Tämä yleiskatsaus antaa suosituksia vedyn jakelun putkistojen turvalliseen suunnitteluun.
Vety on erittäin haihtuva neste, jolla on suuri taipumus vuotaa.Se on erittäin vaarallinen ja tappava taipumusten yhdistelmä, haihtuva neste, jota on vaikea hallita.Nämä ovat suuntauksia, jotka on otettava huomioon valittaessa materiaaleja, tiivisteitä ja tiivisteitä sekä tällaisten järjestelmien suunnitteluominaisuuksia.Nämä kaasumaisen H2:n jakautumista koskevat aiheet ovat tämän keskustelun painopiste, eivät H2:n, nestemäisen H2:n tai nestemäisen H2:n tuotanto (katso oikea sivupalkki).
Tässä on muutamia avainkohtia, jotka auttavat sinua ymmärtämään vedyn ja H2-ilman seosta.Vety palaa kahdella tavalla: syttymällä ja räjähtäen.
räjähdys.Deflagraatio on yleinen polttomuoto, jossa liekit kulkevat seoksen läpi aliäänenopeuksilla.Tämä tapahtuu esimerkiksi, kun pieni sytytyslähde sytyttää vapaan vety-ilma-seoksen pilven.Tässä tapauksessa liekki liikkuu nopeudella kymmenestä useaan sataan jalkaan sekunnissa.Kuuman kaasun nopea laajeneminen synnyttää paineaaltoja, joiden voimakkuus on verrannollinen pilven kokoon.Joissakin tapauksissa iskuaallon voima voi riittää vahingoittamaan rakennusrakenteita ja muita sen tiellä olevia esineitä ja aiheuttamaan vammoja.
räjähtää.Kun se räjähti, liekit ja shokkiaallot kulkivat seoksen läpi yliäänenopeuksilla.Räjähdysaallon painesuhde on paljon suurempi kuin räjähdyksessä.Suuremman voiman vuoksi räjähdys on vaarallisempi ihmisille, rakennuksille ja lähellä oleville esineille.Normaali syttyminen aiheuttaa räjähdyksen, kun se sytytetään suljetussa tilassa.Näin kapealla alueella syttymisen voi aiheuttaa pienin energiamäärä.Mutta vety-ilma-seoksen räjäyttämiseksi rajoittamattomassa tilassa tarvitaan tehokkaampi sytytyslähde.
Painesuhde räjähdysaallon poikki vety-ilma-seoksessa on noin 20. Ilmakehän paineessa suhde 20 on 300 psi.Kun tämä paineaalto törmää paikallaan olevaan esineeseen, painesuhde kasvaa arvoon 40-60.Tämä johtuu paineaallon heijastuksesta paikallaan olevasta esteestä.
Taipumus vuotaa.Alhaisen viskositeetin ja alhaisen molekyylipainonsa ansiosta H2-kaasulla on suuri taipumus vuotaa ja jopa läpäistä tai tunkeutua erilaisiin materiaaleihin.
Vety on 8 kertaa kevyempää kuin maakaasu, 14 kertaa kevyempi kuin ilma, 22 kertaa kevyempi kuin propaani ja 57 kertaa kevyempi kuin bensiinihöyry.Tämä tarkoittaa, että kun se asennetaan ulos, H2-kaasu nousee nopeasti ja haihtuu, mikä vähentää tasaisten vuotojen merkkejä.Mutta se voi olla kaksiteräinen miekka.Räjähdys voi tapahtua, jos hitsaus suoritetaan ulkoasennuksessa H2-vuodon yläpuolella tai myötätuulessa ilman vuodon havaitsemistutkimusta ennen hitsausta.Suljetussa tilassa H2-kaasu voi nousta ja kerääntyä katosta alaspäin, mikä mahdollistaa sen muodostumisen suuriksi määriksi ennen kuin se joutuu todennäköisemmin kosketuksiin maan lähellä olevien sytytyslähteiden kanssa.
Vahingossa syttynyt tulipalo.Itsesyttyminen on ilmiö, jossa kaasujen tai höyryjen seos syttyy itsestään ilman ulkoista sytytyslähdettä.Se tunnetaan myös nimellä "spontaani palaminen" tai "spontaani palaminen".Itsesyttyvyys riippuu lämpötilasta, ei paineesta.
Itsesyttymislämpötila on vähimmäislämpötila, jossa polttoaine syttyy itsestään ennen syttymistä ilman ulkoista sytytyslähdettä joutuessaan kosketuksiin ilman tai hapettimen kanssa.Yksittäisen jauheen itsesyttymislämpötila on lämpötila, jossa se syttyy itsestään ilman hapettavaa ainetta.Kaasumaisen H2:n itsesyttymislämpötila ilmassa on 585°C.
Sytytysenergia on energia, joka tarvitaan käynnistämään liekin eteneminen palavan seoksen läpi.Pienin sytytysenergia on vähimmäisenergia, joka tarvitaan tietyn palavan seoksen sytyttämiseen tietyssä lämpötilassa ja paineessa.Pienin kaasumaisen H2:n kipinäsytytysenergia 1 atm:ssä ilmaa = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Räjähdysrajat ovat höyryjen, sumujen tai pölyjen enimmäis- ja vähimmäispitoisuudet ilmassa tai hapessa, joissa räjähdys tapahtuu.Ympäristön koko ja geometria sekä polttoaineen pitoisuus määräävät rajat."Räjähdysrajaa" käytetään joskus synonyyminä "räjähdysrajalle".
H2-seosten räjähdysrajat ilmassa ovat 18,3 tilavuusprosenttia (alaraja) ja 59 tilavuusprosenttia (yläraja).
Putkijärjestelmiä suunniteltaessa (kuva 1) on ensin määritettävä kullekin nestetyypille tarvittavat rakennusmateriaalit.Ja jokainen neste luokitellaan ASME B31.3 -kohdan mukaisesti.300(b)(1) todetaan: "Omistaja on myös vastuussa luokan D, M, korkeapaineen ja erittäin puhtaan putkiston määrittämisestä sekä siitä, pitäisikö tiettyä laatujärjestelmää käyttää."
Nesteiden luokittelu määrittelee testausasteen ja vaadittavan testauksen tyypin sekä monet muut nesteluokkaan perustuvat vaatimukset.Omistajan vastuu tästä on yleensä omistajan suunnitteluosastolla tai ulkoistetulla insinöörillä.
Vaikka B31.3 Prosessiputkistokoodi ei kerro omistajalle, mitä materiaalia tietylle nesteelle tulee käyttää, se antaa ohjeita lujuudesta, paksuudesta ja materiaaliliitäntävaatimuksista.Koodin johdannossa on myös kaksi lausetta, jotka ilmaisevat selvästi:
Ja laajenna edellä olevaa ensimmäistä kappaletta, kohtaa B31.3.300(b)(1) todetaan myös: "Putkiputkiasennuksen omistaja on yksin vastuussa tämän säännöstön noudattamisesta ja suunnittelua, rakentamista, tarkastusta, tarkastusta ja testausta koskevien vaatimusten määrittämisestä, jotka koskevat kaikkea nesteen käsittelyä tai prosesseja, joihin putkilinja kuuluu.Asennus."Joten, kun olet määritellyt vastuusäännöt ja nestepalvelukategorioiden määrittelyn vaatimukset, katsotaan mihin vetykaasu sopii.
Koska vetykaasu toimii haihtuvana nesteenä, jossa on vuotoja, vetykaasua voidaan pitää normaalina nesteenä tai luokan M nesteenä nestekäyttöön luokkaan B31.3.Kuten edellä on todettu, nesteenkäsittelyn luokitus on omistajan vaatimus edellyttäen, että se täyttää valituille luokille B31.3 kappaleessa 3 kuvatut ohjeet. 300.2 Määritelmät osiossa Hydraulipalvelut.Seuraavat ovat normaalin nestehuollon ja luokan M nestehuollon määritelmät:
"Normaali nestehuolto: Nestehuolto, joka koskee useimpia tämän koodin alaisia ​​putkistoja, eli ei kuulu luokkien D, M, korkean lämpötilan, korkean paineen tai korkean nesteen puhtauden säännösten piiriin.
(1) Nesteen myrkyllisyys on niin suuri, että vuodon aiheuttama kerta-altistuminen erittäin pienelle määrälle nestettä voi aiheuttaa vakavan pysyvän vamman sitä hengittäville tai sen kanssa kosketuksiin joutuville, vaikka välittömiä palautumistoimenpiteitä ryhdyttäisiinkin toteuttamaan.otettu
(2) Harkittuaan putkilinjan suunnittelua, kokemusta, käyttöolosuhteita ja sijaintia omistaja päättää, että nesteen normaalin käytön vaatimukset eivät riitä takaamaan riittävää tiiviyttä henkilöstön suojaamiseksi altistumiselta.”
Yllä olevassa M:n määritelmässä vetykaasu ei täytä kohdan (1) kriteerejä, koska sitä ei pidetä myrkyllisenä nesteenä.Kuitenkin 2 momenttia soveltamalla säännöstö sallii hydraulijärjestelmien luokittelun luokkaan M, kun on otettu huomioon ”…putkiston suunnittelu, kokemus, käyttöolosuhteet ja sijainti…” Omistaja sallii normaalin nesteenkäsittelyn määrittämisen.Vaatimukset eivät riitä täyttämään vetykaasuputkijärjestelmien suunnittelun, rakentamisen, tarkastuksen, tarkastuksen ja testauksen korkeamman eheyden tarvetta.
Katso taulukko 1, ennen kuin käsittelet korkean lämpötilan vetykorroosiota (HTHA).Koodit, standardit ja määräykset on lueteltu tässä taulukossa, joka sisältää kuusi asiakirjaa vetyhaurastumisesta (HE), joka on yleinen korroosiopoikkeama, joka sisältää HTHA:n.OH voi esiintyä matalissa ja korkeissa lämpötiloissa.Eräänä korroosion muotona se voi käynnistyä useilla tavoilla ja vaikuttaa myös monenlaisiin materiaaleihin.
HE:llä on useita muotoja, jotka voidaan jakaa vetykrakkaukseen (HAC), vetyjännityskrakkaukseen (HSC), jännityskorroosiokärkytykseen (SCC), vetykorroosiokäkeilyyn (HACC), vetykuplitukseen (HB), vetykrakkaukseen (HIC).)), jännityssuuntautunut vetykrakkaus (SOHIC), progressiivinen krakkaus (SWC), sulfidijännityskrakkaus (SSC), pehmeä vyöhykehalkeilu (SZC) ja korkean lämpötilan vetykorroosio (HTHA).
Yksinkertaisimmassa muodossaan vetyhauristuminen on mekanismi metalliraerajojen tuhoamiseksi, mikä johtaa heikentyneeseen venyvyyteen atomivedyn tunkeutumisen vuoksi.Tapa, jolla tämä tapahtuu, vaihtelee ja määritellään osittain niiden vastaavilla nimillä, kuten HTHA, jossa tarvitaan samanaikaisesti korkeaa lämpötilaa ja korkeapaineista vetyä haurastumista varten, ja SSC, jossa atomivetyä tuotetaan suljettuina kaasuina ja vedynä.happokorroosion vuoksi ne imeytyvät metallikoteloihin, mikä voi aiheuttaa haurautta.Mutta kokonaistulos on sama kuin kaikissa edellä kuvatuissa vetyhaurastumistapauksissa, joissa metallin lujuus heikkenee haurastumisella sen sallitun jännitysalueen alapuolelle, mikä puolestaan ​​asettaa alustan mahdollisesti katastrofaaliselle tapahtumalle nesteen haihtuvuuden vuoksi.
Seinämän paksuuden ja mekaanisen sauman suorituskyvyn lisäksi on kaksi päätekijää, jotka on otettava huomioon valittaessa materiaaleja H2-kaasuhuoltoon: 1. Altistuminen korkean lämpötilan vedylle (HTHA) ja 2. Vakavat huolenaiheet mahdollisista vuodoista.Molemmista aiheista keskustellaan parhaillaan.
Toisin kuin molekyylivety, atomivety voi laajentua ja altistaa vedyn korkeille lämpötiloille ja paineille, mikä luo perustan mahdolliselle HTHA:lle.Näissä olosuhteissa atomivety pystyy diffundoitumaan hiiliteräsputkistomateriaaleihin tai -laitteistoihin, joissa se reagoi hiilen kanssa metalliliuoksessa muodostaen metaanikaasua rakeiden rajoilla.Kaasu ei pääse karkaamaan, vaan se laajenee ja aiheuttaa halkeamia ja rakoja putkien tai astioiden seiniin – tämä on HTGA.Näet selvästi HTHA-tulokset kuvasta 2, jossa halkeamia ja halkeamia on ilmeisiä 8 tuuman seinässä.Nimelliskokoisen (NPS) putken osa, joka rikkoutuu näissä olosuhteissa.
Hiiliterästä voidaan käyttää vetykäyttöön, kun käyttölämpötila pidetään alle 500 °F.Kuten edellä mainittiin, HTHA:ta esiintyy, kun vetykaasua pidetään korkeassa osapaineessa ja korkeassa lämpötilassa.Hiiliterästä ei suositella, kun vedyn osapaineen odotetaan olevan noin 3000 psi ja lämpötila on yli noin 450 °F (joka on onnettomuustilanne kuvassa 2).
Kuten kuvion 3 muunnetusta Nelson-käyrästä voidaan nähdä, osittain API 941:stä otettu, korkealla lämpötilalla on suurin vaikutus vetypakottamiseen.Vetykaasun osapaine voi ylittää 1000 psi, kun sitä käytetään hiiliterästen kanssa, jotka toimivat jopa 500 °F:n lämpötiloissa.
Kuva 3. Tätä muokattua Nelson-kaaviota (muokattu API 941:stä) voidaan käyttää sopivien materiaalien valitsemiseen vetykäyttöön eri lämpötiloissa.
KuvassaKuvassa 3 on esitetty terästen valinta, jotka taatusti välttävät vetyiskun käyttölämpötilasta ja vedyn osapaineesta riippuen.Austeniittiset ruostumattomat teräkset eivät ole herkkiä HTHA:lle ja ovat tyydyttäviä materiaaleja kaikissa lämpötiloissa ja paineissa.
Austeniittinen ruostumaton 316/316L-teräs on käytännöllisin materiaali vetysovelluksiin, ja sillä on todistetusti kokemusta.Hiiliteräksille suositellaan hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä (PWHT) jäännösvedyn kalsinointiin hitsauksen aikana ja lämpövaikutusten vyöhykkeen (HAZ) kovuuden vähentämiseksi hitsauksen jälkeen, mutta sitä ei vaadita austeniittisille ruostumattomille teräksille.
Lämpökäsittelyn ja hitsauksen aiheuttamat lämpötermiset vaikutukset eivät vaikuta austeniittisten ruostumattomien terästen mekaanisiin ominaisuuksiin.Kylmämuokkaus voi kuitenkin parantaa austeniittisten ruostumattomien terästen mekaanisia ominaisuuksia, kuten lujuutta ja kovuutta.Taivutettaessa ja muovattaessa putkia austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä niiden mekaaniset ominaisuudet muuttuvat, mukaan lukien materiaalin plastisuuden väheneminen.
Jos austeniittista ruostumatonta terästä tarvitaan kylmämuovausta, liuoshehkutus (kuumennus noin 1045 °C:seen, jota seuraa karkaisu tai nopea jäähdytys) palauttaa materiaalin mekaaniset ominaisuudet alkuperäisiin arvoihinsa.Se eliminoi myös kylmätyöstön jälkeen saavutetun metalliseoksen erottelun, herkistymisen ja sigma-vaiheen.Kun suoritat liuoshehkutusta, ota huomioon, että nopea jäähdytys voi aiheuttaa jäännösjännityksen takaisin materiaaliin, jos sitä ei käsitellä oikein.
Katso ASME B31:n taulukoista GR-2.1.1-1 Putki- ja letkukokoonpanon materiaalimäärittelyindeksi ja GR-2.1.1-2 putkimateriaalin erittelyindeksi nähdäksesi hyväksyttävät materiaalivalinnat H2-palvelua varten.putket ovat hyvä paikka aloittaa.
Normaalilla atomipainolla 1,008 atomimassayksikköä (amu) vety on jaksollisen järjestelmän kevyin ja pienin alkuaine, ja siksi sillä on suuri taipumus vuotaa, ja voin lisätä, että sillä on mahdollisesti tuhoisia seurauksia.Siksi kaasuputkijärjestelmä on suunniteltava siten, että se rajoittaa mekaanisia liitäntöjä ja parantaa niitä liitoksia, joita todella tarvitaan.
Mahdollisia vuotokohtia rajoitettaessa järjestelmä tulee hitsata kokonaan, lukuun ottamatta laitteiden, putkistoelementtien ja liitosten laippaliitäntöjä.Kierreliitoksia tulee välttää niin pitkälle kuin mahdollista, ellei kokonaan.Jos kierreliitoksia ei jostain syystä voida välttää, on suositeltavaa kiinnittää ne kokonaan ilman kierretiivistettä ja tiivistää sitten hitsi.Hiiliteräsputkea käytettäessä putkien liitokset on hitsattava ja jälkihitsattava lämpökäsitelty (PWHT).Hitsauksen jälkeen lämpövaikutusvyöhykkeellä (HAZ) olevat putket altistuvat vetyhyökkäykselle jopa ympäristön lämpötilassa.Vaikka vetyhyökkäys tapahtuu ensisijaisesti korkeissa lämpötiloissa, PWHT-vaihe vähentää täysin, ellei jopa eliminoi, tämän mahdollisuuden jopa ympäristöolosuhteissa.
Täyshitsatun järjestelmän heikko kohta on laippaliitos.Korkean tiiviyden varmistamiseksi laippaliitoksissa tulee käyttää Kammprofile-tiivisteitä (kuva 4) tai muuta tiivistemuotoa.Useiden valmistajien lähes samalla tavalla valmistama tyyny on erittäin anteeksiantavallinen.Se koostuu hammastetuista täysmetallirenkaista, jotka on asetettu pehmeiden, muotoaan muuttavien tiivistemateriaalien väliin.Hampaat keskittävät pultin kuorman pienemmälle alueelle tiukan sovituksen aikaansaamiseksi pienemmällä jännityksellä.Se on suunniteltu siten, että se pystyy kompensoimaan epätasaisia ​​laippapintoja sekä vaihtelevia käyttöolosuhteita.
Kuva 4. Kammprofile-tiivisteissä on metallisydän, joka on liimattu molemmilta puolilta pehmeällä täyteaineella.
Toinen tärkeä tekijä järjestelmän eheyden kannalta on venttiili.Varren tiivisteen ja rungon laippojen ympärillä olevat vuodot ovat todellinen ongelma.Tämän estämiseksi on suositeltavaa valita venttiili, jossa on paljetiiviste.
Käytä 1 tuumaa.School 80 hiiliteräsputki, alla olevassa esimerkissämme, ottaen huomioon ASTM A106 Gr B mukaiset valmistustoleranssit, korroosio- ja mekaaniset toleranssit, suurin sallittu käyttöpaine (MAWP) voidaan laskea kahdessa vaiheessa lämpötiloissa 300 °F asti (Huom : Syy "…lämpötiloissa jopa 300 ºF…" johtuu siitä, että BTM-materiaalin (ASTM) sallitun rasituksen (A1S0) keskeytyy. ylittää 300 ºF.(S), joten yhtälö (1) edellyttää säätämistä yli 300 ºF:iin.)
Viitaten kaavaan (1), ensimmäinen vaihe on laskea putkilinjan teoreettinen murtumispaine.
T = putken seinämän paksuus miinus mekaaniset, korroosio- ja valmistustoleranssit, tuumina.
Prosessin toinen osa on laskea putkilinjan suurin sallittu käyttöpaine Pa soveltamalla varmuuskerrointa S f tulokseen P yhtälön (2) mukaisesti:
Siten käytettäessä 1″ koulu 80 materiaalia, murtumispaine lasketaan seuraavasti:
Turvallisuusarvoa Sf 4 sovelletaan sitten ASME:n paineastiasuositusten luvun VIII-1 2019 kohdan 8 mukaisesti. UG-101 lasketaan seuraavasti:
Tuloksena oleva MAWP-arvo on 810 psi.tuuma viittaa vain putkeen.Laippaliitäntä tai komponentti, jolla on järjestelmän alhaisin arvo, on ratkaiseva tekijä määritettäessä järjestelmän sallittua painetta.
ASME B16.5:n mukaan suurin sallittu työpaine 150 hiiliteräslaippaliittimille on 285 psi.tuumaa lämpötilassa -20 °F - 100 °F.Luokan 300 suurin sallittu työpaine on 740 psi.Tämä on järjestelmän painerajakerroin alla olevan materiaalispesifikaatioesimerkin mukaisesti.Myös vain hydrostaattisissa testeissä nämä arvot voivat ylittää 1,5 kertaa.
Esimerkkinä perushiiliteräsmateriaalispesifikaatiosta H2-kaasuhuoltolinjan eritelmä, joka toimii ympäristön lämpötilassa alle 740 psi:n suunnittelupaineen.tuumaa, saattaa sisältää taulukossa 2 esitetyt materiaalivaatimukset. Seuraavat ovat tyyppejä, jotka saattavat vaatia huomiota sisällyttämiseen eritelmiin:
Itse putkiston lisäksi putkistojärjestelmän muodostavat monet elementit, kuten liittimet, venttiilit, linjalaitteet jne. Vaikka monet näistä elementeistä kootaan yhteen, jotta niistä voidaan keskustella yksityiskohtaisesti, tämä vaatii enemmän sivuja kuin mahtuu.Tämä artikkeli.