Aquesta visió general ofereix recomanacions per al disseny segur dels sistemes de canonades per a la distribució d'hidrogen.
L'hidrogen és un líquid altament volàtil amb una alta tendència a fuites.És una combinació de tendències molt perillosa i mortal, un líquid volàtil difícil de controlar.Aquestes són tendències a tenir en compte a l'hora d'escollir materials, juntes i segells, així com les característiques de disseny d'aquests sistemes.Aquests temes sobre la distribució de l'H2 gasós són el focus d'aquesta discussió, no la producció d'H2, H2 líquid o H2 líquid (vegeu la barra lateral dreta).
Aquests són alguns punts clau per ajudar-vos a entendre la barreja d'hidrogen i H2-aire.L'hidrogen crema de dues maneres: deflagració i explosió.
deflagració.La deflagració és un mode de combustió comú en el qual les flames viatgen a través de la mescla a velocitats subsòniques.Això passa, per exemple, quan una font d'ignició petita encén un núvol lliure de barreja d'hidrogen i aire.En aquest cas, la flama es mourà a una velocitat de deu a diversos centenars de peus per segon.La ràpida expansió del gas calent crea ones de pressió la força de les quals és proporcional a la mida del núvol.En alguns casos, la força de l'ona de xoc pot ser suficient per danyar les estructures de l'edifici i altres objectes al seu pas i causar lesions.
explotar.Quan va explotar, les flames i les ones de xoc van viatjar a través de la mescla a velocitats supersòniques.La relació de pressió en una ona de detonació és molt més gran que en una detonació.A causa de l'augment de la força, l'explosió és més perillosa per a persones, edificis i objectes propers.La deflagració normal provoca una explosió quan s'encén en un espai reduït.En una àrea tan estreta, la ignició pot ser causada per la menor quantitat d'energia.Però per a la detonació d'una barreja d'hidrogen-aire en un espai il·limitat, es requereix una font d'ignició més potent.
La relació de pressió a través de l'ona de detonació en una barreja d'hidrogen-aire és d'uns 20. A pressió atmosfèrica, una relació de 20 és de 300 psi.Quan aquesta ona de pressió xoca amb un objecte estacionari, la relació de pressió augmenta fins a 40-60.Això es deu a la reflexió d'una ona de pressió d'un obstacle estacionari.
Tendència a filtrar.A causa de la seva baixa viscositat i baix pes molecular, el gas H2 té una alta tendència a filtrar-se i fins i tot penetrar o penetrar en diversos materials.
L'hidrogen és 8 vegades més lleuger que el gas natural, 14 vegades més lleuger que l'aire, 22 vegades més lleuger que el propà i 57 vegades més lleuger que el vapor de la gasolina.Això significa que quan s'instal·la a l'exterior, el gas H2 pujarà i es dissiparà ràpidament, reduint qualsevol indici de fuites.Però pot ser una arma de doble tall.Es pot produir una explosió si la soldadura s'ha de realitzar en una instal·lació exterior per sobre o sota el vent d'una fuita d'H2 sense un estudi de detecció de fuites abans de la soldadura.En un espai tancat, el gas H2 pot pujar i acumular-se des del sostre cap avall, una condició que li permet acumular grans volums abans de tenir més probabilitats d'entrar en contacte amb fonts d'ignició properes al sòl.
Incendi accidental.L'autoignició és un fenomen en el qual una mescla de gasos o vapors s'encén espontàniament sense una font externa d'ignició.També es coneix com a "combustió espontània" o "combustió espontània".L'autoignició depèn de la temperatura, no de la pressió.
La temperatura d'autoignició és la temperatura mínima a la qual un combustible s'encén espontàniament abans de la ignició en absència d'una font d'ignició externa en contacte amb l'aire o un agent oxidant.La temperatura d'autoignició d'una sola pols és la temperatura a la qual s'encén espontàniament en absència d'un agent oxidant.La temperatura d'autoignició de l'H2 gasós a l'aire és de 585 °C.
L'energia d'ignició és l'energia necessària per iniciar la propagació d'una flama a través d'una mescla combustible.L'energia mínima d'ignició és l'energia mínima necessària per encendre una mescla combustible determinada a una temperatura i pressió particulars.Energia mínima d'ignició d'espurna per a H2 gasós en 1 atm d'aire = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Els límits d'explosió són les concentracions màximes i mínimes de vapors, boires o pols en l'aire o l'oxigen a les quals es produeix una explosió.La mida i la geometria de l'entorn, així com la concentració del combustible, en controla els límits."Límit d'explosió" de vegades s'utilitza com a sinònim de "límit d'explosió".
Els límits explosius de les mescles d'H2 a l'aire són del 18,3% vol. (límit inferior) i 59% vol. (límit superior).
Quan es dissenyen sistemes de canonades (figura 1), el primer pas és determinar els materials de construcció necessaris per a cada tipus de fluid.I cada fluid es classificarà d'acord amb el paràgraf ASME B31.3.300(b)(1) estableix: "El propietari també és responsable de determinar les canonades de classe D, M, d'alta pressió i d'alta puresa, i de determinar si s'ha d'utilitzar un sistema de qualitat particular".
La categorització de fluids defineix el grau de prova i el tipus d'assaig requerit, així com molts altres requisits basats en la categoria del fluid.La responsabilitat del propietari per això normalment recau en el departament d'enginyeria del propietari o un enginyer subcontractat.
Tot i que el Codi de canonades de procés B31.3 no indica al propietari quin material ha d'utilitzar per a un fluid determinat, sí que proporciona una orientació sobre els requisits de resistència, gruix i connexió del material.També hi ha dues declaracions a la introducció del codi que diuen clarament:
I amplia el primer paràgraf anterior, paràgraf B31.3.300(b)(1) també estableix: "El propietari d'una instal·lació de canonades és l'únic responsable de complir amb aquest Codi i d'establir els requisits de disseny, construcció, inspecció, inspecció i proves que regulen tot el maneig de fluids o procés del qual forma part la canonada.Instal·lació.”Per tant, després d'establir algunes regles bàsiques per a la responsabilitat i els requisits per definir les categories de serveis de fluids, vegem on encaixa el gas hidrogen.
Com que el gas d'hidrogen actua com un líquid volàtil amb fuites, el gas d'hidrogen es pot considerar un líquid normal o un líquid de classe M de la categoria B31.3 per al servei líquid.Com s'ha dit anteriorment, la classificació de la manipulació de fluids és un requisit del propietari, sempre que compleixi les directrius per a les categories seleccionades descrites a B31.3, paràgraf 3. 300.2 Definicions a l'apartat “Serveis hidràulics”.Les definicions següents són per al servei de fluids normal i el servei de fluids de classe M:
“Servei de fluids normals: servei de fluids aplicable a la majoria de canonades subjectes a aquest codi, és a dir, no subjectes a les normatives de les classes D, M, alta temperatura, alta pressió o neteja de fluids elevats.
(1) La toxicitat del fluid és tan gran que una sola exposició a una quantitat molt petita del fluid causada per una fuita pot causar danys permanents greus a aquells que l'inhalen o hi entren en contacte, fins i tot si es prenen mesures de recuperació immediata.presa
(2) Després de considerar el disseny de la canonada, l'experiència, les condicions de funcionament i la ubicació, el propietari determina que els requisits per a l'ús normal del fluid no són suficients per proporcionar l'estanquitat necessària per protegir el personal de l'exposició.”
En la definició anterior de M, el gas hidrogen no compleix els criteris de l'apartat (1) perquè no es considera un líquid tòxic.Tanmateix, mitjançant l'aplicació de la subsecció (2), el Codi permet la classificació dels sistemes hidràulics a la classe M després de considerar degudament "... disseny de canonades, experiència, condicions d'operació i ubicació..." El propietari permet la determinació de la manipulació normal de fluids.Els requisits són insuficients per satisfer la necessitat d'un nivell més elevat d'integritat en el disseny, la construcció, la inspecció, la inspecció i les proves dels sistemes de canonades de gas d'hidrogen.
Consulteu la taula 1 abans de parlar de la corrosió per hidrogen a alta temperatura (HTHA).Els codis, les normes i les regulacions s'enumeren en aquesta taula, que inclou sis documents sobre el tema de la fragilitat per hidrogen (HE), una anomalia de corrosió comuna que inclou HTHA.L'OH pot ocórrer a temperatures baixes i altes.Considerat com una forma de corrosió, es pot iniciar de diverses maneres i també afectar una àmplia gamma de materials.
L'HE té diverses formes, que es poden dividir en cracking d'hidrogen (HAC), craqueig per tensió d'hidrogen (HSC), craqueig per corrosió per tensió (SCC), craqueig per corrosió d'hidrogen (HACC), bombolla d'hidrogen (HB), craqueig d'hidrogen (HIC).)), esquerdament d'hidrogen orientat a tensió (SOHIC), craqueig progressiu (SWC), craqueig per tensió de sulfur (SSC), craqueig de zones toves (SZC) i corrosió d'hidrogen a alta temperatura (HTHA).
En la seva forma més senzilla, la fragilitat de l'hidrogen és un mecanisme per a la destrucció dels límits de gra metàl·lic, donant lloc a una ductilitat reduïda a causa de la penetració d'hidrogen atòmic.Les maneres en què això es produeix són variades i es defineixen en part pels seus respectius noms, com ara HTHA, on es necessita hidrogen simultània a alta temperatura i alta pressió per a la fragilitat, i SSC, on l'hidrogen atòmic es produeix com a gasos tancats i hidrogen.a causa de la corrosió àcida, es filtren a les caixes metàl·liques, cosa que pot provocar fragilitat.Però el resultat global és el mateix que per a tots els casos de fragilització de l'hidrogen descrits anteriorment, on la resistència del metall es redueix per la fragilitat per sota del seu rang de tensió admissible, que al seu torn prepara l'escenari per a un esdeveniment potencialment catastròfic donada la volatilitat del líquid.
A més del gruix de la paret i el rendiment de les unions mecàniques, hi ha dos factors principals a tenir en compte a l'hora de seleccionar els materials per al servei de gas H2: 1. Exposició a l'hidrogen d'alta temperatura (HTHA) i 2. Preocupacions greus sobre possibles fuites.Tots dos temes estan actualment en discussió.
A diferència de l'hidrogen molecular, l'hidrogen atòmic es pot expandir, exposant l'hidrogen a altes temperatures i pressions, creant la base per a un potencial HTHA.En aquestes condicions, l'hidrogen atòmic és capaç de difondre's als materials o equips de canonades d'acer al carboni, on reacciona amb el carboni en una solució metàl·lica per formar gas metà als límits del gra.Incapaç d'escapar, el gas s'expandeix, creant esquerdes i esquerdes a les parets de canonades o vaixells: això és HTGA.Podeu veure clarament els resultats de l'HTHA a la figura 2, on les esquerdes i esquerdes són evidents a la paret de 8 polzades.La part de la canonada de mida nominal (NPS) que falla en aquestes condicions.
L'acer al carboni es pot utilitzar per al servei d'hidrogen quan la temperatura de funcionament es manté per sota dels 500 °F.Com s'ha esmentat anteriorment, l'HTHA es produeix quan el gas d'hidrogen es manté a alta pressió parcial i alta temperatura.No es recomana l'acer al carboni quan s'espera que la pressió parcial d'hidrogen sigui d'uns 3000 psi i la temperatura sigui superior a uns 450 °F (que és la condició d'accident a la figura 2).
Com es pot veure a la gràfica de Nelson modificada a la figura 3, extreta en part de l'API 941, la temperatura alta té el major efecte sobre el forçament de l'hidrogen.La pressió parcial del gas hidrogen pot superar els 1000 psi quan s'utilitza amb acers al carboni que funcionen a temperatures de fins a 500 °F.
Figura 3. Aquest gràfic de Nelson modificat (adaptat de l'API 941) es pot utilitzar per seleccionar materials adequats per al servei d'hidrogen a diferents temperatures.
A la fig.La figura 3 mostra l'elecció dels acers que estan garantits per evitar l'atac de l'hidrogen, en funció de la temperatura de funcionament i la pressió parcial de l'hidrogen.Els acers inoxidables austenítics són insensibles a l'HTHA i són materials satisfactoris a totes les temperatures i pressions.
L'acer inoxidable austenític 316/316L és el material més pràctic per a aplicacions d'hidrogen i té un historial provat.Tot i que es recomana el tractament tèrmic posterior a la soldadura (PWHT) per als acers al carboni per calcinar l'hidrogen residual durant la soldadura i reduir la duresa de la zona afectada per la calor (HAZ) després de la soldadura, no és necessari per als acers inoxidables austenítics.
Els efectes termotèrmics causats pel tractament tèrmic i la soldadura tenen poc efecte sobre les propietats mecàniques dels acers inoxidables austenítics.Tanmateix, el treball en fred pot millorar les propietats mecàniques dels acers inoxidables austenítics, com ara la resistència i la duresa.En doblegar i formar canonades d'acer inoxidable austenític, les seves propietats mecàniques canvien, inclosa la disminució de la plasticitat del material.
Si l'acer inoxidable austenític requereix conformació en fred, el recuit de la solució (escalfament a aproximadament 1045 °C seguit d'apagat o refredament ràpid) restaurarà les propietats mecàniques del material als seus valors originals.També eliminarà la fase de segregació, sensibilització i sigma d'aliatge aconseguida després del treball en fred.Quan realitzeu el recuit de la solució, tingueu en compte que un refredament ràpid pot tornar a posar una tensió residual al material si no es manipula correctament.
Consulteu les taules GR-2.1.1-1 Índex d'especificacions de materials de muntatge de canonades i tubs i GR-2.1.1-2 Índex d'especificacions de materials de canonades a ASME B31 per obtenir seleccions de materials acceptables per al servei H2.les canonades són un bon lloc per començar.
Amb un pes atòmic estàndard d'1,008 unitats de massa atòmica (amu), l'hidrogen és l'element més lleuger i petit de la taula periòdica i, per tant, té una alta propensió a filtrar-se, amb conseqüències potencialment devastadores, podria afegir.Per tant, el sistema de gasoductes s'ha de dissenyar de manera que es limiti les connexions de tipus mecànic i millori aquelles connexions realment necessàries.
Quan es limiten els punts potencials de fuites, el sistema s'ha de soldar completament, excepte les connexions amb brides d'equips, elements de canonades i accessoris.Les connexions roscades s'han d'evitar tant com sigui possible, si no completament.Si les connexions roscades no es poden evitar per qualsevol motiu, es recomana enganxar-les completament sense segellador de rosques i després segellar la soldadura.Quan utilitzeu tubs d'acer al carboni, les juntes de les canonades s'han de soldar a tope i tractar tèrmicament després de la soldadura (PWHT).Després de la soldadura, les canonades de la zona afectada per la calor (HAZ) estan exposades a l'atac d'hidrogen fins i tot a temperatura ambient.Tot i que l'atac d'hidrogen es produeix principalment a altes temperatures, l'etapa PWHT reduirà completament, si no eliminarà, aquesta possibilitat fins i tot en condicions ambientals.
El punt feble del sistema totalment soldat és la connexió de brida.Per garantir un alt grau d'estanquitat a les connexions de brida, s'han d'utilitzar juntes Kammprofile (fig. 4) o una altra forma de juntes.Fabricat gairebé de la mateixa manera per diversos fabricants, aquest coixinet és molt indulgent.Consisteix en anelles dentades totalment metàl·liques intercalades entre materials de segellat suaus i deformables.Les dents concentren la càrrega del cargol en una àrea més petita per proporcionar un ajustament ajustat amb menys estrès.Està dissenyat de tal manera que pot compensar les superfícies desiguals de la brida així com les condicions de funcionament fluctuants.
Figura 4. Les juntes Kammprofile tenen un nucli metàl·lic unit als dos costats amb un farciment suau.
Un altre factor important en la integritat del sistema és la vàlvula.Les fuites al voltant del segell de la tija i les brides del cos són un problema real.Per evitar-ho, es recomana seleccionar una vàlvula amb un segell de manxa.
Utilitzeu 1 polzada.Tub d'acer al carboni School 80, en el nostre exemple següent, donades les toleràncies de fabricació, corrosió i toleràncies mecàniques d'acord amb ASTM A106 Gr B, la pressió de treball màxima permesa (MAWP) es pot calcular en dos passos a temperatures de fins a 300 °F (Nota: el motiu de "...per a temperatures de fins a 300 °F) és perquè el material es deteriora quan la temperatura es pot deteriorar A10 Gr... supera els 300ºF.(S), de manera que l'equació (1) requereix ajustar-se a temperatures superiors a 300ºF.)
En referència a la fórmula (1), el primer pas és calcular la pressió d'esclat teòrica de la canonada.
T = gruix de la paret del tub menys toleràncies mecàniques, a la corrosió i de fabricació, en polzades.
La segona part del procés consisteix a calcular la pressió de treball màxima admissible Pa de la canonada aplicant el factor de seguretat S f al resultat P segons l'equació (2):
Així, quan s'utilitza material escolar 80 d'1 polzada, la pressió d'esclat es calcula de la següent manera:
A continuació, s'aplica un Sf de seguretat de 4 d'acord amb les recomanacions de recipients a pressió ASME, secció VIII-1 2019, paràgraf 8. UG-101 es calcula de la següent manera:
El valor MAWP resultant és de 810 psi.polzada només es refereix a la canonada.La connexió de brida o el component amb la classificació més baixa del sistema serà el factor determinant per determinar la pressió permesa al sistema.
Segons ASME B16.5, la pressió de treball màxima permesa per a 150 accessoris de brida d'acer al carboni és de 285 psi.polzades de -20 °F a 100 °F.La classe 300 té una pressió de treball màxima permesa de 740 psi.Aquest serà el factor límit de pressió del sistema segons l'exemple d'especificació del material següent.A més, només en proves hidrostàtiques, aquests valors poden superar 1,5 vegades.
Com a exemple d'especificació bàsica de material d'acer al carboni, una especificació de línia de servei de gas H2 que funciona a una temperatura ambient per sota d'una pressió de disseny de 740 psi.polzades, poden contenir els requisits de material que es mostren a la Taula 2. Els següents són els tipus que poden requerir atenció a l'especificació:
A part de les canonades en si, hi ha molts elements que conformen el sistema de canonades, com ara accessoris, vàlvules, equips de línia, etc. Si bé molts d'aquests elements s'ajuntaran en una canonada per discutir-los en detall, això requerirà més pàgines de les que es poden acomodar.Aquest article.