See ülevaade annab soovitusi vesiniku jaotamise torusüsteemide ohutuks projekteerimiseks.
Vesinik on väga lenduv vedelik, millel on suur kalduvus lekkida.See on väga ohtlik ja surmav tendentside kombinatsioon, lenduv vedelik, mida on raske kontrollida.Need on suundumused, mida tuleb arvestada materjalide, tihendite ja tihendite valikul, samuti selliste süsteemide disainiomadustega.Selle arutelu keskmes on need gaasilise H2 leviku teemad, mitte H2, vedela H2 või vedela H2 tootmine (vt paremat külgriba).
Siin on mõned põhipunktid, mis aitavad teil mõista vesiniku ja H2-õhu segu.Vesinik põleb kahel viisil: deflagratsiooni ja plahvatuse teel.
deflagratsioon.Deflagratsioon on tavaline põlemisrežiim, kus leegid liiguvad läbi segu allahelikiirusega.See juhtub näiteks siis, kui vesiniku-õhu segu vaba pilv süüdatakse väikese süüteallika poolt.Sel juhul liigub leek kiirusega kümme kuni mitusada jalga sekundis.Kuuma gaasi kiire paisumine tekitab rõhulaineid, mille tugevus on võrdeline pilve suurusega.Mõnel juhul võib lööklaine jõud olla piisav, et kahjustada ehituskonstruktsioone ja muid teel olevaid esemeid ning põhjustada vigastusi.
plahvatada.Kui see plahvatas, levisid leegid ja lööklained segust ülehelikiirusel.Rõhu suhe detonatsioonilaines on palju suurem kui detonatsioonil.Suurenenud jõu tõttu on plahvatus ohtlikum inimestele, hoonetele ja läheduses asuvatele objektidele.Tavaline süttimine põhjustab suletud ruumis süttimisel plahvatuse.Nii kitsas piirkonnas võib süttimist põhjustada kõige väiksem energiahulk.Kuid vesiniku-õhu segu lõhkamiseks piiramatus ruumis on vaja võimsamat süüteallikat.
Rõhu suhe üle detonatsioonilaine vesiniku-õhu segus on umbes 20. Atmosfäärirõhul on suhe 20 300 psi.Kui see rõhulaine põrkub seisva objektiga, suureneb rõhusuhe 40-60-ni.See on tingitud rõhulaine peegeldumisest seisvast takistusest.
Kalduvus lekkida.Madala viskoossuse ja madala molekulmassi tõttu on gaasil H2 suur kalduvus lekkida ja isegi läbistada erinevaid materjale.
Vesinik on 8 korda kergem kui maagaas, 14 korda kergem kui õhk, 22 korda kergem kui propaan ja 57 korda kergem kui bensiiniaur.See tähendab, et õue paigaldamisel tõuseb H2 gaas kiiresti üles ja hajub, vähendades ühtlaste lekete märke.Kuid see võib olla kahe teraga mõõk.Plahvatus võib juhtuda, kui keevitatakse välispaigaldises H2 lekke kohal või allatuult ilma lekke tuvastamise uuringuta enne keevitamist.Suletud ruumis võib H2 gaas tõusta ja koguneda laest alla, mis võimaldab sellel koguneda suurtes kogustes, enne kui see tõenäoliselt puutub kokku maapinna lähedal asuvate süüteallikatega.
Juhuslik tulekahju.Isesüttimine on nähtus, mille korral gaaside või aurude segu süttib iseeneslikult ilma välise süüteallikata.Seda tuntakse ka kui "isesüttimist" või "iseeneslikku põlemist".Isesüttimine sõltub temperatuurist, mitte rõhust.
Isesüttimistemperatuur on minimaalne temperatuur, mille juures kütus enne süttimist iseeneslikult süttib välise süüteallika puudumisel kokkupuutel õhu või oksüdeeriva ainega.Üksiku pulbri isesüttimistemperatuur on temperatuur, mille juures see oksüdeeriva aine puudumisel isesüttib.Gaasilise H2 isesüttimistemperatuur õhus on 585°C.
Süüteenergia on energia, mis on vajalik leegi levimise algatamiseks läbi põleva segu.Minimaalne süüteenergia on minimaalne energia, mis on vajalik konkreetse põleva segu süütamiseks teatud temperatuuril ja rõhul.Gaasilise H2 minimaalne sädesüüteenergia 1 atm õhus = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Plahvatuspiirid on aurude, udu või tolmu maksimaalne ja minimaalne kontsentratsioon õhus või hapnikus, mille juures plahvatus toimub.Keskkonna suurus ja geomeetria, samuti kütuse kontsentratsioon kontrollivad piirnorme."Plahvatuspiir" kasutatakse mõnikord "plahvatuspiiri" sünonüümina.
H2 segude plahvatuspiir õhus on 18,3 mahuprotsenti (alumine piir) ja 59 mahuprotsenti (ülemine piir).
Torusüsteemide projekteerimisel (joonis 1) tuleb kõigepealt kindlaks määrata iga vedelikutüübi jaoks vajalikud ehitusmaterjalid.Ja iga vedelik klassifitseeritakse vastavalt ASME B31.3 lõikele.300(b)(1) ütleb: „Omanik vastutab ka D-, M-klassi, kõrgsurve- ja kõrge puhtusastmega torustike kindlaksmääramise ning selle eest, kas konkreetset kvaliteedisüsteemi tuleks kasutada.”
Vedeliku kategoriseerimine määrab testimise astme ja nõutava testimise tüübi, samuti paljud muud vedelikukategoorial põhinevad nõuded.Omaniku vastutus selle eest langeb tavaliselt omaniku inseneriosakonnale või sisseostetud insenerile.
Kuigi protsessitorustiku kood B31.3 ei ütle omanikule, millist materjali konkreetse vedeliku jaoks kasutada, annab see juhiseid tugevuse, paksuse ja materjali ühendamise nõuete kohta.Samuti on koodi sissejuhatuses kaks väidet, mis ütlevad selgelt:
Ja laiendage ülaltoodud esimest lõiku, lõiku B31.3.Artikli 300 lõike b alapunktis 1 on samuti öeldud: „Torujuhtmepaigaldise omanik vastutab ainuisikuliselt käesoleva koodeksi järgimise ning projekteerimis-, ehitus-, kontrolli-, kontrolli- ja katsetamisnõuete kehtestamise eest, mis reguleerivad kogu vedeliku käitlemist või protsessi, mille osaks torujuhe on.Paigaldamine."Niisiis, pärast vastutuse põhireeglite kehtestamist ja vedeliku teenusekategooriate määratlemise nõuete kehtestamist, vaatame, kuhu vesinikgaas sobib.
Kuna vesinikgaas toimib lenduva vedelikuna, millel on lekked, võib vesinikgaasi pidada tavaliseks vedelikuks või M-klassi vedelikuks kategooria B31.3 all vedelate teenuste jaoks.Nagu eespool öeldud, on vedeliku käitlemise klassifikatsioon omaniku nõue, tingimusel et see vastab valitud kategooriate juhistele, mida on kirjeldatud punktis B31.3, lõigus 3. 300.2 Määratlused jaotises „Hüdraulikateenused”.Järgmised on tavalise vedelikuteenuse ja M-klassi vedelikuteenuse määratlused.
„Tavaline vedelikuteenus: vedelikuteenus, mida kohaldatakse enamiku torustike suhtes, millele see koodeks kehtib, st ei kehti klasside D, M, kõrge temperatuuri, kõrge rõhu või vedeliku kõrge puhtuse eeskirjadele.
(1) Vedeliku mürgisus on nii suur, et ühekordne kokkupuude väga väikese vedelikukogusega lekke tõttu võib selle sissehingajatele või sellega kokkupuutujatele põhjustada tõsiseid püsivaid vigastusi, isegi kui võetakse kasutusele kohesed taastumismeetmed.võetud
(2) Pärast torujuhtme konstruktsiooni, kogemuste, töötingimuste ja asukoha kaalumist otsustab omanik, et vedeliku tavapärase kasutamise nõuded ei ole piisavad, et tagada personali kokkupuute eest kaitsmiseks vajalik tihedus.”
Ülaltoodud M määratluses ei vasta gaas vesinik lõike 1 kriteeriumidele, kuna seda ei peeta mürgiseks vedelikuks.Lõiget 2 kohaldades lubab koodeks siiski klassifitseerida hüdrosüsteemid M-klassi pärast seda, kui on nõuetekohaselt arvesse võetud “…torustiku konstruktsiooni, kogemusi, töötingimusi ja asukohta…” Omanik lubab määrata vedeliku normaalse käitlemise.Nõuded on ebapiisavad, et rahuldada vesinikgaasitorustike projekteerimise, ehitamise, kontrollimise, kontrollimise ja katsetamise vajadusi kõrgema terviklikkuse taseme järele.
Enne kõrgtemperatuurse vesiniku korrosiooni (HTHA) käsitlemist vaadake tabelit 1.Koodid, standardid ja eeskirjad on loetletud selles tabelis, mis sisaldab kuut dokumenti vesinikhapruse (HE) teemal, mis on tavaline korrosioonianomaalia, mis hõlmab HTHA-d.OH võib esineda madalal ja kõrgel temperatuuril.Seda peetakse korrosiooni vormiks ja seda saab käivitada mitmel viisil ja see võib mõjutada ka paljusid materjale.
HE-l on erinevaid vorme, mida saab jagada vesinikkrakkimiseks (HAC), vesinikkrakkimiseks (HSC), pingekorrosioonikrakkimiseks (SCC), vesinikkorrosioonikrakkimiseks (HACC), vesiniku mullitamiseks (HB), vesinikkrakkimiseks (HIC).)), pingele orienteeritud vesinikkrakkimine (SOHIC), progresseeruv krakkimine (SWC), sulfiidpingega krakkimine (SSC), pehme tsooni lõhenemine (SZC) ja kõrge temperatuuriga vesinikkorrosioon (HTHA).
Kõige lihtsamal kujul on vesiniku rabestumine mehhanism metallide terade piiride hävitamiseks, mille tulemuseks on aatomilise vesiniku läbitungimise tõttu vähenenud elastsus.Selle esinemise viisid on erinevad ja on osaliselt määratletud nende vastavate nimetustega, näiteks HTHA, kus rabendamiseks on vaja samaaegset kõrget temperatuuri ja kõrge rõhu all olevat vesinikku, ja SSC, kus aatomi vesinik toodetakse suletud gaaside ja vesinikuna.happekorrosiooni tõttu imbuvad need metallkorpustesse, mis võib põhjustada rabedust.Kuid üldtulemus on sama, mis kõigi ülalkirjeldatud vesiniku rabestumise juhtumite puhul, kus metalli tugevus väheneb rabestumise tõttu alla selle lubatud pingevahemiku, mis omakorda loob aluse potentsiaalselt katastroofiliseks sündmuseks, arvestades vedeliku lenduvust.
Lisaks seina paksusele ja mehaaniliste vuukide toimivusele tuleb H2 gaasi teenuse materjalide valimisel arvestada kahte peamist tegurit: 1. kokkupuude kõrge temperatuuriga vesinikuga (HTHA) ja 2. tõsine mure võimaliku lekke pärast.Mõlemad teemad on praegu arutlusel.
Erinevalt molekulaarsest vesinikust võib aatomvesinik paisuda, jättes vesiniku kõrgele temperatuurile ja rõhule, luues aluse potentsiaalsele HTHA-le.Nendes tingimustes on aatomvesinik võimeline difundeeruma süsinikterasest torustiku materjalidesse või seadmetesse, kus see reageerib metallilises lahuses oleva süsinikuga, moodustades terade piiridel metaani.Kuna gaas ei pääse välja, paisub, tekitades torude või anumate seintesse pragusid ja pragusid – see on HTGA.HTHA tulemused on selgelt näha joonisel 2, kus 8-tollises seinas on märgatavad praod ja praod.Nimisuurusega (NPS) toru osa, mis nendel tingimustel ebaõnnestub.
Süsinikterast saab kasutada vesiniku teenindamiseks, kui töötemperatuuri hoitakse alla 500 °F.Nagu eespool mainitud, tekib HTHA gaasilise vesiniku kõrge osarõhu ja kõrge temperatuuri all hoidmisel.Süsinikterast ei soovitata kasutada, kui vesiniku osarõhk on eeldatavasti umbes 3000 psi ja temperatuur on üle umbes 450 °F (mis on õnnetusjuhtum joonisel 2).
Nagu näha joonisel 3 kujutatud modifitseeritud Nelsoni graafikult, mis on osaliselt võetud API 941-st, on kõrgel temperatuuril suurim mõju vesiniku forsseerimisele.Vesinikgaasi osarõhk võib ületada 1000 psi, kui seda kasutatakse süsinikterastega, mis töötavad temperatuuril kuni 500 °F.
Joonis 3. Seda muudetud Nelsoni diagrammi (kohandatud API 941 põhjal) saab kasutada sobivate materjalide valimiseks vesiniku kasutamiseks erinevatel temperatuuridel.
Joonisel fig.3 näitab teraste valikut, mis tagavad vesiniku rünnaku vältimise, sõltuvalt töötemperatuurist ja vesiniku osarõhust.Austeniitsed roostevabad terased ei ole HTHA suhtes tundlikud ning on rahuldavad materjalid kõikidel temperatuuridel ja rõhkudel.
Austeniit 316/316L roostevaba teras on vesinikurakenduste jaoks kõige praktilisem materjal ja seda on tõestatud.Kui süsinikteraste puhul on soovitatav kasutada keevitusjärgset kuumtöötlust (PWHT), et kaltsineerida keevitamise ajal jääkvesinikku ja vähendada kuumtöötlemise tsooni (HAZ) kõvadust pärast keevitamist, siis austeniitsete roostevabade teraste puhul pole see vajalik.
Kuumtöötlemisest ja keevitusest põhjustatud termotermilised mõjud avaldavad vähe mõju austeniitsete roostevabade teraste mehaanilistele omadustele.Külmtöötlemine võib aga parandada austeniitsete roostevabade teraste mehaanilisi omadusi, nagu tugevus ja kõvadus.Austeniitsest roostevabast terasest torude painutamisel ja vormimisel muutuvad nende mehaanilised omadused, sh väheneb materjali plastilisus.
Kui austeniitse roostevaba teras vajab külmvormimist, taastab lahusega lõõmutamine (kuumutamine temperatuurini ligikaudu 1045 °C, millele järgneb karastamine või kiire jahutamine) materjali mehaanilised omadused nende algväärtustele.Samuti kõrvaldab see pärast külmtöötlemist saavutatud sulami eraldamise, sensibiliseerimise ja sigma faasi.Lahuse lõõmutamisel pidage meeles, et kui seda ei käsitseta õigesti, võib kiire jahutamine tekitada materjalile jääkpinge.
Vt tabeleid GR-2.1.1-1 torustiku ja torustiku koostu materjali spetsifikatsiooni indeks ja GR-2.1.1-2 torustiku materjali spetsifikatsiooni indeks ASME B31-s, et näha H2-teenuse jaoks vastuvõetavaid materjalivalikuid.torud on hea koht alustamiseks.
Ma võin lisada, et standardse aatommassiga 1,008 aatommassiühikut (amu) on vesinik perioodilisuse tabeli kõige kergem ja väikseim element ning seetõttu on sellel suur lekkimisvõime, millel võivad olla laastavad tagajärjed.Seetõttu tuleb gaasitorusüsteem projekteerida nii, et oleks võimalik piirata mehaanilist tüüpi ühendusi ja parandada neid ühendusi, mida tõesti vaja on.
Võimalike lekkekohtade piiramisel tuleb süsteem täielikult keevitada, välja arvatud seadmete, torustiku elementide ja liitmike äärikühendused.Keermestatud ühendusi tuleks vältida nii palju kui võimalik, kui mitte täielikult.Kui keermestatud ühendusi ei saa mingil põhjusel vältida, on soovitatav need ilma keermetihendita täielikult kinnitada ja seejärel keevisõmblus tihendada.Süsinikterasest torude kasutamisel peavad toruühendused olema põkkkeevitatud ja keevitusjärgselt kuumtöödeldud (PWHT).Pärast keevitamist puutuvad soojustsoonis (HAZ) olevad torud vesiniku rünnakule isegi ümbritseva õhu temperatuuril.Kui vesiniku rünnak toimub peamiselt kõrgetel temperatuuridel, siis PWHT-etapp vähendab seda võimalust täielikult, kui mitte kõrvaldab isegi ümbritseva keskkonna tingimustes.
Täielikult keevitatud süsteemi nõrk koht on äärikühendus.Äärikühenduste kõrge tiheduse tagamiseks tuleks kasutada Kammprofile'i tihendeid (joonis 4) või muud tüüpi tihendeid.Mitme tootja poolt peaaegu samal viisil valmistatud padi on väga andestav.See koosneb hammastega täismetallist rõngastest, mis on asetatud pehmete deformeeruvate tihendusmaterjalide vahele.Hambad koondavad poldi koormuse väiksemale alale, et tagada tihe sobivus väiksema pingega.See on konstrueeritud nii, et see suudab kompenseerida ebatasased äärikupinnad ja ka kõikuvad töötingimused.
Joonis 4. Kammprofiili tihenditel on mõlemalt poolt pehme täiteainega ühendatud metallsüdamik.
Teine oluline tegur süsteemi terviklikkuses on ventiil.Lekked varre tihendi ja korpuse äärikute ümber on tõeline probleem.Selle vältimiseks on soovitatav valida lõõtsatihendiga klapp.
Kasutage 1 tolli.School 80 süsinikterasest toru, meie allolevas näites, võttes arvesse tootmistolerantse, korrosiooni- ja mehaanilisi tolerantse vastavalt standardile ASTM A106 Gr B, saab maksimaalse lubatud töörõhu (MAWP) arvutada kahes etapis temperatuuridel kuni 300 °F (Märkus: Põhjus “…temperatuuril kuni 300 ºF…” on tingitud sellest, et BTM-i lubatud temperatuur (1S0) väheneb või kui ASTM-i temperatuur väheneb. ületab 300 ºF. (S), seega nõuab võrrand (1) kohandamist temperatuuridele üle 300 ºF.)
Viidates valemile (1), on esimene samm torujuhtme teoreetilise purunemisrõhu arvutamine.
T = toru seina paksus miinus mehaanilised, korrosiooni- ja tootmistolerantsid tollides.
Protsessi teine ​​osa on torujuhtme maksimaalse lubatud töörõhu Pa arvutamine, rakendades tulemusele P ohutustegurit S f vastavalt võrrandile (2):
Seega arvutatakse 1″ kooli 80 materjali kasutamisel purunemisrõhk järgmiselt:
Seejärel rakendatakse ohutusväärtust Sf 4 vastavalt ASME surveanumate soovituste jaotisele VIII-1 2019, lõikele 8. UG-101 arvutatakse järgmiselt:
Saadud MAWP väärtus on 810 psi.tolline viitab ainult torule.Süsteemi madalaima reitinguga äärikühendus või komponent on süsteemis lubatud rõhu määramisel määravaks teguriks.
ASME B16.5 puhul on 150 süsinikterasest äärikuliitmike maksimaalne lubatud töörõhk 285 psi.tolli temperatuuril -20 °F kuni 100 °F.Klassi 300 maksimaalne lubatud töörõhk on 740 psi.See on süsteemi rõhu piirtegur vastavalt allolevale materjali spetsifikatsiooni näitele.Samuti võivad need väärtused ületada 1,5 korda ainult hüdrostaatilistes katsetes.
Süsinikterasest põhimaterjali spetsifikatsiooni näide on H2 gaasi teenindusliini spetsifikatsioon, mis töötab ümbritseva õhu temperatuuril alla 740 psi kavandatud rõhu.tolli, võib sisaldada tabelis 2 näidatud materjalinõudeid. Järgmised tüübid võivad vajada tähelepanu spetsifikatsioonis sisaldumisele.
Lisaks torustikule on torusüsteemis palju elemente, nagu liitmikud, ventiilid, torustiku seadmed jne. Kuigi paljud neist elementidest pannakse kokku, et neid üksikasjalikult arutada, on selleks vaja rohkem lehti, kui mahub.See artikkel.