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 yang sulit dikendalikan.Ini adalah tren yang perlu dipertimbangkan saat memilih bahan, gasket, dan segel, serta karakteristik desain dari sistem tersebut.Topik tentang distribusi gas H2 inilah yang menjadi fokus pembahasan ini, bukan produksi H2, H2 cair, atau H2 cair (lihat sidebar kanan).
Berikut adalah beberapa poin kunci untuk membantu Anda memahami campuran hidrogen dan H2-udara.Hidrogen terbakar dalam dua cara: deflagrasi dan ledakan.
deflagrasi.Deflagrasi adalah mode pembakaran umum di mana nyala api merambat melalui campuran dengan kecepatan subsonik.Ini terjadi, misalnya, ketika awan bebas campuran hidrogen-udara tersulut oleh sumber pengapian kecil.Dalam hal ini, nyala api akan bergerak dengan kecepatan sepuluh hingga beberapa ratus kaki per detik.Ekspansi gas panas yang cepat menciptakan gelombang tekanan yang kekuatannya sebanding dengan ukuran awan.Dalam beberapa kasus, kekuatan gelombang kejut cukup untuk merusak struktur bangunan dan benda lain yang dilaluinya dan menyebabkan cedera.
meledak.Saat meledak, api dan gelombang kejut merambat melalui campuran dengan kecepatan supersonik.Rasio tekanan dalam gelombang ledakan jauh lebih besar daripada dalam ledakan.Karena kekuatan yang meningkat, ledakan menjadi lebih berbahaya bagi manusia, bangunan, dan benda-benda di sekitarnya.Deflagrasi normal menyebabkan ledakan saat dinyalakan di ruang terbatas.Di area sempit seperti itu, penyalaan dapat disebabkan oleh energi yang paling sedikit.Tetapi untuk meledakkan campuran hidrogen-udara di ruang yang tidak terbatas, diperlukan sumber pengapian yang lebih kuat.
Rasio tekanan melintasi gelombang detonasi dalam campuran hidrogen-udara adalah sekitar 20. Pada tekanan atmosfer, rasio 20 adalah 300 psi.Ketika gelombang tekanan ini bertabrakan dengan benda diam, rasio tekanan meningkat menjadi 40-60.Hal ini disebabkan pantulan gelombang tekanan dari hambatan stasioner.
Cenderung bocor.Karena viskositasnya yang rendah dan berat molekulnya yang rendah, gas H2 memiliki kecenderungan yang tinggi untuk bocor bahkan merembes atau menembus berbagai material.
Hidrogen 8 kali lebih ringan dari gas alam, 14 kali lebih ringan dari udara, 22 kali lebih ringan dari propana dan 57 kali lebih ringan dari uap bensin.Artinya saat dipasang di luar ruangan, gas H2 akan cepat naik dan menghilang, mengurangi tanda-tanda kebocoran sekalipun.Tapi itu bisa menjadi pedang bermata dua.Ledakan dapat terjadi jika pengelasan akan dilakukan pada instalasi luar ruangan di atas atau di bawah angin dari kebocoran H2 tanpa studi deteksi kebocoran sebelum pengelasan.Di ruang tertutup, gas H2 dapat naik dan terakumulasi dari langit-langit ke bawah, suatu kondisi yang memungkinkannya menumpuk hingga volume besar sebelum kemungkinan besar bersentuhan dengan sumber api di dekat tanah.
Kebakaran yang tidak disengaja.Penyalaan sendiri adalah fenomena di mana campuran gas atau uap menyala secara spontan tanpa sumber penyalaan eksternal.Ini juga dikenal sebagai "pembakaran spontan" atau "pembakaran spontan".Penyalaan sendiri tergantung pada suhu, bukan tekanan.
Temperatur penyalaan otomatis adalah suhu minimum dimana bahan bakar akan menyala secara spontan sebelum penyalaan tanpa adanya sumber penyalaan eksternal saat kontak dengan udara atau zat pengoksidasi.Suhu penyalaan sendiri dari suatu serbuk tunggal adalah suhu di mana serbuk tersebut dapat menyala secara spontan tanpa adanya zat pengoksidasi.Suhu pembakaran sendiri gas H2 di udara adalah 585°C.
Energi penyalaan adalah energi yang diperlukan untuk memulai perambatan api melalui campuran yang mudah terbakar.Energi pengapian minimum adalah energi minimum yang diperlukan untuk menyalakan campuran tertentu yang mudah terbakar pada suhu dan tekanan tertentu.Energi percikan api 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 batasnya."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 pipa 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 diperlukan, serta banyak persyaratan lain berdasarkan kategori fluida.Tanggung jawab pemilik untuk ini biasanya jatuh ke departemen teknik pemilik atau insinyur outsourcing.
Meskipun Kode Perpipaan Proses B31.3 tidak memberi tahu pemilik bahan mana yang akan digunakan untuk cairan tertentu, kode tersebut memberikan panduan tentang persyaratan kekuatan, ketebalan, dan sambungan bahan.Ada juga dua pernyataan dalam pengantar kode yang dengan jelas menyatakan:
Dan memperluas paragraf pertama di atas, paragraf PP31.3.300(b)(1) juga menyatakan: “Pemilik instalasi pipa bertanggung jawab penuh untuk mematuhi Kode Etik ini dan untuk menetapkan persyaratan desain, konstruksi, inspeksi, inspeksi, dan pengujian yang mengatur semua penanganan fluida atau proses di mana pipa menjadi bagiannya.Instalasi."Jadi, setelah meletakkan beberapa aturan dasar untuk pertanggungjawaban dan persyaratan untuk menentukan kategori layanan fluida, mari kita lihat di mana gas hidrogen cocok.
Karena gas hidrogen bertindak sebagai cairan yang mudah menguap dengan kebocoran, gas hidrogen dapat dianggap sebagai cairan normal atau cairan Kelas M di bawah kategori B31.3 untuk layanan cairan.Sebagaimana dinyatakan di atas, klasifikasi penanganan cairan merupakan persyaratan pemilik, asalkan memenuhi pedoman untuk kategori terpilih yang dijelaskan dalam PP31.3, paragraf 3. 300.2 Definisi pada seksi “Layanan hidrolik”.Berikut ini adalah definisi untuk layanan fluida normal dan layanan fluida Kelas M:
“Layanan Fluida Normal: Servis fluida yang berlaku untuk sebagian besar perpipaan tunduk pada kode ini, yaitu tidak tunduk pada peraturan untuk kelas D, M, suhu tinggi, tekanan tinggi, atau kebersihan fluida tinggi.
(1) Toksisitas cairan 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, meskipun tindakan pemulihan segera dilakukan.diambil
(2) Setelah mempertimbangkan desain saluran pipa, pengalaman, kondisi operasi, dan lokasi, pemilik menentukan bahwa persyaratan untuk penggunaan normal fluida tidak cukup untuk menyediakan kekencangan yang diperlukan untuk melindungi personel dari paparan.”
Pada definisi M di atas, gas hidrogen tidak memenuhi kriteria ayat (1) karena tidak dianggap sebagai cairan beracun.Namun, dengan menerapkan sub-bagian (2), Kode mengizinkan klasifikasi sistem hidrolik di kelas M setelah mempertimbangkan “… desain perpipaan, pengalaman, kondisi operasi dan lokasi…” Pemilik mengizinkan penentuan penanganan fluida normal.Persyaratan tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan akan tingkat integritas yang lebih tinggi dalam desain, konstruksi, inspeksi, inspeksi, 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 hidrogen embrittlement (HE), anomali korosi umum yang mencakup HTHA.OH dapat terjadi pada suhu rendah dan tinggi.Dianggap sebagai bentuk korosi, dapat dimulai dengan beberapa cara dan juga mempengaruhi berbagai bahan.
HE memiliki berbagai bentuk, yang dapat dibagi menjadi perengkahan hidrogen (HAC), perengkahan tegangan hidrogen (HSC), perengkahan korosi tegangan (SCC), perengkahan korosi hidrogen (HACC), penggelembungan hidrogen (HB), perengkahan hidrogen (HIC).)), perengkahan hidrogen berorientasi tegangan (SOHIC), perengkahan progresif (SWC), perengkahan tegangan sulfida (SSC), perengkahan zona lunak (SZC), dan korosi hidrogen suhu tinggi (HTHA).
Dalam bentuknya yang paling sederhana, embrittlement hidrogen adalah mekanisme penghancuran batas butir logam, yang mengakibatkan berkurangnya keuletan akibat penetrasi atom hidrogen.Cara di mana hal ini terjadi bervariasi dan sebagian ditentukan oleh namanya masing-masing, seperti HTHA, di mana hidrogen suhu tinggi dan tekanan tinggi secara bersamaan diperlukan untuk embrittlement, dan SSC, di mana atom hidrogen diproduksi sebagai gas tertutup dan hidrogen.karena korosi asam, mereka meresap ke dalam wadah logam, yang dapat menyebabkan kerapuhan.Tetapi hasil keseluruhannya sama seperti untuk semua kasus penggetasan hidrogen yang dijelaskan di atas, di mana kekuatan logam berkurang karena penggetasan di bawah kisaran tegangan yang diijinkan, yang pada gilirannya menetapkan tahap untuk peristiwa bencana yang berpotensi mengingat volatilitas cairan.
Selain ketebalan dinding dan kinerja sambungan mekanis, ada dua faktor utama yang perlu dipertimbangkan saat memilih bahan untuk layanan gas H2: 1. Paparan hidrogen suhu tinggi (HTHA) dan 2. Kekhawatiran serius tentang potensi kebocoran.Kedua topik tersebut sedang dalam pembahasan.
Tidak seperti molekul hidrogen, atom hidrogen dapat mengembang, memaparkan hidrogen pada suhu dan tekanan tinggi, menciptakan dasar untuk potensi HTHA.Dalam kondisi ini, atom hidrogen dapat berdifusi ke dalam bahan atau peralatan pipa baja karbon, di mana ia bereaksi dengan karbon dalam larutan logam untuk membentuk gas metana pada batas butir.Tidak dapat melarikan diri, gas mengembang, menciptakan retakan dan celah di dinding pipa atau bejana – inilah HTGA.Anda dapat dengan jelas melihat hasil HTHA pada Gambar 2 di mana retakan dan retakan terlihat jelas pada dinding 8″.Porsi pipa ukuran nominal (NPS) yang gagal dalam kondisi ini.
Baja karbon dapat digunakan untuk layanan hidrogen ketika suhu operasi dipertahankan di bawah 500°F.Seperti disebutkan di atas, HTHA terjadi ketika gas hidrogen ditahan pada tekanan parsial tinggi dan suhu tinggi.Baja karbon tidak direkomendasikan ketika tekanan parsial hidrogen diperkirakan sekitar 3000 psi dan suhu di atas sekitar 450°F (yang merupakan kondisi kecelakaan pada Gambar 2).
Seperti dapat dilihat dari plot Nelson yang dimodifikasi pada Gambar 3, 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 bahan yang sesuai untuk layanan hidrogen pada berbagai suhu.
Pada ara.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 bahan yang memuaskan pada semua suhu dan tekanan.
Baja tahan karat Austenitik 316/316L adalah bahan paling praktis untuk aplikasi hidrogen dan memiliki rekam jejak yang terbukti.Sementara perlakuan panas pasca-las (PWHT) direkomendasikan untuk baja karbon untuk mengkalsinasi sisa hidrogen selama pengelasan dan mengurangi kekerasan zona yang terkena panas (HAZ) setelah pengelasan, itu tidak diperlukan untuk baja tahan karat austenitik.
Efek termotermal yang disebabkan oleh perlakuan panas dan pengelasan memiliki pengaruh yang kecil terhadap sifat mekanik baja tahan karat austenitik.Namun, pengerjaan dingin dapat meningkatkan sifat mekanik baja tahan karat austenit, 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, anil larutan (pemanasan hingga sekitar 1045°C diikuti dengan pendinginan cepat atau quenching) akan mengembalikan sifat mekanik material ke nilai aslinya.Ini juga akan menghilangkan segregasi paduan, sensitisasi dan fase sigma yang dicapai setelah pengerjaan dingin.Saat melakukan anil larutan, ketahuilah bahwa pendinginan cepat dapat mengembalikan tegangan sisa ke dalam material jika tidak ditangani dengan benar.
Lihat tabel GR-2.1.1-1 Indeks Spesifikasi Bahan Rakitan Pipa dan Tabung dan Indeks Spesifikasi Bahan Pipa GR-2.1.1-2 di ASME B31 untuk pemilihan bahan yang dapat diterima untuk layanan H2.pipa adalah tempat yang baik untuk memulai.
Dengan berat atom standar 1,008 satuan massa atom (sma), hidrogen adalah unsur paling ringan dan terkecil di tabel periodik, dan karena itu memiliki kecenderungan tinggi untuk bocor, dengan konsekuensi yang berpotensi merusak, saya dapat menambahkan.Oleh karena itu, sistem pipa gas harus dirancang sedemikian rupa untuk membatasi sambungan jenis mekanis dan meningkatkan sambungan yang benar-benar dibutuhkan.
Saat membatasi titik kebocoran potensial, sistem harus dilas sepenuhnya, kecuali untuk sambungan bergelang pada peralatan, elemen perpipaan, dan fiting.Koneksi berulir harus dihindari sejauh mungkin, jika tidak seluruhnya.Jika sambungan berulir tidak dapat dihindari karena alasan apa pun, disarankan untuk memasangnya sepenuhnya tanpa sealant ulir dan kemudian menyegel las.Saat menggunakan pipa baja karbon, sambungan pipa harus dilas butt dan post weld heat treatment (PWHT).Setelah pengelasan, pipa di zona yang terpengaruh panas (HAZ) terkena serangan hidrogen bahkan pada suhu sekitar.Sementara serangan hidrogen terjadi terutama pada suhu tinggi, tahap PWHT akan benar-benar mengurangi, jika tidak menghilangkan, kemungkinan ini bahkan di bawah kondisi sekitar.
Titik lemah dari sistem semua-dilas adalah sambungan flensa.Untuk memastikan tingkat kekencangan yang tinggi pada sambungan flensa, gasket Kammprofile (gbr. 4) atau bentuk gasket lainnya harus digunakan.Dibuat dengan cara yang hampir sama oleh beberapa produsen, pad ini sangat mudah memaafkan.Ini terdiri dari cincin semua logam bergigi yang diapit di antara bahan penyegel yang lembut dan dapat diubah bentuknya.Gigi memusatkan beban baut di area yang lebih kecil untuk menghasilkan kecocokan yang rapat dengan tekanan yang lebih sedikit.Ini dirancang sedemikian rupa sehingga dapat mengkompensasi permukaan flensa yang tidak rata serta kondisi pengoperasian yang berfluktuasi.
Gambar 4. Gasket Kammprofile memiliki inti logam yang diikat di kedua sisi dengan pengisi lunak.
Faktor penting lainnya dalam integritas sistem adalah katup.Kebocoran di sekitar segel batang dan flensa bodi adalah masalah nyata.Untuk mencegah hal ini, disarankan untuk memilih katup dengan segel bellow.
Gunakan 1 inci.Pipa baja karbon sekolah 80, dalam contoh kami di bawah ini, diberikan toleransi manufaktur, toleransi korosi dan mekanik sesuai dengan ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum yang diijinkan (MAWP) dapat dihitung dalam dua langkah pada suhu hingga 300°F (Catatan : Alasan untuk “…untuk suhu hingga 300ºF…” adalah karena tegangan yang diijinkan (S) dari bahan ASTM A106 Gr B mulai memburuk ketika suhu melebihi 300ºF.(S), jadi Persamaan (1) memerlukan Penyesuaian pada suhu di atas 300ºF.)
Mengacu pada rumus (1), langkah pertama adalah menghitung tekanan burst 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 diijinkan Pa dari pipa dengan menerapkan faktor keamanan S f ke hasil P menurut persamaan (2):
Jadi, ketika menggunakan material 1″ school 80, tekanan ledakan dihitung sebagai berikut:
Keamanan Sf 4 kemudian diterapkan sesuai dengan ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraf 8. UG-101 dihitung sebagai berikut:
Nilai MAWP yang dihasilkan adalah 810 psi.inci mengacu pada pipa saja.Sambungan flensa atau komponen dengan rating terendah dalam sistem akan menjadi faktor penentu dalam menentukan tekanan yang diijinkan dalam sistem.
Per ASME B16.5, tekanan kerja maksimum yang diijinkan untuk 150 fiting flensa baja karbon adalah 285 psi.inci pada -20 ° F hingga 100 ° F.Kelas 300 memiliki tekanan kerja maksimum yang diijinkan sebesar 740 psi.Ini akan menjadi faktor batas tekanan sistem menurut contoh spesifikasi material di bawah ini.Juga, hanya dalam uji hidrostatik, nilai ini bisa melebihi 1,5 kali lipat.
Sebagai contoh spesifikasi material dasar baja karbon, spesifikasi saluran layanan gas H2 yang beroperasi pada suhu sekitar di bawah tekanan desain 740 psi.inci, dapat berisi persyaratan material yang ditunjukkan pada Tabel 2. Berikut ini adalah jenis yang mungkin memerlukan perhatian untuk dicantumkan dalam spesifikasi:
Selain perpipaan itu sendiri, ada banyak elemen yang membentuk sistem perpipaan seperti fiting, katup, peralatan saluran, dll. Meskipun banyak dari elemen ini akan disatukan dalam satu pipa untuk membahasnya secara mendetail, hal ini akan membutuhkan lebih banyak halaman daripada yang dapat diakomodasi.Artikel ini.