Tämä yleiskatsaus antaa suosituksia vedyn jakeluputkistojen turvalliseen suunnitteluun.
Vety on erittäin haihtuva neste, jolla on suuri vuotoalttius. Se on erittäin vaarallinen ja tappava yhdistelmä taipumuksia, haihtuva neste, jota on vaikea hallita. Nämä ovat trendejä, jotka on otettava huomioon materiaaleja, tiivisteitä ja sinettejä valittaessa sekä tällaisten järjestelmien suunnitteluominaisuuksia määritettäessä. Nämä kaasumaisen H2:n jakautumista koskevat aiheet ovat tämän keskustelun keskipisteenä, eivät H2:n, nestemäisen H2:n tai nestemäisen H2:n tuotanto (katso oikea sivupalkki).
Tässä on muutamia keskeisiä seikkoja, jotka auttavat sinua ymmärtämään vedyn ja H2-ilman seosta. Vety palaa kahdella tavalla: humahduksessa ja räjähdyksessä.
humahdus. Humahdus on yleinen palamistapa, jossa liekit kulkeutuvat seoksen läpi aliäänenopeuksilla. Tämä tapahtuu esimerkiksi silloin, kun pieni sytytyslähde sytyttää vapaan vety-ilmaseospilven. Tässä tapauksessa liekki liikkuu kymmenestä sataan jalkaan sekunnissa. Kuuman kaasun nopea laajeneminen luo paineaaltoja, joiden voimakkuus on verrannollinen pilven kokoon. Joissakin tapauksissa paineaallon voima voi olla riittävä vahingoittamaan rakennusrakenteita ja muita esineitä sen tiellä ja aiheuttamaan vammoja.
räjähtää. Kun se räjähti, liekit ja paineaallot kulkivat seoksen läpi yliäänenopeuksilla. Painesuhde detonaatioaallossa on paljon suurempi kuin detonaatiossa. Lisääntyneen voiman vuoksi räjähdys on vaarallisempi ihmisille, rakennuksille ja lähellä oleville esineille. Normaali deflagraatio aiheuttaa räjähdyksen, kun se sytytetään suljetussa tilassa. Tällaisessa kapeassa tilassa syttyminen voi tapahtua pienimmälläkin energiamäärällä. Mutta vety-ilmaseoksen räjähtämiseen rajoittamattomassa tilassa tarvitaan tehokkaampi sytytyslähde.
Vety-ilmaseoksen räjähdysaallon painesuhde on noin 20. Ilmakehän paineessa suhde 20 on 300 psi. Kun tämä paineaalto törmää paikallaan olevaan esineeseen, painesuhde kasvaa 40–60:een. Tämä johtuu paineaallon heijastumisesta paikallaan olevasta esteestä.
Vuotoalttius. Alhaisen viskositeettinsa ja pienen molekyylipainonsa vuoksi H2-kaasulla on suuri taipumus vuotaa ja jopa tunkeutua erilaisiin materiaaleihin.
Vety on 8 kertaa kevyempää kuin maakaasu, 14 kertaa kevyempää kuin ilma, 22 kertaa kevyempää kuin propaani ja 57 kertaa kevyempää kuin bensiinihöyry. Tämä tarkoittaa, että ulkona asennettuna H2-kaasu nousee nopeasti ja haihtuu, mikä vähentää jopa vuotojen merkkejä. Mutta se voi olla kaksiteräinen miekka. Räjähdys voi tapahtua, jos hitsausta suoritetaan ulkoasennuksessa H2-vuodon yläpuolella tai tuulen alapuolella ilman vuodonetsintätutkimusta ennen hitsausta. Suljetussa tilassa H2-kaasu voi nousta ja kerääntyä katosta alaspäin, mikä mahdollistaa sen kertymisen suuriksi määriksi ennen kuin se todennäköisemmin joutuu 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 "itsesyttyminen" tai "itsesyttyvä syttyminen". Itsesyttymiseen vaikuttaa lämpötila, ei paine.
Itsesyttymislämpötila on alin lämpötila, jossa polttoaine syttyy itsestään ennen syttymistä ilman ulkoista sytytyslähdettä joutuessaan kosketuksiin ilman tai hapettavan aineen kanssa. Yksittäisen jauheen itsesyttymislämpötila on lämpötila, jossa se syttyy itsestään ilman hapettavaa ainetta. Kaasuisen H2:n itsesyttymislämpötila ilmassa on 585 °C.
Syttymisenergia on energia, joka tarvitaan liekin etenemisen aloittamiseen palavan seoksen läpi. Pienin syttymisenergia on pienin energia, joka tarvitaan tietyn palavan seoksen sytyttämiseen tietyssä lämpötilassa ja paineessa. Kaasumaisen H2:n pienin kipinänsytytysenergia 1 ilmakehän ilmassa = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Räjähdysrajat ovat höyryjen, sumujen tai pölyjen suurimmat ja pienimmät pitoisuudet ilmassa tai hapessa, joilla räjähdys tapahtuu. Ympäristön koko ja geometria sekä polttoaineen pitoisuus säätelevät rajoja. ”Räjähdysrajaa” käytetään joskus synonyyminä ”räjähdysrajalle”.
H2-seosten räjähdysrajat ilmassa ovat 18,3 tilavuusprosenttia (alaraja) ja 59 tilavuusprosenttia (yläraja).
Putkistojärjestelmiä suunniteltaessa (kuva 1) ensimmäinen vaihe on määrittää kullekin nestetyypille tarvittavat rakennusmateriaalit. Ja jokainen neste luokitellaan ASME B31.3 -kappaleen mukaisesti. 300(b)(1) toteaa: "Omistaja on myös vastuussa luokkien D, M, korkeapaine- ja erittäin puhtaiden putkistojen määrittämisestä ja sen määrittämisestä, onko tiettyä laatujärjestelmää käytettävä."
Nesteiden luokittelu määrittelee vaadittavan testauksen asteen ja tyypin sekä monia muita nesteluokkaan perustuvia vaatimuksia. Omistajan vastuulla tästä on yleensä omistajan tekninen osasto tai ulkoistettu insinööri.
Vaikka prosessiputkistokoodi B31.3 ei kerro omistajalle, mitä materiaalia käytetään tietyn nesteen kanssa, se antaa ohjeita lujuudesta, paksuudesta ja materiaaliliitäntöjen vaatimuksista. Koodeksin johdannossa on myös kaksi lausetta, jotka todetaan selvästi:
Ja täydennyksenä yllä olevaan ensimmäiseen kappaleeseen, kappale B31.3. 300(b)(1) toteaa myös: ”Putkilaitoksen omistaja on yksin vastuussa tämän säännöstön noudattamisesta ja kaikkien nesteiden käsittelyä tai prosesseja, joihin putkisto on osa, koskevien suunnittelu-, rakennus-, tarkastus-, tarkastus- ja testausvaatimusten laatimisesta.” Joten, kun on esitetty joitakin vastuuta koskevia perussääntöjä ja nesteiden käyttöluokkien määrittelyvaatimuksia, katsotaanpa, mihin vetykaasu sopii.
Koska vetykaasu toimii haihtuvana nesteenä, josta voi vuotaa, vetykaasua voidaan pitää normaalina nesteenä tai luokan M nesteenä nestekäytössä luokassa B31.3. Kuten edellä todettiin, nesteiden käsittelyn luokittelu on omistajan vaatimus, edellyttäen että se täyttää B31.3:n 3. kappaleessa kuvatut valittujen luokkien ohjeet. 300.2 Määritelmät osiossa ”Hydrauliset palvelut”. Seuraavat ovat määritelmät normaalille nestekäytölle ja luokan M nestekäytölle:
"Normaali nestekäyttö: Nestekäyttö, jota sovelletaan useimpiin tämän koodin piiriin kuuluviin putkistoihin, eli se ei kuulu luokkien D, M, korkean lämpötilan, korkean paineen tai korkean nesteen puhtausasteen säännösten piiriin."
(1) Nesteen myrkyllisyys on niin suurta, että jo kerta-altistus hyvin pienelle määrälle vuodon aiheuttamaa nestettä voi aiheuttaa vakavia pysyviä vammoja sitä hengittäville tai sen kanssa kosketuksiin joutuneille, vaikka välittömiin pelastustoimenpiteisiin ryhdyttäisiinkin.
(2) Ottaen huomioon putkilinjan suunnittelun, kokemuksen, käyttöolosuhteet ja sijainnin, omistaja toteaa, että nesteen normaalin käytön vaatimukset eivät ole riittäviä varmistamaan henkilöstön suojaamiseksi altistumiselta tarvittavaa tiiviyttä.
Yllä olevassa M-määritelmässä vetykaasu ei täytä kohdan (1) kriteerejä, koska sitä ei pidetä myrkyllisenä nesteenä. Soveltamalla alakohtaa (2) säännöstö kuitenkin sallii hydraulisten järjestelmien luokittelun luokkaan M, kun on asianmukaisesti otettu huomioon "...putkiston suunnittelu, kokemus, käyttöolosuhteet ja sijainti...". Omistaja sallii normaalin nesteenkäsittelyn määrittämisen. Vaatimukset eivät riitä täyttämään korkeamman eheystason tarvetta vetykaasuputkistojen suunnittelussa, rakentamisessa, tarkastuksessa, tarkastuksessa ja testauksessa.
Katso taulukkoa 1 ennen kuin keskustelet korkean lämpötilan vetykorroosiosta (HTHA). Tässä taulukossa on lueteltu normeja, standardeja ja määräyksiä, ja se sisältää kuusi dokumenttia vetyhaurastumisesta (HE), yleisestä korroosio-ongelmasta, johon HTHA kuuluu. OH:ta voi esiintyä sekä matalissa että korkeissa lämpötiloissa. Korroosion muotona sitä pidetään useilla tavoilla, ja se voi vaikuttaa myös moniin eri materiaaleihin.
HE:llä on useita muotoja, jotka voidaan jakaa vetyhalkeiluun (HAC), vetyjännityshalkeiluun (HSC), jännityskorroosiohalkeiluun (SCC), vetykorroosiohalkeiluun (HACC), vetykuplimiseen (HB), vetyhalkeiluun (HIC). ), jännitysorientoituneeseen vetyhalkeiluun (SOHIC), progressiiviseen halkeiluun (SWC), sulfidijännityshalkeiluun (SSC), pehmeävyöhykehalkeiluun (SZC) ja korkean lämpötilan vetykorroosioon (HTHA).
Yksinkertaisimmassa muodossaan vetyhaurastuminen on mekanismi, joka tuhoaa metallin raerajoja, mikä johtaa venyvyyden heikkenemiseen atomivedyn tunkeutumisen vuoksi. Tavat, joilla tämä tapahtuu, vaihtelevat ja ne määritellään osittain niiden nimien mukaan, kuten HTHA, jossa haurastumiseen tarvitaan samanaikaista korkean lämpötilan ja paineen vetyä, ja SSC, jossa atomivetyä tuotetaan suljettuina kaasuina ja vetynä. Happokorroosion vuoksi ne pääsevät metallikoteloihin, mikä voi johtaa haurauteen. Mutta kokonaistulos on sama kuin kaikissa edellä kuvatuissa vetyhaurastumistapauksissa, joissa metallin lujuus heikkenee haurastumisen seurauksena sallitun jännitysalueen alapuolelle, mikä puolestaan ​​luo pohjan mahdollisesti katastrofaaliselle tapahtumalle nesteen haihtuvuuden vuoksi.
Seinämän paksuuden ja mekaanisen liitoksen suorituskyvyn lisäksi on kaksi päätekijää, jotka on otettava huomioon valittaessa materiaaleja H2-kaasukäyttöön: 1. Altistuminen korkean lämpötilan vedylle (HTHA) ja 2. Vakavat huolenaiheet mahdollisista vuodoista. Molemmista aiheista keskustellaan parhaillaan.
Toisin kuin molekyylivety, atomivety voi laajentua, jolloin vedyn voi altistua korkeille lämpötiloille ja paineille, mikä luo pohjan mahdolliselle HTGA:lle. Näissä olosuhteissa atomivety voi diffundoitua hiiliteräsputkimateriaaleihin tai -laitteisiin, missä se reagoi metalliliuoksessa olevan hiilen kanssa muodostaen metaanikaasua raerajoilla. Kaasu ei pääse poistumaan, vaan se laajenee aiheuttaen halkeamia ja rakoja putkien tai astioiden seinämiin – tätä kutsutaan HTGA:ksi. HTHA:n tulokset näkyvät selvästi kuvassa 2, jossa halkeamia ja rakoja on havaittavissa 8 tuuman seinämässä. Nimelliskokoisen (NPS) putken osa, joka pettää näissä olosuhteissa.
Hiiliterästä voidaan käyttää vedyn tuotannossa, kun käyttölämpötila pidetään alle 500 °F:ssa. Kuten edellä mainittiin, korkeapaineista kaasua (HTHA) syntyy, kun vetykaasua pidetään korkeassa osapaineessa ja korkeassa lämpötilassa. Hiiliterästä ei suositella, kun vedyn osapaineen odotetaan olevan noin 3000 psi ja lämpötilan yli noin 450 °F (mikä on onnettomuustilanne kuvassa 2).
Kuten kuvan 3 muunnetusta Nelsonin käyrästä, joka on osittain lainattu API 941 -standardista, voidaan nähdä, korkealla lämpötilalla on suurin vaikutus vetypakotteeseen. Vetykaasun osapaine voi ylittää 1000 psi:n, kun sitä käytetään hiiliterästen kanssa jopa 500 °F:n lämpötiloissa.
Kuva 3. Tätä muunneltua Nelsonin kaaviota (mukailtu API 941:stä) voidaan käyttää sopivien materiaalien valitsemiseen vedyn käyttöön eri lämpötiloissa.
Kuvassa 3 on esitetty terästen valikoima, joiden on taattu kestävän vetyhyökkäys, riippuen käyttölämpötilasta ja vedyn osapaineesta. Austeniittiset ruostumattomat teräkset ovat epäherkkiä HTHA:lle ja ovat tyydyttäviä materiaaleja kaikissa lämpötiloissa ja paineissa.
Austeniittinen 316/316L ruostumaton teräs on käytännöllisin materiaali vetysovelluksiin ja sillä on todistetusti hyvät käytöt. Vaikka hiiliteräksille suositellaan hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä (PWHT) jäännösvedyn kalsinoimiseksi hitsauksen aikana ja lämpövaikutusvyöhykkeen (HAZ) kovuuden vähentämiseksi hitsauksen jälkeen, sitä ei vaadita austeniittisille ruostumattomille teräksille.
Lämpökäsittelyn ja hitsauksen aiheuttamat termotermiset vaikutukset vaikuttavat vain vähän austeniittisten ruostumattomien terästen mekaanisiin ominaisuuksiin. Kylmämuokkaus voi kuitenkin parantaa austeniittisten ruostumattomien terästen mekaanisia ominaisuuksia, kuten lujuutta ja kovuutta. Kun putkia taivutetaan ja muovataan austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä, niiden mekaaniset ominaisuudet muuttuvat, mukaan lukien materiaalin plastisuuden heikkeneminen.
Jos austeniittinen ruostumaton teräs vaatii kylmämuovausta, liuoshehkutus (kuumennus noin 1045 °C:seen, jota seuraa sammutus tai nopea jäähdytys) palauttaa materiaalin mekaaniset ominaisuudet alkuperäisiin arvoihinsa. Se myös poistaa kylmämuokkauksen jälkeen saavutetun seoksen erottelun, herkistymisen ja sigmafaasin. Liuotushehkutusta suoritettaessa on huomattava, että nopea jäähdytys voi aiheuttaa materiaaliin jäännösjännityksiä, jos sitä ei käsitellä oikein.
Katso ASME B31 -standardin taulukoista GR-2.1.1-1 Putkisto- ja letkukokoonpanojen materiaalispesifikaatioindeksi ja GR-2.1.1-2 Putkistomateriaalispesifikaatioindeksi hyväksyttävien materiaalien valinnat H2-käyttöön. Putket ovat hyvä lähtökohta.
Vety, jonka vakioatomipaino on 1,008 atomimassayksikköä (amu), on jaksollisen järjestelmän kevyin ja pienin alkuaine, ja siksi sillä on suuri vuotoalttius, jolla voi olla mahdollisesti tuhoisia seurauksia. Siksi kaasuputkisto on suunniteltava siten, että mekaanisia liitäntöjä rajoitetaan ja parannetaan niitä liitäntöjä, joita todella tarvitaan.
Mahdollisia vuotokohtia rajoitettaessa järjestelmä tulee hitsata kokonaan, lukuun ottamatta laitteiden, putkiston osien ja liittimien laippaliitoksia. Kierreliitoksia tulee välttää niin paljon kuin mahdollista, ellei kokonaan. Jos kierreliitoksia ei voida jostain syystä välttää, on suositeltavaa hitsata ne kokonaan ilman kierretiivistettä ja tiivistää sitten hitsi. Hiiliteräsputkia käytettäessä putkiliitokset on hitsattava puskuhitsauksella ja jälkihitsattava (PWHT). Hitsauksen jälkeen lämpövaikutusvyöhykkeen (HAZ) putket altistuvat vetyiskulle jopa huoneenlämmössä. Vaikka vetyisku tapahtuu pääasiassa korkeissa lämpötiloissa, PWHT-vaihe vähentää, ellei poista, tämän mahdollisuuden kokonaan jopa huoneenlämmössä.
Kokonaan hitsatun järjestelmän heikko kohta on laippaliitos. Laippaliitosten tiiviyden varmistamiseksi tulisi käyttää Kammprofile-tiivisteitä (kuva 4) tai muunlaisia ​​tiivisteitä. Useiden valmistajien lähes samalla tavalla valmistama tiiviste on erittäin anteeksiantavainen. Se koostuu hammastetuista täysmetallisista renkaista, jotka on sijoitettu pehmeiden, muotoaan muuttavien tiivistemateriaalien väliin. Hampaat keskittävät pultin kuormituksen pienemmälle alueelle, mikä takaa tiukan sovituksen pienemmällä rasituksella. Se on suunniteltu siten, että se kompensoi epätasaiset laippapinnat sekä vaihtelevia käyttöolosuhteita.
Kuva 4. Kammprofile-tiivisteissä on metallinen ydin, joka on liimattu molemmilta puolilta pehmeällä täyteaineella.
Toinen tärkeä tekijä järjestelmän eheyden kannalta on venttiili. Vuodot karan tiivisteen ja rungon laippojen ympärillä ovat todellinen ongelma. Tämän estämiseksi on suositeltavaa valita paljetiivisteellä varustettu venttiili.
Käytä 1 tuumaa. School 80 -hiiliteräsputki. Alla olevassa esimerkissämme, ottaen huomioon valmistustoleranssit, korroosion ja mekaaniset toleranssit ASTM A106 Gr B:n mukaisesti, suurin sallittu käyttöpaine (MAWP) voidaan laskea kahdessa vaiheessa jopa 300 °F:n lämpötiloissa. (Huomaa: Syy ilmaisuun "...jopa 300 °F:n lämpötiloissa..." on se, että ASTM A106 Gr B -materiaalin sallittu jännitys (S) alkaa heiketä, kun lämpötila ylittää 300 °F. (S), joten yhtälö (1) vaatii säätöä yli 300 °F:n lämpötiloihin.)
Viitaten kaavaan (1), ensimmäinen vaihe on laskea putkilinjan teoreettinen murtumispaine.
T = putken seinämän paksuus vähennettynä mekaanisista, korroosio- ja valmistustoleranssien aiheuttamista vahingoista tuumina.
Prosessin toisessa vaiheessa lasketaan putkiston suurin sallittu käyttöpaine Pa soveltamalla turvallisuuskerrointa S f tulokseen P yhtälön (2) mukaisesti:
Näin ollen käytettäessä 1 tuuman School 80 -materiaalia murtumispaine lasketaan seuraavasti:
Tämän jälkeen käytetään turvallisuus-Sf-arvoa 4 ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Chapter 8. UG-101 -standardin mukaisesti, joka lasketaan seuraavasti:
Tuloksena oleva enimmäiskäyttöpaine (MAWP) on 810 psi. tuuma viittaa vain putkeen. Järjestelmän alhaisimman nimellispaineen omaava laippaliitäntä tai komponentti on ratkaiseva tekijä järjestelmän sallitun paineen määrittämisessä.
ASME B16.5 -standardin mukaan 150 hiiliteräslaippaliittimen suurin sallittu käyttöpaine on 285 psi tuumaa lämpötilassa -20 °F - 100 °F. Luokan 300 suurin sallittu käyttöpaine on 740 psi. Tämä on järjestelmän paineen raja-arvo alla olevan materiaalispesifikaation mukaisesti. Lisäksi vain hydrostaattisissa testeissä nämä arvot voivat ylittää 1,5-kertaisesti.
Esimerkkinä hiiliteräksen perusmateriaalispesifikaatiosta H2-kaasuliitäntälinjan spesifikaatio, jota käytetään alle 740 psi tuuman suunnittelupaineen ympäristön lämpötilassa, voi sisältää taulukossa 2 esitetyt materiaalivaatimukset. Seuraavat tyypit saattavat vaatia huomiota spesifikaatiossa:
Itse putkiston lisäksi putkistojärjestelmään kuuluu monia elementtejä, kuten liitososia, venttiilejä, linjalaitteita jne. Vaikka monet näistä elementeistä kootaan yhteen putkistoon niiden yksityiskohtaista käsittelyä varten, tämä vaatii enemmän sivuja kuin mihin mahtuu. Tämä artikkeli.