Ez az áttekintés ajánlásokat ad a hidrogénelosztó csőrendszerek biztonságos tervezésére.
A hidrogén erősen illékony, szivárgásra hajlamos folyadék.Ez a hajlamok nagyon veszélyes és halálos kombinációja, illékony folyadék, amelyet nehéz ellenőrizni.Ezeket a trendeket kell figyelembe venni az anyagok, tömítések és tömítések kiválasztásakor, valamint az ilyen rendszerek tervezési jellemzőinél.E vita középpontjában a gáznemű H2 eloszlásával kapcsolatos témák állnak, nem pedig a H2, a folyékony H2 vagy a folyékony H2 előállítása (lásd a jobb oldali sávot).
Íme néhány kulcsfontosságú pont, amelyek segítenek megérteni a hidrogén és a H2-levegő keverékét.A hidrogén kétféleképpen ég: deflagráció és robbanás útján.
deflagráció.A deflagráció egy általános égési mód, amelyben a lángok szubszonikus sebességgel haladnak át a keveréken.Ez például akkor fordul elő, ha a hidrogén-levegő keverék szabad felhőjét egy kis gyújtóforrás meggyújtja.Ebben az esetben a láng tíz-több száz láb/s sebességgel mozog.A forró gáz gyors tágulása nyomáshullámokat hoz létre, amelyek erőssége arányos a felhő méretével.Egyes esetekben a lökéshullám ereje elegendő lehet ahhoz, hogy az épületszerkezeteket és az útjába kerülő egyéb tárgyakat megrongálja és sérülést okozzon.
felrobban.Amikor felrobbant, lángok és lökéshullámok haladtak át a keveréken szuperszonikus sebességgel.A nyomásarány a detonációs hullámban sokkal nagyobb, mint a detonációban.A megnövekedett erő miatt a robbanás veszélyesebb az emberekre, az épületekre és a közeli tárgyakra.A normál deflagráció zárt térben robbanást okoz.Ilyen szűk területen a legkevesebb energia okozhat gyulladást.A hidrogén-levegő keverék korlátlan térben történő felrobbantásához azonban erősebb gyújtóforrásra van szükség.
A nyomásarány a detonációs hullámon hidrogén-levegő keverékben körülbelül 20. Atmoszférikus nyomáson a 20 arány 300 psi.Amikor ez a nyomáshullám ütközik egy álló tárggyal, a nyomásarány 40-60-ra nő.Ennek oka a nyomáshullám visszaverődése egy álló akadályról.
Hajlam a szivárgásra.Alacsony viszkozitása és alacsony molekulatömege miatt a H2 gáz hajlamos a szivárgásra, sőt áthatolni vagy behatolni különböző anyagokba.
A hidrogén 8-szor könnyebb a földgáznál, 14-szer könnyebb a levegőnél, 22-szer könnyebb a propánnál és 57-szer könnyebb, mint a benzingőz.Ez azt jelenti, hogy kültérben a H2 gáz gyorsan felemelkedik és eloszlik, csökkentve az egyenletes szivárgás jeleit.De lehet kétélű kard is.Robbanás következhet be, ha a hegesztést egy H2 szivárgás felett vagy hátszélben lévő kültéri berendezésen kell elvégezni anélkül, hogy a hegesztés előtt szivárgásérzékelési vizsgálatot végeznének.Zárt térben a H2 gáz felemelkedhet és felhalmozódhat a mennyezettől lefelé, ami lehetővé teszi, hogy nagy mennyiségben halmozódjon fel, mielőtt nagyobb valószínűséggel érintkezne a talaj közelében lévő gyújtóforrásokkal.
Véletlen tűz.Az öngyulladás olyan jelenség, amelyben gázok vagy gőzök keveréke spontán, külső gyújtóforrás nélkül meggyullad.Más néven „spontán égés” vagy „spontán égés”.Az öngyulladás a hőmérséklettől függ, nem a nyomástól.
Az öngyulladási hőmérséklet az a minimális hőmérséklet, amelyen az üzemanyag külső gyújtóforrás hiányában levegővel vagy oxidálószerrel érintkezve spontán meggyullad a begyulladás előtt.Egyetlen por öngyulladási hőmérséklete az a hőmérséklet, amelyen oxidálószer hiányában spontán meggyullad.A gáznemű H2 öngyulladási hőmérséklete levegőben 585°C.
A gyújtási energia az az energia, amely ahhoz szükséges, hogy elindítsa a láng terjedését egy éghető keveréken.A minimális gyújtási energia az a minimális energia, amely egy adott éghető keverék meghatározott hőmérsékleten és nyomáson történő meggyújtásához szükséges.A gáznemű H2 minimális szikragyújtási energiája 1 atm levegőben = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
A robbanási határértékek a gőzök, ködök vagy porok maximális és minimális koncentrációja a levegőben vagy az oxigénben, amelynél a robbanás bekövetkezik.A határértékeket a környezet mérete és geometriája, valamint az üzemanyag koncentrációja szabályozza.A „robbanási határértéket” néha a „robbanási határérték” szinonimájaként használják.
A levegőben lévő H2 keverékek robbanási határa 18,3 térfogat% (alsó határ) és 59 térfogat% (felső határ).
A csőrendszerek tervezésekor (1. ábra) az első lépés az egyes folyadékfajtákhoz szükséges építőanyagok meghatározása.És minden folyadék az ASME B31.3 bekezdése szerint kerül besorolásra.A 300(b)(1) pont kimondja: „A tulajdonos felelős a D, M osztályú, nagynyomású és nagy tisztaságú csövek meghatározásáért, valamint annak meghatározásáért, hogy egy adott minőségbiztosítási rendszert kell-e használni.”
A folyadékok kategorizálása meghatározza a vizsgálat mértékét és a szükséges vizsgálat típusát, valamint számos egyéb követelményt a folyadékkategória alapján.A tulajdonos felelőssége ezért általában a tulajdonos mérnöki osztályára vagy egy kihelyezett mérnökre hárul.
Bár a B31.3 Process Piping Code nem mondja meg a tulajdonosnak, hogy egy adott folyadékhoz milyen anyagot kell használnia, útmutatást ad a szilárdságra, vastagságra és anyagcsatlakozási követelményekre vonatkozóan.A kód bevezetőjében két állítás is található, amelyek egyértelműen kijelentik:
És bővítse ki a fenti első bekezdést, a B31.3. bekezdést.A 300(b)(1) bekezdés is kimondja: „A csővezeték-létesítmény tulajdonosa kizárólagos felelőssége a jelen Szabályzatnak való megfelelés, valamint a tervezési, kivitelezési, ellenőrzési, ellenőrzési és vizsgálati követelmények megállapítása minden olyan folyadékkezelésre vagy folyamatra vonatkozóan, amelynek a csővezeték része.Telepítés."Tehát, miután lefektettük a felelősségre vonatkozó alapvető szabályokat és a folyadékszolgáltatási kategóriák meghatározására vonatkozó követelményeket, nézzük meg, hová illik a hidrogéngáz.
Mivel a hidrogéngáz illékony, szivárgó folyadékként működik, a hidrogéngáz normál folyadéknak vagy a B31.3 kategóriába tartozó M osztályú folyadéknak tekinthető folyadékszolgáltatás szempontjából.Mint fentebb említettük, a folyadékkezelés besorolása tulajdonosi követelmény, feltéve, hogy megfelel a kiválasztott kategóriákra vonatkozó, a B31.3 3. bekezdésben leírt irányelveknek. 300.2 Definíciók a „Hidraulikus szolgáltatások” részben.Az alábbiak a normál folyadékszolgáltatás és az M osztályú folyadékszolgáltatás definíciói:
„Normál folyadékszolgáltatás: Folyadékszolgáltatás, amely a legtöbb csővezetékre vonatkozik, amelyre ez a kód vonatkozik, azaz nem vonatkoznak a D, M osztályra, a magas hőmérsékletre, a nagy nyomásra vagy a nagy folyadéktisztaságra vonatkozó előírások.
(1) A folyadék toxicitása olyan nagy, hogy a szivárgás okozta, nagyon kis mennyiségű folyadék egyszeri expozíciója súlyos maradandó sérülést okozhat a belélegző vagy azzal érintkező személyek számára, még akkor is, ha azonnali helyreállítási intézkedéseket tesznek.vett
(2) A csővezeték kialakításának, tapasztalatainak, üzemeltetési feltételeinek és elhelyezkedésének mérlegelése után a tulajdonos megállapítja, hogy a folyadék normál használatára vonatkozó követelmények nem elegendőek a személyzet expozíció elleni védelméhez szükséges tömítettség biztosításához.”
Az M fenti definíciójában a hidrogéngáz nem felel meg az (1) bekezdés kritériumainak, mert nem minősül mérgező folyadéknak.A Szabályzat azonban a (2) bekezdés alkalmazásával lehetővé teszi a hidraulikus rendszerek M osztályba sorolását a „…a csővezeték kialakítása, tapasztalatai, működési feltételei és elhelyezkedése…” figyelembevétele után A tulajdonos engedélyezi a normál folyadékkezelés meghatározását.A követelmények nem elegendőek a hidrogéngáz-vezetékrendszerek tervezése, kivitelezése, ellenőrzése, ellenőrzése és tesztelése során a magasabb szintű integritás iránti igény kielégítésére.
Kérjük, olvassa el az 1. táblázatot, mielőtt a magas hőmérsékletű hidrogénkorrózióról (HTHA) beszélne.A kódok, szabványok és előírások felsorolása ebben a táblázatban található, amely hat dokumentumot tartalmaz a hidrogénridegség (HE) témájában, amely egy gyakori korróziós anomália, amely magában foglalja a HTHA-t is.Az OH alacsony és magas hőmérsékleten is előfordulhat.A korrózió egy formájának tekinthető, többféleképpen is kiváltható, és sokféle anyagot érinthet.
A HE-nek többféle formája van, amelyek hidrogénes krakkolásra (HAC), hidrogén-feszített krakkolásra (HSC), feszültségkorróziós krakkolásra (SCC), hidrogénkorróziós krakkolásra (HACC), hidrogénbuborékosodásra (HB), hidrogénkrakkolásra (HIC) oszthatók.)), feszültségorientált hidrogén-repedés (SOHIC), progresszív krakkolás (SWC), szulfidos feszültségrepedés (SSC), lágyzónás repedés (SZC) és magas hőmérsékletű hidrogénkorrózió (HTHA).
A hidrogénridegedés legegyszerűbb formájában a fémszemcsehatárok lebontásának mechanizmusa, ami az atomi hidrogén behatolása miatt csökkenti a hajlékonyságot.Ennek előfordulási módjai változatosak, és részben a megfelelő nevükkel határozzák meg, mint például a HTHA, ahol egyidejűleg magas hőmérséklet és nagynyomású hidrogén szükséges a ridegséghez, és SSC, ahol az atomos hidrogént zárt gázok és hidrogén formájában állítják elő.a savas korrózió miatt beszivárognak a fémtokokba, ami ridegséghez vezethet.Az összesített eredmény azonban ugyanaz, mint a fent leírt hidrogénridegedés minden eseténél, ahol a fém szilárdsága a megengedett feszültségi tartomány alá csökken a ridegedés következtében, ami viszont a folyadék illékonysága miatt egy potenciálisan katasztrofális esemény terepeként szolgál.
A falvastagságon és a mechanikai hézagteljesítményen kívül két fő tényezőt kell figyelembe venni a H2-gáz szolgáltatáshoz szükséges anyagok kiválasztásakor: 1. Magas hőmérsékletű hidrogénnek való kitettség (HTHA) és 2. Komoly aggályok az esetleges szivárgással kapcsolatban.Mindkét téma jelenleg vita tárgyát képezi.
A molekuláris hidrogéntől eltérően az atomos hidrogén kitágulhat, így a hidrogént magas hőmérsékletnek és nyomásnak teszi ki, ami megteremti a potenciális HTHA alapot.Ilyen körülmények között az atomos hidrogén képes bediffundálni szénacél csővezetékekbe vagy berendezésekbe, ahol reakcióba lép a fémoldatban lévő szénnel, és metángázt képez a szemcsehatárokon.Nem tud elszabadulni, a gáz kitágul, repedéseket és repedéseket hozva létre a csövek vagy edények falán – ez a HTGA.Tisztán láthatja a HTHA eredményeket a 2. ábrán, ahol repedések és repedések láthatók a 8 hüvelykes falon.A névleges méretű (NPS) cső azon része, amely ilyen körülmények között meghibásodik.
A szénacél hidrogénüzemben használható, ha az üzemi hőmérsékletet 500°F alatt tartják.Mint fentebb említettük, a HTHA akkor fordul elő, amikor a hidrogéngázt magas parciális nyomáson és magas hőmérsékleten tartják.A szénacél használata nem ajánlott, ha a hidrogén parciális nyomása várhatóan 3000 psi körül van, és a hőmérséklet körülbelül 450 °F felett van (ez a 2. ábrán látható baleseti állapot).
Amint az a 3. ábrán látható módosított Nelson-diagramból látható, amely részben az API 941-ből származik, a magas hőmérsékletnek van a legnagyobb hatása a hidrogén erőltetésére.A hidrogéngáz parciális nyomása meghaladhatja az 1000 psi-t, ha szénacélokkal használják 500 °F-ig.
3. ábra. Ez a módosított Nelson-diagram (az API 941-ből adaptálva) felhasználható a különböző hőmérsékleteken történő hidrogénezéshez megfelelő anyagok kiválasztására.
ábrán.A 3. ábra az üzemi hőmérséklettől és a hidrogén parciális nyomásától függően garantáltan elkerüli a hidrogéntámadást.Az ausztenites rozsdamentes acélok érzéketlenek a HTHA-ra, és minden hőmérsékleten és nyomáson megfelelő anyagok.
Az ausztenites 316/316L rozsdamentes acél a legpraktikusabb anyag a hidrogénes alkalmazásokhoz, és már bizonyított.Míg a hegesztés utáni hőkezelés (PWHT) ajánlott szénacéloknál a hegesztés során visszamaradt hidrogén kalcinálása és a hegesztés utáni hőhatást okozó zóna (HAZ) keménységének csökkentése érdekében, az ausztenites rozsdamentes acélok esetében ez nem szükséges.
A hőkezelés és hegesztés által okozott hőtermikus hatások csekély hatással vannak az ausztenites rozsdamentes acélok mechanikai tulajdonságaira.A hideg megmunkálás azonban javíthatja az ausztenites rozsdamentes acélok mechanikai tulajdonságait, például szilárdságát és keménységét.Az ausztenites rozsdamentes acélból készült csövek hajlítása és alakítása során mechanikai tulajdonságaik megváltoznak, beleértve az anyag plaszticitásának csökkenését is.
Ha az ausztenites rozsdamentes acél hidegalakítást igényel, az oldatos izzítás (körülbelül 1045 °C-ra történő felmelegítés, majd ezt követő kioltás vagy gyors hűtés) visszaállítja az anyag mechanikai tulajdonságait az eredeti értékükre.Megszünteti a hidegmegmunkálás után elért ötvözet-leválasztást, érzékenyítést és szigma fázist is.Oldatos izzítás során ügyeljen arra, hogy a gyors hűtés visszamaradó feszültséget okozhat az anyagban, ha nem megfelelően kezelik.
Tekintse meg a GR-2.1.1-1 Csővezeték-szerelvény anyagspecifikációs indexét és a GR-2.1.1-2 Csővezeték-anyag-specifikációs indexet az ASME B31-ben a H2-szolgáltatáshoz elfogadható anyagok kiválasztásához.a csövek jó kiindulópont.
Az 1,008 atomtömegegység (amu) szabványos atomtömegével a hidrogén a periódusos rendszer legkönnyebb és legkisebb eleme, ezért nagy a szivárgási hajlama, ami potenciálisan pusztító következményekkel járhat, hozzáteszem.Ezért a gázvezeték-rendszert úgy kell kialakítani, hogy korlátozza a mechanikus típusú csatlakozásokat, és javítsa azokat a csatlakozásokat, amelyekre valóban szükség van.
A lehetséges szivárgási pontok korlátozásakor a rendszert teljesen hegeszteni kell, kivéve a berendezések, csőelemek és szerelvények karimás csatlakozásait.A menetes csatlakozásokat lehetőleg kerülni kell, ha nem is teljesen.Ha a menetes csatlakozások bármilyen okból kifolyólag nem elkerülhetők, ajánlatos menettömítő nélkül teljesen összekapcsolni őket, majd lezárni a hegesztést.Szénacél cső használata esetén a csőkötéseket tompahegesztéssel és hegesztés utáni hőkezeléssel (PWHT) kell végezni.A hegesztés után a hőhatászónában (HAZ) lévő csövek még környezeti hőmérsékleten is hidrogéntámadásnak vannak kitéve.Míg a hidrogéntámadás elsősorban magas hőmérsékleten következik be, a PWHT szakasz teljesen csökkenti, ha nem ki is küszöböli ezt a lehetőséget még környezeti körülmények között is.
A teljesen hegesztett rendszer gyenge pontja a karimás csatlakozás.A karimás csatlakozások nagyfokú tömítettségének biztosítása érdekében Kammprofile tömítéseket (4. ábra) vagy más tömítéseket kell használni.Több gyártó által szinte azonos módon készült betét nagyon elnéző.Fogazott, teljesen fém gyűrűkből áll, amelyek puha, deformálható tömítőanyagok közé helyezkednek.A fogak egy kisebb területen koncentrálják a csavar terhelését, hogy szoros illeszkedést biztosítsanak kisebb igénybevétel mellett.Úgy tervezték, hogy kompenzálni tudja az egyenetlen karimafelületeket, valamint az ingadozó üzemi feltételeket.
4. ábra A Kammprofil tömítések mindkét oldalán puha töltőanyaggal ragasztott fém maggal rendelkeznek.
A rendszer integritásának másik fontos tényezője a szelep.A szártömítés és a karosszériaperemek körüli szivárgások valódi problémát jelentenek.Ennek megelőzése érdekében ajánlott csőmembrános tömítésű szelepet választani.
Használjon 1 hüvelyket.Iskola 80 szénacél cső, az alábbi példánkban, az ASTM A106 Gr B szerinti gyártási tűrésekkel, korróziós és mechanikai tűrésekkel, a maximális megengedett üzemi nyomás (MAWP) két lépésben számítható ki 300 °F-ig (Megjegyzés: A „…300ºF-ig terjedő hőmérsékleteknél…” oka az, hogy az anyag B indítási hőmérséklete (ASTM 1S0) deterizálódik vagy az indítási feszültség csökken. meghaladja a 300 ºF (S), ezért az (1) egyenlethez 300 ºF feletti hőmérsékletre kell beállítani.)
Az (1) képlet alapján az első lépés a csővezeték elméleti felszakadási nyomásának kiszámítása.
T = csőfalvastagság mínusz mechanikai, korróziós és gyártási tűrés, hüvelykben.
A folyamat második része a csővezeték Pa legnagyobb megengedett üzemi nyomásának kiszámítása az S f biztonsági tényező alkalmazásával a P eredményre a (2) egyenlet szerint:
Így 1″ iskola 80 anyag használatakor a felszakítási nyomást a következőképpen számítjuk ki:
Ezt követően a 4-es biztonsági Sf értéket alkalmazzák az ASME nyomástartó edényekre vonatkozó ajánlások 2019. évi VIII-1. szakaszának 8. bekezdése szerint. UG-101 a következőképpen számítva:
A kapott MAWP érték 810 psi.a hüvelyk csak a csőre vonatkozik.A rendszerben a legalacsonyabb besorolású karimás csatlakozás vagy alkatrész lesz a meghatározó tényező a rendszerben megengedett nyomás meghatározásánál.
Az ASME B16.5 szerint a 150 szénacél karimás szerelvények maximális megengedett üzemi nyomása 285 psi.hüvelyk -20°F és 100°F között.A 300-as osztály maximális megengedett üzemi nyomása 740 psi.Ez lesz a rendszer nyomáshatártényezője az alábbi anyagspecifikációs példa szerint.Ezenkívül ezek az értékek csak hidrosztatikai teszteknél haladhatják meg a 1,5-szeresét.
Az alapvető szénacél anyagspecifikáció példájaként egy 740 psi tervezési nyomás alatti környezeti hőmérsékleten működő H2 gázszolgáltató vezeték specifikációja.hüvelyk, tartalmazhatja a 2. táblázatban látható anyagkövetelményeket. A következő típusok esetében előfordulhat, hogy figyelmet kell fordítani a specifikációba:
Magán a csővezetéken kívül számos elem alkotja a csőrendszert, például szerelvények, szelepek, vezetékberendezések stb. Bár ezek közül az elemek közül sok egy csővezetékben kerül összeállításra, hogy részletesen tárgyaljuk őket, ehhez több oldalra lesz szükség, mint amennyi elfér.Ez a cikk.