Tento přehled poskytuje doporučení pro bezpečný návrh potrubních systémů pro rozvod vodíku.
Vodík je vysoce těkavá kapalina s vysokou tendencí k úniku.Je to velmi nebezpečná a smrtící kombinace tendencí, těkavá kapalina, kterou je těžké ovládat.Toto jsou trendy, které je třeba vzít v úvahu při výběru materiálů, těsnění a těsnění, stejně jako konstrukční vlastnosti takových systémů.Tato témata o distribuci plynného H2 jsou středem zájmu této diskuse, nikoli produkce H2, kapalného H2 nebo kapalného H2 (viz pravý postranní panel).
Zde je několik klíčových bodů, které vám pomohou porozumět směsi vodíku a H2-vzduchu.Vodík hoří dvěma způsoby: deflagrací a výbuchem.
deflagraci.Deflagrace je běžný režim spalování, při kterém plameny procházejí směsí podzvukovou rychlostí.K tomu dochází například tehdy, když je volný oblak směsi vodíku a vzduchu zapálen malým zdrojem vznícení.V tomto případě se plamen bude pohybovat rychlostí deset až několik set stop za sekundu.Rychlá expanze horkého plynu vytváří tlakové vlny, jejichž síla je úměrná velikosti oblaku.V některých případech může síla rázové vlny stačit k poškození stavebních konstrukcí a dalších předmětů v její cestě a způsobit zranění.
explodovat.Když explodovala, plameny a rázové vlny se šířily směsí nadzvukovou rychlostí.Tlakový poměr v detonační vlně je mnohem větší než při detonaci.Kvůli zvýšené síle je výbuch nebezpečnější pro lidi, budovy a blízké objekty.Normální deflagrace způsobí výbuch při zapálení v uzavřeném prostoru.V takto úzké oblasti může být vznícení způsobeno nejmenším množstvím energie.Ale pro detonaci směsi vodíku a vzduchu v neomezeném prostoru je zapotřebí výkonnější zdroj zapálení.
Tlakový poměr napříč detonační vlnou ve směsi vodíku a vzduchu je asi 20. Při atmosférickém tlaku je poměr 20 300 psi.Když se tato tlaková vlna srazí se stacionárním objektem, tlakový poměr se zvýší na 40-60.Je to způsobeno odrazem tlakové vlny od stacionární překážky.
Sklon k úniku.Plyn H2 má díky své nízké viskozitě a nízké molekulové hmotnosti vysokou tendenci unikat a dokonce pronikat nebo pronikat různými materiály.
Vodík je 8krát lehčí než zemní plyn, 14krát lehčí než vzduch, 22krát lehčí než propan a 57krát lehčí než benzínové páry.To znamená, že při instalaci venku bude plyn H2 rychle stoupat a rozptýlit se, čímž se sníží jakékoli známky rovnoměrného úniku.Ale může to být dvousečná zbraň.Pokud má být svařování prováděno na venkovní instalaci nad nebo po větru od úniku H2 bez studie detekce netěsností před svařováním, může dojít k výbuchu.V uzavřeném prostoru může plyn H2 stoupat a hromadit se od stropu dolů, což je stav, který mu umožňuje nahromadit se ve velkých objemech, než se s větší pravděpodobností dostane do kontaktu se zdroji vznícení v blízkosti země.
Náhodný požár.Samovznícení je jev, při kterém se samovolně vznítí směs plynů nebo par bez vnějšího zdroje vznícení.Je také známé jako „spontánní spalování“ nebo „spontánní spalování“.Samovznícení závisí na teplotě, nikoli na tlaku.
Teplota samovznícení je minimální teplota, při které se palivo spontánně vznítí před zapálením v nepřítomnosti vnějšího zdroje vznícení při kontaktu se vzduchem nebo oxidačním činidlem.Teplota samovznícení jednotlivého prášku je teplota, při které se samovolně vznítí v nepřítomnosti oxidačního činidla.Teplota samovznícení plynného H2 ve vzduchu je 585°C.
Energie vznícení je energie potřebná k zahájení šíření plamene hořlavou směsí.Minimální energie vznícení je minimální energie potřebná k zapálení určité hořlavé směsi při určité teplotě a tlaku.Minimální energie jiskrového zážehu pro plynný H2 v 1 atm vzduchu = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Meze výbušnosti jsou maximální a minimální koncentrace par, mlhy nebo prachu ve vzduchu nebo kyslíku, při kterých dochází k výbuchu.Velikost a geometrie prostředí, stejně jako koncentrace paliva, řídí limity.„mez výbušnosti“ se někdy používá jako synonymum pro „mez výbušnosti“.
Meze výbušnosti pro směsi H2 ve vzduchu jsou 18,3 obj. % (spodní mez) a 59 obj. % (horní mez).
Při navrhování potrubních systémů (obrázek 1) je prvním krokem určení stavebních materiálů potřebných pro každý typ kapaliny.A každá kapalina bude klasifikována v souladu s odstavcem ASME B31.3.300(b)(1) uvádí: „Vlastník je také odpovědný za určení třídy D, M, vysokotlakého a vysoce čistého potrubí a za určení, zda by měl být použit konkrétní systém kvality.
Kategorizace kapalin definuje stupeň testování a požadovaný typ testování, stejně jako mnoho dalších požadavků na základě kategorie kapalin.Odpovědnost vlastníka za to obvykle připadá na technické oddělení vlastníka nebo na externího inženýra.
I když B31.3 Process Piping Code neříká vlastníkovi, který materiál má použít pro konkrétní tekutinu, poskytuje pokyny ohledně pevnosti, tloušťky a požadavků na spojení materiálu.V úvodu kódu jsou také dvě prohlášení, která jasně říkají:
A rozbalte první odstavec výše, odstavec B31.3.300(b)(1) také uvádí: „Vlastník potrubního zařízení je výhradně odpovědný za dodržování tohoto Kodexu a za stanovení požadavků na návrh, konstrukci, inspekci, inspekci a testování upravující veškerou manipulaci s kapalinami nebo proces, jehož je potrubí součástí.Instalace."Po stanovení některých základních pravidel pro odpovědnost a požadavků na definování kategorií fluidních služeb se tedy podívejme, kam zapadá plynný vodík.
Protože plynný vodík působí jako těkavá kapalina s netěsnostmi, plynný vodík lze považovat za normální kapalinu nebo kapalinu třídy M v kategorii B31.3 pro provoz na kapaliny.Jak je uvedeno výše, klasifikace manipulace s kapalinami je požadavkem vlastníka za předpokladu, že splňuje směrnice pro vybrané kategorie popsané v B31.3, odstavec 3. 300.2 Definice v části „Hydraulické služby“.Níže jsou uvedeny definice pro normální provoz kapalin a provoz kapalin třídy M:
„Normální servis kapalin: Údržba kapalin použitelná pro většinu potrubí podléhajících tomuto kodexu, tj. nepodléhající předpisům pro třídy D, M, vysoké teploty, vysoký tlak nebo vysokou čistotu kapalin.
(1) Toxicita kapaliny je tak velká, že jednorázové vystavení velmi malému množství kapaliny způsobené únikem může způsobit vážné trvalé zranění osobám, které ji vdechnou nebo přijdou do styku s ní, a to i v případě, že jsou přijata okamžitá opatření k zotavení.přijato
(2) Po zvážení konstrukce potrubí, zkušeností, provozních podmínek a umístění vlastník určí, že požadavky na normální použití tekutiny nejsou dostatečné k zajištění těsnosti nezbytné k ochraně personálu před expozicí.“
Ve výše uvedené definici M nesplňuje plynný vodík kritéria odstavce (1), protože není považován za toxickou kapalinu.Aplikací pododdílu (2) však Kodex povoluje klasifikaci hydraulických systémů do třídy M po náležitém zvážení „…provedení potrubí, zkušenosti, provozní podmínky a umístění…“ Vlastník povoluje stanovení běžného zacházení s kapalinou.Požadavky jsou nedostatečné pro splnění potřeby vyšší úrovně integrity při navrhování, konstrukci, inspekci, kontrole a testování vodíkových plynových potrubních systémů.
Před projednáním vysokoteplotní vodíkové koroze (HTHA) si přečtěte tabulku 1.Kódy, normy a předpisy jsou uvedeny v této tabulce, která zahrnuje šest dokumentů na téma vodíkové křehnutí (HE), běžné korozní anomálie, která zahrnuje HTHA.OH se může vyskytovat při nízkých a vysokých teplotách.Pokud je považována za formu koroze, může být iniciována několika způsoby a může také ovlivnit širokou škálu materiálů.
HE má různé formy, které lze rozdělit na vodíkové praskání (HAC), vodíkové praskání pod napětím (HSC), korozní praskání pod napětím (SCC), vodíkové korozní praskání (HACC), probublávání vodíku (HB), vodíkové praskání (HIC).)), napěťově orientované vodíkové praskání (SOHIC), progresivní praskání (SWC), sirkové praskání pod napětím (SSC), popraskání v měkkých zónách (SZC) a vysokoteplotní vodíková koroze (HTHA).
Ve své nejjednodušší formě je vodíková křehkost mechanismem destrukce hranic kovových zrn, což má za následek sníženou tažnost v důsledku pronikání atomárního vodíku.Způsoby, kterými k tomu dochází, se různí a jsou částečně definovány svými příslušnými názvy, jako je HTHA, kde je pro zkřehnutí potřebný vodík za vysoké teploty a vysokého tlaku, a SSC, kde se atomární vodík vyrábí jako uzavřené plyny a vodík.v důsledku kyselé koroze prosakují do kovových pouzder, což může vést ke křehnutí.Ale celkový výsledek je stejný jako u všech výše popsaných případů vodíkové křehkosti, kde je pevnost kovu snížena křehnutím pod jeho povolený rozsah napětí, což zase připravuje půdu pro potenciálně katastrofickou událost vzhledem k těkavosti kapaliny.
Kromě tloušťky stěny a výkonu mechanického spoje jsou zde dva hlavní faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru materiálů pro provoz s plynem H2: 1. Vystavení vysokoteplotnímu vodíku (HTHA) a 2. Vážné obavy z možného úniku.Obě témata jsou v současné době projednávána.
Na rozdíl od molekulárního vodíku se atomární vodík může rozpínat, vystavovat vodík vysokým teplotám a tlakům, čímž vytváří základ pro potenciální HTHA.Za těchto podmínek je atomový vodík schopen difundovat do potrubních materiálů nebo zařízení z uhlíkové oceli, kde reaguje s uhlíkem v kovovém roztoku za vzniku metanu na hranicích zrn.Plyn nemůže uniknout, expanduje a vytváří trhliny a štěrbiny ve stěnách potrubí nebo nádob – to je HTGA.Výsledky HTHA můžete jasně vidět na obrázku 2, kde jsou na 8″ stěně patrné trhliny a praskliny.Část potrubí jmenovité velikosti (NPS), která za těchto podmínek selže.
Uhlíková ocel může být použita pro vodíkový provoz, když je provozní teplota udržována pod 500 °F.Jak bylo uvedeno výše, k HTHA dochází, když je plynný vodík udržován při vysokém parciálním tlaku a vysoké teplotě.Uhlíková ocel se nedoporučuje, pokud se očekává, že parciální tlak vodíku bude přibližně 3000 psi a teplota je vyšší než přibližně 450 °F (což je nehodový stav na obrázku 2).
Jak je vidět z upraveného Nelsonova grafu na obrázku 3, částečně převzatého z API 941, vysoká teplota má největší vliv na působení vodíku.Parciální tlak plynného vodíku může přesáhnout 1000 psi při použití s ​​uhlíkovou ocelí pracující při teplotách až 500 °F.
Obrázek 3. Tento upravený Nelsonův diagram (převzatý z API 941) lze použít k výběru vhodných materiálů pro vodíkový provoz při různých teplotách.
Na Obr.3 ukazuje výběr ocelí, u kterých je zaručeno, že zabrání působení vodíku, v závislosti na provozní teplotě a parciálním tlaku vodíku.Austenitické nerezové oceli jsou necitlivé na HTHA a jsou vyhovujícími materiály při všech teplotách a tlacích.
Austenitická nerezová ocel 316/316L je nejpraktičtějším materiálem pro vodíkové aplikace a má osvědčené výsledky.Zatímco u uhlíkových ocelí se doporučuje tepelné zpracování po svařování (PWHT) pro kalcinaci zbytkového vodíku během svařování a snížení tvrdosti tepelně ovlivněné zóny (HAZ) po svařování, u austenitických nerezových ocelí se to nevyžaduje.
Tepelné účinky způsobené tepelným zpracováním a svařováním mají malý vliv na mechanické vlastnosti austenitických korozivzdorných ocelí.Zpracování za studena však může zlepšit mechanické vlastnosti austenitických nerezových ocelí, jako je pevnost a tvrdost.Při ohýbání a tváření trubek z austenitické nerezové oceli se mění jejich mechanické vlastnosti, včetně poklesu plasticity materiálu.
Pokud austenitická nerezová ocel vyžaduje tváření za studena, rozpouštěcí žíhání (zahřátí na přibližně 1045 °C s následným kalením nebo rychlým ochlazením) obnoví mechanické vlastnosti materiálu na původní hodnoty.Rovněž eliminuje segregaci slitiny, senzibilizaci a sigma fázi dosaženou po tváření za studena.Při provádění rozpouštěcího žíhání mějte na paměti, že rychlé ochlazení může vrátit zbytkové napětí do materiálu, pokud se s ním nezachází správně.
V tabulkách GR-2.1.1-1 Index specifikace materiálu sestavy potrubí a hadic a GR-2.1.1-2 Index specifikace materiálu potrubí v ASME B31 jsou uvedeny přijatelné volby materiálu pro provoz H2.trubky jsou dobrým místem, kde začít.
Se standardní atomovou hmotností 1,008 atomových hmotnostních jednotek (amu) je vodík nejlehčím a nejmenším prvkem v periodické tabulce, a proto má vysokou náchylnost k úniku s potenciálně ničivými následky, mohu dodat.Proto musí být plynovodní systém navržen tak, aby omezil mechanické spoje a zlepšil ty spoje, které jsou skutečně potřebné.
Při omezování potenciálních netěsností by měl být systém plně svařen, s výjimkou přírubových spojů na zařízení, potrubních prvcích a armaturách.Je třeba se pokud možno vyhnout závitovým spojům, ne-li úplně.Pokud se závitovým spojům nelze z jakéhokoli důvodu vyhnout, doporučuje se je plně zapojit bez těsnicího prostředku na závity a následně utěsnit svar.Při použití trubek z uhlíkové oceli musí být spoje trubek svařeny natupo a po svařování tepelně zpracovány (PWHT).Po svaření jsou trubky v tepelně ovlivněné zóně (HAZ) vystaveny působení vodíku i při okolní teplotě.Zatímco vodíkový útok nastává primárně při vysokých teplotách, stupeň PWHT tuto možnost zcela omezí, ne-li zcela eliminuje, dokonce i za okolních podmínek.
Slabým místem celosvařovaného systému je přírubový spoj.Pro zajištění vysokého stupně těsnosti přírubových spojů by měla být použita těsnění Kammprofile (obr. 4) nebo jiná forma těsnění.Tato podložka vyrobená téměř stejným způsobem od několika výrobců je velmi shovívavá.Skládá se z ozubených celokovových kroužků vložených mezi měkké, deformovatelné těsnicí materiály.Zuby soustřeďují zatížení šroubu na menší plochu, aby zajistily těsné usazení s menším napětím.Je konstruován tak, že dokáže vyrovnat nerovné povrchy přírub i kolísající provozní podmínky.
Obrázek 4. Těsnění Kammprofile mají kovové jádro spojené na obou stranách měkkým plnivem.
Dalším důležitým faktorem integrity systému je ventil.Netěsnosti kolem těsnění vřetene a přírub těla jsou skutečným problémem.Abyste tomu zabránili, doporučuje se vybrat ventil s vlnovcovým těsněním.
Použijte 1 palec.Trubka z uhlíkové oceli School 80, v našem příkladu níže, s ohledem na výrobní tolerance, korozi a mechanické tolerance v souladu s ASTM A106 Gr B, lze maximální přípustný pracovní tlak (MAWP) vypočítat ve dvou krocích při teplotách až 300 °F (Poznámka: Důvodem „…pro teploty do 300 °F…“ je to, že dovolené napětí (S) překročí teplotu materiálu ASTM 0º 6 °F. .(S), takže rovnice (1) vyžaduje Upravit na teploty nad 300ºF.)
Podle vzorce (1) je prvním krokem výpočet teoretického tlaku při roztržení potrubí.
T = tloušťka stěny trubky mínus mechanické, korozní a výrobní tolerance v palcích.
Druhou částí procesu je výpočet maximálního povoleného pracovního tlaku Pa potrubí aplikací bezpečnostního faktoru S f na výsledek P podle rovnice (2):
Při použití 1″ školního 80 materiálu se tedy tlak při roztržení vypočítá následovně:
Potom se použije bezpečnostní Sf 4 v souladu s doporučeními ASME pro tlakové nádoby, oddíl VIII-1 2019, odstavec 8. UG-101 se vypočítá takto:
Výsledná hodnota MAWP je 810 psi.palec se vztahuje pouze na potrubí.Přírubový spoj nebo součást s nejnižším jmenovitým výkonem v systému bude určujícím faktorem při určování povoleného tlaku v systému.
Podle ASME B16.5 je maximální povolený pracovní tlak pro přírubové fitinky z uhlíkové oceli 150 285 psi.palce při -20 °F až 100 °F.Třída 300 má maximální povolený pracovní tlak 740 psi.Toto bude tlakový limitní faktor systému podle níže uvedeného příkladu specifikace materiálu.Také pouze v hydrostatických testech mohou tyto hodnoty překročit 1,5krát.
Jako příklad základní specifikace materiálu uhlíkové oceli je uvedena specifikace potrubí pro vedení plynu H2 pracující při okolní teplotě pod návrhovým tlakem 740 psi.palec, může obsahovat požadavky na materiál uvedené v tabulce 2. Níže jsou uvedeny typy, které mohou vyžadovat zahrnutí do specifikace:
Kromě samotného potrubí existuje mnoho prvků, které tvoří potrubní systém, jako jsou armatury, ventily, vybavení potrubí atd. I když mnoho z těchto prvků bude sestaveno do potrubí, abychom je mohli podrobně probrat, bude to vyžadovat více stránek, než je možné pojmout.Tento článek.