Gambaran umum ini memberikan rekomendasi untuk desain sistem perpipaan yang aman untuk distribusi hidrogen.
Hidrogen adalah cairan yang sangat mudah menguap dengan kecenderungan tinggi untuk bocor. Ini adalah kombinasi kecenderungan yang sangat berbahaya dan mematikan, cairan yang mudah menguap dan sulit dikendalikan. Ini adalah tren yang perlu dipertimbangkan saat memilih material, gasket dan segel, serta karakteristik desain sistem tersebut. Topik tentang distribusi gas H2 adalah fokus diskusi ini, bukan produksi H2, H2 cair, atau H2 cair (lihat sidebar kanan).
Berikut beberapa poin penting untuk membantu Anda memahami campuran hidrogen dan udara H2. Hidrogen terbakar dengan dua cara: deflagrasi dan ledakan.
Deflagrasi. Deflagrasi adalah mode pembakaran umum di mana api merambat melalui campuran dengan kecepatan subsonik. Ini terjadi, misalnya, ketika awan bebas campuran hidrogen-udara dinyalakan oleh sumber penyalaan kecil. Dalam hal ini, api akan bergerak dengan kecepatan sepuluh hingga beberapa ratus kaki per detik. Ekspansi cepat gas panas menciptakan gelombang tekanan yang kekuatannya sebanding dengan ukuran awan. Dalam beberapa kasus, kekuatan gelombang kejut dapat cukup untuk merusak struktur bangunan dan objek lain di jalurnya dan menyebabkan cedera.
Meledak. Saat meledak, api dan gelombang kejut merambat melalui campuran tersebut dengan kecepatan supersonik. Rasio tekanan dalam gelombang detonasi jauh lebih besar daripada dalam detonasi. Karena peningkatan kekuatan, ledakan lebih berbahaya bagi manusia, bangunan, dan benda-benda di sekitarnya. Deflagrasi normal menyebabkan ledakan ketika dinyalakan di ruang tertutup. Di area yang sempit seperti itu, penyalaan dapat disebabkan oleh energi yang paling sedikit. Tetapi untuk detonasi campuran hidrogen-udara di ruang yang tak terbatas, diperlukan sumber penyalaan yang lebih kuat.
Rasio tekanan di sepanjang gelombang detonasi dalam campuran hidrogen-udara adalah sekitar 20. Pada tekanan atmosfer, rasio 20 adalah 300 psi. Ketika gelombang tekanan ini bertabrakan dengan objek diam, rasio tekanan meningkat menjadi 40-60. Hal ini disebabkan oleh pantulan gelombang tekanan dari penghalang diam.
Kecenderungan untuk bocor. Karena viskositasnya yang rendah dan berat molekulnya yang rendah, gas H2 memiliki kecenderungan tinggi untuk bocor dan bahkan meresap atau menembus berbagai material.
Hidrogen 8 kali lebih ringan daripada gas alam, 14 kali lebih ringan daripada udara, 22 kali lebih ringan daripada propana, dan 57 kali lebih ringan daripada uap bensin. Ini berarti bahwa ketika dipasang di luar ruangan, gas H2 akan cepat naik dan menghilang, mengurangi tanda-tanda kebocoran. Namun, ini bisa menjadi pedang bermata dua. Ledakan dapat terjadi jika pengelasan dilakukan pada instalasi luar ruangan di atas atau di arah angin dari kebocoran H2 tanpa studi deteksi kebocoran sebelum pengelasan. Di ruang tertutup, gas H2 dapat naik dan menumpuk dari langit-langit ke bawah, kondisi yang memungkinkan gas tersebut menumpuk hingga volume besar sebelum lebih mungkin bersentuhan dengan sumber penyulutan di dekat tanah.
Kebakaran yang tidak disengaja. Pembakaran spontan adalah fenomena di mana campuran gas atau uap terbakar secara spontan tanpa sumber penyalaan eksternal. Fenomena ini juga dikenal sebagai "pembakaran spontan" atau "pembakaran tanpa sebab". Pembakaran spontan bergantung pada suhu, bukan tekanan.
Suhu penyalaan sendiri adalah suhu minimum di mana bahan bakar akan menyala secara spontan sebelum terjadi penyalaan tanpa adanya sumber penyalaan eksternal saat kontak dengan udara atau zat pengoksidasi. Suhu penyalaan sendiri dari bubuk tunggal adalah suhu di mana bubuk tersebut menyala secara spontan tanpa adanya zat pengoksidasi. Suhu penyalaan sendiri gas H2 di udara adalah 585°C.
Energi pengapian adalah energi yang dibutuhkan untuk memulai penyebaran api melalui campuran yang mudah terbakar. Energi pengapian minimum adalah energi minimum yang dibutuhkan untuk menyalakan campuran yang mudah terbakar tertentu pada suhu dan tekanan tertentu. Energi pengapian percikan minimum untuk gas H2 dalam 1 atm udara = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Batas ledakan adalah konsentrasi maksimum dan minimum uap, kabut, atau debu di udara atau oksigen di mana ledakan terjadi. Ukuran dan geometri lingkungan, serta konsentrasi bahan bakar, mengendalikan batas tersebut. "Batas ledakan" terkadang digunakan sebagai sinonim untuk "batas ledakan".
Batas ledakan untuk campuran H2 di udara adalah 18,3 vol.% (batas bawah) dan 59 vol.% (batas atas).
Saat mendesain sistem perpipaan (Gambar 1), langkah pertama adalah menentukan bahan bangunan yang dibutuhkan untuk setiap jenis fluida. Dan setiap fluida akan diklasifikasikan sesuai dengan paragraf ASME B31.3. 300(b)(1) menyatakan, “Pemilik juga bertanggung jawab untuk menentukan perpipaan kelas D, M, tekanan tinggi, dan kemurnian tinggi, dan menentukan apakah sistem kualitas tertentu harus digunakan.”
Kategorisasi fluida menentukan tingkat pengujian dan jenis pengujian yang dibutuhkan, serta banyak persyaratan lain berdasarkan kategori fluida. Tanggung jawab pemilik untuk hal ini biasanya berada di departemen teknik pemilik atau insinyur dari luar.
Meskipun Kode Perpipaan Proses B31.3 tidak memberi tahu pemilik material mana yang harus digunakan untuk fluida tertentu, kode ini memberikan panduan tentang kekuatan, ketebalan, dan persyaratan sambungan material. Terdapat juga dua pernyataan dalam pengantar kode yang dengan jelas menyatakan:
Dan memperluas paragraf pertama di atas, paragraf B31.3. 300(b)(1) juga menyatakan: “Pemilik instalasi pipa bertanggung jawab sepenuhnya untuk mematuhi Kode ini dan untuk menetapkan persyaratan desain, konstruksi, inspeksi, pemeriksaan, dan pengujian yang mengatur semua penanganan fluida atau proses yang merupakan bagian dari instalasi pipa tersebut.” Jadi, setelah menetapkan beberapa aturan dasar untuk tanggung jawab dan persyaratan untuk mendefinisikan kategori layanan fluida, mari kita lihat di mana gas hidrogen masuk.
Karena gas hidrogen bertindak sebagai cairan mudah menguap yang dapat bocor, gas hidrogen dapat dianggap sebagai cairan normal atau cairan Kelas M di bawah kategori B31.3 untuk layanan cairan. Seperti yang dinyatakan di atas, klasifikasi penanganan fluida merupakan persyaratan pemilik, asalkan memenuhi pedoman untuk kategori yang dipilih sebagaimana dijelaskan dalam B31.3, paragraf 3. 300.2 Definisi dalam bagian “Layanan hidrolik”. Berikut adalah definisi untuk layanan fluida normal dan layanan fluida Kelas M:
“Layanan Fluida Normal: Layanan fluida yang berlaku untuk sebagian besar perpipaan yang tunduk pada kode ini, yaitu tidak tunduk pada peraturan untuk kelas D, M, suhu tinggi, tekanan tinggi, atau kebersihan fluida tinggi.”
(1) Toksisitas cairan tersebut sangat besar sehingga paparan tunggal terhadap sejumlah kecil cairan yang disebabkan oleh kebocoran dapat menyebabkan cedera permanen yang serius bagi mereka yang menghirup atau bersentuhan dengannya, bahkan jika tindakan pemulihan segera dilakukan.
(2) Setelah mempertimbangkan desain pipa, pengalaman, kondisi operasi, dan lokasi, pemilik menentukan bahwa persyaratan untuk penggunaan normal fluida tidak cukup untuk memberikan kekedapan yang diperlukan untuk melindungi personel dari paparan. ”
Dalam definisi M di atas, gas hidrogen tidak memenuhi kriteria paragraf (1) karena tidak dianggap sebagai cairan beracun. Namun, dengan menerapkan subbagian (2), Kode mengizinkan klasifikasi sistem hidrolik dalam kelas M setelah mempertimbangkan “…desain perpipaan, pengalaman, kondisi operasi dan lokasi…” Pemilik mengizinkan penentuan penanganan fluida normal. Persyaratan tersebut tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan akan tingkat integritas yang lebih tinggi dalam desain, konstruksi, inspeksi, pemeriksaan dan pengujian sistem perpipaan gas hidrogen.
Silakan lihat Tabel 1 sebelum membahas Korosi Hidrogen Suhu Tinggi (HTHA). Kode, standar, dan peraturan tercantum dalam tabel ini, yang mencakup enam dokumen tentang topik kerapuhan hidrogen (HE), anomali korosi umum yang mencakup HTHA. OH dapat terjadi pada suhu rendah dan tinggi. Dianggap sebagai bentuk korosi, OH dapat dipicu dengan beberapa cara dan juga memengaruhi berbagai macam material.
HE memiliki berbagai bentuk, yang dapat dibagi menjadi retak hidrogen (HAC), retak tegangan hidrogen (HSC), retak korosi tegangan (SCC), retak korosi hidrogen (HACC), gelembung hidrogen (HB), retak hidrogen (HIC), retak hidrogen berorientasi tegangan (SOHIC), retak progresif (SWC), retak tegangan sulfida (SSC), retak zona lunak (SZC), dan korosi hidrogen suhu tinggi (HTHA).
Dalam bentuknya yang paling sederhana, kerapuhan hidrogen adalah mekanisme penghancuran batas butir logam, yang mengakibatkan penurunan daktilitas karena penetrasi hidrogen atomik. Cara terjadinya hal ini bervariasi dan sebagian didefinisikan oleh nama masing-masing, seperti HTHA, di mana hidrogen suhu tinggi dan tekanan tinggi secara simultan diperlukan untuk terjadinya kerapuhan, dan SSC, di mana hidrogen atomik diproduksi sebagai gas tertutup dan hidrogen. Karena korosi asam, hidrogen meresap ke dalam selubung logam, yang dapat menyebabkan kerapuhan. Namun hasil keseluruhannya sama seperti semua kasus kerapuhan hidrogen yang dijelaskan di atas, di mana kekuatan logam berkurang karena kerapuhan di bawah rentang tegangan yang diizinkan, yang pada gilirannya membuka jalan bagi peristiwa yang berpotensi menimbulkan bencana mengingat volatilitas cairan tersebut.
Selain ketebalan dinding dan kinerja sambungan mekanis, ada dua faktor utama yang perlu dipertimbangkan saat memilih material untuk layanan gas H2: 1. Paparan hidrogen suhu tinggi (HTHA) dan 2. Kekhawatiran serius tentang potensi kebocoran. Kedua topik ini saat ini sedang dalam pembahasan.
Tidak seperti hidrogen molekuler, hidrogen atomik dapat mengembang, sehingga hidrogen terpapar suhu dan tekanan tinggi, yang menjadi dasar potensi terjadinya HTHA (High Temperature Hydrogen Accelerated Hydrogen). Dalam kondisi ini, hidrogen atomik mampu berdifusi ke dalam material atau peralatan pipa baja karbon, di mana ia bereaksi dengan karbon dalam larutan logam untuk membentuk gas metana di batas butir. Karena tidak dapat keluar, gas tersebut mengembang, menciptakan retakan dan celah di dinding pipa atau bejana – inilah HTGA (High Temperature Gas Reduction). Anda dapat dengan jelas melihat hasil HTHA pada Gambar 2 di mana retakan dan celah terlihat jelas di dinding 8 inci. Bagian pipa ukuran nominal (NPS) yang mengalami kegagalan dalam kondisi ini.
Baja karbon dapat digunakan untuk layanan hidrogen ketika suhu operasi dijaga di bawah 500°F. Seperti yang disebutkan di atas, HTHA terjadi ketika gas hidrogen ditahan pada tekanan parsial tinggi dan suhu tinggi. Baja karbon tidak disarankan ketika tekanan parsial hidrogen diperkirakan sekitar 3000 psi dan suhu di atas sekitar 450°F (yang merupakan kondisi kecelakaan pada Gambar 2).
Seperti yang terlihat dari plot Nelson yang dimodifikasi pada Gambar 3, yang sebagian diambil dari API 941, suhu tinggi memiliki pengaruh terbesar pada pemaksaan hidrogen. Tekanan parsial gas hidrogen dapat melebihi 1000 psi bila digunakan dengan baja karbon yang beroperasi pada suhu hingga 500°F.
Gambar 3. Bagan Nelson yang dimodifikasi ini (diadaptasi dari API 941) dapat digunakan untuk memilih material yang sesuai untuk layanan hidrogen pada berbagai suhu.
Gambar 3 menunjukkan pilihan baja yang dijamin terhindar dari serangan hidrogen, tergantung pada suhu operasi dan tekanan parsial hidrogen. Baja tahan karat austenitik tidak sensitif terhadap HTHA dan merupakan material yang memuaskan pada semua suhu dan tekanan.
Baja tahan karat austenitik 316/316L adalah material yang paling praktis untuk aplikasi hidrogen dan memiliki rekam jejak yang terbukti. Meskipun perlakuan panas pasca-pengelasan (PWHT) direkomendasikan untuk baja karbon untuk mengkalsinasi hidrogen sisa selama pengelasan dan mengurangi kekerasan zona yang terpengaruh panas (HAZ) setelah pengelasan, hal itu tidak diperlukan untuk baja tahan karat austenitik.
Efek termotermal yang disebabkan oleh perlakuan panas dan pengelasan memiliki sedikit pengaruh pada sifat mekanik baja tahan karat austenitik. Namun, pengerjaan dingin dapat meningkatkan sifat mekanik baja tahan karat austenitik, seperti kekuatan dan kekerasan. Saat membengkokkan dan membentuk pipa dari baja tahan karat austenitik, sifat mekaniknya berubah, termasuk penurunan plastisitas material.
Jika baja tahan karat austenitik memerlukan pembentukan dingin, perlakuan panas larutan (pemanasan hingga sekitar 1045°C diikuti dengan pendinginan cepat atau pendinginan mendadak) akan mengembalikan sifat mekanik material ke nilai aslinya. Perlakuan panas larutan juga akan menghilangkan segregasi paduan, sensitisasi, dan fase sigma yang terjadi setelah pengerjaan dingin. Saat melakukan perlakuan panas larutan, perlu diingat bahwa pendinginan cepat dapat menyebabkan tegangan sisa kembali ke dalam material jika tidak ditangani dengan benar.
Lihat tabel GR-2.1.1-1 Indeks Spesifikasi Material Perakitan Pipa dan Tabung dan GR-2.1.1-2 Indeks Spesifikasi Material Pipa dalam ASME B31 untuk pemilihan material yang dapat diterima untuk layanan H2. Pipa adalah titik awal yang baik.
Dengan berat atom standar 1,008 satuan massa atom (amu), hidrogen adalah unsur paling ringan dan terkecil dalam tabel periodik, dan oleh karena itu memiliki kecenderungan tinggi untuk bocor, dengan konsekuensi yang berpotensi menghancurkan. Oleh karena itu, sistem pipa gas harus dirancang sedemikian rupa untuk membatasi sambungan mekanis dan meningkatkan sambungan yang benar-benar dibutuhkan.
Saat membatasi potensi titik kebocoran, sistem harus dilas sepenuhnya, kecuali untuk sambungan flensa pada peralatan, elemen perpipaan, dan fitting. Sambungan berulir harus dihindari sebisa mungkin, jika tidak sepenuhnya. Jika sambungan berulir tidak dapat dihindari karena alasan apa pun, disarankan untuk memasangnya sepenuhnya tanpa sealant ulir dan kemudian menyegel lasannya. Saat menggunakan pipa baja karbon, sambungan pipa harus dilas tumpul dan diberi perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT). Setelah pengelasan, pipa di zona yang terkena panas (HAZ) terpapar serangan hidrogen bahkan pada suhu ruangan. Meskipun serangan hidrogen terutama terjadi pada suhu tinggi, tahap PWHT akan sepenuhnya mengurangi, jika tidak menghilangkan, kemungkinan ini bahkan dalam kondisi suhu ruangan.
Titik lemah dari sistem pengelasan penuh adalah sambungan flensa. Untuk memastikan kekencangan yang tinggi pada sambungan flensa, gasket Kammprofile (gambar 4) atau jenis gasket lainnya harus digunakan. Dibuat dengan cara yang hampir sama oleh beberapa produsen, bantalan ini sangat fleksibel. Bantalan ini terdiri dari cincin logam bergerigi yang diapit di antara bahan penyegel yang lunak dan mudah berubah bentuk. Gigi-gigi tersebut memusatkan beban baut pada area yang lebih kecil untuk memberikan pemasangan yang rapat dengan tekanan yang lebih rendah. Bantalan ini dirancang sedemikian rupa sehingga dapat mengkompensasi permukaan flensa yang tidak rata serta kondisi operasi yang berfluktuasi.
Gambar 4. Gasket Kammprofile memiliki inti logam yang direkatkan di kedua sisinya dengan bahan pengisi lunak.
Faktor penting lainnya dalam integritas sistem adalah katup. Kebocoran di sekitar segel batang dan flensa badan merupakan masalah serius. Untuk mencegah hal ini, disarankan untuk memilih katup dengan segel bellow.
Gunakan pipa baja karbon School 80 berukuran 1 inci, dalam contoh kita di bawah ini, dengan mempertimbangkan toleransi manufaktur, korosi, dan mekanik sesuai dengan ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum yang diizinkan (MAWP) dapat dihitung dalam dua langkah pada suhu hingga 300°F (Catatan: Alasan untuk “…untuk suhu hingga 300ºF…” adalah karena tegangan yang diizinkan (S) dari material ASTM A106 Gr B mulai memburuk ketika suhu melebihi 300ºF.(S), sehingga Persamaan (1) memerlukan penyesuaian untuk suhu di atas 300ºF.)
Merujuk pada rumus (1), langkah pertama adalah menghitung tekanan pecah teoritis pipa.
T = ketebalan dinding pipa dikurangi toleransi mekanis, korosi, dan manufaktur, dalam inci.
Bagian kedua dari proses ini adalah menghitung tekanan kerja maksimum yang diizinkan Pa dari pipa dengan menerapkan faktor keamanan S f pada hasil P sesuai dengan persamaan (2):
Dengan demikian, ketika menggunakan material sekolah 80 ukuran 1 inci, tekanan pecah dihitung sebagai berikut:
Nilai Sf pengaman sebesar 4 kemudian diterapkan sesuai dengan Rekomendasi Bejana Tekan ASME Bagian VIII-1 2019, Paragraf 8. UG-101 dihitung sebagai berikut:
Nilai MAWP yang dihasilkan adalah 810 psi. Inci hanya merujuk pada pipa. Sambungan flensa atau komponen dengan peringkat terendah dalam sistem akan menjadi faktor penentu dalam menentukan tekanan yang diizinkan dalam sistem.
Sesuai ASME B16.5, tekanan kerja maksimum yang diizinkan untuk fitting flensa baja karbon 150 adalah 285 psi pada suhu -20°F hingga 100°F. Kelas 300 memiliki tekanan kerja maksimum yang diizinkan sebesar 740 psi. Ini akan menjadi faktor batas tekanan sistem sesuai dengan contoh spesifikasi material di bawah ini. Selain itu, hanya dalam uji hidrostatik, nilai-nilai ini dapat melebihi 1,5 kali.
Sebagai contoh spesifikasi material baja karbon dasar, spesifikasi saluran layanan gas H2 yang beroperasi pada suhu lingkungan di bawah tekanan desain 740 psi, dapat memuat persyaratan material yang ditunjukkan pada Tabel 2. Berikut adalah jenis-jenis yang mungkin perlu diperhatikan untuk dimasukkan dalam spesifikasi:
Selain pipa itu sendiri, terdapat banyak elemen yang membentuk sistem perpipaan seperti fitting, katup, peralatan saluran, dan lain-lain. Meskipun banyak dari elemen-elemen ini akan dibahas secara detail dalam sebuah artikel terpisah, hal ini membutuhkan lebih banyak halaman daripada yang dapat dimuat dalam artikel ini.