Esta visión xeral ofrece recomendacións para o deseño seguro dos sistemas de canalizacións para a distribución de hidróxeno.
O hidróxeno é un líquido altamente volátil cunha alta tendencia a filtrarse.É unha combinación de tendencias moi perigosa e mortal, un líquido volátil difícil de controlar.Estas son tendencias a ter en conta á hora de elixir materiais, xuntas e selos, así como as características de deseño destes sistemas.Estes temas sobre a distribución do H2 gasoso son o foco desta discusión, non a produción de H2, H2 líquido ou H2 líquido (ver barra lateral dereita).
Aquí tes algúns puntos clave para axudarche a comprender a mestura de hidróxeno e H2-aire.O hidróxeno arde de dúas formas: deflagración e explosión.
deflagración.A deflagración é un modo de combustión común no que as chamas percorren a mestura a velocidades subsónicas.Isto ocorre, por exemplo, cando unha nube libre de mestura de hidróxeno e aire é inflamada por unha pequena fonte de ignición.Neste caso, a chama moverase a unha velocidade de dez a varios centos de pés por segundo.A rápida expansión do gas quente crea ondas de presión cuxa forza é proporcional ao tamaño da nube.Nalgúns casos, a forza da onda de choque pode ser suficiente para danar as estruturas do edificio e outros obxectos ao seu paso e causar lesións.
estoupar.Cando explotou, as chamas e as ondas de choque percorreron a mestura a velocidades supersónicas.A relación de presión nunha onda de detonación é moito maior que nunha detonación.Debido ao aumento da forza, a explosión é máis perigosa para as persoas, edificios e obxectos próximos.A deflagración normal provoca unha explosión cando se acende nun espazo reducido.Nunha zona tan estreita, a ignición pode ser causada pola menor cantidade de enerxía.Pero para a detonación dunha mestura de hidróxeno e aire nun espazo ilimitado, requírese unha fonte de ignición máis potente.
A relación de presión a través da onda de detonación nunha mestura de hidróxeno e aire é de aproximadamente 20. A presión atmosférica, unha relación de 20 é de 300 psi.Cando esta onda de presión choca cun obxecto estacionario, a relación de presión aumenta a 40-60.Isto débese á reflexión dunha onda de presión desde un obstáculo estacionario.
Tendencia a filtrar.Debido á súa baixa viscosidade e baixo peso molecular, o gas H2 ten unha alta tendencia a filtrarse e mesmo a penetrar ou penetrar en diversos materiais.
O hidróxeno é 8 veces máis lixeiro que o gas natural, 14 veces máis lixeiro que o aire, 22 veces máis lixeiro que o propano e 57 veces máis lixeiro que o vapor da gasolina.Isto significa que, cando se instala ao aire libre, o gas H2 subirá e disiparase rapidamente, reducindo os sinais de fugas uniformes.Pero pode ser unha arma de dobre fío.Pode producirse unha explosión se a soldadura debe realizarse nunha instalación ao aire libre por riba ou abaixo do vento dunha fuga de H2 sen un estudo de detección de fugas antes da soldadura.Nun espazo pechado, o gas H2 pode subir e acumularse desde o teito para abaixo, unha condición que lle permite acumular grandes volumes antes de ter máis probabilidades de entrar en contacto con fontes de ignición próximas ao chan.
Incendio accidental.A autoignición é un fenómeno no que unha mestura de gases ou vapores se inflama espontáneamente sen unha fonte externa de ignición.Tamén se coñece como "combustión espontánea" ou "combustión espontánea".A autoignición depende da temperatura, non da presión.
A temperatura de autoignición é a temperatura mínima á que se acenderá espontáneamente un combustible antes da ignición en ausencia dunha fonte externa de ignición ao entrar en contacto co aire ou un axente oxidante.A temperatura de autoignición dun só po é a temperatura á que se inflama espontáneamente en ausencia dun axente oxidante.A temperatura de autoignición do H2 gasoso no aire é de 585 °C.
A enerxía de ignición é a enerxía necesaria para iniciar a propagación dunha chama a través dunha mestura combustible.A enerxía mínima de ignición é a enerxía mínima necesaria para acender unha determinada mestura combustible a unha determinada temperatura e presión.Enerxía mínima de ignición por chispa para H2 gasoso en 1 atm de aire = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Os límites de explosión son as concentracións máxima e mínima de vapores, néboas ou po no aire ou osíxeno nas que se produce unha explosión.O tamaño e a xeometría do ambiente, así como a concentración do combustible, controlan os límites."Límite de explosión" ás veces úsase como sinónimo de "límite de explosión".
Os límites de explosión para mesturas de H2 no aire son do 18,3% vol. (límite inferior) e do 59% vol. (límite superior).
Ao deseñar sistemas de canalización (Figura 1), o primeiro paso é determinar os materiais de construción necesarios para cada tipo de fluído.E cada fluído clasificarase segundo o parágrafo ASME B31.3.300 (b) (1) establece: "O propietario tamén é responsable de determinar as tuberías de clase D, M, de alta presión e de alta pureza, e de determinar se se debe utilizar un sistema de calidade particular".
A categorización de fluídos define o grao de proba e o tipo de proba necesario, así como moitos outros requisitos baseados na categoría de fluído.A responsabilidade do propietario por isto normalmente recae no departamento de enxeñería do propietario ou dun enxeñeiro subcontratado.
Aínda que o Código de tuberías de proceso B31.3 non indica ao propietario que material debe usar para un fluído en particular, ofrece orientación sobre os requisitos de resistencia, espesor e conexión do material.Tamén hai dúas afirmacións na introdución ao código que indican claramente:
E ampliar o primeiro parágrafo anterior, parágrafo B31.3.300(b)(1) tamén indica: "O propietario dunha instalación de canalización é o único responsable de cumprir este Código e de establecer os requisitos de deseño, construción, inspección, inspección e probas que rexen todo o manexo de fluídos ou procesos dos que forma parte a canalización.Instalación.”Entón, despois de establecer algunhas regras básicas de responsabilidade e requisitos para definir as categorías de servizos de fluídos, vexamos onde encaixa o hidróxeno.
Dado que o gas hidróxeno actúa como un líquido volátil con fugas, o gas hidróxeno pódese considerar un líquido normal ou un líquido de Clase M na categoría B31.3 para o servizo líquido.Como se indicou anteriormente, a clasificación da manipulación de fluídos é un requisito do propietario, sempre que cumpra as directrices para as categorías seleccionadas descritas no punto 3 B31.3. 300.2 Definicións no apartado «Servizos hidráulicos».As seguintes son as definicións para o servizo de fluído normal e o servizo de fluído de Clase M:
“Servizo de fluídos normais: servizo de fluídos aplicable á maioría das tubaxes suxeitas a este código, é dicir, non suxeitos ás normas para as clases D, M, alta temperatura, alta presión ou alta limpeza de fluídos.
(1) A toxicidade do fluído é tan grande que unha única exposición a unha cantidade moi pequena do fluído causada por unha fuga pode causar graves lesións permanentes a quen inhala ou entra en contacto con el, aínda que se tomen medidas de recuperación inmediata.tomada
(2) Despois de considerar o deseño da canalización, a experiencia, as condicións de operación e a localización, o propietario determina que os requisitos para o uso normal do fluído non son suficientes para proporcionar a estanqueidade necesaria para protexer o persoal da exposición.”
Na definición anterior de M, o gas hidróxeno non cumpre os criterios do parágrafo (1) porque non se considera un líquido tóxico.Non obstante, ao aplicar a subsección (2), o Código permite a clasificación dos sistemas hidráulicos na clase M despois de ter en conta debidamente "... deseño de tubaxes, experiencia, condicións de operación e localización..." O propietario permite a determinación do manexo normal de fluídos.Os requisitos son insuficientes para satisfacer a necesidade dun maior nivel de integridade no deseño, construción, inspección, inspección e proba dos sistemas de canalización de gas de hidróxeno.
Consulte a táboa 1 antes de falar da corrosión por hidróxeno a alta temperatura (HTHA).Os códigos, normas e regulamentos están enumerados nesta táboa, que inclúe seis documentos sobre o tema da fragilidade do hidróxeno (HE), unha anomalía de corrosión común que inclúe HTHA.O OH pode ocorrer a baixas e altas temperaturas.Considerada unha forma de corrosión, pódese iniciar de varias maneiras e tamén afectar a unha ampla gama de materiais.
HE ten varias formas, que se poden dividir en craqueo por hidróxeno (HAC), craqueo por tensión de hidróxeno (HSC), craqueo por corrosión por tensión (SCC), craqueo por corrosión por hidróxeno (HACC), burbullamento de hidróxeno (HB), craqueo por hidróxeno (HIC).)), craqueo por hidróxeno orientado por tensión (SOHIC), craqueo progresivo (SWC), craqueo por tensión por sulfuro (SSC), craqueo por zona branda (SZC) e corrosión por hidróxeno a alta temperatura (HTHA).
Na súa forma máis simple, a fragilización do hidróxeno é un mecanismo para a destrución dos límites dos grans metálicos, o que resulta nunha ductilidade reducida debido á penetración do hidróxeno atómico.As formas en que isto ocorre son variadas e defínense en parte polos seus respectivos nomes, como HTHA, onde se necesita hidróxeno simultáneo a alta temperatura e alta presión para a fragilización, e SSC, onde o hidróxeno atómico se produce como gases pechados e hidróxeno.debido á corrosión ácida, filtráronse en caixas metálicas, o que pode provocar fraxilidade.Pero o resultado global é o mesmo que para todos os casos de fragilización do hidróxeno descritos anteriormente, onde a resistencia do metal redúcese pola fragilidade por debaixo do seu rango de tensión permitido, o que á súa vez prepara o escenario para un evento potencialmente catastrófico dada a volatilidade do líquido.
Ademais do grosor da parede e do rendemento da xunta mecánica, hai que ter en conta dous factores principais á hora de seleccionar materiais para o servizo de gas H2: 1. Exposición a hidróxeno a alta temperatura (HTHA) e 2. Preocupacións graves sobre posibles fugas.Ambos temas están actualmente en debate.
A diferenza do hidróxeno molecular, o hidróxeno atómico pode expandirse, expoñendo o hidróxeno a altas temperaturas e presións, creando a base para o potencial HTHA.Nestas condicións, o hidróxeno atómico é capaz de difundirse nos materiais ou equipos de tubaxes de aceiro carbono, onde reacciona co carbono en solución metálica para formar gas metano nos límites dos grans.Incapaz de escapar, o gas se expande, creando fendas e fendas nas paredes de tubos ou vasos: isto é HTGA.Podes ver claramente os resultados de HTHA na Figura 2 onde se evidencian gretas e fendas na parede de 8″.A parte de tubo de tamaño nominal (NPS) que falla nestas condicións.
O aceiro ao carbono pódese usar para o servizo de hidróxeno cando a temperatura de funcionamento se mantén por debaixo dos 500 °F.Como se mencionou anteriormente, o HTHA prodúcese cando o gas hidróxeno se mantén a alta presión parcial e alta temperatura.Non se recomenda o aceiro ao carbono cando se espera que a presión parcial do hidróxeno sexa de aproximadamente 3000 psi e a temperatura sexa superior a uns 450 °F (que é a condición do accidente na Figura 2).
Como se pode ver na gráfica de Nelson modificada na Figura 3, tomada en parte da API 941, a alta temperatura ten o maior efecto sobre o forzamento do hidróxeno.A presión parcial do gas hidróxeno pode superar os 1000 psi cando se usa con aceiros ao carbono que funcionan a temperaturas de ata 500 °F.
Figura 3. Este gráfico de Nelson modificado (adaptado da API 941) pódese usar para seleccionar materiais axeitados para o servizo de hidróxeno a varias temperaturas.
Sobre a fig.3 móstrase a elección dos aceiros que están garantidos para evitar o ataque do hidróxeno, dependendo da temperatura de funcionamento e da presión parcial do hidróxeno.Os aceiros inoxidables austeníticos son insensibles ao HTHA e son materiais satisfactorios a todas as temperaturas e presións.
O aceiro inoxidable austenítico 316/316L é o material máis práctico para aplicacións de hidróxeno e ten un historial comprobado.Aínda que se recomenda o tratamento térmico post-soldadura (PWHT) para os aceiros ao carbono para calcinar o hidróxeno residual durante a soldadura e reducir a dureza da zona afectada pola calor (HAZ) despois da soldadura, non é necesario para os aceiros inoxidables austeníticos.
Os efectos termotérmicos causados ​​polo tratamento térmico e a soldadura teñen pouco efecto sobre as propiedades mecánicas dos aceiros inoxidables austeníticos.Non obstante, o traballo en frío pode mellorar as propiedades mecánicas dos aceiros inoxidables austeníticos, como a resistencia e a dureza.Ao dobrar e formar tubos de aceiro inoxidable austenítico, as súas propiedades mecánicas cambian, incluíndo a diminución da plasticidade do material.
Se o aceiro inoxidable austenítico require conformación en frío, o recocido en solución (quecemento a aproximadamente 1045 °C seguido de enfriamento ou arrefriamento rápido) restaurará as propiedades mecánicas do material aos seus valores orixinais.Tamén eliminará a fase de segregación, sensibilización e sigma da aliaxe conseguida despois do traballo en frío.Ao realizar o recocido de solución, teña en conta que o arrefriamento rápido pode devolver a tensión residual no material se non se manipula correctamente.
Consulte as táboas GR-2.1.1-1 Índice de especificación de material de conxunto de tubaxes e tubos e GR-2.1.1-2 Índice de especificación de material de tubaxe en ASME B31 para obter seleccións de materiais aceptables para o servizo H2.as tubaxes son un bo lugar para comezar.
Cun peso atómico estándar de 1,008 unidades de masa atómica (amu), o hidróxeno é o elemento máis lixeiro e pequeno da táboa periódica e, polo tanto, ten unha alta propensión a filtrarse, con consecuencias potencialmente devastadoras, podería engadir.Polo tanto, o sistema de gasodutos debe deseñarse de forma que limite as conexións de tipo mecánico e mellore aquelas conexións realmente necesarias.
Ao limitar os posibles puntos de fuga, o sistema debe estar totalmente soldado, excepto para as conexións con bridas en equipos, elementos de tubaxe e accesorios.As conexións roscadas deben evitarse na medida do posible, se non completamente.Se por calquera motivo non se poden evitar as conexións roscadas, recoméndase enganchalas por completo sen selante de roscas e despois selar a soldadura.Cando se utilice tubos de aceiro carbono, as unións dos tubos deben soldarse a tope e someterse a un tratamento térmico posterior á soldadura (PWHT).Despois da soldadura, os tubos da zona afectada pola calor (HAZ) están expostos ao ataque de hidróxeno mesmo a temperatura ambiente.Aínda que o ataque de hidróxeno ocorre principalmente a altas temperaturas, a etapa PWHT reducirá completamente, se non eliminará, esta posibilidade mesmo en condicións ambientais.
O punto débil do sistema totalmente soldado é a conexión de brida.Para garantir un alto grao de estanquidade nas conexións de bridas, débense utilizar xuntas Kammprofile (fig. 4) ou outro tipo de xuntas.Feita case do mesmo xeito por varios fabricantes, esta almofada é moi tolerante.Consta de aneis metálicos dentados encaixados entre materiais de selado brandos e deformables.Os dentes concentran a carga do parafuso nunha área máis pequena para proporcionar un axuste axustado con menos tensión.Está deseñado de tal xeito que pode compensar as superficies irregulares das bridas así como as condicións de funcionamento fluctuantes.
Figura 4. As xuntas Kammprofile teñen un núcleo metálico unido a ambos os dous lados cun recheo brando.
Outro factor importante na integridade do sistema é a válvula.As fugas ao redor do selo do tronco e das bridas do corpo son un problema real.Para evitar isto, recoméndase seleccionar unha válvula con selado de fol.
Usa 1 polgada.Tubo de aceiro ao carbono School 80, no noso exemplo a continuación, dadas as tolerancias de fabricación, corrosión e tolerancias mecánicas de acordo coa ASTM A106 Gr B, a presión de traballo máxima permitida (MAWP) pódese calcular en dous pasos a temperaturas de ata 300 °F (Nota: a razón de "... para temperaturas de ata 300 °F" é porque a temperatura de inicio de ASTM permite que o material se deteriore A10 Gr... supera os 300ºF.(S), polo que a ecuación (1) require Axuste a temperaturas superiores a 300ºF.)
Facendo referencia á fórmula (1), o primeiro paso é calcular a presión de explosión teórica da canalización.
T = espesor da parede do tubo menos tolerancias mecánicas, á corrosión e de fabricación, en polgadas.
A segunda parte do proceso consiste en calcular a presión de traballo máxima admisible Pa da canalización aplicando o factor de seguridade S f ao resultado P segundo a ecuación (2):
Así, cando se usa material escolar 1″ 80, a presión de explosión calcúlase do seguinte xeito:
A continuación aplícase un Sf de seguridade de 4 de acordo coa sección VIII-1 de 2019 das recomendacións de recipientes a presión da ASME, parágrafo 8. UG-101 calcúlase do seguinte xeito:
O valor MAWP resultante é de 810 psi.polgada refírese só a tubo.A conexión de brida ou o compoñente coa clasificación máis baixa do sistema será o factor determinante para determinar a presión admisible no sistema.
Segundo ASME B16.5, a presión de traballo máxima permitida para 150 accesorios de brida de aceiro carbono é de 285 psi.polgadas entre -20 °F e 100 °F.A clase 300 ten unha presión de traballo máxima permitida de 740 psi.Este será o factor límite de presión do sistema segundo o exemplo de especificación do material a continuación.Ademais, só nas probas hidrostáticas, estes valores poden superar 1,5 veces.
Como exemplo dunha especificación básica de material de aceiro ao carbono, unha especificación de liña de servizo de gas H2 que funciona a unha temperatura ambiente inferior a unha presión de deseño de 740 psi.polgadas, poden conter os requisitos de materiais que se indican na Táboa 2. Os seguintes son tipos que poden requirir atención para incluírse na especificación:
Ademais da canalización en si, hai moitos elementos que compoñen o sistema de canalización, como accesorios, válvulas, equipos de liña, etc. Aínda que moitos destes elementos se unirán nunha canalización para comentalos en detalle, isto requirirá máis páxinas das que se poden acomodar.Este artigo.