Kini nga overview naghatag mga rekomendasyon alang sa luwas nga disenyo sa mga sistema sa tubo alang sa pag-apod-apod sa hydrogen.
Ang hydrogen usa ka labi ka dali nga likido nga adunay taas nga kalagmitan sa pagtulo.Kini usa ka peligroso ug makamatay nga kombinasyon sa mga kalagmitan, usa ka dali nga likido nga lisud kontrolahon.Kini ang mga uso nga gikonsiderar kung nagpili mga materyales, gasket ug mga selyo, ingon man ang mga kinaiya sa disenyo sa ingon nga mga sistema.Kini nga mga hilisgutan mahitungod sa pag-apod-apod sa gas H2 mao ang focus niini nga diskusyon, dili ang produksyon sa H2, liquid H2, o liquid H2 (tan-awa sa tuo nga sidebar).
Ania ang pipila ka mahinungdanong punto aron matabangan ka nga masabtan ang pagsagol sa hydrogen ug H2-hangin.Ang hydrogen masunog sa duha ka paagi: deflagration ug pagbuto.
deflagration.Ang deflagration usa ka komon nga paagi sa pagkasunog diin ang mga siga moagi sa sagol sa subsonic nga gikusgon.Kini mahitabo, pananglitan, sa diha nga ang usa ka libre nga panganod sa hydrogen-hangin nga sagol nga gipasiga sa usa ka gamay nga tinubdan sa ignition.Niini nga kaso, ang siga molihok sa gikusgon nga napulo ngadto sa pipila ka gatos ka tiil kada segundo.Ang paspas nga pagpalapad sa init nga gas nagmugna og mga pressure wave nga ang kalig-on kay proporsyonal sa gidak-on sa panganod.Sa pipila ka mga kaso, ang kusog sa shock wave mahimong igo nga makadaot sa mga istruktura sa pagtukod ug uban pang mga butang sa agianan niini ug hinungdan sa kadaot.
mobuto.Sa dihang kini mibuto, ang mga siga ug mga shock wave miagi sa sagol sa supersonic nga katulin.Ang ratio sa presyur sa usa ka detonation wave mas dako kay sa usa ka detonation.Tungod sa dugang nga pwersa, ang pagbuto mas delikado alang sa mga tawo, mga bilding ug sa duol nga mga butang.Ang normal nga deflagration hinungdan sa usa ka pagbuto kung gisunog sa usa ka limitado nga wanang.Sa ingon ka pig-ot nga lugar, ang pagsunog mahimong hinungdan sa labing gamay nga kantidad sa enerhiya.Apan alang sa pagpabuto sa usa ka hydrogen-air mixture sa usa ka walay kinutuban nga luna, gikinahanglan ang usa ka mas kusgan nga tinubdan sa ignition.
Ang ratio sa presyur tabok sa detonation wave sa usa ka hydrogen-air mixture maoy mga 20. Sa atmospheric pressure, ang ratio nga 20 kay 300 psi.Kung kini nga balud sa presyur nabangga sa usa ka naghunong nga butang, ang ratio sa presyur motaas sa 40-60.Kini tungod sa pagpamalandong sa usa ka balud sa presyur gikan sa usa ka naghunong nga babag.
Ang kalagmitan sa pagtulo.Tungod sa ubos nga viscosity niini ug ubos nga gibug-aton sa molekula, ang H2 gas adunay taas nga kalagmitan sa pagtulo ug gani motuhop o motuhop sa nagkalain-laing mga materyales.
Ang hydrogen 8 ka beses nga mas gaan kaysa natural nga gas, 14 ka beses nga mas gaan kaysa hangin, 22 ka beses nga mas gaan kaysa propane ug 57 ka beses nga mas gaan kaysa gasoline vapor.Nagpasabot kini nga kung ma-install sa gawas, ang H2 gas dali nga mobangon ug mawala, nga makunhuran ang bisan unsang mga timailhan sa bisan mga pagtulo.Apan kini mahimo nga usa ka duha ka sulab nga espada.Ang usa ka pagbuto mahimong mahitabo kung ang welding ipahigayon sa usa ka gawas nga instalasyon sa ibabaw o sa ubos sa hangin sa usa ka H2 leak nga walay pagtuon sa leak detection sa wala pa ang welding.Sa usa ka sirado nga luna, ang H2 nga gas mahimong mosaka ug magtigum gikan sa kisame paubos, usa ka kondisyon nga nagtugot niini nga magtukod og daghang mga volume sa dili pa mas lagmit nga makontak sa mga tinubdan sa ignition duol sa yuta.
Aksidente nga sunog.Ang self-ignition usa ka panghitabo diin ang usa ka sinagol nga mga gas o mga alisngaw nga nagdilaab nga wala’y gawas nga gigikanan sa pagsunog.Nailhan usab kini nga "spontaneous combustion" o "spontaneous combustion".Ang pagsunog sa kaugalingon nagdepende sa temperatura, dili sa pressure.
Ang temperatura sa autoignition mao ang minimum nga temperatura diin ang usa ka sugnod kusang magdilaab sa wala pa ang ignition kung wala ang usa ka eksternal nga gigikanan sa ignition sa pagkontak sa hangin o usa ka ahente sa pag-oxidizing.Ang temperatura sa autoignition sa usa ka powder mao ang temperatura diin kini kusog nga nagdilaab kung wala ang usa ka ahente sa pag-oxidizing.Ang self-ignition temperature sa gas H2 sa hangin maoy 585°C.
Ang enerhiya sa ignition mao ang kusog nga gikinahanglan aron masugdan ang pagpadaghan sa usa ka siga pinaagi sa usa ka masunog nga sagol.Ang minimum nga enerhiya sa ignition mao ang minimum nga enerhiya nga gikinahanglan sa pagsunog sa usa ka partikular nga combustible mixture sa usa ka partikular nga temperatura ug pressure.Minimum nga spark ignition energy para sa gas H2 sa 1 atm sa hangin = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Ang mga limitasyon sa eksplosibo mao ang pinakataas ug minimum nga konsentrasyon sa mga alisngaw, gabon o mga abog sa hangin o oksiheno diin mahitabo ang pagbuto.Ang gidak-on ug geometry sa palibot, ingon man ang konsentrasyon sa sugnod, nagkontrol sa mga limitasyon.Ang "limitasyon sa pagbuto" usahay gigamit ingon usa ka synonym sa "limitasyon sa pagbuto".
Ang mga limitasyon sa eksplosibo alang sa H2 mixtures sa hangin mao ang 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 matang sa fluid.Ug ang matag pluwido pagaklasipikar sumala sa ASME B31.3 paragraph.Ang 300(b)(1) nag-ingon, "Ang tag-iya usab ang responsable sa pagtino sa klase D, M, taas nga presyur, ug taas nga kaputli sa mga tubo, ug pagtino kung ang usa ka partikular nga sistema sa kalidad kinahanglan gamiton."
Ang pagkategorya sa likido naghubit sa lebel sa pagsulay ug ang matang sa pagsulay nga gikinahanglan, ingon man usab sa daghang uban pang mga kinahanglanon base sa kategorya sa likido.Ang responsibilidad sa tag-iya alang niini kasagarang nahulog sa departamento sa engineering sa tag-iya o usa ka outsourced nga inhenyero.
Samtang ang B31.3 Process Piping Code wala magsulti sa tag-iya kung unsang materyal ang gamiton alang sa usa ka partikular nga pluwido, kini naghatag giya sa kusog, gibag-on, ug mga kinahanglanon sa koneksyon sa materyal.Adunay usab duha ka mga pahayag sa pasiuna sa code nga klaro nga nag-ingon:
Ug pagpalapad sa unang paragraph sa ibabaw, paragraph B31.3.Ang 300(b)(1) nag-ingon usab: “Ang tag-iya sa instalasyon sa pipeline maoy bugtong responsable sa pagsunod niini nga Kodigo ug sa pag-establisar sa disenyo, pagtukod, pag-inspeksyon, pag-inspeksyon, ug mga kinahanglanon sa pagsulay nga nagdumala sa tanang pagdumala sa pluwido o proseso diin ang pipeline maoy bahin.Pag-instalar.”Mao nga, pagkahuman sa pagbutang sa pipila ka sukaranan nga mga lagda alang sa tulubagon ug mga kinahanglanon alang sa pagtino sa mga kategorya sa serbisyo sa pluwido, tan-awon naton kung diin ang hydrogen gas mohaum.
Tungod kay ang hydrogen gas naglihok isip usa ka dali nga likido nga adunay mga pagtulo, 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 gipahayag sa ibabaw, ang klasipikasyon sa pagdumala sa fluid usa ka kinahanglanon sa tag-iya, basta kini makatagbo sa mga giya alang sa pinili nga mga kategoriya nga gihulagway sa B31.3, parapo 3. 300.2 Mga kahulugan sa seksyon nga "Hydraulic services".Ang mosunud mao ang mga kahulugan alang sa normal nga serbisyo sa likido ug serbisyo sa likido sa Klase M:
“Normal Fluid Service: Fluid service applicable sa kadaghanang piping subject niini nga code, ie not subject to regulations for classes D, M, high temperature, high pressure, o high fluid cleanliness.
(1) Ang toxicity sa pluwido dako kaayo nga ang usa ka pagkaladlad sa usa ka gamay kaayo nga kantidad sa fluid nga gipahinabo sa usa ka pagtulo mahimong hinungdan sa seryoso nga permanente nga kadaot sa mga makaginhawa o makakontak niini, bisan kung ang mga dinalian nga lakang sa pagbawi gihimo.gikuha
(2) Human makonsiderar ang disenyo sa pipeline, kasinatian, kondisyon sa pag-operate, ug lokasyon, gitino sa tag-iya nga ang mga kinahanglanon alang sa normal nga paggamit sa pluwido dili igo aron mahatagan ang kahugot nga gikinahanglan aron mapanalipdan ang mga kawani gikan sa pagkaladlad.”
Sa taas nga kahulugan sa M, ang hydrogen gas wala makaabot sa mga criteria sa paragraph (1) tungod kay wala kini isipa nga makahilo nga likido.Bisan pa, pinaagi sa paggamit sa subsection (2), gitugotan sa Kodigo ang pagklasipikar sa hydraulic system sa klase M pagkahuman sa angay nga konsiderasyon sa "... disenyo sa tubo, kasinatian, kondisyon sa pag-operate ug lokasyon..." Gitugotan sa tag-iya ang pagtino sa normal nga pagdumala sa likido.Ang mga kinahanglanon dili igo aron matubag ang panginahanglan alang sa usa ka mas taas nga lebel sa integridad sa disenyo, pagtukod, pag-inspeksyon, pag-inspeksyon ug pagsulay sa mga sistema sa tubo sa hydrogen gas.
Palihug tan-awa ang Talaan 1 sa dili pa hisgutan ang High Temperature Hydrogen Corrosion (HTHA).Ang mga kodigo, mga sumbanan, ug mga regulasyon gilista niini nga lamesa, nga naglakip sa unom ka mga dokumento sa hilisgutan sa hydrogen embrittlement (HE), usa ka komon nga corrosion anomalya nga naglakip sa HTHA.Ang OH mahimong mahitabo sa ubos ug taas nga temperatura.Giisip nga usa ka porma sa kaagnasan, mahimo kini nga magsugod sa daghang mga paagi ug makaapekto usab sa daghang mga materyales.
SIYA adunay lain-laing mga porma, nga mahimong bahinon ngadto 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 alang sa pagguba sa mga utlanan sa metal nga grain, nga miresulta sa pagkunhod sa ductility tungod sa pagsulod sa atomic hydrogen.Ang mga paagi diin kini mahitabo managlahi ug adunay bahin nga gihubit sa ilang tagsa-tagsa ka mga 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-gases ug hydrogen.tungod sa acid corrosion, sila motuhop ngadto sa metal nga mga kaso, nga mahimong mosangpot sa brittleness.Apan ang kinatibuk-ang resulta mao ang sama sa alang sa tanan nga mga kaso sa hydrogen embrittlement nga gihulagway sa ibabaw, diin ang kalig-on sa metal gipakunhod pinaagi sa embrittlement ubos sa iyang gitugot stress range, nga sa baylo nagtakda sa entablado alang sa usa ka kalagmitan sa katalagman nga panghitabo nga gihatag sa volatility sa liquid.
Dugang pa sa gibag-on sa dingding ug mekanikal nga hiniusang pasundayag, adunay duha ka nag-unang mga hinungdan nga ikonsiderar sa pagpili sa mga materyales alang sa serbisyo sa H2 gas: 1. Pagkaladlad sa taas nga temperatura nga hydrogen (HTHA) ug 2. Seryoso nga mga kabalaka bahin sa potensyal nga pagtulo.Ang duha ka mga hilisgutan kasamtangan nga gihisgutan.
Dili sama sa molecular hydrogen, ang atomic hydrogen mahimong molapad, nga magladlad sa hydrogen sa taas nga temperatura ug presyur, nga maghimo sa basehan alang sa potensyal nga HTHA.Ubos niini nga mga kondisyon, ang atomic hydrogen makahimo sa pagsabwag ngadto sa carbon steel piping nga mga materyales o ekipo, diin kini mo-react sa carbon sa metal nga solusyon aron mahimong methane gas sa mga utlanan sa lugas.Dili makaikyas, ang gas nagpalapad, nga naghimo sa mga liki ug mga liki sa mga bungbong sa mga tubo o mga sudlanan - kini ang HTGA.Klaro nimong makita ang mga resulta sa HTHA sa Figure 2 diin makita ang mga liki ug mga liki sa 8″ nga bungbong.Ang bahin sa nominal size (NPS) nga tubo nga napakyas ubos niini nga mga kondisyon.
Ang carbon steel mahimong magamit alang sa serbisyo sa hydrogen kung ang temperatura sa operasyon magpabilin nga ubos sa 500 ° F.Sama sa gihisgutan sa ibabaw, 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 hapit 3000 psi ug ang temperatura labaw sa 450 ° F (nga mao ang kahimtang sa aksidente sa Figure 2).
Sama sa makita gikan sa giusab nga Nelson plot sa Figure 3, nga gikuha sa bahin gikan sa API 941, ang taas nga temperatura adunay labing dako nga epekto sa pagpugos sa hydrogen.Ang partial pressure sa hydrogen gas mahimong molapas sa 1000 psi kung gamiton sa mga carbon steel nga naglihok sa temperatura hangtod sa 500 ° F.
Figure 3. Kining giusab nga tsart sa Nelson (gipahiangay sa API 941) mahimong gamiton sa pagpili sa angay nga mga materyales alang sa serbisyo sa hydrogen sa lain-laing mga temperatura.
Sa fig.3 nagpakita sa pagpili sa steels nga garantisado sa paglikay sa hydrogen atake, depende sa operating temperatura ug partial pressure sa hydrogen.Ang Austenitic stainless steels dili sensitibo sa HTHA ug makatagbaw nga mga materyales sa tanang temperatura ug pressure.
Austenitic 316/316L stainless steel mao ang labing praktikal nga materyal alang sa hydrogen aplikasyon ug adunay usa ka napamatud track record.Samtang girekomendar ang post-weld heat treatment (PWHT) para sa carbon steels nga mag-calcinate sa residual hydrogen atol sa welding ug makunhuran ang katig-a sa heat affected zone (HAZ) human sa welding, wala kini gikinahanglan para sa austenitic stainless steels.
Ang mga epekto sa thermothermal tungod sa pagtambal sa init ug welding adunay gamay nga epekto sa mekanikal nga mga kabtangan sa austenitic stainless steels.Bisan pa, ang bugnaw nga pagtrabaho makapauswag sa mekanikal nga mga kabtangan sa austenitic stainless steels, sama sa kusog ug katig-a.Sa diha nga ang bending ug pagporma sa mga tubo gikan sa austenitic stainless steel, ang ilang mekanikal nga mga kabtangan mausab, lakip na ang pagkunhod sa plasticity sa materyal.
Kung ang austenitic stainless steel nanginahanglan bugnaw nga pagporma, ang pag-annea sa solusyon (pagpainit sa gibana-bana nga 1045 ° C nga gisundan sa pagpalong o paspas nga pagpabugnaw) ibalik ang mekanikal nga mga kabtangan sa materyal sa ilang orihinal nga mga kantidad.Kini usab magwagtang sa alloy segregation, sensitization ug sigma phase nga nakab-ot human sa bugnaw nga pagtrabaho.Sa paghimo sa solusyon nga annealing, hibaloa nga ang paspas nga pagpabugnaw makabutang sa nahabilin nga stress balik sa materyal kung dili maayo ang pagdumala.
Tan-awa ang mga lamesa 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 alang sa madawat nga materyal nga mga pagpili alang sa H2 nga serbisyo.Ang mga tubo usa ka maayong dapit sa pagsugod.
Uban sa sumbanan nga atomic nga gibug-aton nga 1.008 atomic mass units (amu), ang hydrogen mao ang pinakagaan ug pinakagamay nga elemento sa periodic table, ug busa adunay taas nga kalagmitan sa pagtulo, nga adunay posibleng makadaot nga mga sangputanan, mahimo nakong idugang.Busa, ang sistema sa gas pipeline kinahanglan nga gidisenyo sa paagi nga limitahan ang mekanikal nga tipo nga mga koneksyon ug mapaayo ang mga koneksyon nga kinahanglan gyud.
Kung gilimitahan ang potensyal nga mga punto sa pagtulo, ang sistema kinahanglan nga hingpit nga welded, gawas sa mga flanged nga koneksyon sa mga kagamitan, mga elemento sa tubo ug mga kasangkapan.Ang mga sinulid nga koneksyon kinahanglan likayan kutob sa mahimo, kung dili hingpit.Kung ang mga sinulud nga koneksyon dili malikayan sa bisan unsang hinungdan, girekomenda nga hingpit nga iapil kini nga wala’y thread sealant ug dayon i-seal ang weld.Kung gamiton ang carbon steel pipe, ang mga lutahan sa tubo kinahanglan nga butt welded ug post weld heat treated (PWHT).Human sa welding, ang mga tubo sa heat-affected zone (HAZ) ma-expose sa hydrogen attack bisan sa ambient temperature.Samtang ang pag-atake sa hydrogen sa panguna mahitabo sa taas nga temperatura, ang yugto sa PWHT hingpit nga makunhuran, kung dili mawagtang, kini nga posibilidad bisan sa ilawom sa mga kondisyon sa palibot.
Ang huyang nga punto sa all-welded nga sistema mao ang flange nga koneksyon.Aron masiguro ang taas nga lebel sa kahugot sa mga koneksyon sa flange, ang mga gasket sa Kammprofile (fig. 4) o laing porma sa mga gasket kinahanglan gamiton.Gihimo sa halos parehas nga paagi sa daghang mga tiggama, kini nga pad mapasayloon kaayo.Naglangkob kini sa mga ngipon nga all-metal nga mga singsing nga gibutang taliwala sa humok, deformable nga mga materyales sa pagbugkos.Ang mga ngipon nagkonsentrar sa load sa bolt sa usa ka gamay nga lugar aron mahatagan ang usa ka hugot nga angay nga adunay gamay nga stress.Gidisenyo kini sa paagi nga mabayran niini ang dili patas nga flange surfaces ingon man ang nag-usab-usab nga kondisyon sa pag-operate.
Figure 4. Ang mga gasket sa Kammprofile adunay usa ka metal nga core nga gibugkos sa duha ka kilid nga adunay usa ka humok nga filler.
Ang laing importante nga butang sa integridad sa sistema mao ang balbula.Ang mga pagtulo sa palibot sa stem seal ug mga flanges sa lawas usa ka tinuod nga problema.Aron mapugngan kini, girekomenda ang pagpili sa usa ka balbula nga adunay seal sa bellows.
Gamit ug 1 ka pulgada.Ang School 80 nga carbon steel pipe, sa among panig-ingnan sa ubos, gihatagan mga pagtugot sa paggama, kaagnasan ug mekanikal nga pagtugot sumala sa ASTM A106 Gr B, ang labing taas nga gitugotan nga presyur sa pagtrabaho (MAWP) mahimong kalkulado sa duha nga mga lakang sa temperatura hangtod sa 300 ° F (Pahinumdom: Ang hinungdan sa "...para sa mga temperatura hangtod sa 300ºF… 300ºF.(S), mao nga ang Equation (1) nanginahanglan I-adjust sa temperatura nga labaw sa 300ºF.)
Naghisgot sa pormula (1), ang unang lakang mao ang pagkalkulo sa pipeline theoretical burst pressure.
T = pipe nga gibag-on sa bungbong minus mekanikal, corrosion ug manufacturing tolerances, sa pulgada.
Ang ikaduhang bahin sa proseso mao ang pagkalkulo sa pinakataas nga gitugot nga working pressure Pa sa pipeline pinaagi sa paggamit sa safety factor S f sa resulta P sumala sa equation (2):
Busa, sa diha nga ang paggamit sa 1 ″ eskwelahan 80 nga materyal, ang pagbuto pressure kalkulado ingon sa mosunod:
Ang usa ka kaluwasan nga Sf sa 4 kay gipadapat subay sa ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. Ang UG-101 gikalkula ingon sa mosunod:
Ang resulta nga MAWP nga kantidad mao ang 810 psi.pulgada nagtumong sa tubo lamang.Ang koneksyon sa flange o sangkap nga adunay labing ubos nga rating sa sistema mao ang hinungdan nga hinungdan sa pagtino sa gitugotan nga presyur sa sistema.
Sa ASME B16.5, ang pinakataas nga gitugot nga presyur sa pagtrabaho alang sa 150 nga carbon steel flange fitting mao ang 285 psi.pulgada sa -20°F ngadto sa 100°F.Ang Class 300 adunay pinakataas nga gitugot nga presyur sa pagtrabaho nga 740 psi.Kini ang mahimong pressure limit factor sa sistema sumala sa pananglitan sa detalye sa materyal sa ubos.Usab, sa mga pagsulay sa hydrostatic lamang, kini nga mga kantidad mahimong molapas sa 1.5 ka beses.
Ingon usa ka pananglitan sa usa ka sukaranan nga detalye sa materyal nga carbon steel, usa ka detalye sa linya sa serbisyo sa gas nga H2 nga naglihok sa usa ka temperatura sa palibot nga ubos sa presyur sa disenyo nga 740 psi.pulgada, mahimong maglangkob sa mga kinahanglanon nga materyal nga gipakita sa Talaan 2. Ang mga musunud mga tipo nga mahimong magkinahanglan og pagtagad aron maapil sa espesipikasyon:
Gawas sa piping mismo, adunay daghang elemento nga naglangkob sa piping system sama sa fittings, valves, line equipment, ug uban pa. Samtang daghan niini nga mga elemento ang ibutang sa usa ka pipeline aron sa paghisgot niini sa detalye, kini magkinahanglan og dugang nga mga panid kay sa ma-accommodate.Kini nga artikulo.