Ovaj pregled daje preporuke za siguran dizajn cjevovodnih sustava za distribuciju vodika.
Vodik je vrlo hlapljiva tekućina s velikom tendencijom istjecanja.To je vrlo opasna i smrtonosna kombinacija sklonosti, hlapljiva tekućina koju je teško kontrolirati.Ovo su trendovi koje treba uzeti u obzir pri odabiru materijala, brtvila i brtvila, kao i karakteristika dizajna takvih sustava.Ove teme o distribuciji plinovitog H2 u središtu su ove rasprave, a ne proizvodnja H2, tekućeg H2 ili tekućeg H2 (vidi desnu bočnu traku).
Evo nekoliko ključnih točaka koje će vam pomoći razumjeti mješavinu vodika i H2-zraka.Vodik gori na dva načina: deflagracijom i eksplozijom.
deflagracija.Deflagracija je uobičajeni način izgaranja u kojem plamen putuje kroz smjesu podzvučnom brzinom.To se događa, na primjer, kada se slobodni oblak smjese vodika i zraka zapali malim izvorom paljenja.U tom slučaju, plamen će se kretati brzinom od deset do nekoliko stotina stopa u sekundi.Brzo širenje vrućeg plina stvara tlačne valove čija je snaga proporcionalna veličini oblaka.U nekim slučajevima, snaga udarnog vala može biti dovoljna da ošteti građevinske strukture i druge objekte na svom putu i izazove ozljede.
eksplodirati.Kad je eksplodirao, plamen i udarni valovi putovali su kroz smjesu nadzvučnom brzinom.Omjer tlaka u detonacijskom valu mnogo je veći nego u detonacijskom.Zbog pojačane snage eksplozija je opasnija za ljude, zgrade i objekte u blizini.Normalna deflagracija uzrokuje eksploziju kada se zapali u zatvorenom prostoru.U tako uskom području, paljenje može biti uzrokovano najmanjom količinom energije.Ali za detonaciju smjese vodika i zraka u neograničenom prostoru potreban je snažniji izvor paljenja.
Omjer tlaka preko detonacijskog vala u smjesi vodik-zrak je oko 20. Pri atmosferskom tlaku, omjer 20 je 300 psi.Kada se ovaj tlačni val sudari s nepokretnim objektom, omjer tlaka se povećava na 40-60.To je zbog refleksije tlačnog vala od nepomične prepreke.
Sklonost curenju.Zbog svoje niske viskoznosti i male molekularne težine, plin H2 ima veliku tendenciju curenja, pa čak i prodiranja u različite materijale.
Vodik je 8 puta lakši od prirodnog plina, 14 puta lakši od zraka, 22 puta lakši od propana i 57 puta lakši od benzinskih para.To znači da će se H2 plin, kada se postavi na otvorenom, brzo podići i raspršiti, smanjujući sve znakove ravnomjernog curenja.Ali to može biti dvosjekli mač.Može doći do eksplozije ako se zavarivanje treba izvesti na vanjskoj instalaciji iznad ili niz vjetar curenja H2 bez studije otkrivanja curenja prije zavarivanja.U zatvorenom prostoru, plin H2 može se dizati i nakupljati od stropa prema dolje, uvjet koji mu omogućuje nakupljanje velikih količina prije nego što postoji veća vjerojatnost da dođe u kontakt s izvorima paljenja blizu tla.
Slučajni požar.Samozapaljenje je pojava u kojoj se smjesa plinova ili para spontano zapali bez vanjskog izvora paljenja.Također je poznato kao "spontano sagorijevanje" ili "spontano sagorijevanje".Samozapaljenje ovisi o temperaturi, a ne o tlaku.
Temperatura samozapaljenja je minimalna temperatura pri kojoj će se gorivo spontano zapaliti prije paljenja u odsutnosti vanjskog izvora paljenja nakon dodira sa zrakom ili oksidacijskim sredstvom.Temperatura samozapaljivosti pojedinačnog praha je temperatura pri kojoj se on spontano zapali u odsutnosti oksidirajućeg sredstva.Temperatura samozapaljenja plinovitog H2 u zraku je 585°C.
Energija paljenja je energija potrebna za pokretanje širenja plamena kroz zapaljivu smjesu.Minimalna energija paljenja je minimalna energija potrebna za paljenje određene zapaljive smjese pri određenoj temperaturi i tlaku.Minimalna energija paljenja iskre za plinoviti H2 u 1 atm zraka = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Granice eksplozivnosti su maksimalne i minimalne koncentracije para, maglice ili prašine u zraku ili kisiku pri kojima dolazi do eksplozije.Veličina i geometrija okoline, kao i koncentracija goriva, kontroliraju ograničenja."Granica eksplozivnosti" ponekad se koristi kao sinonim za "granicu eksplozivnosti".
Granice eksplozivnosti za smjese H2 u zraku su 18,3 vol.% (donja granica) i 59 vol.% (gornja granica).
Prilikom projektiranja cjevovodnih sustava (Slika 1), prvi korak je određivanje potrebnih građevinskih materijala za svaku vrstu tekućine.Svaka tekućina bit će klasificirana u skladu s paragrafom ASME B31.3.300(b)(1) navodi: "Vlasnik je također odgovoran za određivanje klase D, M, visokog tlaka i cjevovoda visoke čistoće te za određivanje treba li se koristiti određeni sustav kvalitete."
Kategorizacija tekućine definira stupanj ispitivanja i vrstu potrebnog ispitivanja, kao i mnoge druge zahtjeve koji se temelje na kategoriji tekućine.Odgovornost vlasnika za to obično pada na inženjerski odjel vlasnika ili vanjskog inženjera.
Iako B31.3 Kodeks procesnih cjevovoda ne govori vlasniku koji materijal koristiti za određenu tekućinu, pruža smjernice o čvrstoći, debljini i zahtjevima za spajanje materijala.Također postoje dvije izjave u uvodu kodeksa koje jasno navode:
I proširite prvi odlomak iznad, odlomak B31.3.300(b)(1) također navodi: “Vlasnik instalacije cjevovoda isključivo je odgovoran za poštivanje ovog Kodeksa i za uspostavljanje zahtjeva za dizajn, konstrukciju, inspekciju, inspekciju i testiranje koji uređuju sve rukovanje tekućinama ili procese čiji je cjevovod dio.Montaža."Dakle, nakon postavljanja nekih temeljnih pravila za odgovornost i zahtjeva za definiranje kategorija usluga fluida, da vidimo gdje se vodikov plin uklapa.
Budući da vodikov plin djeluje kao hlapljiva tekućina s curenjem, vodikov plin može se smatrati normalnom tekućinom ili tekućinom klase M prema kategoriji B31.3 za tekuće usluge.Kao što je gore navedeno, klasifikacija rukovanja tekućinom je zahtjev vlasnika, pod uvjetom da zadovoljava smjernice za odabrane kategorije opisane u B31.3, paragraf 3. 300.2 Definicije u odjeljku "Hidrauličke usluge".Sljedeće su definicije za normalnu uslugu tekućine i uslugu tekućine klase M:
„Normalna usluga tekućine: Usluga tekućine primjenjiva na većinu cjevovoda koji podliježu ovom kodu, tj. ne podliježu propisima za klase D, M, visoke temperature, visokog tlaka ili visoke čistoće tekućine.
(1) Toksičnost tekućine je toliko velika da jednokratno izlaganje vrlo maloj količini tekućine uzrokovano istjecanjem može uzrokovati ozbiljne trajne ozljede onima koji je udišu ili dođu u kontakt s njom, čak i ako se poduzmu trenutne mjere oporavka.poduzete
(2) Nakon razmatranja dizajna cjevovoda, iskustva, radnih uvjeta i lokacije, vlasnik utvrđuje da zahtjevi za normalnu upotrebu tekućine nisu dostatni za osiguranje nepropusnosti potrebne za zaštitu osoblja od izlaganja.”
U gornjoj definiciji M, vodikov plin ne ispunjava kriterije iz stavka (1) jer se ne smatra otrovnom tekućinom.Međutim, primjenom pododjeljka (2), Kodeks dopušta klasifikaciju hidrauličkih sustava u klasu M nakon dužnog razmatranja "…dizajna cjevovoda, iskustva, uvjeta rada i lokacije..." Vlasnik dopušta određivanje normalnog rukovanja tekućinom.Zahtjevi su nedostatni da zadovolje potrebu za višom razinom integriteta u projektiranju, izgradnji, inspekciji, inspekciji i ispitivanju sustava cjevovoda za plin vodik.
Molimo pogledajte tablicu 1 prije rasprave o vodikovoj koroziji pri visokim temperaturama (HTHA).Kodeksi, standardi i propisi navedeni su u ovoj tablici, koja uključuje šest dokumenata na temu vodikove krtosti (HE), uobičajene korozijske anomalije koja uključuje HTHA.OH se može pojaviti pri niskim i visokim temperaturama.Smatra se oblikom korozije, a može se pokrenuti na nekoliko načina i utjecati na širok raspon materijala.
HE ima različite oblike, koji se mogu podijeliti na vodikovo pucanje (HAC), vodikovo naprezanje (HSC), naprezno korozijsko pucanje (SCC), vodikovo korozijsko pucanje (HACC), vodikovo stvaranje mjehurića (HB), vodikovo pucanje (HIC).)), vodikovo pucanje usmjereno naprezanjem (SOHIC), progresivno pucanje (SWC), sulfidno naprezanje pucanja (SSC), pucanje meke zone (SZC) i vodikova korozija pri visokim temperaturama (HTHA).
U svom najjednostavnijem obliku, vodikova krtost je mehanizam za uništavanje granica metalnih zrna, što rezultira smanjenom duktilnošću zbog prodora atomskog vodika.Načini na koje se to događa su različiti i djelomično su definirani odgovarajućim nazivima, kao što je HTHA, gdje je za krtost potreban vodik visoke temperature i visokog tlaka, i SSC, gdje se atomski vodik proizvodi kao zatvoreni plinovi i vodik.zbog kiselinske korozije prodiru u metalna kućišta, što može dovesti do lomljivosti.Ali ukupni rezultat je isti kao i za sve gore opisane slučajeve vodikove krtosti, gdje je čvrstoća metala smanjena krtošću ispod dopuštenog raspona naprezanja, što zauzvrat postavlja pozornicu za potencijalno katastrofalan događaj s obzirom na hlapljivost tekućine.
Uz debljinu stijenke i performanse mehaničkog spoja, dva su glavna čimbenika koja treba uzeti u obzir pri odabiru materijala za H2 plin: 1. Izloženost vodiku visoke temperature (HTHA) i 2. Ozbiljna zabrinutost zbog potencijalnog curenja.Obje su teme trenutno u fazi rasprave.
Za razliku od molekularnog vodika, atomski vodik može se širiti, izlažući vodik visokim temperaturama i pritiscima, stvarajući osnovu za potencijalnu HTHA.Pod tim uvjetima, atomski vodik može difundirati u materijale ili opremu za cijevi od ugljičnog čelika, gdje reagira s ugljikom u metalnoj otopini i stvara plin metan na granicama zrna.U nemogućnosti da izađe, plin se širi, stvarajući pukotine i pukotine u stjenkama cijevi ili posuda – to je HTGA.Jasno možete vidjeti rezultate HTHA na slici 2 gdje su vidljive pukotine i pukotine u zidu od 8″.Dio cijevi nominalne veličine (NPS) koji ne radi pod ovim uvjetima.
Ugljični čelik može se koristiti za vodikov servis kada se radna temperatura održava ispod 500°F.Kao što je gore spomenuto, HTHA se javlja kada se vodikov plin drži pri visokom parcijalnom tlaku i visokoj temperaturi.Ugljični čelik se ne preporučuje kada se očekuje da će parcijalni tlak vodika biti oko 3000 psi, a temperatura iznad oko 450°F (što je stanje nezgode na slici 2).
Kao što se može vidjeti iz modificiranog Nelsonovog dijagrama na slici 3, djelomično preuzetog iz API 941, visoka temperatura ima najveći učinak na forsiranje vodika.Parcijalni tlak plinovitog vodika može premašiti 1000 psi kada se koristi s ugljičnim čelicima koji rade na temperaturama do 500°F.
Slika 3. Ova modificirana Nelsonova karta (prilagođena iz API 941) može se koristiti za odabir prikladnih materijala za rad s vodikom na različitim temperaturama.
Na sl.Slika 3 prikazuje izbor čelika koji zajamčeno izbjegavaju napad vodika, ovisno o radnoj temperaturi i parcijalnom tlaku vodika.Austenitni nehrđajući čelici su neosjetljivi na HTHA i zadovoljavajući su materijali na svim temperaturama i pritiscima.
Austenitni nehrđajući čelik 316/316L najpraktičniji je materijal za primjene vodika i ima dokazane rezultate.Dok se toplinska obrada nakon zavarivanja (PWHT) preporučuje za ugljične čelike za kalcinaciju zaostalog vodika tijekom zavarivanja i smanjenje tvrdoće u zoni utjecaja topline (HAZ) nakon zavarivanja, nije potrebna za austenitne nehrđajuće čelike.
Termotermički učinci uzrokovani toplinskom obradom i zavarivanjem imaju mali učinak na mehanička svojstva austenitnih nehrđajućih čelika.Međutim, hladna obrada može poboljšati mehanička svojstva austenitnih nehrđajućih čelika, poput čvrstoće i tvrdoće.Kod savijanja i oblikovanja cijevi od austenitnog nehrđajućeg čelika mijenjaju se njihova mehanička svojstva, uključujući smanjenje plastičnosti materijala.
Ako austenitni nehrđajući čelik zahtijeva hladno oblikovanje, žarenje u otopini (zagrijavanje na približno 1045°C nakon čega slijedi kaljenje ili brzo hlađenje) vratit će mehanička svojstva materijala na njihove izvorne vrijednosti.Također će eliminirati segregaciju legure, senzibilizaciju i sigma fazu postignutu nakon hladne obrade.Prilikom izvođenja žarenja u otopini, imajte na umu da brzo hlađenje može vratiti zaostalo naprezanje u materijal ako se njime ne rukuje ispravno.
Pogledajte tablice GR-2.1.1-1 Indeks specifikacije materijala za sklop cjevovoda i GR-2.1.1-2 Indeks specifikacije materijala za cjevovod u ASME B31 za odabir prihvatljivog materijala za H2 uslugu.cijevi su dobro mjesto za početak.
Uz standardnu ​​atomsku težinu od 1,008 jedinica atomske mase (amu), vodik je najlakši i najmanji element na periodičnom sustavu i stoga ima veliku sklonost istjecanju, s potencijalno razornim posljedicama, mogao bih dodati.Stoga plinovodni sustav mora biti projektiran na način da se ograniče mehanički tipovi spojeva i poboljšaju oni spojevi koji su stvarno potrebni.
Prilikom ograničavanja mogućih točaka curenja, sustav treba biti potpuno zavaren, osim prirubničkih spojeva na opremi, elementima cjevovoda i spojnim elementima.Navojne spojeve treba izbjegavati koliko god je to moguće, ako ne i potpuno.Ako se navojni spojevi ne mogu izbjeći iz bilo kojeg razloga, preporuča se potpuno ih zahvatiti bez sredstva za brtvljenje navoja i zatim zabrtviti zavareni spoj.Kada koristite cijevi od ugljičnog čelika, spojevi cijevi moraju biti sučeono zavareni i toplinski obrađeni nakon zavarivanja (PWHT).Cijevi u zoni utjecaja topline (ZUT) su nakon zavarivanja izložene utjecaju vodika čak i na temperaturi okoline.Dok se napad vodikom primarno događa pri visokim temperaturama, PWHT stupanj će potpuno smanjiti, ako ne i eliminirati, ovu mogućnost čak i pod uvjetima okoline.
Slaba točka potpuno zavarenog sustava je prirubnički spoj.Kako bi se osigurao visok stupanj nepropusnosti u prirubničkim spojevima, treba koristiti Kammprofile brtve (sl. 4) ili neki drugi oblik brtvila.Izrađen na gotovo isti način od strane nekoliko proizvođača, ovaj jastučić vrlo oprašta.Sastoji se od nazubljenih potpuno metalnih prstenova u sendviču između mekih, deformabilnih brtvenih materijala.Zubi koncentriraju opterećenje vijka na manjem području kako bi osigurali čvrsto prianjanje uz manje naprezanja.Dizajniran je na takav način da može kompenzirati neravne površine prirubnice kao i fluktuirajuće uvjete rada.
Slika 4. Kammprofile brtve imaju metalnu jezgru spojenu s obje strane mekim punilom.
Drugi važan čimbenik integriteta sustava je ventil.Propuštanja oko brtve vretena i prirubnica tijela pravi su problem.Kako bi se to spriječilo, preporuča se odabrati ventil s brtvom s mijehom.
Koristite 1 inč.Cijev od ugljičnog čelika School 80, u našem primjeru ispod, s obzirom na proizvodne tolerancije, korozivne i mehaničke tolerancije u skladu s ASTM A106 Gr B, maksimalni dopušteni radni tlak (MAWP) može se izračunati u dva koraka na temperaturama do 300°F (Napomena: Razlog za "...za temperature do 300ºF..." je zato što dopušteno naprezanje (S) ASTM A106 Gr B materijala počinje s pogoršati kada temperatura prijeđe 300ºF.(S), tako da jednadžba (1) zahtijeva prilagođavanje temperaturama iznad 300ºF.)
Pozivajući se na formulu (1), prvi korak je izračunati teorijski tlak pucanja cjevovoda.
T = debljina stijenke cijevi minus mehanička odstupanja, odstupanja od korozije i proizvodna odstupanja, u inčima.
Drugi dio procesa je izračunavanje maksimalnog dopuštenog radnog tlaka Pa cjevovoda primjenom faktora sigurnosti S f na rezultat P prema jednadžbi (2):
Prema tome, kada se koristi 1″ školski materijal 80, tlak pucanja izračunava se na sljedeći način:
Zatim se primjenjuje sigurnosni Sf od 4 u skladu s ASME preporukama za tlačne posude, odjeljak VIII-1 2019, paragraf 8. UG-101 izračunava se na sljedeći način:
Rezultirajuća MAWP vrijednost je 810 psi.inč se odnosi samo na cijev.Prirubnički spoj ili komponenta s najnižom ocjenom u sustavu bit će odlučujući faktor u određivanju dopuštenog tlaka u sustavu.
Prema ASME B16.5, najveći dopušteni radni tlak za 150 prirubničkih spojeva od ugljičnog čelika je 285 psi.inča na -20°F do 100°F.Klasa 300 ima najveći dopušteni radni tlak od 740 psi.Ovo će biti faktor ograničenja tlaka sustava prema primjeru specifikacije materijala u nastavku.Također, samo u hidrostatskim ispitivanjima, ove vrijednosti mogu premašiti 1,5 puta.
Kao primjer osnovne specifikacije materijala za ugljični čelik, specifikacija servisne linije plina H2 koja radi na temperaturi okoline ispod projektnog tlaka od 740 psi.inča, može sadržavati materijalne zahtjeve prikazane u tablici 2. Sljedeće su vrste koje mogu zahtijevati pozornost da budu uključene u specifikaciju:
Osim samog cjevovoda, postoje mnogi elementi koji čine sustav cjevovoda kao što su spojni elementi, ventili, linijska oprema, itd. Dok će mnogi od ovih elemenata biti spojeni u cjevovod da bi se o njima detaljno raspravljalo, to će zahtijevati više stranica nego što se može primiti.Ovaj članak.