Kini nga kinatibuk-ang pagtan-aw naghatag og mga rekomendasyon alang sa luwas nga disenyo sa mga sistema sa tubo alang sa pag-apod-apod sa hydrogen.
Ang hydrogen usa ka likido nga dali moalisngaw nga adunay taas nga posibilidad nga moagas. Kini usa ka delikado ug makamatay nga kombinasyon sa mga hilig, usa ka likido nga dali moalisngaw nga lisod kontrolon. Kini ang mga uso nga angay ikonsiderar sa pagpili og mga materyales, gasket ug mga seal, ingon man ang mga kinaiya sa disenyo sa maong mga sistema. Kini nga mga hilisgutan bahin sa pag-apod-apod sa gas nga H2 ang sentro niini nga diskusyon, dili ang produksiyon sa H2, likido nga H2, o likido nga H2 (tan-awa ang tuo nga sidebar).
Ania ang pipila ka importanteng punto aron matabangan ka nga masabtan ang sagol nga hydrogen ug H2-air. Ang hydrogen masunog sa duha ka paagi: deflagration ug explosion.
deflagration. Ang deflagration usa ka komon nga paagi sa pagkasunog diin ang mga siga moagi sa sagol sa subsonic nga katulin. Kini mahitabo, pananglitan, kung ang usa ka libre nga panganod sa hydrogen-air mixture gipasiga sa usa ka gamay nga tinubdan sa ignition. Sa kini nga kaso, ang siga molihok sa katulin nga napulo hangtod pipila ka gatos ka tiil matag segundo. Ang paspas nga paglapad sa init nga gas nagmugna og mga pressure waves kansang kusog proporsyonal sa gidak-on sa panganod. Sa pipila ka mga kaso, ang kusog sa shock wave mahimong igo aron makadaot sa mga istruktura sa bilding ug uban pang mga butang sa agianan niini ug hinungdan sa kadaot.
mobuto. Sa dihang kini mibuto, ang mga siga ug shock wave mibiyahe agi sa sagol sa supersonic nga katulin. Ang pressure ratio sa usa ka detonation wave mas taas kay sa usa ka detonation. Tungod sa dugang nga puwersa, ang pagbuto mas delikado alang sa mga tawo, mga bilding ug mga butang sa duol. Ang normal nga deflagration hinungdan sa pagbuto kung pasigaon sa usa ka sirado nga lugar. Sa ingon ka pig-ot nga lugar, ang ignition mahimong hinungdan sa labing gamay nga kantidad sa enerhiya. Apan alang sa pagbuto sa usa ka hydrogen-air mixture sa usa ka walay kutub nga wanang, gikinahanglan ang usa ka mas kusgan nga tinubdan sa ignition.
Ang pressure ratio tabok sa detonation wave sa usa ka hydrogen-air mixture kay mga 20. Sa atmospheric pressure, ang ratio nga 20 kay 300 psi. Kung kini nga pressure wave mobangga sa usa ka stationary object, ang pressure ratio motaas ngadto sa 40-60. Kini tungod sa repleksyon sa pressure wave gikan sa usa ka stationary obstacle.
May tendensiya nga moagas. Tungod sa ubos nga viscosity ug ubos nga molecular weight niini, ang H2 gas adunay taas nga tendensiya nga moagas ug gani motuhop o mo-inject sa nagkalain-laing mga materyales.
Ang hydrogen 8 ka pilo nga mas gaan kay sa natural nga gas, 14 ka pilo nga mas gaan kay sa hangin, 22 ka pilo nga mas gaan kay sa propane ug 57 ka pilo nga mas gaan kay sa alisngaw sa gasolina. Kini nagpasabot nga kon i-install sa gawas, ang H2 gas dali nga mosaka ug mokatap, nga makapakunhod sa bisan unsang timailhan sa bisan unsang pagtulo. Apan kini mahimong usa ka espada nga duhay sulab. Mahimong mahitabo ang pagbuto kon ang welding himoon sa usa ka instalasyon sa gawas sa ibabaw o ubos sa hangin sa usa ka H2 leak nga walay pagtuon sa pag-detect sa leak sa dili pa mag-welding. Sa usa ka sirado nga lugar, ang H2 gas mahimong mosaka ug magtapok gikan sa kisame paubos, usa ka kondisyon nga nagtugot niini nga magtapok sa daghang gidaghanon sa dili pa kini mas lagmit nga makontak sa mga tinubdan sa ignisyon duol sa yuta.
Aksidente nga sunog. Ang self-ignition usa ka panghitabo diin ang sinagol nga mga gas o alisngaw mosiga nga walay eksternal nga tinubdan sa ignition. Nailhan usab kini nga "spontaneous combustion" o "spontaneous combustion". Ang self-ignition nagdepende sa temperatura, dili sa pressure.
Ang temperatura sa pag-agni sa kaugalingon mao ang pinakagamay nga temperatura diin ang usa ka sugnod kusang mosiga sa dili pa kini i-agni nga walay eksternal nga tinubdan sa pag-agni kon kini makontak sa hangin o usa ka oxidizing agent. Ang temperatura sa pag-agni sa kaugalingon sa usa ka pulbos mao ang temperatura diin kini kusang mosiga nga walay oxidizing agent. Ang temperatura sa pag-agni sa kaugalingon sa gas nga H2 sa hangin kay 585°C.
Ang enerhiya sa pag-apog mao ang enerhiya nga gikinahanglan aron masugdan ang pagkaylap sa siga pinaagi sa usa ka masunog nga sagol. Ang minimum nga enerhiya sa pag-apog mao ang minimum nga enerhiya nga gikinahanglan aron maapog ang usa ka partikular nga masunog nga sagol sa usa ka partikular nga temperatura ug presyur. Ang minimum nga enerhiya sa pag-apog sa aligato para sa gas nga H2 sa 1 atm sa hangin = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Ang mga limitasyon sa pagbuto mao ang pinakataas ug pinakagamay nga konsentrasyon sa mga alisngaw, gabon o abog sa hangin o oksiheno diin mahitabo ang pagbuto. Ang gidak-on ug heometriya sa palibot, ingon man ang konsentrasyon sa gasolina, ang nagkontrol sa mga limitasyon. Ang "limit sa pagbuto" usahay gigamit isip sinonimo sa "limit sa pagbuto".
Ang limitasyon sa pagbuto para sa mga sagol nga H2 sa hangin kay 18.3 vol.% (ubos nga limitasyon) ug 59 vol.% (ibabaw nga limitasyon).
Sa pagdesinyo sa mga sistema sa tubo (Figure 1), ang unang lakang mao ang pagtino sa mga materyales sa pagtukod nga gikinahanglan alang sa matag klase sa pluwido. Ug ang matag pluwido klasipikahon subay sa ASME B31.3 paragraph. Ang 300(b)(1) nag-ingon, “Ang tag-iya responsable usab sa pagtino sa class D, M, high pressure, ug high purity piping, ug pagtino kung ang usa ka partikular nga sistema sa kalidad angay gamiton.”
Ang pagkategorya sa pluwido nagtino sa ang-ang sa pagsulay ug ang klase sa pagsulay nga gikinahanglan, ingon man daghang uban pang mga kinahanglanon base sa kategorya sa pluwido. Ang responsibilidad sa tag-iya alang niini kasagaran mahulog sa departamento sa inhenyeriya sa tag-iya o usa ka outsourced engineer.
Samtang ang B31.3 Process Piping Code wala magsulti sa tag-iya kung unsang materyal ang gamiton para sa usa ka partikular nga pluwido, kini naghatag og giya sa kusog, gibag-on, ug mga kinahanglanon sa koneksyon sa materyal. Adunay usab duha ka pahayag sa pasiuna sa kodigo nga klarong nag-ingon:
Ug palapdi ang unang parapo sa ibabaw, ang parapo B31.3. Ang 300(b)(1) nag-ingon usab: “Ang tag-iya sa usa ka instalasyon sa pipeline mao lamang ang responsable sa pagsunod niini nga Kodigo ug sa pagtukod sa mga kinahanglanon sa disenyo, konstruksyon, inspeksyon, inspeksyon, ug pagsulay nga nagdumala sa tanang pagdumala sa pluwido o proseso diin ang pipeline kabahin. Pag-instalar.” Busa, human sa paglatid sa pipila ka mga lagda alang sa tulubagon ug mga kinahanglanon alang sa pagtino sa mga kategorya sa serbisyo sa pluwido, atong tan-awon kung asa mohaum ang hydrogen gas.
Tungod kay ang hydrogen gas molihok isip usa ka dali moalisngaw nga likido nga adunay mga leak, ang hydrogen gas mahimong isipon nga usa ka normal nga likido o usa ka Class M nga likido ubos sa kategorya nga B31.3 alang sa serbisyo sa likido. Sama sa giingon sa ibabaw, ang klasipikasyon sa pagdumala sa pluwido usa ka kinahanglanon sa tag-iya, basta kini makatuman sa mga giya alang sa pinili nga mga kategorya nga gihulagway sa B31.3, parapo 3. 300.2 Mga kahulugan sa seksyon nga "Mga serbisyo sa hydraulic". Ang mosunod mao ang mga kahulugan alang sa normal nga serbisyo sa pluwido ug serbisyo sa pluwido sa Class M:
“Normal nga Serbisyo sa Fluid: Ang serbisyo sa fluido magamit sa kadaghanan sa mga tubo nga sakop niini nga kodigo, ie dili sakop sa mga regulasyon para sa mga klase D, M, taas nga temperatura, taas nga presyur, o taas nga kalimpyo sa fluido.”
(1) Ang pagkahilo sa pluwido kusog kaayo nga ang usa ka higayon nga pagkaladlad sa gamay kaayong kantidad sa pluwido nga gipahinabo sa usa ka leak mahimong hinungdan sa grabe ug permanente nga kadaot sa mga tawo nga makaginhawa o makahikap niini, bisan pa kon gihimo ang mga lakang sa pagbawi dayon.
(2) Human sa pagkonsiderar sa disenyo sa tubo, kasinatian, mga kondisyon sa operasyon, ug lokasyon, ang tag-iya modesisyon nga ang mga kinahanglanon alang sa normal nga paggamit sa pluwido dili igo aron mahatagan ang gikinahanglan nga kahigpit aron mapanalipdan ang mga personahe gikan sa pagkaladlad.
Sa nahisgutang depinisyon sa M, ang hydrogen gas wala makatuman sa mga criteria sa paragraph (1) tungod kay wala kini giisip nga makahilong likido. Apan, pinaagi sa pag-apply sa subsection (2), ang Code nagtugot sa klasipikasyon sa mga hydraulic system sa klase M human sa angay nga pagkonsiderar sa “… disenyo sa tubo, kasinatian, kondisyon sa pag-operate ug lokasyon…” Gitugotan sa tag-iya ang pagtino sa normal nga pagdumala sa pluwido. Ang mga kinahanglanon dili igo aron matubag ang panginahanglan alang sa mas taas nga lebel sa integridad sa disenyo, konstruksyon, inspeksyon, inspeksyon ug pagsulay sa mga sistema sa tubo sa hydrogen gas.
Palihug tan-awa ang Talaan 1 sa dili pa maghisgot bahin sa High Temperature Hydrogen Corrosion (HTHA). Ang mga kodigo, sumbanan, ug regulasyon gilista niini nga talaan, nga naglakip sa unom ka mga dokumento sa hilisgutan sa hydrogen embrittlement (HE), usa ka komon nga anomalya sa corrosion nga naglakip sa HTHA. Ang OH mahimong mahitabo sa ubos ug taas nga temperatura. Giisip nga usa ka porma sa corrosion, kini mahimong magsugod sa daghang mga paagi ug makaapekto usab sa lainlaing mga materyales.
Ang HE adunay lain-laing mga porma, nga mahimong bahinon sa hydrogen cracking (HAC), hydrogen stress cracking (HSC), stress corrosion cracking (SCC), hydrogen corrosion cracking (HACC), hydrogen bubbling (HB), hydrogen cracking (HIC). )), stress oriented hydrogen cracking (SOHIC), progressive cracking (SWC), sulfide stress cracking (SSC), soft zone cracking (SZC), ug high temperature hydrogen corrosion (HTHA).
Sa pinakasimple nga porma niini, ang hydrogen embrittlement usa ka mekanismo sa pagguba sa mga utlanan sa lugas sa metal, nga moresulta sa pagkunhod sa ductility tungod sa pagsulod sa atomic hydrogen. Ang mga paagi sa pagkahitabo niini lainlain ug bahin nga gihubit sa ilang tagsatagsa ka ngalan, sama sa HTHA, diin ang dungan nga taas nga temperatura ug taas nga presyur nga hydrogen gikinahanglan alang sa embrittlement, ug SSC, diin ang atomic hydrogen gihimo isip closed-gas ug hydrogen. Tungod sa acid corrosion, kini mosulod sa mga metal nga kaso, nga mahimong mosangpot sa brittleness. Apan ang kinatibuk-ang resulta parehas sa tanan nga mga kaso sa hydrogen embrittlement nga gihulagway sa ibabaw, diin ang kusog sa metal mikunhod pinaagi sa embrittlement ubos sa gitugot nga stress range niini, nga sa baylo nag-andam sa entablado alang sa usa ka potensyal nga katalagman nga panghitabo tungod sa volatility sa likido.
Gawas sa gibag-on sa bungbong ug mekanikal nga performance sa joint, adunay duha ka pangunang butang nga angay ikonsiderar sa pagpili og mga materyales para sa serbisyo sa H2 gas: 1. Pagkaladlad sa taas nga temperatura nga hydrogen (HTHA) ug 2. Seryosong mga kabalaka bahin sa posibleng pagtulo. Ang duha ka hilisgutan kasamtangang gihisgutan.
Dili sama sa molekular nga hydrogen, ang atomic hydrogen mahimong molapad, nga magladlad sa hydrogen sa taas nga temperatura ug presyur, nga magmugna sa basehan alang sa potensyal nga HTHA. Ubos niini nga mga kondisyon, ang atomic hydrogen makahimo sa pag-diffuse ngadto sa mga materyales o kagamitan sa tubo nga carbon steel, diin kini mo-react sa carbon sa metallic solution aron maporma ang methane gas sa mga utlanan sa grain. Kay dili makaikyas, ang gas molapad, nga magmugna og mga liki ug mga lungag sa mga bungbong sa mga tubo o mga sudlanan - kini ang HTGA. Klaro nimong makita ang mga resulta sa HTHA sa Figure 2 diin ang mga liki ug mga liki makita sa 8″ nga bungbong. Ang bahin sa nominal size (NPS) nga tubo nga mapakyas ubos niini nga mga kondisyon.
Ang carbon steel magamit para sa serbisyo sa hydrogen kung ang temperatura sa operasyon gimentinar ubos sa 500°F. Sama sa nahisgotan na, ang HTHA mahitabo kung ang hydrogen gas gihuptan sa taas nga partial pressure ug taas nga temperatura. Ang carbon steel dili girekomenda kung ang hydrogen partial pressure gilauman nga mga 3000 psi ug ang temperatura labaw sa mga 450°F (nga mao ang kondisyon sa aksidente sa Figure 2).
Sama sa makita sa giusab nga Nelson plot sa Figure 3, nga gikuha gikan sa API 941, ang taas nga temperatura adunay pinakadako nga epekto sa hydrogen forcing. Ang partial pressure sa hydrogen gas mahimong molapas sa 1000 psi kung gamiton sa mga carbon steel nga nag-operate sa temperatura hangtod sa 500°F.
Hulagway 3. Kini nga giusab nga tsart sa Nelson (gi-adapt gikan sa API 941) magamit sa pagpili sa angay nga mga materyales alang sa serbisyo sa hydrogen sa lainlaing mga temperatura.
Sa fig. 3 gipakita ang pagpili sa mga asero nga gigarantiyahan nga makalikay sa pag-atake sa hydrogen, depende sa temperatura sa operasyon ug partial pressure sa hydrogen. Ang mga austenitic stainless steel dili sensitibo sa HTHA ug makatagbaw nga mga materyales sa tanang temperatura ug pressure.
Ang Austenitic 316/316L stainless steel mao ang pinakapraktikal nga materyal para sa mga aplikasyon sa hydrogen ug adunay napamatud-an nga track record. Samtang ang post-weld heat treatment (PWHT) girekomenda para sa mga carbon steel aron ma-calcinate ang nahabilin nga hydrogen atol sa welding ug makunhuran ang katig-a sa heat affected zone (HAZ) human sa welding, dili kini kinahanglan para sa austenitic stainless steels.
Ang mga epekto sa thermothermal nga gipahinabo sa heat treatment ug welding gamay ra ang epekto sa mekanikal nga mga kabtangan sa austenitic stainless steels. Bisan pa, ang cold working makapauswag sa mekanikal nga mga kabtangan sa austenitic stainless steels, sama sa kusog ug katig-a. Kung magduko ug magporma og mga tubo gikan sa austenitic stainless steel, ang ilang mekanikal nga mga kabtangan mausab, lakip ang pagkunhod sa plasticity sa materyal.
Kon ang austenitic stainless steel nagkinahanglan og cold forming, ang solution annealing (pagpainit ngadto sa gibana-bana nga 1045°C gisundan sa quenching o paspas nga pagpabugnaw) mopahiuli sa mekanikal nga mga kabtangan sa materyal ngadto sa ilang orihinal nga mga kantidad. Kini usab magwagtang sa alloy segregation, sensitization ug sigma phase nga nakab-ot human sa cold working. Kon maghimo og solution annealing, timan-i nga ang paspas nga pagpabugnaw mahimong magbalik sa nahabilin nga stress ngadto sa materyal kon dili dumalahon sa husto.
Tan-awa ang mga lamesa nga GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index ug GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index sa ASME B31 para sa madawat nga mga pagpili sa materyal para sa serbisyo sa H2. Ang mga tubo maayong sinugdanan.
Uban sa standard atomic weight nga 1.008 atomic mass units (amu), ang hydrogen mao ang pinakagaan ug pinakagamay nga elemento sa periodic table, ug busa adunay taas nga posibilidad nga moagas, nga adunay posibleng makadaot nga mga sangputanan, dugang ko. Busa, ang sistema sa gas pipeline kinahanglan nga gidisenyo sa paagi nga limitahan ang mga koneksyon nga mekanikal ug mapaayo ang mga koneksyon nga tinuod nga gikinahanglan.
Kon limitahan ang posibleng mga leak point, ang sistema kinahanglan nga hingpit nga ma-welding, gawas sa mga flanged connection sa mga kagamitan, mga elemento sa tubo ug mga fitting. Ang mga threaded connection kinahanglan nga likayan kutob sa mahimo, kon dili man hingpit. Kon ang mga threaded connection dili malikayan sa bisan unsang hinungdan, girekomenda nga hingpit nga i-engage kini nga walay thread sealant ug dayon i-seal ang weld. Kon mogamit og carbon steel pipe, ang mga pipe joint kinahanglan nga butt welded ug post weld heat treated (PWHT). Human sa welding, ang mga tubo sa heat-affected zone (HAZ) maladlad sa hydrogen attack bisan sa ambient temperature. Samtang ang hydrogen attack kasagaran mahitabo sa taas nga temperatura, ang PWHT stage hingpit nga makapakunhod, kon dili man makawagtang, niini nga posibilidad bisan sa ambient conditions.
Ang kahuyang sa all-welded system mao ang koneksyon sa flange. Aron masiguro ang taas nga lebel sa kahugot sa mga koneksyon sa flange, kinahanglan gamiton ang mga gasket sa Kammprofile (fig. 4) o uban pang klase sa gasket. Gihimo sa halos parehas nga paagi sa daghang mga tiggama, kini nga pad mapasayloon kaayo. Kini gilangkoban sa mga singsing nga all-metal nga may ngipon nga gibutang taliwala sa humok, mabag-o nga mga materyales sa pagsilyo. Ang mga ngipon nagkonsentrar sa karga sa bolt sa usa ka gamay nga lugar aron makahatag og hugot nga pagkahaom nga dili kaayo tensiyon. Gidisenyo kini sa paagi nga kini makabawi sa dili patas nga mga nawong sa flange ingon man sa nag-usab-usab nga mga kondisyon sa operasyon.
Hulagway 4. Ang mga gasket sa Kammprofile adunay metal nga kinauyokan nga gibugkos sa duha ka kilid nga adunay humok nga filler.
Laing importanteng butang sa integridad sa sistema mao ang balbula. Ang mga leak sa palibot sa stem seal ug body flanges usa ka tinuod nga problema. Aron malikayan kini, girekomenda nga mopili og balbula nga adunay bellows seal.
Gamita ang 1 pulgada. School 80 carbon steel pipe, sa among ehemplo sa ubos, nga gihatag ang manufacturing tolerances, corrosion ug mechanical tolerances subay sa ASTM A106 Gr B, ang maximum allowable working pressure (MAWP) mahimong kalkulado sa duha ka lakang sa temperatura nga hangtod sa 300°F (Mubo nga sulat: Ang hinungdan sa "...para sa temperatura nga hangtod sa 300ºF..." kay ang allowable stress (S) sa ASTM A106 Gr B nga materyal magsugod sa pagkadaot kung ang temperatura molapas sa 300ºF.(S), busa ang Equation (1) nanginahanglan og Adjust sa temperatura nga labaw sa 300ºF.)
Nagtumong sa pormula (1), ang unang lakang mao ang pagkalkulo sa teoretikal nga presyur sa pagbuto sa pipeline.
T = gibag-on sa bungbong sa tubo kuhaan sa mekanikal, kaagnasan ug mga tolerasyon sa paggama, sa pulgada.
Ang ikaduhang bahin sa proseso mao ang pagkalkulo sa pinakataas nga gitugot nga working pressure nga Pa sa pipeline pinaagi sa pag-apply sa safety factor nga S f sa resulta nga P sumala sa equation (2):
Busa, kon mogamit og 1″ school 80 nga materyal, ang burst pressure gikalkulo sama sa mosunod:
Ang safety Sf nga 4 ipadapat dayon subay sa ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. Ang UG-101 gikalkulo sama sa mosunod:
Ang resulta nga MAWP value kay 810 psi. Ang pulgada nagtumong lamang sa tubo. Ang flange connection o component nga adunay pinakagamay nga rating sa sistema mao ang magtino sa gitugot nga pressure sa sistema.
Subay sa ASME B16.5, ang pinakataas nga gitugot nga working pressure para sa 150 carbon steel flange fittings kay 285 psi. pulgada sa -20°F hangtod 100°F. Ang Class 300 adunay pinakataas nga gitugot nga working pressure nga 740 psi. Kini ang mahimong pressure limit factor sa sistema sumala sa ehemplo sa espesipikasyon sa materyal sa ubos. Usab, sa mga hydrostatic test lamang, kini nga mga kantidad mahimong molapas sa 1.5 ka pilo.
Isip usa ka ehemplo sa usa ka sukaranang espesipikasyon sa materyal sa carbon steel, ang usa ka espesipikasyon sa linya sa serbisyo sa H2 gas nga nag-operate sa temperatura sa palibot nga ubos sa presyur sa disenyo nga 740 psi. pulgada, mahimong adunay mga kinahanglanon sa materyal nga gipakita sa Talaan 2. Ang mosunod mao ang mga tipo nga mahimong magkinahanglan og atensyon nga ilakip sa espesipikasyon:
Gawas sa tubo mismo, adunay daghang mga elemento nga naglangkob sa sistema sa tubo sama sa mga fitting, balbula, kagamitan sa linya, ug uban pa. Samtang daghan niini nga mga elemento ang ibutang sa usa ka pipeline aron hisgutan kini sa detalyado, kini magkinahanglan og daghang mga panid nga dili ma-akomodar. Kini nga artikulo.