Cette vue d'ensemble fournit des recommandations pour la conception sûre des systèmes de tuyauterie pour la distribution d'hydrogène.
L'hydrogène est un liquide hautement volatil avec une forte tendance à fuir.C'est une combinaison de tendances très dangereuse et mortelle, un liquide volatil difficile à contrôler.Ce sont des tendances à prendre en compte lors du choix des matériaux, des joints et des joints, ainsi que des caractéristiques de conception de tels systèmes.Ces sujets sur la distribution de H2 gazeux sont au centre de cette discussion, pas la production de H2, de H2 liquide ou de H2 liquide (voir encadré de droite).
Voici quelques points clés pour vous aider à comprendre le mélange d'hydrogène et d'H2-air.L'hydrogène brûle de deux manières : déflagration et explosion.
déflagration.La déflagration est un mode de combustion courant dans lequel les flammes traversent le mélange à des vitesses subsoniques.Cela se produit, par exemple, lorsqu'un nuage libre de mélange hydrogène-air est enflammé par une petite source d'allumage.Dans ce cas, la flamme se déplacera à une vitesse de dix à plusieurs centaines de pieds par seconde.L'expansion rapide des gaz chauds crée des ondes de pression dont la force est proportionnelle à la taille du nuage.Dans certains cas, la force de l'onde de choc peut être suffisante pour endommager les structures du bâtiment et d'autres objets sur son passage et causer des blessures.
exploser.Lorsqu'il a explosé, des flammes et des ondes de choc ont traversé le mélange à des vitesses supersoniques.Le rapport de pression dans une onde de détonation est beaucoup plus élevé que dans une détonation.En raison de la force accrue, l'explosion est plus dangereuse pour les personnes, les bâtiments et les objets à proximité.Une déflagration normale provoque une explosion lorsqu'elle s'enflamme dans un espace confiné.Dans une zone aussi étroite, l'inflammation peut être causée par la moindre quantité d'énergie.Mais pour la détonation d'un mélange hydrogène-air dans un espace illimité, une source d'allumage plus puissante est nécessaire.
Le rapport de pression à travers l'onde de détonation dans un mélange hydrogène-air est d'environ 20. À la pression atmosphérique, un rapport de 20 est de 300 psi.Lorsque cette onde de pression entre en collision avec un objet stationnaire, le rapport de pression augmente à 40-60.Cela est dû à la réflexion d'une onde de pression sur un obstacle fixe.
Tendance à fuir.En raison de sa faible viscosité et de son faible poids moléculaire, le gaz H2 a une forte tendance à fuir et même à imprégner ou pénétrer divers matériaux.
L'hydrogène est 8 fois plus léger que le gaz naturel, 14 fois plus léger que l'air, 22 fois plus léger que le propane et 57 fois plus léger que la vapeur d'essence.Cela signifie que lorsqu'il est installé à l'extérieur, le gaz H2 montera et se dissipera rapidement, réduisant ainsi tout signe de fuite.Mais cela peut être une épée à double tranchant.Une explosion peut se produire si le soudage doit être effectué sur une installation extérieure au-dessus ou sous le vent d'une fuite de H2 sans étude de détection de fuite avant le soudage.Dans un espace clos, le gaz H2 peut monter et s'accumuler du plafond vers le bas, une condition qui lui permet de s'accumuler jusqu'à de grands volumes avant d'être plus susceptible d'entrer en contact avec des sources d'inflammation proches du sol.
Incendie accidentel.L'auto-inflammation est un phénomène dans lequel un mélange de gaz ou de vapeurs s'enflamme spontanément sans source d'inflammation externe.Elle est également connue sous le nom de "combustion spontanée" ou "combustion spontanée".L'auto-inflammation dépend de la température et non de la pression.
La température d'auto-inflammation est la température minimale à laquelle un carburant s'enflammera spontanément avant de s'enflammer en l'absence d'une source externe d'inflammation au contact de l'air ou d'un agent oxydant.La température d'auto-inflammation d'une poudre unique est la température à laquelle elle s'enflamme spontanément en l'absence d'agent oxydant.La température d'auto-inflammation de l'H2 gazeux dans l'air est de 585°C.
L'énergie d'allumage est l'énergie nécessaire pour initier la propagation d'une flamme à travers un mélange combustible.L'énergie minimale d'allumage est l'énergie minimale requise pour enflammer un mélange combustible particulier à une température et une pression particulières.Énergie minimale d'allumage par étincelle pour le H2 gazeux dans 1 atm d'air = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Les limites d'explosivité sont les concentrations maximales et minimales de vapeurs, brouillards ou poussières dans l'air ou l'oxygène auxquelles une explosion se produit.La taille et la géométrie de l'environnement, ainsi que la concentration du carburant, contrôlent les limites.« Limite d'explosivité » est parfois utilisée comme synonyme de « limite d'explosivité ».
Les limites d'explosivité pour les mélanges H2 dans l'air sont de 18,3 vol.% (limite inférieure) et 59 vol.% (limite supérieure).
Lors de la conception de systèmes de tuyauterie (Figure 1), la première étape consiste à déterminer les matériaux de construction nécessaires pour chaque type de fluide.Et chaque fluide sera classé conformément au paragraphe ASME B31.3.300(b)(1) stipule : « Le propriétaire est également responsable de déterminer les conduites de classe D, M, haute pression et haute pureté, et de déterminer si un système de qualité particulier doit être utilisé.
La catégorisation des fluides définit le degré de test et le type de test requis, ainsi que de nombreuses autres exigences basées sur la catégorie de fluide.La responsabilité du propriétaire à cet égard incombe généralement au service technique du propriétaire ou à un ingénieur sous-traitant.
Bien que le code de tuyauterie de procédé B31.3 n'indique pas au propriétaire quel matériau utiliser pour un fluide particulier, il fournit des conseils sur la résistance, l'épaisseur et les exigences de connexion des matériaux.Il y a aussi deux déclarations dans l'introduction du code qui indiquent clairement :
Et développez le premier paragraphe ci-dessus, paragraphe B31.3.300 (b) (1) stipule également : « Le propriétaire d'une installation de pipeline est seul responsable du respect du présent code et de l'établissement des exigences de conception, de construction, d'inspection, d'inspection et d'essai régissant toutes les manipulations de fluides ou processus dont le pipeline fait partie.Installation."Donc, après avoir établi quelques règles de base en matière de responsabilité et d'exigences pour définir les catégories de services fluides, voyons où se situe l'hydrogène gazeux.
Étant donné que l'hydrogène gazeux agit comme un liquide volatil avec des fuites, l'hydrogène gazeux peut être considéré comme un liquide normal ou un liquide de classe M dans la catégorie B31.3 pour le service liquide.Comme indiqué ci-dessus, la classification de la manutention des fluides est une exigence du propriétaire, à condition qu'elle respecte les lignes directrices pour les catégories sélectionnées décrites dans B31.3, paragraphe 3. 300.2 Définitions dans la section « Services hydrauliques ».Voici les définitions du service de fluide normal et du service de fluide de classe M :
« Service de fluide normal : service de fluide applicable à la plupart des tuyauteries soumises à ce code, c'est-à-dire non soumises aux réglementations pour les classes D, M, à haute température, à haute pression ou à haute propreté de fluide.
(1) La toxicité du fluide est si grande qu'une seule exposition à une très petite quantité de fluide causée par une fuite peut causer de graves blessures permanentes à ceux qui l'inhalent ou entrent en contact avec lui, même si des mesures de récupération immédiates sont prises.pris
(2) Après avoir examiné la conception, l'expérience, les conditions de fonctionnement et l'emplacement du pipeline, le propriétaire détermine que les exigences d'utilisation normale du fluide ne sont pas suffisantes pour fournir l'étanchéité nécessaire pour protéger le personnel contre l'exposition.”
Dans la définition de M ci-dessus, l'hydrogène gazeux ne répond pas aux critères du paragraphe (1) car il n'est pas considéré comme un liquide toxique.Cependant, en appliquant le paragraphe (2), le Code permet la classification des systèmes hydrauliques dans la classe M après avoir dûment pris en compte « … la conception de la tuyauterie, l'expérience, les conditions de fonctionnement et l'emplacement … ». Le propriétaire permet la détermination de la manipulation normale des fluides.Les exigences sont insuffisantes pour répondre au besoin d'un niveau d'intégrité plus élevé dans la conception, la construction, l'inspection, l'inspection et les essais des systèmes de canalisations d'hydrogène gazeux.
Veuillez vous référer au tableau 1 avant de discuter de la corrosion par l'hydrogène à haute température (HTHA).Les codes, normes et réglementations sont répertoriés dans ce tableau, qui comprend six documents sur le thème de la fragilisation par l'hydrogène (HE), une anomalie de corrosion courante qui inclut le HTHA.OH peut se produire à des températures basses et élevées.Considérée comme une forme de corrosion, elle peut être initiée de plusieurs manières et affecter également une large gamme de matériaux.
HE a différentes formes, qui peuvent être divisées en fissuration par hydrogène (HAC), fissuration sous contrainte par hydrogène (HSC), fissuration par corrosion sous contrainte (SCC), fissuration par corrosion par hydrogène (HACC), barbotage d'hydrogène (HB), fissuration par hydrogène (HIC).)), la fissuration sous contrainte par l'hydrogène (SOHIC), la fissuration progressive (SWC), la fissuration sous contrainte des sulfures (SSC), la fissuration de la zone molle (SZC) et la corrosion par l'hydrogène à haute température (HTHA).
Dans sa forme la plus simple, la fragilisation par l'hydrogène est un mécanisme de destruction des joints de grains métalliques, entraînant une réduction de la ductilité due à la pénétration de l'hydrogène atomique.Les manières dont cela se produit sont variées et sont en partie définies par leurs noms respectifs, tels que HTHA, où l'hydrogène simultané à haute température et à haute pression est nécessaire pour la fragilisation, et SSC, où l'hydrogène atomique est produit sous forme de gaz fermés et d'hydrogène.en raison de la corrosion acide, ils s'infiltrent dans les boîtiers métalliques, ce qui peut les rendre cassants.Mais le résultat global est le même que pour tous les cas de fragilisation par l'hydrogène décrits ci-dessus, où la résistance du métal est réduite par la fragilisation en dessous de sa plage de contrainte admissible, ce qui ouvre la voie à un événement potentiellement catastrophique compte tenu de la volatilité du liquide.
En plus de l'épaisseur de paroi et de la performance mécanique des joints, il y a deux principaux facteurs à prendre en compte lors de la sélection des matériaux pour le service de gaz H2 : 1. L'exposition à l'hydrogène à haute température (HTHA) et 2. De sérieuses inquiétudes concernant les fuites potentielles.Les deux sujets sont actuellement en discussion.
Contrairement à l'hydrogène moléculaire, l'hydrogène atomique peut se dilater, exposant l'hydrogène à des températures et des pressions élevées, créant ainsi la base d'une HTHA potentielle.Dans ces conditions, l'hydrogène atomique est capable de se diffuser dans les matériaux ou équipements de tuyauterie en acier au carbone, où il réagit avec le carbone en solution métallique pour former du méthane aux joints de grains.Incapable de s'échapper, le gaz se dilate, créant des fissures et des crevasses dans les parois des tuyaux ou des récipients - c'est HTGA.Vous pouvez clairement voir les résultats HTHA dans la figure 2 où les fissures et les fissures sont évidentes dans le mur de 8″.La partie du tuyau de taille nominale (NPS) qui échoue dans ces conditions.
L'acier au carbone peut être utilisé pour le service à l'hydrogène lorsque la température de fonctionnement est maintenue en dessous de 500°F.Comme mentionné ci-dessus, la HTHA se produit lorsque l'hydrogène gazeux est maintenu à une pression partielle élevée et à une température élevée.L'acier au carbone n'est pas recommandé lorsque la pression partielle d'hydrogène devrait être d'environ 3 000 psi et que la température est supérieure à environ 450 °F (ce qui correspond à la condition accidentelle de la figure 2).
Comme on peut le voir sur le diagramme de Nelson modifié de la figure 3, en partie tiré de l'API 941, la température élevée a le plus grand effet sur le forçage de l'hydrogène.La pression partielle d'hydrogène gazeux peut dépasser 1 000 psi lorsqu'il est utilisé avec des aciers au carbone fonctionnant à des températures allant jusqu'à 500 °F.
Figure 3. Ce diagramme de Nelson modifié (adapté de l'API 941) peut être utilisé pour sélectionner des matériaux appropriés pour le service de l'hydrogène à différentes températures.
Sur la fig.La figure 3 montre le choix des aciers garantis contre l'attaque par l'hydrogène, en fonction de la température de fonctionnement et de la pression partielle d'hydrogène.Les aciers inoxydables austénitiques sont insensibles au HTHA et sont des matériaux satisfaisants à toutes les températures et pressions.
L'acier inoxydable austénitique 316/316L est le matériau le plus pratique pour les applications d'hydrogène et a fait ses preuves.Alors que le traitement thermique post-soudage (PWHT) est recommandé pour les aciers au carbone afin de calciner l'hydrogène résiduel pendant le soudage et de réduire la dureté de la zone affectée par la chaleur (HAZ) après le soudage, il n'est pas requis pour les aciers inoxydables austénitiques.
Les effets thermothermiques provoqués par le traitement thermique et le soudage ont peu d'effet sur les propriétés mécaniques des aciers inoxydables austénitiques.Cependant, le travail à froid peut améliorer les propriétés mécaniques des aciers inoxydables austénitiques, telles que la résistance et la dureté.Lors du cintrage et du formage de tuyaux en acier inoxydable austénitique, leurs propriétés mécaniques changent, y compris la diminution de la plasticité du matériau.
Si l'acier inoxydable austénitique nécessite un formage à froid, un recuit de mise en solution (chauffage à environ 1045 °C suivi d'une trempe ou d'un refroidissement rapide) rétablira les propriétés mécaniques du matériau à leurs valeurs d'origine.Il éliminera également la ségrégation de l'alliage, la sensibilisation et la phase sigma obtenues après le travail à froid.Lorsque vous effectuez un recuit de mise en solution, sachez qu'un refroidissement rapide peut réintroduire une contrainte résiduelle dans le matériau s'il n'est pas manipulé correctement.
Reportez-vous aux tableaux GR-2.1.1-1 Index des spécifications des matériaux d'assemblage de tuyauterie et de tuyauterie et GR-2.1.1-2 Index des spécifications des matériaux de tuyauterie dans ASME B31 pour les sélections de matériaux acceptables pour le service H2.les tuyaux sont un bon point de départ.
Avec un poids atomique standard de 1,008 unités de masse atomique (uma), l'hydrogène est l'élément le plus léger et le plus petit du tableau périodique, et a donc une forte propension à fuir, avec des conséquences potentiellement dévastatrices, pourrais-je ajouter.Le réseau de gazoducs doit donc être conçu de manière à limiter les raccordements de type mécanique et à améliorer les raccordements réellement nécessaires.
Lors de la limitation des points de fuite potentiels, le système doit être entièrement soudé, à l'exception des raccords à brides sur l'équipement, les éléments de tuyauterie et les raccords.Les connexions filetées doivent être évitées autant que possible, sinon complètement.Si les connexions filetées ne peuvent être évitées pour une raison quelconque, il est recommandé de les engager complètement sans produit d'étanchéité pour filetage, puis de sceller la soudure.Lors de l'utilisation de tuyaux en acier au carbone, les joints de tuyaux doivent être soudés bout à bout et traités thermiquement après soudure (PWHT).Après le soudage, les tuyaux dans la zone affectée thermiquement (HAZ) sont exposés à l'attaque de l'hydrogène même à température ambiante.Alors que l'attaque par l'hydrogène se produit principalement à des températures élevées, l'étape PWHT réduira complètement, voire éliminera, cette possibilité même dans des conditions ambiantes.
Le point faible du système entièrement soudé est la connexion à bride.Pour assurer un degré élevé d'étanchéité dans les raccords à brides, des joints Kammprofile (fig. 4) ou une autre forme de joints doivent être utilisés.Fabriqué à peu près de la même manière par plusieurs fabricants, ce pad est très indulgent.Il se compose d'anneaux dentés entièrement métalliques pris en sandwich entre des matériaux d'étanchéité souples et déformables.Les dents concentrent la charge du boulon dans une zone plus petite pour fournir un ajustement serré avec moins de stress.Il est conçu de manière à pouvoir compenser les surfaces de bride inégales ainsi que les conditions de fonctionnement fluctuantes.
Figure 4. Les joints Kammprofile ont un noyau métallique collé des deux côtés avec un mastic souple.
Un autre facteur important dans l'intégrité du système est la vanne.Les fuites autour du joint de tige et des brides de corps sont un vrai problème.Pour éviter cela, il est recommandé de sélectionner une vanne avec un joint à soufflet.
Utilisez 1 pouce.Tuyau en acier au carbone School 80, dans notre exemple ci-dessous, compte tenu des tolérances de fabrication, de la corrosion et des tolérances mécaniques conformément à la norme ASTM A106 Gr B, la pression de service maximale admissible (PSMA) peut être calculée en deux étapes à des températures allant jusqu'à 300 °F (Remarque : La raison de "... pour des températures allant jusqu'à 300 °F..." est que la contrainte admissible (S) du matériau ASTM A106 Gr B commence à se détériorer lorsque la température dépasse 300 °F.(S), donc l'équation (1 ) nécessite un ajustement à des températures supérieures à 300 °F.)
En se référant à la formule (1), la première étape consiste à calculer la pression d'éclatement théorique du pipeline.
T = épaisseur de la paroi du tuyau moins les tolérances mécaniques, de corrosion et de fabrication, en pouces.
La deuxième partie du processus consiste à calculer la pression de service maximale admissible Pa de la canalisation en appliquant le facteur de sécurité S f au résultat P selon l'équation (2) :
Ainsi, lors de l'utilisation d'un matériau 1″ school 80, la pression d'éclatement est calculée comme suit :
Une sécurité Sf de 4 est ensuite appliquée conformément aux recommandations ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 calculée comme suit :
La valeur MAWP résultante est de 810 psi.pouce se réfère uniquement au tuyau.La connexion à bride ou le composant avec la note la plus basse dans le système sera le facteur déterminant pour déterminer la pression admissible dans le système.
Selon ASME B16.5, la pression de service maximale autorisée pour les raccords à bride en acier au carbone 150 est de 285 psi.pouce à -20°F à 100°F.La classe 300 a une pression de service maximale admissible de 740 psi.Ce sera le facteur de limite de pression du système selon l'exemple de spécification de matériau ci-dessous.De plus, uniquement dans les tests hydrostatiques, ces valeurs peuvent dépasser 1,5 fois.
Comme exemple de spécification de matériau en acier au carbone de base, une spécification de ligne de service de gaz H2 fonctionnant à une température ambiante inférieure à une pression de conception de 740 psi.pouce, peut contenir les exigences matérielles indiquées dans le tableau 2. Les types suivants peuvent nécessiter une attention particulière pour être inclus dans la spécification :
Outre la tuyauterie elle-même, de nombreux éléments composent le système de tuyauterie, tels que les raccords, les vannes, l'équipement de ligne, etc. Bien que bon nombre de ces éléments soient assemblés dans un pipeline pour en discuter en détail, cela nécessitera plus de pages qu'il n'est possible d'en contenir.Cet article.