izazove ozljede.
eksplodirati.Kada je eksplodirala, plamen i udarni talasi su putovali kroz smešu nadzvučnim brzinama.Odnos pritiska u detonacionom talasu je mnogo veći nego kod detonacije.Zbog povećane jačine, eksplozija je opasnija za ljude, zgrade i obližnje objekte.Normalna deflagracija uzrokuje eksploziju kada se zapali u zatvorenom prostoru.U tako uskom području, paljenje može biti uzrokovano najmanjom količinom energije.Ali za detonaciju mješavine vodika i zraka u neograničenom prostoru potreban je snažniji izvor paljenja.
Odnos pritiska na talasu detonacije u mešavini vodonik-vazduh je oko 20. Pri atmosferskom pritisku, odnos od 20 je 300 psi.Kada se ovaj talas pritiska sudari sa nepokretnim objektom, odnos pritiska se povećava na 40-60.To je zbog refleksije vala pritiska od stacionarne prepreke.
Sklonost curenju.Zbog niske viskoznosti i male molekularne težine, plin H2 ima veliku tendenciju curenja, pa čak i prožimanja ili prodiranja u različite materijale.
Vodonik je 8 puta lakši od prirodnog gasa, 14 puta lakši od vazduha, 22 puta lakši od propana i 57 puta lakši od benzinske pare.To znači da kada se instalira na otvorenom, plin H2 će se brzo podići i raspršiti, smanjujući sve znakove čak i curenja.Ali to može biti mač sa dvije oštrice.Može doći do eksplozije ako se zavarivanje izvodi na vanjskoj instalaciji iznad ili niz vjetar od curenja H2 bez studije detekcije curenja prije zavarivanja.U zatvorenom prostoru, gas H2 može da se podigne i akumulira od plafona prema dole, što mu omogućava da se nagomila do velikih količina pre nego što je veća verovatnoća da dođe u kontakt sa izvorima paljenja u blizini zemlje.
Slučajni požar.Samozapaljenje je pojava u kojoj se mješavina plinova ili para spontano zapali bez vanjskog izvora paljenja.Poznato je i kao "spontano sagorevanje" ili "spontano sagorevanje".Samozapaljenje zavisi od temperature, a ne pritiska.
Temperatura samozapaljenja je minimalna temperatura na kojoj će se gorivo spontano zapaliti prije paljenja u odsustvu vanjskog izvora paljenja nakon kontakta sa zrakom ili oksidacijskim sredstvom.Temperatura samozapaljenja jednog praha je temperatura na kojoj se on spontano zapali u odsustvu oksidacijskog sredstva.Temperatura samozapaljenja gasovitog H2 u vazduhu je 585°C.
Energija paljenja je energija potrebna za pokretanje širenja plamena kroz zapaljivu smjesu.Minimalna energija paljenja je minimalna energija potrebna za paljenje određene zapaljive mješavine na određenoj temperaturi i tlaku.Minimalna energija paljenja iskre za gasoviti H2 u 1 atm vazduha = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Granice eksplozivnosti su maksimalne i minimalne koncentracije para, magle ili prašine u zraku ili kisiku pri kojima dolazi do eksplozije.Veličina i geometrija okoline, kao i koncentracija goriva, kontrolišu granice.“Granica eksplozije” se ponekad koristi kao sinonim za “granicu eksplozije”.
Granice eksplozivnosti za smeše H2 u vazduhu su 18,3 vol.% (donja granica) i 59 vol.% (gornja granica).
Prilikom projektovanja cevovodnih sistema (slika 1), prvi korak je određivanje građevinskih materijala potrebnih za svaku vrstu fluida.I svaka tečnost će biti klasifikovana u skladu sa stavom ASME B31.3.300(b)(1) kaže: “Vlasnik je također odgovoran za određivanje klase D, M, cjevovoda visokog pritiska i visoke čistoće, te određivanje da li treba koristiti određeni sistem kvaliteta.”
Kategorizacija fluida definiše stepen testiranja i vrstu potrebnog testiranja, kao i mnoge druge zahteve na osnovu kategorije tečnosti.Odgovornost vlasnika za ovo obično pada na inženjersko odjeljenje vlasnika ili vanjskog inženjera.
Iako B31.3 Kodeks za procesne cevovode ne govori vlasniku koji materijal da koristi za određeni fluid, on pruža smernice o čvrstoći, debljini i zahtevima za povezivanje materijala.Također postoje dvije izjave u uvodu koda koje jasno navode:
I proširite prvi pasus iznad, paragraf B31.3.300(b)(1) također kaže: „Vlasnik cjevovodne instalacije je isključivi odgovorni za poštivanje ovog Kodeksa i za uspostavljanje zahtjeva za projektovanje, izgradnju, inspekciju, inspekciju i ispitivanje koji regulišu rukovanje svim fluidima ili procese čiji je cjevovod dio.Instalacija.”Dakle, nakon što smo postavili neka osnovna pravila za odgovornost i zahtjeve za definiranje kategorija usluga fluida, hajde da vidimo gdje se uklapa vodonik.
Budući da plin vodonik djeluje kao isparljiva tekućina s curenjem, plin vodonik se može smatrati normalnom tekućinom ili tekućinom klase M pod kategorijom B31.3 za tečne usluge.Kao što je gore navedeno, klasifikacija rukovanja fluidima je zahtjev vlasnika, pod uslovom da ispunjava smjernice za odabrane kategorije opisane u B31.3, paragraf 3. 300.2 Definicije u odjeljku “Hidraulične usluge”.Slijede definicije za normalan servis tečnosti i servis fluida klase M:
„Normalni servis fluida: Servis tečnosti koji se primenjuje na većinu cevovoda koji podležu ovom kodu, tj. ne podležu propisima za klase D, M, visoke temperature, visokog pritiska ili visoke čistoće fluida.
(1) Toksičnost tekućine je toliko velika da jednokratno izlaganje vrlo maloj količini tekućine uzrokovano curenjem može uzrokovati ozbiljne trajne ozljede onima koji je udišu ili dolaze u kontakt s njom, čak i ako se poduzmu hitne mjere oporavka.uzeti
(2) Nakon razmatranja dizajna cjevovoda, iskustva, uslova rada i lokacije, vlasnik utvrđuje da zahtjevi za normalno korištenje fluida nisu dovoljni da bi se obezbijedila nepropusnost neophodna za zaštitu osoblja od izlaganja.”
U gornjoj definiciji M, vodonik ne ispunjava kriterije iz stava (1) jer se ne smatra toksičnom tekućinom.Međutim, primjenom pododjeljka (2), Kodeks dozvoljava klasifikaciju hidrauličnih sistema u klasu M nakon dužnog razmatranja “...dizajna cjevovoda, iskustva, radnih uslova i lokacije...” Vlasnik dozvoljava određivanje normalnog rukovanja tekućinom.Zahtjevi su nedovoljni da zadovolje potrebu za višim nivoom integriteta u projektovanju, izgradnji, inspekciji, inspekciji i ispitivanju sistema cjevovoda za vodonik.
Molimo pogledajte tabelu 1 prije diskusije o visokotemperaturnoj vodoničnoj koroziji (HTHA).Kodeksi, standardi i propisi navedeni su u ovoj tabeli, koja uključuje šest dokumenata na temu krhkosti vodikom (HE), uobičajene anomalije korozije koja uključuje HTHA.OH se može pojaviti na niskim i visokim temperaturama.Smatra se oblikom korozije, može se pokrenuti na nekoliko načina i također utjecati na širok spektar materijala.
HE ima različite oblike, koji se mogu podijeliti na pucanje vodikom (HAC), pucanje pod naponom vodikom (HSC), pucanje od korozije pod naprezanjem (SCC), pucanje vodikovom korozijom (HACC), pucanje vodonika (HB), pucanje vodonikom (HIC).)), naponski orijentisano vodikovo pucanje (SOHIC), progresivno pucanje (SWC), sulfidno napregnuto pucanje (SSC), pucanje meke zone (SZC) i korozija vodonika na visokim temperaturama (HTHA).
U svom najjednostavnijem obliku, vodonično krhkost je mehanizam za uništavanje granica metalnih zrna, što rezultira smanjenom duktilnošću zbog prodiranja atomskog vodonika.Načini na koje se to događa su različiti i djelomično su definirani njihovim odgovarajućim nazivima, kao što su HTHA, gdje je istovremeno potreban vodonik visoke temperature i visokog tlaka za krtost, i SSC, gdje se atomski vodonik proizvodi kao zatvoreni plinovi i vodonik.zbog kisele korozije, prodiru u metalna kućišta, što može dovesti do lomljivosti.Ali ukupni rezultat je isti kao i za sve gore opisane slučajeve vodonične krtosti, gdje je čvrstoća metala smanjena krtošću ispod dopuštenog raspona naprezanja, što zauzvrat postavlja pozornicu za potencijalno katastrofalan događaj s obzirom na isparljivost tekućine.
Pored debljine zida i performansi mehaničkih spojeva, postoje dva glavna faktora koja treba uzeti u obzir pri odabiru materijala za servis H2 gasa: 1. Izlaganje visokotemperaturnom vodoniku (HTHA) i 2. Ozbiljna zabrinutost zbog potencijalnog curenja.Obje teme su trenutno u raspravi.
Za razliku od molekularnog vodika, atomski vodik se može širiti, izlažući vodik visokim temperaturama i pritiscima, stvarajući osnovu za potencijalni HTHA.Pod ovim uslovima, atomski vodonik je u stanju da difunduje u materijale ili opremu cevi od ugljeničnog čelika, gde reaguje sa ugljenikom u metalnom rastvoru i formira gas metan na granicama zrna.Ne može pobjeći, plin se širi, stvarajući pukotine i pukotine na zidovima cijevi ili posuda – to je HTGA.Možete jasno vidjeti rezultate HTHA na slici 2 gdje su pukotine i pukotine evidentne na zidu od 8 inča.Dio cijevi nominalne veličine (NPS) koji pokvari pod ovim uvjetima.
Ugljični čelik se može koristiti za servis vodonika kada se radna temperatura održava ispod 500°F.Kao što je gore spomenuto, HTHA se javlja kada se plin vodonik drži pod visokim parcijalnim tlakom i visokom temperaturom.Ugljični čelik se ne preporučuje kada se očekuje da će parcijalni tlak vodika biti oko 3000 psi i temperatura iznad oko 450°F (što je stanje nesreće na slici 2).
Kao što se može vidjeti iz modificiranog Nelsonovog dijagrama na slici 3, djelimično preuzetog iz API 941, visoka temperatura ima najveći uticaj na forsiranje vodonika.Parcijalni tlak plina vodika može premašiti 1000 psi kada se koristi s ugljičnim čelicima koji rade na temperaturama do 500°F.
Slika 3. Ova modificirana Nelsonova karta (prilagođena iz API 941) može se koristiti za odabir odgovarajućih materijala za upotrebu vodonika na različitim temperaturama.
Na sl.Na slici 3 prikazan je izbor čelika koji garantovano izbegavaju napad vodonika, u zavisnosti od radne temperature i parcijalnog pritiska vodonika.Austenitni nerđajući čelici su neosetljivi na HTHA i zadovoljavajući su materijali na svim temperaturama i pritiscima.
Austenitni nerđajući čelik 316/316L je najpraktičniji materijal za primenu vodonika i ima dokazano iskustvo.Dok se toplinska obrada nakon zavarivanja (PWHT) preporučuje za ugljične čelike za kalcinaciju zaostalog vodika tijekom zavarivanja i smanjenje tvrdoće zone utjecaja topline (HAZ) nakon zavarivanja, nije potrebna za austenitne nehrđajuće čelike.
Termotermički efekti uzrokovani toplinskom obradom i zavarivanjem imaju mali utjecaj na mehanička svojstva austenitnih nehrđajućih čelika.Međutim, hladna obrada može poboljšati mehanička svojstva austenitnih nehrđajućih čelika, kao što su čvrstoća i tvrdoća.Prilikom savijanja i oblikovanja cijevi od austenitnog nehrđajućeg čelika mijenjaju se njihova mehanička svojstva, uključujući smanjenje plastičnosti materijala.
Ako austenitni nehrđajući čelik zahtijeva hladno oblikovanje, žarenje otopinom (zagrijavanje na približno 1045°C praćeno gašenjem ili brzim hlađenjem) će vratiti mehanička svojstva materijala na njihove izvorne vrijednosti.Takođe će eliminisati segregaciju legure, senzibilizaciju i sigma fazu postignutu nakon hladnog rada.Kada izvodite žarenje otopinom, imajte na umu da brzo hlađenje može vratiti zaostalo naprezanje u materijal ako se njime ne rukuje pravilno.
Pogledajte tabele GR-2.1.1-1 Indeks materijala za montažu cijevi i cijevi i GR-2.1.1-2 Indeks specifikacije materijala za cijevi u ASME B31 za prihvatljive izbore materijala za H2 uslugu.cijevi su dobro mjesto za početak.
Sa standardnom atomskom težinom od 1,008 jedinica atomske mase (amu), vodonik je najlakši i najmanji element u periodičnoj tablici, te stoga ima veliku sklonost curenju, s potencijalno razornim posljedicama, mogao bih dodati.Zbog toga sistem gasovoda mora biti projektovan na način da ograniči priključke mehaničkog tipa i poboljša one veze koje su zaista potrebne.
Prilikom ograničavanja potencijalnih mjesta curenja, sistem treba biti potpuno zavaren, osim prirubničkih spojeva na opremi, elementima cijevi i fitingima.Navojne veze treba izbjegavati koliko god je to moguće, ako ne i potpuno.Ako se navojni spojevi ne mogu izbjeći iz bilo kojeg razloga, preporučuje se da ih potpuno zahvate bez zaptivača navoja, a zatim zavarite zavar.Kada koristite cijev od ugljičnog čelika, spojevi cijevi moraju biti sučeono zavareni i termički obrađeni nakon zavarivanja (PWHT).Nakon zavarivanja, cijevi u zoni utjecaja topline (HAZ) su izložene napadu vodika čak i na temperaturi okoline.Dok se napad vodonika događa prvenstveno na visokim temperaturama, PWHT faza će u potpunosti smanjiti, ako ne i eliminirati, ovu mogućnost čak i pod ambijentalnim uvjetima.
Slaba tačka potpuno zavarenog sistema je prirubnički spoj.Da bi se osigurao visok stepen nepropusnosti u prirubničkim spojevima, treba koristiti zaptivke Kammprofile (sl. 4) ili neki drugi oblik zaptivki.Napravljen na gotovo isti način od strane nekoliko proizvođača, ovaj jastučić je vrlo praštajući.Sastoji se od zupčastih potpuno metalnih prstenova u sendviču između mekih, deformabilnih materijala za brtvljenje.Zubi koncentrišu opterećenje vijka na manjem području kako bi se osiguralo čvrsto prianjanje uz manje naprezanja.Dizajniran je na takav način da može kompenzirati neravne površine prirubnica kao i fluktuirajuće radne uslove.
Slika 4. Kammprofilne brtve imaju metalnu jezgru spojenu s obje strane mekim punilom.
Drugi važan faktor u integritetu sistema je ventil.Curenje oko zaptivke vretena i prirubnica karoserije je pravi problem.Da biste to spriječili, preporučuje se odabir ventila s mjehom.
Koristite 1 inč.School 80 cijevi od ugljičnog čelika, u našem primjeru ispod, s obzirom na tolerancije proizvodnje, korozije i mehaničke tolerancije u skladu sa ASTM A106 Gr B, maksimalni dozvoljeni radni pritisak (MAWP) može se izračunati u dva koraka na temperaturama do 300°F (Napomena: razlog za “…za temperature do 300ºF…” je zato što temperatura materijala premašuje dopuštenu temperaturu A10 za Grrio B do 300°F... s 300ºF.(S), tako da jednačina (1) zahtijeva podešavanje na temperature iznad 300ºF.)
Pozivajući se na formulu (1), prvi korak je izračunavanje teoretskog tlaka pucanja cjevovoda.
T = debljina stijenke cijevi minus mehaničke, korozivne i proizvodne tolerancije, u inčima.
Drugi deo procesa je izračunavanje maksimalnog dozvoljenog radnog pritiska Pa cevovoda primenom faktora sigurnosti S f na rezultat P prema jednačini (2):
Dakle, kada se koristi 1″ school 80 materijal, pritisak pucanja se izračunava na sljedeći način:
Sigurnosni Sf od 4 se tada primjenjuje u skladu sa ASME preporukama za posude pod pritiskom, odjeljak VIII-1 2019, paragraf 8. UG-101 izračunat na sljedeći način:
Rezultirajuća MAWP vrijednost je 810 psi.inč se odnosi samo na cijev.Prirubnički priključak ili komponenta sa najnižom ocenom u sistemu će biti odlučujući faktor u određivanju dozvoljenog pritiska u sistemu.
Prema ASME B16.5, maksimalni dozvoljeni radni pritisak za prirubničke armature od 150 ugljeničnog čelika je 285 psi.inča na -20°F do 100°F.Klasa 300 ima maksimalni dozvoljeni radni pritisak od 740 psi.Ovo će biti faktor ograničenja pritiska sistema prema primjeru specifikacije materijala u nastavku.Također, samo u hidrostatičkim ispitivanjima ove vrijednosti mogu premašiti 1,5 puta.
Kao primjer osnovne specifikacije materijala od ugljičnog čelika, specifikacija servisne linije za plin H2 koja radi na temperaturi okoline ispod projektnog tlaka od 740 psi.inča, može sadržavati zahtjeve za materijale prikazane u Tabeli 2. Sljedeće su tipovi koji mogu zahtijevati pažnju da budu uključeni u specifikaciju:
Osim samog cjevovoda, postoji mnogo elemenata koji čine sistem cjevovoda, kao što su fitinzi, ventili, oprema za cijevi, itd. Iako će mnogi od ovih elemenata biti spojeni u cjevovod kako bi se o njima detaljno raspravljalo, ovo će zahtijevati više stranica nego što se može smjestiti.Ovaj članak.