Mae'r trosolwg hwn yn rhoi argymhellion ar gyfer dylunio systemau pibellau'n ddiogel ar gyfer dosbarthu hydrogen.
Mae hydrogen yn hylif hynod gyfnewidiol gyda thueddiad uchel i ollwng.Mae'n gyfuniad peryglus a marwol iawn o dueddiadau, hylif anweddol sy'n anodd ei reoli.Mae'r rhain yn dueddiadau i'w hystyried wrth ddewis deunyddiau, gasgedi a morloi, yn ogystal â nodweddion dylunio systemau o'r fath.Y pynciau hyn am ddosbarthiad H2 nwyol yw ffocws y drafodaeth hon, nid cynhyrchu H2, hylif H2, neu hylif H2 (gweler y bar ochr dde).
Dyma rai pwyntiau allweddol i'ch helpu i ddeall y cymysgedd o hydrogen ac aer H2.Mae hydrogen yn llosgi mewn dwy ffordd: deflagration a ffrwydrad.
diflaniad.Mae delagration yn fodd hylosgi cyffredin lle mae fflamau'n teithio drwy'r cymysgedd ar gyflymder issonig.Mae hyn yn digwydd, er enghraifft, pan fydd cwmwl rhydd o gymysgedd hydrogen-aer yn cael ei danio gan ffynhonnell tanio fach.Yn yr achos hwn, bydd y fflam yn symud ar gyflymder o ddeg i gannoedd o droedfeddi yr eiliad.Mae ehangiad cyflym nwy poeth yn creu tonnau pwysau y mae eu cryfder yn gymesur â maint y cwmwl.Mewn rhai achosion, gall grym y don sioc fod yn ddigon i niweidio strwythurau adeiladu a gwrthrychau eraill yn ei lwybr ac achosi anaf.
ffrwydro.Pan ffrwydrodd, teithiodd fflamau a thonnau sioc drwy'r cymysgedd ar gyflymder uwchsonig.Mae'r gymhareb gwasgedd mewn ton tanio yn llawer mwy nag mewn taniad.Oherwydd y grym cynyddol, mae'r ffrwydrad yn fwy peryglus i bobl, adeiladau a gwrthrychau cyfagos.Mae deflagration arferol yn achosi ffrwydrad pan gaiff ei danio mewn lle cyfyng.Mewn ardal mor gyfyng, gall tanio gael ei achosi gan y swm lleiaf o egni.Ond ar gyfer tanio cymysgedd hydrogen-aer mewn gofod diderfyn, mae angen ffynhonnell danio fwy pwerus.
Mae'r gymhareb bwysau ar draws y don tanio mewn cymysgedd hydrogen-aer tua 20. Ar bwysau atmosfferig, cymhareb o 20 yw 300 psi.Pan fydd y don bwysau hon yn gwrthdaro â gwrthrych llonydd, mae'r gymhareb bwysau yn cynyddu i 40-60.Mae hyn oherwydd adlewyrchiad ton bwysau o rwystr llonydd.
Tueddiad i ollwng.Oherwydd ei gludedd isel a'i bwysau moleciwlaidd isel, mae gan nwy H2 dueddiad uchel i ollwng a hyd yn oed treiddio neu dreiddio amrywiol ddeunyddiau.
Mae hydrogen 8 gwaith yn ysgafnach na nwy naturiol, 14 gwaith yn ysgafnach nag aer, 22 gwaith yn ysgafnach na phropan a 57 gwaith yn ysgafnach nag anwedd gasoline.Mae hyn yn golygu, pan gaiff ei osod yn yr awyr agored, y bydd y nwy H2 yn codi ac yn gwasgaru'n gyflym, gan leihau unrhyw arwyddion o ollyngiadau gwastad.Ond gall fod yn gleddyf deufin.Gall ffrwydrad ddigwydd os yw weldio i gael ei berfformio ar osodiad awyr agored uwchben neu i lawr y gwynt o ollyngiad H2 heb astudiaeth canfod gollyngiadau cyn weldio.Mewn gofod caeedig, gall nwy H2 godi a chronni o'r nenfwd i lawr, cyflwr sy'n caniatáu iddo gronni hyd at gyfeintiau mawr cyn bod yn fwy tebygol o ddod i gysylltiad â ffynonellau tanio ger y ddaear.
Tân damweiniol.Mae hunan-danio yn ffenomen lle mae cymysgedd o nwyon neu anweddau yn tanio'n ddigymell heb ffynhonnell allanol o danio.Fe'i gelwir hefyd yn “hylosgi digymell” neu “hylosgi digymell”.Mae hunan-danio yn dibynnu ar dymheredd, nid pwysau.
Y tymheredd tanio yw'r tymheredd isaf y bydd tanwydd yn tanio'n ddigymell cyn ei danio yn absenoldeb ffynhonnell allanol o danio pan ddaw i gysylltiad ag aer neu asiant ocsideiddio.Tymheredd awtodanio un powdr yw'r tymheredd y mae'n ei danio'n ddigymell yn absenoldeb asiant ocsideiddio.Tymheredd hunan-danio H2 nwyol mewn aer yw 585 ° C.
Yr egni tanio yw'r egni sydd ei angen i gychwyn ymlediad fflam trwy gymysgedd hylosg.Egni tanio lleiaf yw'r egni lleiaf sydd ei angen i danio cymysgedd llosgadwy penodol ar dymheredd a gwasgedd penodol.Isafswm egni tanio gwreichionen ar gyfer H2 nwyol mewn 1 atm o aer = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Terfynau ffrwydrol yw'r crynodiadau uchaf ac isaf o anweddau, niwloedd neu lwch mewn aer neu ocsigen lle mae ffrwydrad yn digwydd.Mae maint a geometreg yr amgylchedd, yn ogystal â chrynodiad y tanwydd, yn rheoli'r terfynau.Weithiau defnyddir “terfyn ffrwydrad” fel cyfystyr ar gyfer “terfyn ffrwydrad”.
Y terfynau ffrwydrol ar gyfer cymysgeddau H2 mewn aer yw 18.3 cyf.% (terfyn isaf) a 59 cyf.% (terfyn uchaf).
Wrth ddylunio systemau pibellau (Ffigur 1), y cam cyntaf yw pennu'r deunyddiau adeiladu sydd eu hangen ar gyfer pob math o hylif.A bydd pob hylif yn cael ei ddosbarthu yn unol â pharagraff ASME B31.3.Mae 300(b)(1) yn nodi, “Mae'r perchennog hefyd yn gyfrifol am bennu pibellau dosbarth D, M, pwysedd uchel, a phurdeb uchel, a phenderfynu a ddylid defnyddio system ansawdd benodol.”
Mae categoreiddio hylif yn diffinio graddau'r profion a'r math o brofion sydd eu hangen, yn ogystal â llawer o ofynion eraill yn seiliedig ar y categori hylif.Adran beirianneg y perchennog neu beiriannydd allanol sy'n gyfrifol am hyn fel arfer.
Er nad yw Cod Pibellau Proses B31.3 yn dweud wrth y perchennog pa ddeunydd i'w ddefnyddio ar gyfer hylif penodol, mae'n rhoi arweiniad ar gryfder, trwch, a gofynion cysylltiad materol.Mae dau ddatganiad hefyd yn y cyflwyniad i’r cod sy’n datgan yn glir:
Ac ymhelaethwch ar y paragraff cyntaf uchod, paragraff B31.3.Mae 300(b)(1) hefyd yn nodi: “Perchennog gosodiad piblinell yn unig sy’n gyfrifol am gydymffurfio â’r Cod hwn ac am sefydlu’r gofynion dylunio, adeiladu, archwilio, archwilio a phrofi sy’n llywodraethu’r holl drin hylif neu broses y mae’r biblinell yn rhan ohoni.Gosod.”Felly, ar ôl gosod rhai rheolau sylfaenol ar gyfer atebolrwydd a gofynion ar gyfer diffinio categorïau gwasanaeth hylif, gadewch i ni weld lle mae nwy hydrogen yn ffitio i mewn.
Oherwydd bod nwy hydrogen yn gweithredu fel hylif anweddol gyda gollyngiadau, gellir ystyried nwy hydrogen yn hylif arferol neu'n hylif Dosbarth M o dan gategori B31.3 ar gyfer gwasanaeth hylif.Fel y nodwyd uchod, mae dosbarthiad trin hylif yn ofyniad perchennog, ar yr amod ei fod yn bodloni'r canllawiau ar gyfer y categorïau dethol a ddisgrifir yn B31.3, paragraff 3. 300.2 Diffiniadau yn yr adran “Gwasanaethau hydrolig”.Mae'r canlynol yn ddiffiniadau ar gyfer gwasanaeth hylif arferol a gwasanaeth hylif Dosbarth M:
“Gwasanaeth Hylif Arferol: Gwasanaeth hylif sy'n berthnasol i'r rhan fwyaf o bibellau yn amodol ar y cod hwn, hy nid yw'n ddarostyngedig i reoliadau ar gyfer dosbarthiadau D, M, tymheredd uchel, pwysedd uchel, na glendid hylif uchel.
(1) Mae gwenwyndra'r hylif mor fawr fel y gall un amlygiad i ychydig iawn o'r hylif a achosir gan ollyngiad achosi anaf parhaol difrifol i'r rhai sy'n anadlu neu'n dod i gysylltiad ag ef, hyd yn oed os cymerir mesurau adfer ar unwaith.cymryd
(2) Ar ôl ystyried dyluniad piblinellau, profiad, amodau gweithredu, a lleoliad, mae'r perchennog yn penderfynu nad yw'r gofynion ar gyfer defnydd arferol o'r hylif yn ddigonol i ddarparu'r tyndra angenrheidiol i amddiffyn personél rhag dod i gysylltiad.”
Yn y diffiniad uchod o M, nid yw nwy hydrogen yn bodloni meini prawf paragraff (1) oherwydd nid yw'n cael ei ystyried yn hylif gwenwynig.Fodd bynnag, drwy gymhwyso is-adran (2), mae'r Cod yn caniatáu dosbarthu systemau hydrolig yn nosbarth M ar ôl rhoi ystyriaeth ddyledus i “…ddyluniad pibellau, profiad, amodau gweithredu a lleoliad…” Mae'r perchennog yn caniatáu penderfynu ar drin hylifau arferol.Nid yw'r gofynion yn ddigonol i ddiwallu'r angen am lefel uwch o uniondeb wrth ddylunio, adeiladu, archwilio, archwilio a phrofi systemau pibellau nwy hydrogen.
Cyfeiriwch at Dabl 1 cyn trafod Cyrydiad Hydrogen Tymheredd Uchel (HTHA).Rhestrir codau, safonau a rheoliadau yn y tabl hwn, sy'n cynnwys chwe dogfen ar bwnc embrittlement hydrogen (HE), anghysondeb cyrydiad cyffredin sy'n cynnwys HTHA.Gall OH ddigwydd ar dymheredd isel ac uchel.Yn cael ei ystyried yn fath o gyrydiad, gellir ei gychwyn mewn sawl ffordd a hefyd effeithio ar ystod eang o ddeunyddiau.
Mae gan AU wahanol ffurfiau, y gellir eu rhannu'n gracio hydrogen (HAC), cracio straen hydrogen (HSC), cracio cyrydiad straen (SCC), cracio cyrydiad hydrogen (HACC), byrlymu hydrogen (HB), cracio hydrogen (HIC).)), cracio hydrogen sy'n canolbwyntio ar straen (SOHIC), cracio cynyddol (SWC), cracio straen sylffid (SSC), cracio parth meddal (SZC), a chorydiad hydrogen tymheredd uchel (HTHA).
Yn ei ffurf symlaf, mae embrittlement hydrogen yn fecanwaith ar gyfer dinistrio ffiniau grawn metel, gan arwain at lai o hydwythedd oherwydd treiddiad hydrogen atomig.Mae'r ffyrdd y mae hyn yn digwydd yn amrywiol ac yn cael eu diffinio'n rhannol gan eu henwau priodol, megis HTHA, lle mae angen hydrogen tymheredd uchel a gwasgedd uchel ar yr un pryd ar gyfer embrittled, a SSC, lle mae hydrogen atomig yn cael ei gynhyrchu fel nwyon caeëdig a hydrogen.oherwydd cyrydiad asid, maent yn tryddiferu i gasys metel, a all arwain at frau.Ond mae'r canlyniad cyffredinol yr un fath ag ar gyfer pob achos o embrittlement hydrogen a ddisgrifir uchod, lle mae cryfder y metel yn cael ei leihau gan embrittlement islaw ei ystod straen a ganiateir, sydd yn ei dro yn gosod y llwyfan ar gyfer digwyddiad a allai fod yn drychinebus o ystyried anweddolrwydd yr hylif.
Yn ogystal â thrwch wal a pherfformiad mecanyddol ar y cyd, mae dau brif ffactor i'w hystyried wrth ddewis deunyddiau ar gyfer gwasanaeth nwy H2: 1. Amlygiad i hydrogen tymheredd uchel (HTHA) a 2. Pryderon difrifol ynghylch gollyngiadau posibl.Mae'r ddau bwnc yn cael eu trafod ar hyn o bryd.
Yn wahanol i hydrogen moleciwlaidd, gall hydrogen atomig ehangu, gan amlygu'r hydrogen i dymheredd a phwysau uchel, gan greu'r sail ar gyfer HTHA posibl.O dan yr amodau hyn, mae hydrogen atomig yn gallu tryledu i ddeunyddiau neu offer pibellau dur carbon, lle mae'n adweithio â charbon mewn hydoddiant metelaidd i ffurfio nwy methan ar ffiniau grawn.Yn methu â dianc, mae'r nwy yn ehangu, gan greu craciau a holltau yn waliau pibellau neu lestri - HTGA yw hyn.Gallwch weld canlyniadau HTHA yn glir yn Ffigur 2 lle mae craciau a chraciau yn amlwg yn y wal 8″.Y gyfran o bibell maint enwol (NPS) sy'n methu o dan yr amodau hyn.
Gellir defnyddio dur carbon ar gyfer gwasanaeth hydrogen pan gynhelir y tymheredd gweithredu o dan 500 ° F.Fel y crybwyllwyd uchod, mae HTHA yn digwydd pan fydd nwy hydrogen yn cael ei ddal ar bwysedd rhannol uchel a thymheredd uchel.Ni argymhellir dur carbon pan ddisgwylir i'r gwasgedd rhannol hydrogen fod tua 3000 psi a'r tymheredd yn uwch na thua 450 ° F (sef y cyflwr damwain yn Ffigur 2).
Fel y gwelir o'r llain Nelson wedi'i addasu yn Ffigur 3, a gymerwyd yn rhannol o API 941, tymheredd uchel sy'n cael yr effaith fwyaf ar orfodi hydrogen.Gall pwysedd rhannol nwy hydrogen fod yn fwy na 1000 psi pan gaiff ei ddefnyddio gyda dur carbon sy'n gweithredu ar dymheredd hyd at 500 ° F.
Ffigur 3. Gellir defnyddio'r siart Nelson diwygiedig hwn (wedi'i addasu o API 941) i ddewis deunyddiau addas ar gyfer gwasanaeth hydrogen ar dymheredd amrywiol.
Ar ffig.Mae 3 yn dangos y dewis o ddur sy'n sicr o osgoi ymosodiad hydrogen, yn dibynnu ar dymheredd gweithredu a phwysau rhannol hydrogen.Mae dur gwrthstaen austenitig yn ansensitif i HTHA ac yn ddeunyddiau boddhaol ar bob tymheredd a phwysau.
Dur di-staen Austenitig 316/316L yw'r deunydd mwyaf ymarferol ar gyfer cymwysiadau hydrogen ac mae ganddo hanes profedig.Er bod triniaeth wres ôl-weldio (PWHT) yn cael ei argymell ar gyfer duroedd carbon i galchynnu hydrogen gweddilliol yn ystod weldio a lleihau caledwch parth yr effeithir arno ar wres (HAZ) ar ôl weldio, nid oes ei angen ar gyfer duroedd di-staen austenitig.
Nid yw effeithiau thermol a achosir gan driniaeth wres a weldio yn cael fawr o effaith ar briodweddau mecanyddol dur gwrthstaen austenitig.Fodd bynnag, gall gweithio oer wella priodweddau mecanyddol dur gwrthstaen austenitig, megis cryfder a chaledwch.Wrth blygu a ffurfio pibellau o ddur di-staen austenitig, mae eu priodweddau mecanyddol yn newid, gan gynnwys y gostyngiad yn blastigrwydd y deunydd.
Os oes angen ffurfio oer ar ddur di-staen austenitig, bydd anelio hydoddiant (gwresogi i tua 1045 ° C ac yna diffodd neu oeri cyflym) yn adfer priodweddau mecanyddol y deunydd i'w gwerthoedd gwreiddiol.Bydd hefyd yn dileu'r cyfnod gwahanu aloi, sensiteiddio a sigma a gyflawnwyd ar ôl gweithio oer.Wrth gynnal anelio hydoddiant, byddwch yn ymwybodol y gall oeri cyflym roi straen gweddilliol yn ôl yn y deunydd os na chaiff ei drin yn iawn.
Cyfeiriwch at dablau GR-2.1.1-1 Pibellau a Thiwbiau Mynegai Manyleb Deunydd y Cynulliad a Mynegai Manyleb Deunydd Pibellau GR-2.1.1-2 yn ASME B31 ar gyfer detholiadau deunydd derbyniol ar gyfer gwasanaeth H2.mae pibellau yn lle da i ddechrau.
Gyda phwysau atomig safonol o 1.008 uned màs atomig (amu), hydrogen yw'r elfen ysgafnaf a lleiaf ar y tabl cyfnodol, ac felly mae ganddo dueddiad uchel i ollwng, gyda chanlyniadau a allai fod yn ddinistriol, efallai y byddaf yn ychwanegu.Felly, rhaid dylunio'r system piblinellau nwy yn y fath fodd ag i gyfyngu ar gysylltiadau math mecanyddol a gwella'r cysylltiadau hynny sydd eu hangen mewn gwirionedd.
Wrth gyfyngu ar bwyntiau gollwng posibl, dylai'r system gael ei weldio'n llawn, ac eithrio cysylltiadau flanged ar offer, elfennau pibellau a ffitiadau.Dylid osgoi cysylltiadau edafedd cyn belled ag y bo modd, os nad yn gyfan gwbl.Os na ellir osgoi cysylltiadau edau am unrhyw reswm, argymhellir eu cynnwys yn llawn heb seliwr edau ac yna selio'r weldiad.Wrth ddefnyddio pibell ddur carbon, rhaid i'r cymalau pibell gael eu weldio â bwt a thrin ôl-weldiad â gwres (PWHT).Ar ôl weldio, mae pibellau yn y parth yr effeithir arnynt gan wres (HAZ) yn agored i ymosodiad hydrogen hyd yn oed ar dymheredd amgylchynol.Er bod ymosodiad hydrogen yn digwydd yn bennaf ar dymheredd uchel, bydd y cam PWHT yn lleihau'n llwyr, os nad yn dileu, y posibilrwydd hwn hyd yn oed o dan amodau amgylchynol.
Pwynt gwan y system holl-weldio yw'r cysylltiad fflans.Er mwyn sicrhau lefel uchel o dyndra mewn cysylltiadau fflans, dylid defnyddio gasgedi Kammprofile (ffig. 4) neu fath arall o gasgedi.Wedi'i wneud bron yn yr un ffordd gan sawl gweithgynhyrchydd, mae'r pad hwn yn faddeugar iawn.Mae'n cynnwys modrwyau metel danheddog wedi'u rhyngosod rhwng deunyddiau selio meddal, anffurfadwy.Mae'r dannedd yn crynhoi llwyth y bollt mewn ardal lai i ddarparu ffit dynn gyda llai o straen.Fe'i cynlluniwyd yn y fath fodd fel y gall wneud iawn am arwynebau fflans anwastad yn ogystal ag amodau gweithredu cyfnewidiol.
Ffigur 4. Mae gan gasgedi Kammprofile graidd metel wedi'i fondio ar y ddwy ochr â llenwad meddal.
Ffactor pwysig arall yn uniondeb y system yw'r falf.Mae gollyngiadau o amgylch y sêl coesyn a fflansau'r corff yn broblem wirioneddol.Er mwyn atal hyn, argymhellir dewis falf gyda sêl fegin.
Defnyddiwch 1 fodfedd.Pibell ddur carbon Ysgol 80, yn ein hesiampl isod, o ystyried goddefiannau gweithgynhyrchu, cyrydiad a goddefiannau mecanyddol yn unol ag ASTM A106 Gr B, gellir cyfrifo'r pwysau gweithio uchaf a ganiateir (MAWP) mewn dau gam ar dymheredd hyd at 300 ° F (Nodyn : Y rheswm dros “…ar gyfer tymereddau hyd at 300ºF…” yw oherwydd bod y straen a ganiateir (S106 °F) o ddeunydd Gr: A106 yn uwch na'r tymheredd yn uwch na'r tymheredd AS B i 03F. (S), felly mae Hafaliad (1) yn gofyn am Addasu i dymereddau uwch na 300ºF.)
Gan gyfeirio at fformiwla (1), y cam cyntaf yw cyfrifo pwysedd byrstio damcaniaethol y biblinell.
T = trwch wal y bibell heb oddefiannau mecanyddol, cyrydiad a gweithgynhyrchu, mewn modfeddi.
Ail ran y broses yw cyfrifo'r pwysau gweithio mwyaf a ganiateir Pa y biblinell trwy gymhwyso'r ffactor diogelwch S f i'r canlyniad P yn ôl hafaliad (2):
Felly, wrth ddefnyddio deunydd 1 ″ ysgol 80, cyfrifir y pwysedd byrstio fel a ganlyn:
Yna caiff Sf diogelwch o 4 ei gymhwyso yn unol ag Argymhellion Llestr Pwysedd ASME Adran VIII-1 2019, Paragraff 8. Cyfrifir UG-101 fel a ganlyn:
Y gwerth MAWP o ganlyniad yw 810 psi.modfedd yn cyfeirio at bibell yn unig.Y cysylltiad fflans neu'r gydran â'r sgôr isaf yn y system fydd y ffactor penderfynu wrth bennu'r pwysau a ganiateir yn y system.
Yn ôl ASME B16.5, y pwysau gweithio uchaf a ganiateir ar gyfer 150 o ffitiadau fflans dur carbon yw 285 psi.modfedd ar -20°F i 100°F.Mae gan Ddosbarth 300 uchafswm pwysau gweithio a ganiateir o 740 psi.Dyma fydd ffactor terfyn pwysau'r system yn ôl yr enghraifft o fanyleb deunydd isod.Hefyd, dim ond mewn profion hydrostatig, gall y gwerthoedd hyn fod yn fwy na 1.5 gwaith.
Fel enghraifft o fanyleb deunydd dur carbon sylfaenol, mae manyleb llinell gwasanaeth nwy H2 yn gweithredu ar dymheredd amgylchynol o dan bwysau dylunio o 740 psi.modfedd, gall gynnwys y gofynion deunydd a ddangosir yn Nhabl 2. Mae'r canlynol yn fathau y gallai fod angen rhoi sylw iddynt yn y fanyleb:
Ar wahân i'r pibellau ei hun, mae yna lawer o elfennau sy'n rhan o'r system pibellau megis ffitiadau, falfiau, offer llinell, ac ati. Er y bydd llawer o'r elfennau hyn yn cael eu rhoi at ei gilydd ar y gweill i'w trafod yn fanwl, bydd angen mwy o dudalennau nag y gellir eu cynnwys.Yr erthygl hon.