Denne oversigt giver anbefalinger til sikker udformning af rørsystemer til brintdistribution.
Brint er en meget flygtig væske med høj tendens til at lække.Det er en meget farlig og dødbringende kombination af tendenser, en flygtig væske, som er svær at kontrollere.Disse er tendenser, der skal tages i betragtning, når du vælger materialer, pakninger og tætninger, såvel som designegenskaberne for sådanne systemer.Disse emner om fordelingen af ​​gasformigt H2 er fokus for denne diskussion, ikke produktionen af ​​H2, flydende H2 eller flydende H2 (se højre sidebjælke).
Her er et par nøglepunkter, der hjælper dig med at forstå blandingen af ​​brint og H2-luft.Brint brænder på to måder: deflagration og eksplosion.
deflagration.Deflagration er en almindelig forbrændingstilstand, hvor flammer rejser gennem blandingen ved subsoniske hastigheder.Dette sker for eksempel, når en fri sky af brint-luft-blanding antændes af en lille antændelseskilde.I dette tilfælde vil flammen bevæge sig med en hastighed på ti til flere hundrede fod i sekundet.Den hurtige ekspansion af varm gas skaber trykbølger, hvis styrke er proportional med skyens størrelse.I nogle tilfælde kan chokbølgens kraft være nok til at beskadige bygningskonstruktioner og andre genstande i dens vej og forårsage skade.
eksplodere.Da den eksploderede, rejste flammer og chokbølger gennem blandingen med supersoniske hastigheder.Trykforholdet i en detonationsbølge er meget større end i en detonation.På grund af den øgede kraft er eksplosionen mere farlig for mennesker, bygninger og genstande i nærheden.Normal deflagration forårsager en eksplosion, når den antændes i et begrænset rum.I så snævert et område kan antændelse være forårsaget af den mindste mængde energi.Men til detonation af en brint-luftblanding i et ubegrænset rum kræves en kraftigere antændelseskilde.
Trykforholdet over detonationsbølgen i en brint-luftblanding er omkring 20. Ved atmosfærisk tryk er et forhold på 20 300 psi.Når denne trykbølge kolliderer med en stationær genstand, stiger trykforholdet til 40-60.Dette skyldes refleksionen af ​​en trykbølge fra en stationær forhindring.
Tendens til at lække.På grund af sin lave viskositet og lave molekylvægt har H2-gas en høj tendens til at lække og endda trænge igennem eller trænge ind i forskellige materialer.
Brint er 8 gange lettere end naturgas, 14 gange lettere end luft, 22 gange lettere end propan og 57 gange lettere end benzindamp.Dette betyder, at når den installeres udendørs, vil H2-gassen hurtigt stige og forsvinde, hvilket reducerer eventuelle tegn på jævne utætheder.Men det kan være et tveægget sværd.En eksplosion kan forekomme, hvis der skal udføres svejsning på en udendørs installation over eller medvind af en H2-lækage uden en lækagedetektionsundersøgelse før svejsning.I et lukket rum kan H2-gas stige og akkumulere fra loftet og ned, en tilstand, der gør det muligt at bygge op til store mængder, før det er mere tilbøjeligt til at komme i kontakt med antændelseskilder nær jorden.
Utilsigtet brand.Selvantændelse er et fænomen, hvor en blanding af gasser eller dampe antændes spontant uden en ekstern antændelseskilde.Det er også kendt som "spontan forbrænding" eller "spontan forbrænding".Selvantændelse afhænger af temperatur, ikke tryk.
Selvantændelsestemperaturen er den minimumstemperatur, ved hvilken et brændstof spontant antændes før antændelse i fravær af en ekstern antændelseskilde ved kontakt med luft eller et oxidationsmiddel.Selvantændelsestemperaturen for et enkelt pulver er den temperatur, ved hvilken det spontant antændes i fravær af et oxidationsmiddel.Selvantændelsestemperaturen for gasformig H2 i luft er 585°C.
Antændelsesenergien er den energi, der kræves for at igangsætte udbredelsen af ​​en flamme gennem en brændbar blanding.Minimum antændelsesenergi er den mindste energi, der kræves for at antænde en bestemt brændbar blanding ved en bestemt temperatur og tryk.Minimum gnisttændingsenergi for gasformig H2 i 1 atm luft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Eksplosionsgrænser er de maksimale og mindste koncentrationer af dampe, tåger eller støv i luft eller ilt, hvor en eksplosion opstår.Miljøets størrelse og geometri samt koncentrationen af ​​brændstoffet styrer grænserne."Eksplosionsgrænse" bruges nogle gange som et synonym for "eksplosionsgrænse".
Eksplosionsgrænserne for H2-blandinger i luft er 18,3 vol.% (nedre grænse) og 59 vol.% (øvre grænse).
Ved design af rørsystemer (figur 1) er det første trin at bestemme de byggematerialer, der er nødvendige for hver type væske.Og hver væske vil blive klassificeret i overensstemmelse med ASME B31.3 afsnit.300(b)(1) siger: "Ejeren er også ansvarlig for at bestemme klasse D, M, højtryks- og højrenhedsrør og bestemme, om et bestemt kvalitetssystem skal bruges."
Væskekategorisering definerer graden af ​​test og typen af ​​test, der kræves, samt mange andre krav baseret på væskekategorien.Ejerens ansvar for dette påhviler normalt ejerens ingeniørafdeling eller en udliciteret ingeniør.
Selvom B31.3 Process Piping Code ikke fortæller ejeren, hvilket materiale der skal bruges til en bestemt væske, giver den vejledning om styrke, tykkelse og materialeforbindelseskrav.Der er også to udsagn i introduktionen til koden, der klart siger:
Og uddyb det første afsnit ovenfor, afsnit B31.3.300(b)(1) siger også: "Ejeren af ​​en rørledningsinstallation er eneansvarlig for at overholde denne kodeks og for at etablere design-, konstruktions-, inspektions-, inspektions- og prøvningskravene for al væskehåndtering eller proces, som rørledningen er en del af.Installation."Så efter at have fastlagt nogle grundregler for ansvar og krav til definition af væskeservicekategorier, lad os se, hvor brintgas passer ind.
Fordi brintgas fungerer som en flygtig væske med utætheder, kan brintgas betragtes som en normal væske eller en klasse M-væske under kategori B31.3 til væskeservice.Som nævnt ovenfor er klassificeringen af ​​væskehåndtering et ejerkrav, forudsat at den opfylder retningslinjerne for de udvalgte kategorier beskrevet i B31.3, afsnit 3. 300.2 Definitioner i afsnittet "Hydrauliske tjenester".Følgende er definitioner for normal væskeservice og klasse M væskeservice:
"Normal væskeservice: Væskeservice, der gælder for de fleste rørsystemer underlagt denne kode, dvs. ikke underlagt reglerne for klasse D, M, høj temperatur, højt tryk eller høj væskerenhed.
(1) Væskens toksicitet er så stor, at en enkelt eksponering for en meget lille mængde af væsken forårsaget af en lækage kan forårsage alvorlig varig skade på dem, der indånder eller kommer i kontakt med den, selvom der træffes øjeblikkelige genopretningsforanstaltninger.taget
(2) Efter at have overvejet rørledningsdesign, erfaring, driftsforhold og placering, fastslår ejeren, at kravene til normal brug af væsken ikke er tilstrækkelige til at give den nødvendige tæthed for at beskytte personalet mod eksponering.”
I ovenstående definition af M opfylder brintgas ikke kriterierne i afsnit (1), fordi den ikke betragtes som en giftig væske.Ved at anvende stk. 2 tillader kodeksen dog klassificering af hydrauliske systemer i klasse M efter behørigt hensyntagen til "...rørdesign, erfaring, driftsforhold og placering..." Ejeren tillader bestemmelse af normal væskehåndtering.Kravene er utilstrækkelige til at opfylde behovet for et højere integritetsniveau i design, konstruktion, inspektion, inspektion og test af brintgasrørsystemer.
Se venligst tabel 1, før du diskuterer højtemperaturbrintkorrosion (HTHA).Koder, standarder og regler er anført i denne tabel, som inkluderer seks dokumenter om emnet brintskørhed (HE), en almindelig korrosionsanomali, der inkluderer HTHA.OH kan forekomme ved lave og høje temperaturer.Betragtes som en form for korrosion, kan den initieres på flere måder og også påvirke en lang række materialer.
HE har forskellige former, som kan opdeles i brintcracking (HAC), hydrogen stress cracking (HSC), stress corrosion cracking (SCC), brint corrosion cracking (HACC), brint bobling (HB), brint cracking (HIC).)), spændingsorienteret brintcracking (SOHIC), progressiv cracking (SWC), sulfid stress cracking (SSC), soft zone cracking (SZC) og højtemperaturbrintkorrosion (HTHA).
I sin enkleste form er brintskørhed en mekanisme til ødelæggelse af metalkorngrænser, hvilket resulterer i reduceret duktilitet på grund af indtrængning af atomart brint.Måden, hvorpå dette sker, er varieret og er delvist defineret af deres respektive navne, såsom HTHA, hvor samtidig høj temperatur og højtryksbrint er nødvendigt for skørhed, og SSC, hvor atomart brint produceres som lukkede gasser og brint.på grund af syrekorrosion siver de ind i metalhuse, hvilket kan føre til skørhed.Men det overordnede resultat er det samme som for alle tilfælde af brintskørhed beskrevet ovenfor, hvor styrken af ​​metallet reduceres ved skørhed under dets tilladte spændingsområde, hvilket igen sætter scenen for en potentielt katastrofal begivenhed givet væskens flygtighed.
Ud over vægtykkelse og mekanisk fugeydelse er der to hovedfaktorer at overveje, når du vælger materialer til H2-gasservice: 1. Eksponering for højtemperaturbrint (HTHA) og 2. Alvorlige bekymringer om potentiel lækage.Begge emner er i øjeblikket under diskussion.
I modsætning til molekylært brint kan atomisk brint udvide sig, udsætte brintet for høje temperaturer og tryk, hvilket skaber grundlaget for potentiel HTHA.Under disse forhold er atomart brint i stand til at diffundere ind i kulstofstålrørmaterialer eller udstyr, hvor det reagerer med kulstof i metallisk opløsning for at danne metangas ved korngrænser.Ude af stand til at undslippe, udvider gassen sig, hvilket skaber revner og sprækker i væggene på rør eller kar - dette er HTGA.Du kan tydeligt se HTHA-resultaterne i figur 2, hvor revner og revner er tydelige i 8"-væggen.Den del af røret med nominel størrelse (NPS), der svigter under disse forhold.
Kulstofstål kan bruges til brintservice, når driftstemperaturen holdes under 500°F.Som nævnt ovenfor opstår HTHA, når brintgas holdes ved højt partialtryk og høj temperatur.Kulstofstål anbefales ikke, når brintpartialtrykket forventes at være omkring 3000 psi, og temperaturen er over omkring 450°F (hvilket er ulykkestilstanden i figur 2).
Som det kan ses af det modificerede Nelson-plot i figur 3, delvist taget fra API 941, har høj temperatur den største effekt på hydrogen-forcering.Hydrogengas partialtryk kan overstige 1000 psi, når det bruges med kulstofstål, der arbejder ved temperaturer op til 500°F.
Figur 3. Dette modificerede Nelson-diagram (tilpasset fra API 941) kan bruges til at vælge egnede materialer til brintservice ved forskellige temperaturer.
På fig.3 viser valget af stål, der garanteret undgår brintangreb, afhængig af brints driftstemperatur og partialtryk.Austenitisk rustfrit stål er ufølsomt over for HTHA og er tilfredsstillende materialer ved alle temperaturer og tryk.
Austenitic 316/316L rustfrit stål er det mest praktiske materiale til brintapplikationer og har en dokumenteret track record.Selvom varmebehandling efter svejsning (PWHT) anbefales til kulstofstål for at kalcinere resterende brint under svejsning og reducere den varmepåvirkede zone (HAZ) hårdhed efter svejsning, er det ikke påkrævet for austenitisk rustfrit stål.
Termotermiske virkninger forårsaget af varmebehandling og svejsning har ringe effekt på de mekaniske egenskaber af austenitisk rustfrit stål.Koldbearbejdning kan dog forbedre de mekaniske egenskaber af austenitisk rustfrit stål, såsom styrke og hårdhed.Ved bøjning og dannelse af rør fra austenitisk rustfrit stål ændres deres mekaniske egenskaber, herunder faldet i materialets plasticitet.
Hvis austenitisk rustfrit stål kræver koldformning, vil opløsningsudglødning (opvarmning til ca. 1045°C efterfulgt af bratkøling eller hurtig afkøling) genoprette materialets mekaniske egenskaber til deres oprindelige værdier.Det vil også eliminere legeringsadskillelsen, sensibiliseringen og sigmafasen opnået efter koldbearbejdning.Når du udfører opløsningsudglødning, skal du være opmærksom på, at hurtig afkøling kan bringe resterende belastning tilbage i materialet, hvis det ikke håndteres korrekt.
Se tabel GR-2.1.1-1 Rør- og rørsamlingsmaterialespecifikationsindeks og GR-2.1.1-2 Rørmaterialespecifikationsindeks i ASME B31 for acceptable materialevalg til H2-service.rør er et godt sted at starte.
Med en standard atomvægt på 1,008 atommasseenheder (amu) er brint det letteste og mindste grundstof i det periodiske system, og har derfor en høj tilbøjelighed til at lække, med potentielt ødelæggende konsekvenser, kan jeg tilføje.Derfor skal gasrørledningssystemet designes på en sådan måde, at det begrænser mekaniske forbindelser og forbedrer de forbindelser, der virkelig er nødvendige.
Ved begrænsning af potentielle lækagepunkter skal systemet være fuldsvejset, undtagen flangeforbindelser på udstyr, rørelementer og fittings.Gevindforbindelser bør så vidt muligt undgås, hvis ikke helt.Hvis gevindforbindelser af en eller anden grund ikke kan undgås, anbefales det at sætte dem helt i indgreb uden gevindforsegling og derefter forsegle svejsningen.Ved anvendelse af kulstofstålrør skal rørsamlingerne stumpsvejses og eftersvejses varmebehandlet (PWHT).Efter svejsning udsættes rør i den varmepåvirkede zone (HAZ) for brintangreb selv ved omgivelsestemperatur.Mens brintangreb primært forekommer ved høje temperaturer, vil PWHT-stadiet fuldstændigt reducere, hvis ikke eliminere, denne mulighed selv under omgivende forhold.
Det svage punkt ved det helsvejsede system er flangeforbindelsen.For at sikre en høj grad af tæthed i flangeforbindelser bør der anvendes Kammprofile pakninger (fig. 4) eller anden form for pakninger.Lavet på næsten samme måde af flere producenter, denne pude er meget tilgivende.Den består af fortandede metalringe, der er klemt mellem bløde, deformerbare tætningsmaterialer.Tænderne koncentrerer boltens belastning i et mindre område for at give en tæt pasform med mindre belastning.Den er designet på en sådan måde, at den kan kompensere for ujævne flangeoverflader samt svingende driftsforhold.
Figur 4. Kammprofilpakninger har en metalkerne bundet på begge sider med et blødt fyldstof.
En anden vigtig faktor i systemets integritet er ventilen.Utætheder omkring spindeltætningen og kropsflanger er et reelt problem.For at forhindre dette anbefales det at vælge en ventil med bælgtætning.
Brug 1 tomme.Skole 80 kulstofstålrør, i vores eksempel nedenfor, givet fremstillingstolerancer, korrosion og mekaniske tolerancer i overensstemmelse med ASTM A106 Gr B, kan det maksimalt tilladte arbejdstryk (MAWP) beregnes i to trin ved temperaturer op til 300°F (Bemærk: Årsagen til "...for0 tillader startspænding fra GrºF" på 300°F, fordi materialet tillader op til GrºF... (100) s forringes, når temperaturen overstiger 300ºF.(S), så ligning (1) kræver Justering til temperaturer over 300ºF.)
Med henvisning til formel (1) er det første trin at beregne rørledningens teoretiske sprængtryk.
T = rørets vægtykkelse minus mekaniske tolerancer, korrosions- og fremstillingstolerancer, i tommer.
Den anden del af processen er at beregne det maksimalt tilladte arbejdstryk Pa for rørledningen ved at anvende sikkerhedsfaktoren S f til resultatet P i henhold til ligning (2):
Ved brug af 1″ skole 80 materiale beregnes sprængtrykket således:
En sikkerheds-Sf på 4 anvendes derefter i overensstemmelse med ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 beregnet som følger:
Den resulterende MAWP-værdi er 810 psi.tomme henviser kun til rør.Flangeforbindelsen eller komponenten med den laveste klassificering i systemet vil være den afgørende faktor ved bestemmelse af det tilladte tryk i systemet.
Ifølge ASME B16.5 er det maksimalt tilladte arbejdstryk for 150 flangefittings af kulstofstål 285 psi.tomme ved -20°F til 100°F.Klasse 300 har et maksimalt tilladt arbejdstryk på 740 psi.Dette vil være systemets trykgrænsefaktor i henhold til materialespecifikationseksemplet nedenfor.Kun i hydrostatiske test kan disse værdier også overstige 1,5 gange.
Som et eksempel på en grundlæggende kulstofstålmaterialespecifikation, en H2-gasserviceledningsspecifikation, der fungerer ved en omgivelsestemperatur under et designtryk på 740 psi.tomme, kan indeholde materialekravene vist i tabel 2. Følgende er typer, der kan kræve opmærksomhed for at blive inkluderet i specifikationen:
Udover selve rørføringen er der mange elementer, der udgør rørsystemet såsom fittings, ventiler, ledningsudstyr osv. Mens mange af disse elementer vil blive sat sammen i en rørledning for at diskutere dem i detaljer, vil dette kræve flere sider, end der kan rummes.Denne artikel.