Questa panoramica furnisce cunsiglii per u disignu sicuru di sistemi di tubazioni per a distribuzione di l'idrogenu.
L'idrogenu hè un liquidu altamente volatile cù una alta tendenza à fughje.Hè una cumminazione assai periculosa è mortale di tendenzi, un liquidu volatile chì hè difficiule di cuntrullà.Quessi sò tendenzi da cunsiderà quandu sceglite materiali, guarnizioni è sigilli, è ancu e caratteristiche di designu di tali sistemi.Questi temi nantu à a distribuzione di H2 gassosa sò u focu di sta discussione, micca a produzzione di H2, H2 liquidu, o H2 liquidu (vede a barra laterale right).
Eccu alcuni punti chjave per aiutà à capisce a mistura di l'idrogenu è l'aria H2.L'idrogenu brusgia in dui modi: deflagrazione è splusione.
deflagrazione.A deflagrazione hè un modu di combustione cumuni in quale i fiammi viaghjanu attraversu a mistura à velocità subsoniche.Questu accade, per esempiu, quandu un nuvulu liberu di mistura di l'idrogenu-aria hè ignitu da una piccula fonte di ignizione.In questu casu, a fiamma si move à una vitezza di deci à parechji centu metri per seconda.A rapida espansione di u gasu caldu crea onde di pressione chì a forza hè proporzionale à a dimensione di u nuvulu.In certi casi, a forza di l'onda di scossa pò esse abbastanza per dannà strutture di custruzzione è altri oggetti in u so percorsu è causanu ferite.
splode.Quandu hà splutatu, fiamme è onde di scossa viaghjavanu attraversu a mistura à velocità supersoniche.U rapportu di pressione in una onda di detonazione hè assai più grande cà in una detonazione.A causa di a forza aumentata, l'esplosione hè più periculosa per e persone, edifici è oggetti vicini.A deflagrazione nurmale provoca una splusione quandu si ignite in un spaziu ristrettu.In una zona cusì stretta, l'ignizione pò esse causata da u minimu quantità di energia.Ma per a detonazione di una mistura di l'idrogenu-aria in un spaziu illimitatu, hè necessariu una fonte d'ignizione più putente.
U rapportu di pressione à traversu l'onda di detonazione in una mistura di l'idrogenu-aria hè di circa 20. À a pressione atmosferica, un rapportu di 20 hè 300 psi.Quandu sta onda di pressione collide cù un ughjettu stazionariu, u rapportu di pressione aumenta à 40-60.Questu hè dovutu à a riflessione di una onda di pressione da un ostaculu stazionariu.
Tendenza à fughje.A causa di a so viscosità bassa è u pesu molekulari bassu, u gas H2 hà una alta tendenza à fughje è ancu permeate o penetre in diversi materiali.
L'idrogenu hè 8 volte più liggeru di u gasu naturale, 14 volte più liggeru di l'aria, 22 volte più liggeru di u propanu è 57 volte più liggeru di u vapore di benzina.Questu significa chì quandu hè stallatu fora, u gasu H2 s'elevarà rapidamente è dissiparà, riducendu ogni segnu di perdite ancu.Ma pò esse una spada à doppiu tagliu.Una splusione pò accade se a saldatura deve esse realizatu nantu à una stallazione esterna sopra o sottu u ventu di una fuga H2 senza un studiu di rilevazione di fughe prima di saldatura.In un spaziu chjusu, u gasu H2 pò risaltà è accumulà da u tettu, una cundizione chì permette di custruisce grandi volumi prima di esse più prubabile di entra in cuntattu cù fonti di ignizione vicinu à a terra.
Incendiu accidintali.L'autoignizione hè un fenomenu in quale una mistura di gasi o vapori s'ignite spontaneamente senza una fonte esterna di ignizione.Hè cunnisciutu ancu com'è "combustione spontanea" o "combustione spontanea".L'autoignizione dipende da a temperatura, micca a pressione.
A temperatura di l'autoignizione hè a temperatura minima à a quale un carburante s'ignisce spontaneamente prima di l'ignizione in l'absenza di una fonte esterna di ignizione à u cuntattu cù l'aria o un agenti ossidante.A temperatura di l'autoignizione di una sola polvere hè a temperatura à a quale spontaneamente ignites in l'absenza di un agenti oxidante.A temperatura d'autoignizione di l'H2 gassosa in l'aria hè 585 ° C.
L'energia di ignizione hè l'energia necessaria per inizià a propagazione di una fiamma à traversu una mistura combustible.L'energia minima d'ignizione hè l'energia minima necessaria per accende una mistura combustibile particulare à una temperatura è pressione particulare.Energia minima d'ignizione di scintilla per H2 gassosa in 1 atm d'aria = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
I limiti di esplosivi sò e cuncentrazione massima è minima di vapori, nebbie o polveri in l'aria o l'ossigenu à quale si trova una splusione.A dimensione è a geometria di l'ambiente, è ancu a cuncentrazione di u carburante, cuntrolla i limiti."Limite di esplosione" hè qualchì volta usatu cum'è sinonimu di "limite di esplosione".
I limiti splusivi per i mischi di H2 in l'aria sò 18,3 vol.% (limite inferjuri) è 59 vol.% (limite superiore).
Quandu u disignu di sistemi di piping (Figura 1), u primu passu hè di determinà i materiali di custruzzione necessarii per ogni tipu di fluidu.È ogni fluidu serà classificatu in cunfurmità cù ASME B31.3 paragrafu.300 (b) (1) dice, "U pruprietariu hè ancu rispunsevuli di determinà a classe D, M, alta pressione è tubazioni d'alta purezza, è stabilisce se un sistema di qualità particulari deve esse usatu".
A categurizazione di u fluidu definisce u gradu di prova è u tipu di prova necessariu, è ancu parechje altre esigenze basate nantu à a categuria di fluidu.A rispunsabilità di u pruprietariu per questu di solitu casca à u dipartimentu di l'ingegneria di u pruprietariu o un ingegnere outsourcing.
Mentre u B31.3 Process Piping Code ùn dice micca à u pruprietariu quale materiale aduprà per un fluidu particulari, furnisce una guida nantu à a forza, u spessore è i requisiti di cunnessione di materiale.Ci hè ancu duie dichjarazioni in l'intruduzioni à u codice chì dichjaranu chjaramente:
È stende nantu à u primu paràgrafu supra, paragrafu B31.3.300 (b) (1) dice ancu: "U pruprietariu di una stallazione di pipeline hè solu rispunsevule per rispettà stu Codice è per stabilisce u disignu, a custruzzione, l'ispezione, l'ispezione è i requisiti di prova chì regulanu tutte e manipolazioni di fluidi o prucessu di quale u pipeline hè una parte.Installazione. "Allora, dopu avè stabilitu alcune regule di basa per a responsabilità è i requisiti per a definizione di categurie di serviziu di fluidu, vedemu induve si inserisce u gasu di l'idrogenu.
Perchè u gasu di l'idrogenu agisce cum'è un liquidu volatile cù perdite, u gasu di l'idrogenu pò esse cunsideratu un liquidu normale o un liquidu di Classe M in a categuria B31.3 per u serviziu di liquidu.Cumu l'hà dettu sopra, a classificazione di a manipulazione di fluidi hè un requisitu di u pruprietariu, sempre chì risponde à e linee guida per e categurie selezziunate descritte in B31.3, paràgraf 3. 300.2 Definizioni in a sezione "Servizi idraulichi".I seguenti sò definizioni per u serviziu di fluidu normale è u serviziu di fluidu di Classe M:
"Serviziu di fluidu normale: serviziu di fluidu applicabile à a maiò parte di i tubi sottumessi à stu codice, vale à dì micca sottumessu à e regulazioni per e classi D, M, alta temperatura, alta pressione, o alta pulizia di fluidi.
(1) A toxicità di u fluidu hè cusì grande chì una sola esposizione à una quantità assai chjuca di u fluidu causatu da una fuga pò causà ferite permanente seriu à quelli chì inhale o entranu in cuntattu cù questu, ancu s'ellu si piglianu misure di ricuperazione immediata.pigliatu
(2) Dopu avè cunsideratu u disignu di u pipeline, l'esperienza, e cundizioni di u funziunamentu è u locu, u pruprietariu determina chì i requisiti per l'usu normale di u fluidu ùn sò micca abbastanza per furnisce a strettezza necessaria per prutege u persunale da l'esposizione."
In a definizione di sopra di M, u gasu di l'idrogenu ùn risponde micca à i criteri di u paràgrafu (1) perchè ùn hè micca cunsideratu un liquidu tossicu.Tuttavia, applicà a subsezione (2), u Codice permette a classificazione di i sistemi idraulichi in a classe M dopu a debita considerazione di "... u disignu di tubazioni, l'esperienza, e cundizioni di u funziunamentu è u locu ..." U pruprietariu permette a determinazione di a manipulazione normale di fluidi.I requisiti sò insufficienti per risponde à a necessità di un livellu più altu di integrità in u disignu, a custruzzione, l'ispezione, l'ispezione è a prova di sistemi di tubazioni di gas di l'idrogenu.
Per piacè riferite à a Tabella 1 prima di discussione di Corrosione di l'idrogenu à alta temperatura (HTHA).I codici, i normi è i rigulamenti sò elencati in questa tavula, chì include sei documenti nantu à u tema di fragilità di l'idrogenu (HE), una anomalia di corrosione cumuni chì include HTHA.L'OH pò esse à a temperatura bassa è alta.Cunsiderata una forma di corrosione, pò esse iniziata in parechje manere è ancu influenzà una larga gamma di materiali.
HE hà diverse forme, chì ponu esse divisi in cracking di l'idrogenu (HAC), cracking di stress di l'idrogenu (HSC), cracking di corrosione di stress (SCC), cracking di corrosione di l'idrogenu (HACC), bubbling di l'idrogenu (HB), cracking di l'idrogenu (HIC).)), cracking di l'idrogenu orientatu à stress (SOHIC), cracking progressiu (SWC), cracking stress di sulfuru (SSC), cracking zone soft (SZC), è corrosione di l'idrogenu à alta temperatura (HTHA).
In a so forma più simplice, a fragilità di l'idrogenu hè un mecanismu per a distruzzione di e fruntiere di granu di metallu, risultatu in una duttilità ridutta per via di a penetrazione di l'idrogenu atomicu.I modi in quale questu accade sò variati è sò in parte definiti da i so rispettivi nomi, cum'è HTHA, induve l'idrogenu d'alta pressione simultanea è alta pressione hè necessariu per embrittlement, è SSC, induve l'idrogenu atomicu hè pruduttu cum'è gasi chjusi è l'idrogenu.a causa di currusioni àcitu, si infiltranu in casi di metallu, chì pò purtà à brittleness.Ma u risultatu generale hè u listessu cum'è per tutti i casi di fragilità di l'idrogenu descritti sopra, induve a forza di u metallu hè ridutta da a fragilità sottu à u so intervallu di stress permessu, chì à u turnu prepara a scena per un avvenimentu potenzialmente catastròficu datu a volatilità di u liquidu.
In più di u gruixu di u muru è di u funziunamentu di l'articulazione meccanica, ci sò dui fatturi principali per cunsiderà quandu selezziunate i materiali per u serviziu di gas H2: 1. Esposizione à l'idrogenu d'alta temperatura (HTHA) è 2. Preoccupazioni seriu nantu à u putenziale di fuga.I dui temi sò attualmente in discussione.
A cuntrariu di l'idrogenu moleculare, l'idrogenu atomicu pò espansione, espunendu l'idrogenu à alte temperature è pressioni, creendu a basa per u potenziale HTHA.In queste cundizioni, l'idrogenu atomicu hè capaci di sparghje in i materiali di tubazioni di l'acciaio di carbone o l'equipaggiu, induve reagisce cù u carbone in suluzione metallica per furmà gas metanu à i cunfini di granu.Incapace di scappà, u gasu si stende, creendu cracke è creve in i mura di pipi o navi - questu hè HTGA.Pudete vede chjaramente i risultati HTHA in a Figura 2 induve i cracks è i cracki sò evidenti in u muru di 8″.A parte di u tubu di dimensione nominale (NPS) chì falla in queste cundizioni.
L'acciaio di carbone pò esse usatu per u serviziu di l'idrogenu quandu a temperatura di u funziunamentu hè mantinutu sottu à 500 ° F.Cumu l'esitatu sopra, l'HTHA si trova quandu u gasu di l'idrogenu hè tenutu à alta pressione parziale è alta temperatura.L'azzaru di carbone ùn hè micca cunsigliatu quandu a pressione parziale di l'idrogenu hè prevista per esse intornu à 3000 psi è a temperatura hè sopra à circa 450 ° F (chì hè a cundizione d'accident in Figura 2).
Comu pò esse vistu da a trama di Nelson mudificata in a Figura 3, in parte presa da API 941, a temperatura alta hà u più grande effettu nantu à u forcing di l'idrogenu.A pressione parziale di u gasu di l'idrogenu pò esse più di 1000 psi quandu s'utilice cù acciai di carbone chì operanu à temperature finu à 500 ° F.
Figura 3. Questa carta Nelson mudificata (adattata da API 941) pò esse usata per selezziunà materiali adattati per u serviziu di l'idrogenu à diverse temperature.
Nantu à fig.3 mostra a scelta di acciai chì sò guarantiti per evitari l'attaccu di l'idrogenu, secondu a temperatura di u funziunamentu è a pressione parziale di l'idrogenu.L'acciai inossidabili austenitici sò insensibili à l'HTHA è sò materiali satisfacenti à tutte e temperature è pressioni.
L'acciaio inox austeniticu 316/316L hè u materiale più praticu per l'applicazioni di l'idrogenu è hà una storia pruvata.Mentre u trattamentu termale post-saldatura (PWHT) hè cunsigliatu per l'acciai di carbone per calcinà l'idrogenu residuale durante a saldatura è riduce a durezza di a zona affettata da u calore (HAZ) dopu a saldatura, ùn hè micca necessariu per l'acciai inossidabili austenitici.
L'effetti termotermali causati da u trattamentu termale è di a saldatura anu pocu effettu nantu à e proprietà meccaniche di l'acciaio inox austeniticu.In ogni casu, u travagliu à friddu pò migliurà e proprietà meccaniche di l'acciaio inox austeniticu, cum'è a forza è a durezza.Quandu si curvanu è formanu tubi da l'acciaio inox austeniticu, i so proprietà meccaniche cambianu, cumprese a diminuzione di a plasticità di u materiale.
Se l'acciaio inossidabile austeniticu richiede una formatura à freddo, l'annealing di suluzione (riscaldamentu à circa 1045 ° C seguitu da quenching o rapid cooling) restituverà e proprietà meccaniche di u materiale à i so valori originali.Eliminarà ancu a segregazione di lega, a sensibilizazione è a fase sigma ottenuta dopu u travagliu à freddo.Quandu si esegue l'annealing di soluzione, sia cunzignatu chì u rapidu rinfrescante pò mette u stress residuale in u materiale se ùn hè micca trattatu bè.
Consultate e tabelle GR-2.1.1-1 Indice di specificazione di materiale per l'assemblea di tubi è tubi è GR-2.1.1-2 Indice di specificazione di materiale di tubazione in ASME B31 per selezzione di materiale accettabile per u serviziu H2.i pipi sò un bonu postu per cumincià.
Cù un pesu atomicu standard di 1.008 unità di massa atomica (amu), l'idrogenu hè l'elementu più liggeru è più chjucu nantu à a tavola periodica, è per quessa hà una alta propensione à fughje, cù cunsequenze potenzalmentu devastanti, aghju aghjustatu.Per quessa, u sistema di pipeline di gasu deve esse cuncepitu in modu per limità e cunnessione di tipu meccanicu è migliurà quelli chì sò veramente necessarii.
Quandu si limitanu i punti di perdita potenziale, u sistema deve esse saldatu cumplettamente, eccettu per e cunnessione flangiate nantu à l'equipaggiu, l'elementi di tubazione è i raccordi.I cunnessione filettate deve esse evitata quant'è pussibule, se micca cumpletamente.Se i cunnessi filettati ùn ponu esse evitati per qualsiasi mutivu, hè cunsigliatu di impegnà completamente senza sigillante di filettatura è poi sigillà a saldatura.Quandu si usa un tubu d'acciaio di carbonu, i giunti di i tubi devenu esse saldati in testa è trattati termicamente (PWHT).Dopu a saldatura, i tubi in a zona affettata da u calore (HAZ) sò esposti à l'attaccu di l'idrogenu ancu à a temperatura ambiente.Mentre chì l'attaccu di l'idrogenu si faci principarmenti à e temperature elevate, a tappa PWHT riducerà completamente, se micca eliminà, sta pussibilità ancu in cundizioni ambientali.
U puntu debule di u sistema all-welded hè a cunnessione di flange.Per assicurà un altu gradu di strettezza in cunnessione di flange, i gaskets Kammprofile (fig. 4) o una altra forma di gaskets deve esse usatu.Fattu quasi in u listessu modu da parechji pruduttori, stu pad hè assai perdona.Hè custituitu da anelli dentati interamente in metallo intercalati trà materiali di sigillatura morbidi è deformabili.I denti cuncentranu a carica di u bolt in una zona più chjuca per furnisce un strettu strettu cù menu stress.Hè cuncepitu in tale manera chì pò cumpensà superfici di flange irregolari è e cundizioni di operazione fluttuanti.
Figura 4. I gaskets Kammprofile anu un core di metallu ligatu in i dui lati cù un filler suave.
Un altru fattore impurtante in l'integrità di u sistema hè a valvula.Leaks attornu à u sigellu di stem è i flange di u corpu sò un veru prublema.Per impediscenu questu, hè cunsigliatu di selezziunà una vàlvula cù un segellu di soffiu.
Aduprate 1 inch.Pipa d'acciaio di carbone School 80, in u nostru esempiu quì sottu, datu tolleranze di fabricazione, corrosione è tolleranze meccaniche in cunfurmità cù ASTM A106 Gr B, a pressione massima di travagliu permessa (MAWP) pò esse calculata in duie tappe à temperature finu à 300 ° F (Nota: U mutivu di "...per temperature finu à 300 °F TM ..." hè perchè a temperatura AS6 hè permessa quandu u materiale hè più altu chì u stress hè permessu (A10 S) di u materiale. dépasse 300ºF.(S), donc l'équation (1) nécessite l'ajustement à des températures supérieures à 300ºF.)
In riferimentu à a formula (1), u primu passu hè di calculà a pressione teorica di u pipeline.
T = spessore di a parete di u tubu minus tolleranze meccaniche, di corrosione è di fabricazione, in pollici.
A seconda parte di u prucessu hè di calculà a pressione di travagliu massima permessa Pa di u pipeline appiendu u fattore di sicurezza S f à u risultatu P secondu l'equazioni (2):
Cusì, quandu si usa materiale di scola 1″ 80, a pressione di scoppiu hè calculata cusì:
A sicurezza Sf di 4 hè allora appiicata in cunfurmità cù l'ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 calculatu cusì:
U valore MAWP risultatu hè 810 psi.inch si riferisce solu à a pipa.A cunnessione di flange o cumpunente cù a classificazione più bassa in u sistema serà u fattore determinante in a determinazione di a pressione permessa in u sistema.
Per ASME B16.5, a pressione di travagliu massima permessa per 150 raccordi di flange in acciaio di carbonu hè 285 psi.inch da -20 °F à 100 °F.A Classe 300 hà una pressione di travagliu massima permessa di 740 psi.Questu serà u fattore di limitu di pressione di u sistema secondu l'esempiu di specificazione materiale sottu.Inoltre, solu in testi idrostatici, questi valori ponu esse più di 1,5 volte.
Cum'è un esempiu di una specificazione di basa di materiale di l'azzaru di carbonu, una specificazione di linea di serviziu di gas H2 chì opera à una temperatura ambientale sottu à una pressione di disignu di 740 psi.inch, pò cuntene i requisiti di materiale indicatu in a Tabella 2. I seguenti sò tippi chì ponu esse bisognu d'attenzione per esse inclusi in a specificazione:
In più di u piping stessu, ci sò parechji elementi chì custituiscenu u sistema di piping, cum'è raccordi, valve, equipaghji di linea, etc. Mentre chì parechji di questi elementi seranu riuniti in una pipeline per discutiri in dettagliu, questu serà bisognu di più pagine di ciò chì pò esse allughjatu.Stu articulu.