این نمای کلی توصیه هایی را برای طراحی ایمن سیستم های لوله کشی برای توزیع هیدروژن ارائه می دهد.
هیدروژن یک مایع بسیار فرار است که تمایل زیادی به نشت دارد.این یک ترکیب بسیار خطرناک و کشنده از تمایلات است، مایع فراری که کنترل آن دشوار است.اینها روندهایی هستند که هنگام انتخاب مواد، واشرها و مهر و موم ها و همچنین ویژگی های طراحی چنین سیستم هایی باید در نظر گرفته شوند.این موضوعات در مورد توزیع H2 گازی تمرکز این بحث است، نه تولید H2، H2 مایع یا H2 مایع (به نوار کناری سمت راست مراجعه کنید).
در اینجا چند نکته کلیدی وجود دارد که به شما در درک مخلوط هیدروژن و H2-هوا کمک می کند.هیدروژن به دو صورت می سوزد: آتش زدایی و انفجار.
آتش زداییباد زدایی یک حالت احتراق رایج است که در آن شعله‌ها با سرعت‌های زیر صوت از مخلوط عبور می‌کنند.این اتفاق می افتد، برای مثال، زمانی که یک ابر آزاد از مخلوط هیدروژن و هوا توسط یک منبع احتراق کوچک مشتعل می شود.در این حالت شعله با سرعت ده تا چند صد فوت بر ثانیه حرکت خواهد کرد.انبساط سریع گاز داغ امواج فشاری را ایجاد می کند که قدرت آن متناسب با اندازه ابر است.در برخی موارد، نیروی موج ضربه‌ای می‌تواند به اندازه‌ای باشد که به سازه‌های ساختمان و سایر اجسام در مسیر خود آسیب برساند و باعث آسیب شود.
منفجر شودهنگامی که منفجر شد، شعله های آتش و امواج ضربه ای با سرعت مافوق صوت از مخلوط عبور کردند.نسبت فشار در یک موج انفجاری بسیار بیشتر از یک انفجار است.به دلیل افزایش نیرو، انفجار برای افراد، ساختمان ها و اشیاء مجاور خطرناک تر است.شعله ور شدن معمولی هنگام مشتعل شدن در یک فضای محدود باعث انفجار می شود.در چنین منطقه باریکی، احتراق می تواند با کمترین مقدار انرژی ایجاد شود.اما برای انفجار مخلوط هیدروژن-هوا در فضای نامحدود، منبع احتراق قوی تری مورد نیاز است.
نسبت فشار در سراسر موج انفجار در مخلوط هیدروژن و هوا حدود 20 است. در فشار اتمسفر، نسبت 20 برابر 300 psi است.هنگامی که این موج فشار با یک جسم ثابت برخورد می کند، نسبت فشار به 40-60 افزایش می یابد.این به دلیل انعکاس یک موج فشار از یک مانع ثابت است.
تمایل به نشت.گاز H2 به دلیل ویسکوزیته کم و وزن مولکولی کم، تمایل زیادی به نشت و حتی نفوذ یا نفوذ به مواد مختلف دارد.
هیدروژن 8 برابر سبکتر از گاز طبیعی، 14 برابر سبکتر از هوا، 22 برابر سبکتر از پروپان و 57 برابر سبکتر از بخار بنزین است.این بدان معناست که هنگام نصب در خارج از منزل، گاز H2 به سرعت بالا می‌آید و از بین می‌رود و علائم حتی نشت را کاهش می‌دهد.اما می تواند یک شمشیر دو لبه باشد.اگر قرار باشد جوشکاری روی یک نصب در فضای باز در بالای یا پایین باد یک نشتی H2 بدون مطالعه نشت یابی قبل از جوشکاری انجام شود، ممکن است انفجار رخ دهد.در یک فضای بسته، گاز H2 می تواند از سقف به پایین بالا آمده و انباشته شود، شرایطی که به آن اجازه می دهد تا حجم زیادی را قبل از تماس با منابع احتراق نزدیک زمین افزایش دهد.
آتش سوزی تصادفیخود اشتعالی پدیده ای است که در آن مخلوطی از گازها یا بخارات خود به خود بدون منبع اشتعال خارجی مشتعل می شود.همچنین به عنوان "احتراق خود به خود" یا "احتراق خود به خود" شناخته می شود.خودسوزی به دما بستگی دارد نه فشار.
دمای خود اشتعال حداقل دمایی است که در آن یک سوخت به طور خود به خود قبل از اشتعال در غیاب منبع اشتعال خارجی در تماس با هوا یا یک عامل اکسید کننده مشتعل می شود.دمای خود اشتعال یک پودر منفرد دمایی است که در آن در غیاب عامل اکسید کننده به طور خود به خود مشتعل می شود.دمای خود اشتعالی H2 گازی در هوا 585 درجه سانتیگراد است.
انرژی اشتعال انرژی مورد نیاز برای شروع انتشار شعله از طریق یک مخلوط قابل احتراق است.حداقل انرژی اشتعال حداقل انرژی لازم برای احتراق یک مخلوط قابل احتراق خاص در دما و فشار خاص است.حداقل انرژی اشتعال جرقه برای H2 گازی در 1 اتمسفر هوا = 1.9 × 10-8 BTU (0.02 میلی ژول).
حد انفجار حداکثر و حداقل غلظت بخار، مه یا غبار در هوا یا اکسیژن است که در آن انفجار رخ می دهد.اندازه و هندسه محیط و همچنین غلظت سوخت، محدودیت ها را کنترل می کند."محدودیت انفجار" گاهی اوقات به عنوان مترادف برای "محدودیت انفجار" استفاده می شود.
محدودیت های انفجاری برای مخلوط های H2 در هوا 18.3 درصد حجمی (حد پایین) و 59 درصد حجمی (حد بالایی) است.
هنگام طراحی سیستم های لوله کشی (شکل 1)، اولین قدم تعیین مصالح ساختمانی مورد نیاز برای هر نوع سیال است.و هر سیال مطابق با بند ASME B31.3 طبقه بندی می شود.300(b)(1) بیان می‌کند، "مالک همچنین مسئول تعیین لوله‌های کلاس D، M، فشار بالا و خلوص بالا و تعیین اینکه آیا یک سیستم کیفیت خاص باید استفاده شود یا خیر."
طبقه بندی سیالات درجه آزمایش و نوع آزمایش مورد نیاز و همچنین بسیاری از الزامات دیگر را بر اساس دسته سیال تعریف می کند.مسئولیت مالک در این مورد معمولاً بر عهده بخش مهندسی مالک یا یک مهندس برون سپاری است.
در حالی که کد لوله‌کشی فرآیند B31.3 به مالک نمی‌گوید از کدام ماده برای یک سیال خاص استفاده کند، اما راهنمایی‌هایی در مورد استحکام، ضخامت و الزامات اتصال مواد ارائه می‌دهد.همچنین دو عبارت در مقدمه کد وجود دارد که به وضوح بیان می کند:
و پاراگراف اول بالا، پاراگراف B31.3 را گسترش دهید.300(b)(1) همچنین بیان می‌کند: «مالک تأسیسات خط لوله تنها مسئول پیروی از این آیین‌نامه و تعیین الزامات طراحی، ساخت، بازرسی، بازرسی و آزمایش است که بر کلیه جابجایی مایعات یا فرآیندهایی که خط لوله بخشی از آن است، می‌باشد.نصب و راه اندازی."بنابراین، پس از تعیین برخی قوانین اساسی برای مسئولیت و الزامات برای تعریف دسته های خدمات سیال، بیایید ببینیم که گاز هیدروژن در کجا قرار می گیرد.
از آنجا که گاز هیدروژن به عنوان یک مایع فرار با نشتی عمل می کند، گاز هیدروژن را می توان یک مایع معمولی یا یک مایع کلاس M تحت رده B31.3 برای سرویس مایع در نظر گرفت.همانطور که در بالا گفته شد، طبقه‌بندی جابجایی سیال یک الزام مالک است، مشروط بر اینکه دستورالعمل‌های دسته‌های انتخابی شرح‌داده‌شده در B31.3، بند 3 را برآورده کند. 300.2 تعاریف در بخش "خدمات هیدرولیک".تعاریف زیر برای سرویس سیال معمولی و سرویس سیال کلاس M ارائه شده است:
سرویس سیالات معمولی: سرویس سیالات قابل اعمال برای اکثر لوله‌کشی‌های مشمول این کد، یعنی مشمول مقررات کلاس‌های D، M، دمای بالا، فشار بالا، یا تمیزی بالای سیال نیست.
(1) سمیت مایع به حدی است که یک بار قرار گرفتن در معرض مقدار بسیار کمی از مایع ناشی از نشت می تواند باعث آسیب جدی دائمی به افرادی شود که آن را استنشاق می کنند یا با آن تماس دارند، حتی اگر اقدامات بازیابی فوری انجام شود.گرفته شده
(2) پس از در نظر گرفتن طراحی خط لوله، تجربه، شرایط عملیاتی و مکان، مالک تشخیص می دهد که الزامات برای استفاده معمولی از سیال برای ایجاد سفتی لازم برای محافظت از پرسنل در برابر قرار گرفتن در معرض کافی نیست.”
در تعریف فوق از M، گاز هیدروژن معیارهای بند (1) را ندارد زیرا مایع سمی محسوب نمی شود.با این حال، با اعمال زیربخش (2)، این آیین‌نامه طبقه‌بندی سیستم‌های هیدرولیک در کلاس M را پس از در نظر گرفتن «...طراحی لوله‌کشی، تجربه، شرایط عملیاتی و مکان...» اجازه می‌دهد تا مالک اجازه تعیین رفتار عادی سیال را بدهد.الزامات برای برآوردن نیاز به سطح بالاتری از یکپارچگی در طراحی، ساخت، بازرسی، بازرسی و آزمایش سیستم های لوله کشی گاز هیدروژن کافی نیست.
لطفاً قبل از بحث در مورد خوردگی هیدروژنی در دمای بالا (HTHA) به جدول 1 مراجعه کنید.کدها، استانداردها و مقررات در این جدول فهرست شده‌اند که شامل شش سند در مورد تردی هیدروژنی (HE)، یک ناهنجاری خوردگی رایج است که شامل HTHA می‌شود.OH می تواند در دماهای پایین و بالا رخ دهد.که نوعی خوردگی در نظر گرفته می شود، می تواند به روش های مختلفی شروع شود و همچنین بر طیف گسترده ای از مواد تأثیر بگذارد.
HE اشکال مختلفی دارد که می‌توان آن‌ها را به ترک‌های هیدروژنی (HAC)، ترک‌خوردگی استرس هیدروژنی (HSC)، ترک خوردگی استرسی (SCC)، ترک خوردگی هیدروژنی (HACC)، حباب‌سازی هیدروژنی (HB)، ترک‌خوردگی هیدروژنی (HIC) تقسیم کرد.))، ترک هیدروژنی مبتنی بر تنش (SOHIC)، ترک پیشرونده (SWC)، ترک تنش سولفیدی (SSC)، ترک ناحیه نرم (SZC)، و خوردگی هیدروژنی با دمای بالا (HTHA).
در ساده ترین شکل خود، شکنندگی هیدروژن مکانیزمی برای از بین بردن مرزهای دانه های فلزی است که منجر به کاهش شکل پذیری به دلیل نفوذ هیدروژن اتمی می شود.روش‌هایی که این اتفاق می‌افتد متفاوت است و تا حدی با نام‌های مربوطه تعریف می‌شود، مانند HTHA، که در آن هیدروژن با دمای بالا و فشار بالا به طور همزمان برای شکنندگی مورد نیاز است، و SSC، که در آن هیدروژن اتمی به عنوان گازهای بسته و هیدروژن تولید می‌شود.به دلیل خوردگی اسیدی به داخل محفظه های فلزی نفوذ می کنند که می تواند منجر به شکنندگی شود.اما نتیجه کلی مانند همه موارد تردی هیدروژنی است که در بالا توضیح داده شد، که در آن استحکام فلز با شکنندگی کمتر از محدوده تنش مجاز آن کاهش می‌یابد، که به نوبه خود زمینه را برای یک رویداد بالقوه فاجعه‌بار با توجه به فرار مایع فراهم می‌کند.
علاوه بر ضخامت دیواره و عملکرد اتصال مکانیکی، دو عامل اصلی برای انتخاب مواد برای سرویس گاز H2 وجود دارد: 1. قرار گرفتن در معرض هیدروژن با دمای بالا (HTHA) و 2. نگرانی جدی در مورد نشت احتمالی.هر دو موضوع در حال حاضر در دست بحث است.
بر خلاف هیدروژن مولکولی، هیدروژن اتمی می تواند منبسط شود و هیدروژن را در معرض دما و فشار بالا قرار دهد و پایه ای برای HTHA بالقوه ایجاد کند.تحت این شرایط، هیدروژن اتمی می‌تواند به مواد یا تجهیزات لوله‌کشی فولاد کربنی نفوذ کند، جایی که با کربن موجود در محلول فلزی واکنش می‌دهد تا گاز متان را در مرز دانه‌ها تشکیل دهد.گاز قادر به فرار نیست، منبسط می شود و شکاف ها و شکاف هایی در دیواره لوله ها یا کشتی ها ایجاد می کند - این HTGA است.نتایج HTHA را به وضوح در شکل 2 مشاهده می کنید که در آن ترک ها و ترک ها در دیوار 8 اینچی مشهود است.بخشی از لوله اندازه اسمی (NPS) که در این شرایط خراب می شود.
هنگامی که دمای عملیاتی زیر 500 درجه فارنهایت حفظ می شود، می توان از فولاد کربنی برای خدمات هیدروژنی استفاده کرد.همانطور که در بالا ذکر شد، HTHA زمانی رخ می دهد که گاز هیدروژن در فشار جزئی بالا و دمای بالا نگه داشته شود.زمانی که انتظار می رود فشار جزئی هیدروژن در حدود 3000 psi باشد و دما بالای 450 درجه فارنهایت باشد (که شرایط تصادف در شکل 2 است) فولاد کربنی توصیه نمی شود.
همانطور که از نمودار نلسون اصلاح شده در شکل 3 مشاهده می شود، که تا حدی از API 941 گرفته شده است، دمای بالا بیشترین تأثیر را بر نیروی هیدروژن دارد.فشار جزئی گاز هیدروژن می تواند از 1000 psi تجاوز کند که با فولادهای کربنی که در دماهای تا 500 درجه فارنهایت کار می کنند استفاده شود.
شکل 3. این نمودار نلسون اصلاح شده (اقتباس شده از API 941) می تواند برای انتخاب مواد مناسب برای سرویس هیدروژن در دماهای مختلف استفاده شود.
روی انجیر3 انتخاب فولادهایی را نشان می دهد که تضمین شده برای جلوگیری از حمله هیدروژنی، بسته به دمای عملیاتی و فشار جزئی هیدروژن است.فولادهای زنگ نزن آستنیتی نسبت به HTHA حساس نیستند و در تمام دماها و فشارها مواد رضایت بخشی هستند.
فولاد ضد زنگ آستنیتی 316/316L کاربردی ترین ماده برای کاربردهای هیدروژنی است و سابقه اثبات شده ای دارد.در حالی که عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) برای فولادهای کربنی برای کلسینه کردن هیدروژن باقیمانده در حین جوشکاری و کاهش سختی منطقه متاثر از حرارت (HAZ) پس از جوشکاری توصیه می شود، برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی مورد نیاز نیست.
اثرات حرارتی ناشی از عملیات حرارتی و جوشکاری تأثیر کمی بر خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارد.با این حال، کار سرد می تواند خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مانند استحکام و سختی را بهبود بخشد.هنگام خم شدن و تشکیل لوله ها از فولاد ضد زنگ آستنیتی، خواص مکانیکی آنها تغییر می کند، از جمله کاهش انعطاف پذیری مواد.
اگر فولاد زنگ نزن آستنیتی نیاز به شکل دهی سرد داشته باشد، بازپخت محلول (حرارت تا دمای تقریباً 1045 درجه سانتیگراد و به دنبال آن خاموش کردن یا خنک شدن سریع) خواص مکانیکی ماده را به مقادیر اولیه خود باز می گرداند.همچنین جداسازی آلیاژ، حساس شدن و فاز سیگما را که پس از کار سرد حاصل می شود، از بین می برد.هنگام انجام بازپخت محلول، توجه داشته باشید که سرد شدن سریع می تواند در صورت عدم استفاده صحیح، فشار باقیمانده را به مواد بازگرداند.
برای انتخاب مواد قابل قبول برای سرویس H2 به جداول GR-2.1.1-1 شاخص مشخصات مواد لوله و مجموعه لوله و GR-2.1.1-2 شاخص مشخصات مواد لوله کشی در ASME B31 مراجعه کنید.لوله ها مکان خوبی برای شروع هستند.
با وزن استاندارد 1.008 واحد جرم اتمی (amu)، هیدروژن سبک‌ترین و کوچک‌ترین عنصر جدول تناوبی است و بنابراین تمایل زیادی به نشت دارد، ممکن است اضافه کنم که پیامدهای بالقوه ویرانگر دارد.بنابراین، سیستم خط لوله گاز باید به گونه ای طراحی شود که اتصالات نوع مکانیکی را محدود کرده و اتصالات مورد نیاز را بهبود بخشد.
هنگام محدود کردن نقاط نشتی احتمالی، سیستم باید کاملاً جوش داده شود، به جز اتصالات فلنجی روی تجهیزات، عناصر لوله‌کشی و اتصالات.از اتصالات رزوه ای تا حد امکان، اگر نه به طور کامل، باید اجتناب شود.اگر به هر دلیلی نمی توان از اتصالات رزوه ای اجتناب کرد، توصیه می شود آنها را کاملاً بدون درزگیر رزوه درگیر کرده و سپس جوش را آب بندی کنید.هنگام استفاده از لوله فولادی کربن، اتصالات لوله باید به لب به لب جوش داده شده و عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) انجام شود.پس از جوشکاری، لوله‌ها در منطقه متاثر از حرارت (HAZ) حتی در دمای محیط در معرض حمله هیدروژنی قرار می‌گیرند.در حالی که حمله هیدروژنی در درجه اول در دماهای بالا رخ می دهد، مرحله PWHT این احتمال را حتی در شرایط محیطی کاملاً کاهش می دهد، اگر از بین نرود.
نقطه ضعف سیستم تمام جوشی اتصال فلنج است.برای اطمینان از درجه محکمی بالا در اتصالات فلنج، باید از واشرهای Kammprofile (شکل 4) یا شکل دیگری از واشر استفاده شود.این پد تقریباً به همان روش توسط چندین سازنده ساخته شده است، این پد بسیار بخشنده است.این شامل حلقه های تمام فلزی دندانه دار است که بین مواد آب بندی نرم و قابل تغییر شکل قرار گرفته اند.دندان‌ها بار پیچ را در ناحیه کوچک‌تری متمرکز می‌کنند تا تناسب محکم و تنش کمتری ایجاد کنند.به گونه ای طراحی شده است که می تواند سطوح فلنج ناهموار و همچنین شرایط کاری نوسان را جبران کند.
شکل 4. واشرهای Kammprofile دارای یک هسته فلزی هستند که در دو طرف با یک پرکننده نرم به هم متصل شده است.
یکی دیگر از عوامل مهم در یکپارچگی سیستم، شیر است.نشتی در اطراف مهر و موم ساقه و فلنج های بدنه یک مشکل واقعی است.برای جلوگیری از این امر، توصیه می شود یک شیر با مهر و موم دم انتخاب کنید.
از 1 اینچ استفاده کنید.لوله فولادی کربن مدرسه 80، در مثال زیر، با توجه به تلورانس‌های تولید، خوردگی و تحمل‌های مکانیکی مطابق با ASTM A106 Gr B، حداکثر فشار کاری مجاز (MAWP) را می‌توان در دو مرحله در دماهای تا 300 درجه فارنهایت محاسبه کرد (توجه: دلیل "…برای دماهای 0ºS مجاز است زیرا تنش ASTr10 تا 30" ماده B زمانی شروع به خراب شدن می کند که دما از 300 درجه فارنهایت (S) فراتر رود، بنابراین معادله (1) نیاز به تنظیم دماهای بالاتر از 300 درجه فارنهایت دارد.)
با اشاره به فرمول (1)، اولین مرحله محاسبه فشار ترکیدگی نظری خط لوله است.
T = ضخامت دیواره لوله منهای تحمل مکانیکی، خوردگی و ساخت، بر حسب اینچ.
بخش دوم فرآیند محاسبه حداکثر فشار کاری مجاز Pa خط لوله با اعمال ضریب ایمنی Sf به نتیجه P مطابق با رابطه (2) است:
بنابراین، هنگام استفاده از مواد مدرسه 80 1 اینچی، فشار ترکیدگی به صورت زیر محاسبه می شود:
سپس یک Sf ایمنی 4 مطابق با توصیه‌های مخزن تحت فشار ASME بخش VIII-1 2019، بند 8 اعمال می‌شود. UG-101 به شرح زیر محاسبه می‌شود:
مقدار MAWP حاصل 810 psi است.اینچ فقط به لوله اشاره دارد.اتصال فلنج یا قطعه با کمترین درجه بندی در سیستم عامل تعیین کننده در تعیین فشار مجاز در سیستم خواهد بود.
در ASME B16.5، حداکثر فشار کاری مجاز برای اتصالات فلنج فولاد کربنی 150 psi 285 است.اینچ در -20 درجه فارنهایت تا 100 درجه فارنهایت.کلاس 300 دارای حداکثر فشار کاری مجاز 740 psi است.این ضریب حد فشار سیستم با توجه به مثال مشخصات مواد زیر خواهد بود.همچنین فقط در تست های هیدرواستاتیک، این مقادیر می تواند بیش از 1.5 برابر باشد.
به عنوان نمونه ای از مشخصات مواد فولاد کربنی پایه، مشخصات خط سرویس گاز H2 که در دمای محیط زیر فشار طراحی 740 psi کار می کند.اینچ، ممکن است حاوی الزامات مواد باشد که در جدول 2 نشان داده شده است. موارد زیر انواعی هستند که ممکن است نیاز به توجه در مشخصات داشته باشند:
جدای از خود لوله، عناصر زیادی وجود دارند که سیستم لوله کشی را تشکیل می دهند مانند اتصالات، شیرها، تجهیزات خط و غیره. در حالی که بسیاری از این عناصر در یک خط لوله کنار هم قرار می گیرند تا جزئیات آنها را مورد بحث قرار دهند، این به صفحات بیشتری نیاز دارد.این مقاله.