Diese Übersicht gibt Empfehlungen für die sichere Gestaltung von Rohrleitungssystemen für die Wasserstoffverteilung.
Wasserstoff ist eine leicht flüchtige Flüssigkeit mit hoher Austrittsneigung.Es ist eine sehr gefährliche und tödliche Kombination von Tendenzen, eine flüchtige Flüssigkeit, die schwer zu kontrollieren ist.Dies sind Trends, die bei der Auswahl von Materialien, Dichtungen und Dichtungen sowie den Designmerkmalen solcher Systeme berücksichtigt werden müssen.Diese Themen zur Verteilung von gasförmigem H2 stehen im Mittelpunkt dieser Diskussion, nicht die Produktion von H2, flüssigem H2 oder flüssigem H2 (siehe rechte Seitenleiste).
Hier sind einige wichtige Punkte, die Ihnen helfen sollen, die Mischung aus Wasserstoff und H2-Luft zu verstehen.Wasserstoff verbrennt auf zwei Arten: Verpuffung und Explosion.
Verpuffung.Deflagration ist ein üblicher Verbrennungsmodus, bei dem sich Flammen mit Unterschallgeschwindigkeit durch das Gemisch bewegen.Dies geschieht beispielsweise, wenn eine freie Wolke aus Wasserstoff-Luft-Gemisch durch eine kleine Zündquelle gezündet wird.In diesem Fall bewegt sich die Flamme mit einer Geschwindigkeit von zehn bis mehreren hundert Fuß pro Sekunde.Durch die schnelle Expansion von heißem Gas entstehen Druckwellen, deren Stärke proportional zur Größe der Wolke ist.In manchen Fällen kann die Kraft der Stoßwelle ausreichen, um Gebäudestrukturen und andere Objekte in ihrem Weg zu beschädigen und Verletzungen zu verursachen.
explodieren.Als es explodierte, breiteten sich Flammen und Schockwellen mit Überschallgeschwindigkeit durch die Mischung aus.Das Druckverhältnis bei einer Detonationswelle ist viel größer als bei einer Detonation.Aufgrund der erhöhten Kraft ist die Explosion gefährlicher für Menschen, Gebäude und in der Nähe befindliche Objekte.Eine normale Deflagration verursacht eine Explosion, wenn sie in einem geschlossenen Raum gezündet wird.In einem so engen Bereich kann eine Entzündung durch die geringste Energiemenge verursacht werden.Für die Detonation eines Wasserstoff-Luft-Gemisches in einem unbegrenzten Raum ist jedoch eine stärkere Zündquelle erforderlich.
Das Druckverhältnis über die Detonationswelle in einem Wasserstoff-Luft-Gemisch beträgt etwa 20. Bei Atmosphärendruck entspricht ein Verhältnis von 20 300 psi.Wenn diese Druckwelle mit einem stationären Objekt kollidiert, erhöht sich das Druckverhältnis auf 40-60.Dies ist auf die Reflexion einer Druckwelle an einem stationären Hindernis zurückzuführen.
Neigung zum Auslaufen.Aufgrund seiner niedrigen Viskosität und seines geringen Molekulargewichts neigt H2-Gas stark dazu, auszulaufen und sogar verschiedene Materialien zu durchdringen oder zu durchdringen.
Wasserstoff ist 8-mal leichter als Erdgas, 14-mal leichter als Luft, 22-mal leichter als Propan und 57-mal leichter als Benzindampf.Dies bedeutet, dass das H2-Gas bei einer Installation im Freien schnell aufsteigt und sich verflüchtigt, wodurch Anzeichen gleichmäßiger Undichtigkeiten verringert werden.Aber es kann ein zweischneidiges Schwert sein.Es kann zu einer Explosion kommen, wenn an einer Außenanlage über oder in Windrichtung eines H2-Lecks geschweißt wird, ohne dass vor dem Schweißen eine Leckerkennungsstudie durchgeführt wird.In einem geschlossenen Raum kann H2-Gas von der Decke abwärts aufsteigen und sich ansammeln. Dadurch kann es sich zu großen Volumina ansammeln, bevor es eher mit Zündquellen in Bodennähe in Kontakt kommt.
Unbeabsichtigter Brand.Selbstentzündung ist ein Phänomen, bei dem sich ein Gemisch aus Gasen oder Dämpfen ohne äußere Zündquelle spontan entzündet.Es wird auch als „Selbstentzündung“ oder „Selbstentzündung“ bezeichnet.Die Selbstentzündung hängt von der Temperatur ab, nicht vom Druck.
Die Selbstentzündungstemperatur ist die Mindesttemperatur, bei der sich ein Kraftstoff bei Kontakt mit Luft oder einem Oxidationsmittel vor der Entzündung spontan entzündet, wenn keine äußere Zündquelle vorhanden ist.Die Selbstentzündungstemperatur eines einzelnen Pulvers ist die Temperatur, bei der es sich in Abwesenheit eines Oxidationsmittels spontan entzündet.Die Selbstentzündungstemperatur von gasförmigem H2 in Luft beträgt 585°C.
Die Zündenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um die Ausbreitung einer Flamme durch ein brennbares Gemisch einzuleiten.Die Mindestzündenergie ist die Mindestenergie, die erforderlich ist, um ein bestimmtes brennbares Gemisch bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck zu zünden.Minimale Funkenzündungsenergie für gasförmiges H2 in 1 atm Luft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Explosionsgrenzen sind die maximalen und minimalen Konzentrationen von Dämpfen, Nebeln oder Stäuben in Luft oder Sauerstoff, bei denen eine Explosion auftritt.Die Grenzen werden durch die Größe und Geometrie der Umgebung sowie die Konzentration des Kraftstoffs bestimmt.„Explosionsgrenze“ wird manchmal als Synonym für „Explosionsgrenze“ verwendet.
Die Explosionsgrenzen für H2-Gemische in Luft liegen bei 18,3 Vol.-% (untere Grenze) und 59 Vol.-% (obere Grenze).
Beim Entwurf von Rohrleitungssystemen (Abbildung 1) besteht der erste Schritt darin, die für jede Art von Flüssigkeit erforderlichen Baumaterialien zu bestimmen.Und jede Flüssigkeit wird gemäß Absatz ASME B31.3 klassifiziert.300(b)(1) besagt: „Der Eigentümer ist auch dafür verantwortlich, Rohrleitungen der Klassen D, M, Hochdruck und hoher Reinheit zu bestimmen und zu bestimmen, ob ein bestimmtes Qualitätssystem verwendet werden sollte.“
Die Flüssigkeitskategorisierung definiert den Grad der Prüfung und die Art der erforderlichen Prüfung sowie viele andere Anforderungen basierend auf der Flüssigkeitskategorie.Die Verantwortung des Eigentümers hierfür liegt in der Regel bei der technischen Abteilung des Eigentümers oder einem ausgelagerten Ingenieur.
Während der Prozess-Rohrleitungscode B31.3 dem Besitzer nicht sagt, welches Material er für eine bestimmte Flüssigkeit verwenden soll, gibt er Hinweise zu Festigkeit, Dicke und Materialverbindungsanforderungen.In der Einleitung des Codes gibt es außerdem zwei Aussagen, die eindeutig Folgendes besagen:
Und erweitern Sie den ersten Absatz oben, Absatz B31.3.In 300(b)(1) heißt es außerdem: „Der Eigentümer einer Rohrleitungsanlage trägt die alleinige Verantwortung für die Einhaltung dieses Kodex und für die Festlegung der Entwurfs-, Konstruktions-, Inspektions-, Inspektions- und Testanforderungen für den gesamten Umgang mit Flüssigkeiten oder Prozessen, zu denen die Rohrleitung gehört.“Installation."Nachdem wir also einige Grundregeln für die Haftung und Anforderungen für die Definition von Fluid-Service-Kategorien festgelegt haben, wollen wir nun sehen, wo Wasserstoffgas hineinpasst.
Da Wasserstoffgas als flüchtige Flüssigkeit mit Lecks fungiert, kann Wasserstoffgas als normale Flüssigkeit oder als Flüssigkeit der Klasse M gemäß Kategorie B31.3 für Flüssigkeitsanwendungen betrachtet werden.Wie oben erwähnt, ist die Klassifizierung der Flüssigkeitshandhabung eine Anforderung des Eigentümers, sofern sie den Richtlinien für die ausgewählten Kategorien entspricht, die in B31.3, Absatz 3 beschrieben sind. 300.2 Definitionen im Abschnitt „Hydraulische Dienstleistungen“.Im Folgenden finden Sie Definitionen für den normalen Flüssigkeitsbetrieb und den Flüssigkeitsbetrieb der Klasse M:
„Normaler Flüssigkeitsbetrieb: Flüssigkeitsbetrieb, der auf die meisten Rohrleitungen anwendbar ist, die diesem Code unterliegen, dh nicht den Vorschriften für Klassen D, M, hohe Temperatur, hohen Druck oder hohe Flüssigkeitsreinheit unterliegen.
(1) Die Giftigkeit der Flüssigkeit ist so groß, dass ein einmaliger Kontakt mit einer sehr kleinen Menge der Flüssigkeit aufgrund eines Lecks zu schweren dauerhaften Verletzungen bei Personen führen kann, die sie einatmen oder damit in Kontakt kommen, selbst wenn sofortige Wiederherstellungsmaßnahmen ergriffen werden.vergriffen
(2) Nach Prüfung der Rohrleitungskonstruktion, der Erfahrung, der Betriebsbedingungen und des Standorts kommt der Eigentümer zu dem Schluss, dass die Anforderungen für die normale Verwendung der Flüssigkeit nicht ausreichen, um die zum Schutz des Personals vor Exposition erforderliche Dichtheit zu gewährleisten.”
In der obigen Definition von M erfüllt Wasserstoffgas nicht die Kriterien von Absatz (1), da es nicht als giftige Flüssigkeit gilt.Durch die Anwendung von Unterabschnitt (2) erlaubt der Code jedoch die Einstufung von Hydrauliksystemen in Klasse M nach gebührender Berücksichtigung von „…Rohrleitungsdesign, Erfahrung, Betriebsbedingungen und Standort…“. Der Eigentümer erlaubt die Bestimmung der normalen Flüssigkeitshandhabung.Die Anforderungen reichen nicht aus, um den Bedarf an einem höheren Maß an Integrität bei der Konstruktion, dem Bau, der Inspektion, Inspektion und Prüfung von Wasserstoffgas-Rohrleitungssystemen zu erfüllen.
Bitte sehen Sie sich Tabelle 1 an, bevor Sie auf die Hochtemperatur-Wasserstoffkorrosion (HTHA) eingehen.Codes, Normen und Vorschriften sind in dieser Tabelle aufgeführt, die sechs Dokumente zum Thema Wasserstoffversprödung (HE) enthält, einer häufigen Korrosionsanomalie, zu der auch HTHA gehört.OH kann bei niedrigen und hohen Temperaturen auftreten.Sie gilt als eine Form der Korrosion, kann auf verschiedene Weise ausgelöst werden und betrifft auch eine Vielzahl von Materialien.
HE hat verschiedene Formen, die in Wasserstoffrissbildung (HAC), Wasserstoffspannungsrissbildung (HSC), Spannungsrisskorrosion (SCC), Wasserstoffkorrosionsrissbildung (HACC), Wasserstoffblasenbildung (HB) und Wasserstoffrissbildung (HIC) unterteilt werden können.)), spannungsorientierte Wasserstoffrissbildung (SOHIC), progressive Rissbildung (SWC), Sulfidspannungsrissbildung (SSC), Weichzonenrissbildung (SZC) und Hochtemperatur-Wasserstoffkorrosion (HTHA).
In ihrer einfachsten Form ist Wasserstoffversprödung ein Mechanismus zur Zerstörung von Metallkorngrenzen, was aufgrund des Eindringens von atomarem Wasserstoff zu einer verringerten Duktilität führt.Die Art und Weise, wie dies geschieht, ist vielfältig und wird teilweise durch ihre jeweiligen Namen definiert, wie z. B. HTHA, wo zur Versprödung gleichzeitig Wasserstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck benötigt wird, und SSC, wo atomarer Wasserstoff als geschlossene Gase und Wasserstoff erzeugt wird.Durch Säurekorrosion dringen sie in Metallgehäuse ein, was zu Sprödigkeit führen kann.Das Gesamtergebnis ist jedoch dasselbe wie bei allen oben beschriebenen Fällen von Wasserstoffversprödung, bei denen die Festigkeit des Metalls durch die Versprödung unterhalb seines zulässigen Spannungsbereichs verringert wird, was angesichts der Flüchtigkeit der Flüssigkeit wiederum die Voraussetzungen für ein möglicherweise katastrophales Ereignis schafft.
Neben der Wandstärke und der mechanischen Verbindungsleistung sind bei der Auswahl von Materialien für H2-Gasanwendungen vor allem zwei Faktoren zu berücksichtigen: 1. die Einwirkung von Hochtemperatur-Wasserstoff (HTHA) und 2. ernsthafte Bedenken hinsichtlich möglicher Leckagen.Beide Themen werden derzeit diskutiert.
Im Gegensatz zu molekularem Wasserstoff kann sich atomarer Wasserstoff ausdehnen, wodurch der Wasserstoff hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird und so die Grundlage für potenzielles HTHA entsteht.Unter diesen Bedingungen kann atomarer Wasserstoff in Rohrleitungsmaterialien oder Geräte aus Kohlenstoffstahl diffundieren, wo er mit Kohlenstoff in metallischer Lösung reagiert und an den Korngrenzen Methangas bildet.Da das Gas nicht entweichen kann, dehnt es sich aus und erzeugt Risse und Spalten in den Wänden von Rohren oder Behältern – das ist HTGA.Sie können die HTHA-Ergebnisse deutlich in Abbildung 2 sehen, wo Risse und Sprünge in der 8-Zoll-Wand erkennbar sind.Der Teil des Rohrs mit Nenngröße (NPS), der unter diesen Bedingungen versagt.
Kohlenstoffstahl kann für den Wasserstoffbetrieb verwendet werden, wenn die Betriebstemperatur unter 500 °F gehalten wird.Wie oben erwähnt entsteht HTHA, wenn Wasserstoffgas bei hohem Partialdruck und hoher Temperatur gehalten wird.Kohlenstoffstahl wird nicht empfohlen, wenn der Wasserstoffpartialdruck voraussichtlich bei etwa 3000 psi liegt und die Temperatur über etwa 450 °F liegt (was der Unfallbedingung in Abbildung 2 entspricht).
Wie aus dem modifizierten Nelson-Diagramm in Abbildung 3 ersichtlich ist, das teilweise aus API 941 stammt, hat eine hohe Temperatur den größten Einfluss auf den Wasserstoffantrieb.Der Wasserstoffgaspartialdruck kann 1000 psi überschreiten, wenn er mit Kohlenstoffstählen verwendet wird, die bei Temperaturen von bis zu 500 °F betrieben werden.
Abbildung 3. Dieses modifizierte Nelson-Diagramm (angepasst von API 941) kann zur Auswahl geeigneter Materialien für den Wasserstoffbetrieb bei verschiedenen Temperaturen verwendet werden.
Auf Abb.In Abb. 3 zeigt die Auswahl der Stähle, die einen Wasserstoffangriff garantiert vermeiden, abhängig von der Betriebstemperatur und dem Partialdruck des Wasserstoffs.Austenitische Edelstähle sind unempfindlich gegenüber HTHA und sind bei allen Temperaturen und Drücken zufriedenstellende Materialien.
Austenitischer Edelstahl 316/316L ist das praktischste Material für Wasserstoffanwendungen und hat sich bewährt.Während für Kohlenstoffstähle eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) empfohlen wird, um Restwasserstoff während des Schweißens zu kalzinieren und die Härte der Wärmeeinflusszone (HAZ) nach dem Schweißen zu verringern, ist sie für austenitische Edelstähle nicht erforderlich.
Durch Wärmebehandlung und Schweißen verursachte thermothermische Effekte haben kaum Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften austenitischer Edelstähle.Durch die Kaltumformung können jedoch die mechanischen Eigenschaften austenitischer Edelstähle wie Festigkeit und Härte verbessert werden.Beim Biegen und Formen von Rohren aus austenitischem Edelstahl verändern sich deren mechanische Eigenschaften, einschließlich einer Abnahme der Plastizität des Materials.
Wenn austenitischer Edelstahl eine Kaltumformung erfordert, werden durch Lösungsglühen (Erhitzen auf etwa 1045 °C und anschließendes Abschrecken oder schnelles Abkühlen) die mechanischen Eigenschaften des Materials auf ihre ursprünglichen Werte zurückgesetzt.Außerdem werden die nach der Kaltumformung auftretende Legierungsseigerung, Sensibilisierung und Sigma-Phase beseitigt.Beachten Sie beim Lösungsglühen, dass durch schnelles Abkühlen bei unsachgemäßer Handhabung wieder Eigenspannungen in das Material zurückgeführt werden können.
Eine akzeptable Materialauswahl für den H2-Betrieb finden Sie in den Tabellen GR-2.1.1-1 Materialspezifikationsindex für Rohr- und Schlauchbaugruppen und GR-2.1.1-2 Materialspezifikationsindex für Rohrleitungen in ASME B31.Rohre sind ein guter Anfang.
Mit einem Standard-Atomgewicht von 1,008 Atommasseneinheiten (amu) ist Wasserstoff das leichteste und kleinste Element im Periodensystem und weist daher eine hohe Neigung zum Austreten auf, was möglicherweise verheerende Folgen hätte, möchte ich hinzufügen.Daher muss das Gasleitungssystem so konzipiert sein, dass mechanische Verbindungen eingeschränkt und die wirklich benötigten Verbindungen verbessert werden.
Um potenzielle Leckstellen zu begrenzen, sollte das System vollständig verschweißt sein, mit Ausnahme von Flanschverbindungen an Geräten, Rohrleitungselementen und Armaturen.Auf Schraubverbindungen sollte weitestgehend, wenn nicht sogar gänzlich, verzichtet werden.Sollten sich Schraubverbindungen aus irgendeinem Grund nicht vermeiden lassen, empfiehlt es sich, diese ohne Gewindedichtmittel vollständig einzudrehen und anschließend die Schweißnaht abzudichten.Bei der Verwendung von Kohlenstoffstahlrohren müssen die Rohrverbindungen stumpfgeschweißt und nach dem Schweißen wärmebehandelt (PWHT) sein.Nach dem Schweißen sind Rohre in der Wärmeeinflusszone (WEZ) auch bei Umgebungstemperatur dem Angriff von Wasserstoff ausgesetzt.Während ein Wasserstoffangriff hauptsächlich bei hohen Temperaturen auftritt, wird die PWHT-Stufe diese Möglichkeit sogar unter Umgebungsbedingungen vollständig reduzieren, wenn nicht sogar eliminieren.
Der Schwachpunkt des Vollschweißsystems ist die Flanschverbindung.Um eine hohe Dichtheit bei Flanschverbindungen zu gewährleisten, sollten Kammprofildichtungen (Abb. 4) oder andere Dichtungsformen verwendet werden.Dieses Pad wird von mehreren Herstellern fast auf die gleiche Weise hergestellt und ist sehr fehlerverzeihend.Es besteht aus gezahnten Ganzmetallringen, die zwischen weichen, verformbaren Dichtungsmaterialien eingebettet sind.Die Zähne konzentrieren die Last der Schraube auf einen kleineren Bereich, um einen festen Sitz mit weniger Belastung zu gewährleisten.Es ist so konzipiert, dass es sowohl unebene Flanschflächen als auch schwankende Betriebsbedingungen ausgleichen kann.
Abbildung 4. Kammprofil-Dichtungen haben einen Metallkern, der auf beiden Seiten mit einem weichen Füllstoff verbunden ist.
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Integrität des Systems ist das Ventil.Undichtigkeiten im Bereich der Schaftdichtung und der Gehäuseflansche sind ein echtes Problem.Um dies zu verhindern, empfiehlt es sich, ein Ventil mit Faltenbalgdichtung zu wählen.
Verwenden Sie 1 Zoll.In unserem Beispiel unten kann der maximal zulässige Arbeitsdruck (MAWP) unter Berücksichtigung von Herstellungstoleranzen, Korrosion und mechanischen Toleranzen gemäß ASTM A106 Gr B in zwei Schritten bei Temperaturen bis zu 300 °F berechnet werden Gleichung (1) erfordert eine Anpassung an Temperaturen über 300 °F.)
Gemäß Formel (1) besteht der erste Schritt darin, den theoretischen Berstdruck der Rohrleitung zu berechnen.
T = Rohrwandstärke abzüglich mechanischer Toleranzen, Korrosions- und Fertigungstoleranzen, in Zoll.
Der zweite Teil des Prozesses besteht darin, den maximal zulässigen Arbeitsdruck Pa der Rohrleitung zu berechnen, indem der Sicherheitsfaktor S f auf das Ergebnis P gemäß Gleichung (2) angewendet wird:
Bei Verwendung von 1″ School 80-Material errechnet sich der Berstdruck somit wie folgt:
Anschließend wird ein Sicherheits-Sf von 4 gemäß den ASME-Druckbehälterempfehlungen Abschnitt VIII-1 2019, Absatz 8 angewendet. UG-101 wird wie folgt berechnet:
Der resultierende MAWP-Wert beträgt 810 psi.Zoll bezieht sich nur auf Rohre.Die Flanschverbindung oder Komponente mit der niedrigsten Nennleistung im System ist der entscheidende Faktor bei der Bestimmung des zulässigen Drucks im System.
Gemäß ASME B16.5 beträgt der maximal zulässige Arbeitsdruck für 150 Kohlenstoffstahl-Flanschverbindungen 285 psi.Zoll bei -20 °F bis 100 °F.Klasse 300 hat einen maximal zulässigen Arbeitsdruck von 740 psi.Dies ist der Druckgrenzfaktor des Systems gemäß dem Materialspezifikationsbeispiel unten.Auch nur bei hydrostatischen Tests können diese Werte das 1,5-fache überschreiten.
Ein Beispiel für eine grundlegende Materialspezifikation für Kohlenstoffstahl ist eine H2-Gas-Versorgungsleitungsspezifikation, die bei einer Umgebungstemperatur unter einem Auslegungsdruck von 740 psi betrieben wird.Zoll, kann die in Tabelle 2 aufgeführten Materialanforderungen enthalten. Die folgenden Typen erfordern möglicherweise Aufmerksamkeit, um in die Spezifikation aufgenommen zu werden:
Abgesehen von der Rohrleitung selbst gibt es viele Elemente, aus denen das Rohrleitungssystem besteht, wie z. B. Armaturen, Ventile, Leitungsausrüstung usw. Während viele dieser Elemente in einer Rohrleitung zusammengefasst werden, um sie im Detail zu besprechen, werden dafür mehr Seiten benötigt, als untergebracht werden können.Dieser Artikel.