Ovaj pregled pruža preporuke za sigurno projektovanje cjevovodnih sistema za distribuciju vodika.
Vodonik je visoko isparljiva tečnost sa visokom sklonošću ka curenju. To je vrlo opasna i smrtonosna kombinacija tendencija, isparljiva tečnost koju je teško kontrolisati. Ovo su trendovi koje treba uzeti u obzir pri odabiru materijala, zaptivki i zaptivki, kao i dizajnerskih karakteristika takvih sistema. Ove teme o distribuciji gasovitog H2 su fokus ove diskusije, a ne proizvodnja H2, tečnog H2 ili tečnog H2 (vidi desni bočni meni).
Evo nekoliko ključnih tačaka koje će vam pomoći da razumijete smjesu vodika i H2-zraka. Vodik gori na dva načina: deflagracijom i eksplozijom.
Deflagracija. Deflagracija je uobičajeni način sagorijevanja u kojem plamen putuje kroz smjesu podzvučnim brzinama. To se događa, na primjer, kada se slobodni oblak smjese 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 uzrokuje ozljede.
eksplodirati. Kada je eksplodiralo, plamenovi i udarni valovi putovali su kroz smjesu nadzvučnim brzinama. Odnos pritisaka u detonacijskom valu je mnogo veći nego u detonaciji. Zbog povećane sile, eksplozija je opasnija za ljude, zgrade i obližnje objekte. Normalna deflagracija uzrokuje eksploziju kada se zapali u ograničenom prostoru. U tako uskom području, paljenje može biti uzrokovano najmanjom količinom energije. Ali za detonaciju smjese vodika i zraka u neograničenom prostoru potreban je snažniji izvor paljenja.
Odnos pritisaka preko detonacionog talasa u smjesi vodonika i vazduha je oko 20. Pri atmosferskom pritisku, odnos od 20 je 300 psi. Kada se ovaj talas pritiska sudari sa nepokretnim objektom, odnos pritisaka se povećava na 40-60. To je zbog refleksije talasa pritiska od nepokretne prepreke.
Sklonost curenju. Zbog niske viskoznosti i niske molekularne težine, H2 plin ima veliku sklonost curenju, pa čak i prodiranju ili penetraciji različitih materijala.
Vodik je 8 puta lakši od prirodnog plina, 14 puta lakši od zraka, 22 puta lakši od propana i 57 puta lakši od benzinske pare. To znači da će se, kada se instalira na otvorenom, plin H2 brzo podići i raspršiti, smanjujući čak i znakove curenja. Ali to može biti mač s 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, plin H2 se može podići i akumulirati od stropa prema dolje, što mu omogućava da se nakupi u velikim količinama prije nego što je vjerovatnije da će doći u kontakt s izvorima paljenja u blizini tla.
Slučajni požar. Samopaljenje je pojava u kojoj se smjesa plinova ili para spontano zapali bez vanjskog izvora paljenja. Poznato je i kao "spontano sagorijevanje" ili "spontano sagorijevanje". Samopaljenje zavisi od temperature, a ne od pritiska.
Temperatura samopaljenja je minimalna temperatura na kojoj će se gorivo spontano zapaliti prije paljenja u odsustvu vanjskog izvora paljenja pri kontaktu sa zrakom ili oksidacijskim sredstvom. Temperatura samopaljenja pojedinačnog praha je temperatura na kojoj se on spontano zapali u odsustvu oksidacijskog sredstva. Temperatura samopaljenja plinovitog H2 u zraku 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 smjese na određenoj temperaturi i pritisku. Minimalna energija paljenja iskrom za plinoviti H2 u 1 atm zraka = 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, kontroliraju granice. "Granica eksplozivnosti" se ponekad koristi kao sinonim za "granicu eksplozije".
Granice eksplozivnosti za smjese H2 u zraku su 18,3 vol.% (donja granica) i 59 vol.% (gornja granica).
Prilikom projektovanja cjevovodnih sistema (Slika 1), prvi korak je određivanje građevinskih materijala potrebnih za svaku vrstu fluida. Svaki fluid će biti klasifikovan u skladu sa paragrafom ASME B31.3. Član 300(b)(1) navodi: „Vlasnik je također odgovoran za određivanje cjevovoda klase D, M, visokog pritiska i visoke čistoće, te za određivanje da li treba koristiti određeni sistem kvaliteta.“
Kategorizacija fluida definiše stepen ispitivanja i vrstu potrebnog ispitivanja, kao i mnoge druge zahtjeve zasnovane na kategoriji fluida. Odgovornost vlasnika za ovo obično pada na inženjerski odjel vlasnika ili angažovanog inženjera.
Iako Pravilnik o procesnim cijevima B31.3 ne govori vlasniku koji materijal treba koristiti za određenu tekućinu, on pruža smjernice o zahtjevima za čvrstoću, debljinu i spajanje materijala. U uvodu propisa postoje i dvije izjave koje jasno navode:
I proširite prvi paragraf iznad, paragraf B31.3. 300(b)(1) također navodi: „Vlasnik cjevovodne instalacije isključivo je odgovoran za poštivanje ovog Kodeksa i za uspostavljanje zahtjeva za projektovanje, izgradnju, inspekciju, pregled i ispitivanje koji regulišu sve rukovanje fluidima ili procese čiji je cjevovod dio. Instalacija.“ Dakle, nakon što smo postavili neka osnovna pravila za odgovornost i zahtjeve za definiranje kategorija fluidnih usluga, pogledajmo gdje se tu uklapa plinoviti vodik.
Budući da se plinoviti vodik ponaša kao isparljiva tekućina s curenjem, plinoviti vodik se može smatrati normalnom tekućinom ili tekućinom klase M prema kategoriji B31.3 za rad s tekućinama. Kao što je gore navedeno, klasifikacija rukovanja tekućinama je zahtjev vlasnika, pod uvjetom da ispunjava smjernice za odabrane kategorije opisane u B31.3, stav 3. 300.2 Definicije u odjeljku „Hidraulične usluge“. Slijede definicije za normalnu uslugu s tekućinama i uslugu s tekućinama klase M:
„Normalni rad s fluidima: Rad s fluidima primjenjiv na većinu cjevovoda koji podliježu ovom kodeksu, tj. ne podliježu propisima za klase D, M, visoku temperaturu, visoki pritisak ili visoku čistoću fluida.“
(1) Toksičnost tekućine je toliko velika da čak i jednokratno izlaganje vrlo maloj količini tekućine uzrokovanoj curenjem može uzrokovati ozbiljne trajne ozljede onima koji je udahnu ili dođu u kontakt s njom, čak i ako se poduzmu hitne mjere spašavanja.
(2) Nakon razmatranja dizajna cjevovoda, iskustva, uslova rada i lokacije, vlasnik utvrđuje da zahtjevi za normalnu upotrebu fluida nisu dovoljni da osiguraju nepropusnost potrebnu za zaštitu osoblja od izloženosti.
U gornjoj definiciji M, vodonik kao gas ne ispunjava kriterije iz stava (1) jer se ne smatra otrovnom tečnošću. Međutim, primjenom pododjeljka (2), Kodeks dozvoljava klasifikaciju hidrauličnih sistema u klasu M nakon dužnog razmatranja „...dizajna cjevovoda, iskustva, uslova rada i lokacije...“. Vlasnik dozvoljava određivanje normalnog rukovanja fluidom. Zahtjevi nisu dovoljni da zadovolje potrebu za višim nivoom integriteta u projektovanju, izgradnji, inspekciji, pregledu i ispitivanju sistema cjevovoda za vodonik kao gas.
Molimo pogledajte Tabelu 1 prije nego što počnete raspravljati o visokotemperaturnoj vodikovoj koroziji (HTHA). Kodovi, standardi i propisi navedeni su u ovoj tabeli, koja uključuje šest dokumenata na temu vodikove krtosti (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 raspon materijala.
HE ima različite oblike, koji se mogu podijeliti na vodonično pucanje (HAC), vodonično pucanje u naponu (HSC), naponsko korozijsko pucanje (SCC), vodonično korozijsko pucanje (HACC), pucanje usljed mjehurića vodonika (HB), vodonično pucanje (HIC). )), vodonično pucanje orijentisano na napon (SOHIC), progresivno pucanje (SWC), sulfidno naponsko pucanje (SSC), pucanje u mekoj zoni (SZC) i vodoničnu koroziju na visokim temperaturama (HTHA).
U svom najjednostavnijem obliku, vodikova krtost je mehanizam za uništavanje granica metalnih zrna, što rezultira smanjenom duktilnošću zbog prodiranja atomskog vodika. Načini na koje se to događa su različiti i djelimično su definirani njihovim odgovarajućim nazivima, kao što su HTHA, gdje je za krtost potreban istovremeni visokotemperaturni i visokotlačni vodik, i SSC, gdje se atomski vodik proizvodi kao zatvoreni plinovi i vodik. Zbog kisele korozije, oni prodiru u metalne kućišta, što može dovesti do krtosti. Ali ukupni rezultat je isti kao i za sve gore opisane slučajeve vodikove krtosti, gdje se čvrstoća metala smanjuje krtošću ispod dozvoljenog raspona napona, što zauzvrat postavlja temelje za potencijalno katastrofalan događaj s obzirom na isparljivost tekućine.
Pored debljine zida i mehaničkih performansi spoja, postoje dva glavna faktora koja treba uzeti u obzir pri odabiru materijala za upotrebu s H2 plinom: 1. Izloženost vodiku visoke temperature (HTHA) i 2. Ozbiljna zabrinutost zbog potencijalnog curenja. Obje teme su trenutno u fazi razmatranja.
Za razliku od molekularnog vodika, atomski vodik se može širiti, izlažući ga visokim temperaturama i pritiscima, stvarajući osnovu za potencijalni HTHA (temperatura pod pritiskom). Pod ovim uslovima, atomski vodik može difundirati u materijale ili opremu od ugljičnog čelika za cijevi, gdje reaguje s ugljikom u metalnom rastvoru formirajući metan na granicama zrna. Nesposoban da izađe, plin se širi, stvarajući pukotine i šupljine u zidovima cijevi ili posuda - ovo je HTGA. Rezultate HTHA možete jasno vidjeti na Slici 2 gdje su pukotine i naprsline vidljive u zidu cijevi od 8″. Dio cijevi nominalne veličine (NPS) koji se pokvari pod ovim uslovima.
Ugljični čelik se može koristiti za vodonik kada se radna temperatura održava ispod 500°F (260°C). Kao što je gore spomenuto, do visoke taložne temperature (HTHA) dolazi kada se vodonik drži pod visokim parcijalnim pritiskom i visokom temperaturom. Ugljični čelik se ne preporučuje kada se očekuje da će parcijalni pritisak vodonika biti oko 3000 psi (267 bara), a temperatura iznad oko 450°F (što je uslov nezgode na Slici 2).
Kao što se može vidjeti iz modificiranog Nelsonovog dijagrama na Slici 3, djelimično preuzetog iz API 941, visoka temperatura ima najveći utjecaj na djelovanje vodika. Parcijalni pritisak plinovitog vodika može premašiti 1000 psi kada se koristi s ugljičnim čelicima koji rade na temperaturama do 500°F.
Slika 3. Ovaj modificirani Nelsonov dijagram (adaptiran iz API 941) može se koristiti za odabir odgovarajućih materijala za rad s vodikom na različitim temperaturama.
Na sl. 3 prikazan je izbor čelika koji garantuju izbjegavanje vodoničnog napada, ovisno o radnoj temperaturi i parcijalnom pritisku vodonika. Austenitni nehrđajući čelici su neosjetljivi na visokotalasnu kromatografiju (HTHA) i zadovoljavajući su materijali na svim temperaturama i pritiscima.
Austenitni nehrđajući čelik 316/316L je najpraktičniji materijal za primjenu u vodiku i ima dokazane rezultate. Dok se termička obrada nakon zavarivanja (PWHT) preporučuje za ugljične čelike kako bi se kalcinirao preostali vodik tokom zavarivanja i smanjila tvrdoća zone utjecaja topline (HAZ) nakon zavarivanja, to nije potrebno za austenitne nehrđajuće čelike.
Termotermički efekti uzrokovani termičkom obradom i zavarivanjem imaju mali uticaj 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, njihova mehanička svojstva se mijenjaju, uključujući smanjenje plastičnosti materijala.
Ako austenitni nehrđajući čelik zahtijeva hladno oblikovanje, žarenje u rastvoru (zagrijavanje na približno 1045°C nakon čega slijedi kaljenje ili brzo hlađenje) će vratiti mehanička svojstva materijala na njihove prvobitne vrijednosti. Također će eliminirati segregaciju legure, senzibilizaciju i sigma fazu postignutu nakon hladne obrade. Prilikom izvođenja žarenja u rastvoru, imajte na umu da brzo hlađenje može vratiti zaostala naprezanja u materijal ako se ne rukuje pravilno.
Za prihvatljive izbore materijala za H2 primjenu pogledajte tabele GR-2.1.1-1 Indeks specifikacija materijala za cijevi i GR-2.1.1-2 Indeks specifikacija materijala za cijevi u ASME B31. Cijevi su dobro mjesto za početak.
Sa standardnom atomskom težinom od 1,008 atomskih masenih jedinica (amu), vodonik je najlakši i najmanji element u periodnom sistemu elemenata, te stoga ima veliku sklonost ka curenju, što, moram dodati, može imati razorne posljedice. Stoga, sistem gasovoda mora biti projektovan na način da ograniči mehaničke veze i poboljša one veze koje su zaista potrebne.
Prilikom ograničavanja potencijalnih tačaka curenja, sistem treba biti potpuno zavaren, osim prirubničkih spojeva na opremi, cjevovodnim elementima i fitingima. Navojne spojeve treba izbjegavati koliko god je to moguće, ako ne i u potpunosti. Ako se navojni spojevi iz bilo kojeg razloga ne mogu izbjeći, preporučuje se da se u potpunosti zavare bez zaptivača navoja, a zatim zabrtvi zavar. Prilikom korištenja cijevi od ugljičnog čelika, spojevi cijevi moraju biti sučeono zavareni i termički obrađeni nakon zavarivanja (PWHT). Nakon zavarivanja, cijevi u zoni uticaja toplote (HAZ) izložene su napadu vodonika čak i na sobnoj temperaturi. Dok se napad vodonika prvenstveno javlja na visokim temperaturama, PWHT faza će potpuno smanjiti, ako ne i eliminisati, ovu mogućnost čak i u ambijentalnim uslovima.
Slaba tačka potpuno zavarenog sistema je prirubnički spoj. Da bi se osigurao visok stepen nepropusnosti prirubničkih spojeva, treba koristiti Kammprofile zaptivke (slika 4) ili neki drugi oblik zaptivki. Napravljena na gotovo isti način od strane nekoliko proizvođača, ova podloga je vrlo tolerantna. Sastoji se od nazubljenih metalnih prstenova smještenih između mekih, deformabilnih zaptivnih materijala. Zubi koncentrišu opterećenje vijka na manjoj površini kako bi se obezbijedilo čvrsto prianjanje sa manje naprezanja. Dizajnirana je na takav način da može kompenzovati neravne površine prirubnica, kao i promjenjive radne uslove.
Slika 4. Kammprofile zaptivke imaju metalnu jezgru spojenu s obje strane mekim punilom.
Još jedan važan faktor u integritetu sistema je ventil. Curenje oko zaptivke vretena i prirubnica tijela predstavlja pravi problem. Da biste to spriječili, preporučuje se odabir ventila sa mijehom.
Koristite 1 inč. Za cijev od ugljičnog čelika School 80, u našem primjeru ispod, s obzirom na proizvodne tolerancije, tolerancije korozije i mehaničke tolerancije u skladu s 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 taj što dozvoljeni napon (S) materijala ASTM A106 Gr B počinje da se pogoršava kada temperatura pređe 300ºF (S), tako da jednačina (1) zahtijeva prilagođavanje temperaturama iznad 300ºF.)
Pozivajući se na formulu (1), prvi korak je izračunavanje teoretskog pritiska pucanja cjevovoda.
T = debljina stijenke cijevi umanjena za mehaničke, korozijske i proizvodne tolerancije, u inčima.
Drugi dio procesa je izračunavanje maksimalno dozvoljenog radnog pritiska Pa cjevovoda primjenom faktora sigurnosti S f na rezultat P prema jednačini (2):
Dakle, kada se koristi materijal School 80 debljine 1″, pritisak pucanja se izračunava na sljedeći način:
Sigurnosni Sf od 4 se zatim primjenjuje u skladu s ASME Preporukama za posude pod pritiskom, Odjeljak VIII-1 2019, Paragraf 8, UG-101, izračunava se na sljedeći način:
Rezultirajuća MAWP vrijednost je 810 psi. Ovo se odnosi samo na cijev. Prirubnički spoj ili komponenta s najnižom nazivnom vrijednošću u sistemu bit će odlučujući faktor pri određivanju dozvoljenog pritiska u sistemu.
Prema ASME B16.5, maksimalni dozvoljeni radni pritisak za prirubničke spojnice od ugljičnog čelika klase 150 iznosi 285 psi na inču pri temperaturama od -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 priključka za plin H2 koja radi na temperaturi okoline ispod projektnog pritiska od 740 psi inča, može sadržavati zahtjeve za materijale prikazane u Tabeli 2. Slijedeće su vrste na koje može biti potrebno obratiti pažnju prilikom uključivanja u specifikaciju:
Osim samih cijevi, postoje mnogi elementi koji čine cjevovodni sistem, kao što su spojnice, ventili, oprema za cijevi itd. Iako će mnogi od ovih elemenata biti sastavljeni u cjevovodu kako bi se detaljno razmotrili, to će zahtijevati više stranica nego što se može smjestiti. Ovaj članak.