Questa panoramica fornisce raccomandazioni per la progettazione sicura dei sistemi di tubazioni per la distribuzione dell'idrogeno.
L'idrogeno è un liquido altamente volatile con un'elevata tendenza a fuoriuscire.È una combinazione di tendenze molto pericolosa e mortale, un liquido volatile difficile da controllare.Queste sono le tendenze da considerare nella scelta dei materiali, delle guarnizioni e dei dispositivi di tenuta, nonché le caratteristiche di progettazione di tali sistemi.Questi argomenti sulla distribuzione dell'H2 gassoso sono al centro di questa discussione, non la produzione di H2, H2 liquido o H2 liquido (vedi riquadro a destra).
Ecco alcuni punti chiave per aiutarti a capire la miscela di idrogeno e H2-aria.L'idrogeno brucia in due modi: deflagrazione ed esplosione.
deflagrazione.La deflagrazione è una modalità di combustione comune in cui le fiamme viaggiano attraverso la miscela a velocità subsoniche.Ciò si verifica, ad esempio, quando una nuvola libera di miscela idrogeno-aria viene accesa da una piccola fonte di accensione.In questo caso, la fiamma si muoverà a una velocità da dieci a diverse centinaia di piedi al secondo.La rapida espansione del gas caldo crea onde di pressione la cui forza è proporzionale alla dimensione della nube.In alcuni casi, la forza dell'onda d'urto può essere sufficiente a danneggiare le strutture dell'edificio e altri oggetti sul suo percorso e causare lesioni.
esplodere.Quando è esploso, le fiamme e le onde d'urto hanno attraversato la miscela a velocità supersoniche.Il rapporto di pressione in un'onda di detonazione è molto maggiore che in una detonazione.A causa della maggiore forza, l'esplosione è più pericolosa per le persone, gli edifici e gli oggetti vicini.La normale deflagrazione provoca un'esplosione se innescata in uno spazio ristretto.In un'area così ristretta, l'accensione può essere causata dalla minima quantità di energia.Ma per la detonazione di una miscela idrogeno-aria in uno spazio illimitato, è necessaria una fonte di accensione più potente.
Il rapporto di pressione attraverso l'onda di detonazione in una miscela idrogeno-aria è di circa 20. Alla pressione atmosferica, un rapporto di 20 è di 300 psi.Quando questa onda di pressione si scontra con un oggetto fermo, il rapporto di pressione aumenta a 40-60.Ciò è dovuto al riflesso di un'onda di pressione da un ostacolo fermo.
Tendenza a fuoriuscire.A causa della sua bassa viscosità e del basso peso molecolare, il gas H2 ha un'elevata tendenza a fuoriuscire e persino a permeare o penetrare vari materiali.
L'idrogeno è 8 volte più leggero del gas naturale, 14 volte più leggero dell'aria, 22 volte più leggero del propano e 57 volte più leggero del vapore di benzina.Ciò significa che, se installato all'aperto, il gas H2 salirà e si dissiperà rapidamente, riducendo qualsiasi segno di perdite.Ma può essere un'arma a doppio taglio.Potrebbe verificarsi un'esplosione se la saldatura deve essere eseguita su un'installazione all'aperto sopra o sottovento rispetto a una perdita di H2 senza uno studio di rilevamento delle perdite prima della saldatura.In uno spazio chiuso, il gas H2 può salire e accumularsi dal soffitto verso il basso, una condizione che gli consente di accumularsi in grandi volumi prima che sia più probabile che entri in contatto con fonti di ignizione vicine al suolo.
Fuoco accidentale.L'autoaccensione è un fenomeno in cui una miscela di gas o vapori si accende spontaneamente senza una fonte esterna di accensione.È anche noto come "combustione spontanea" o "combustione spontanea".L'autoaccensione dipende dalla temperatura, non dalla pressione.
La temperatura di autoaccensione è la temperatura minima alla quale un combustibile si accenderà spontaneamente prima dell'accensione in assenza di una fonte esterna di accensione al contatto con l'aria o un agente ossidante.La temperatura di autoaccensione di una singola polvere è la temperatura alla quale si accende spontaneamente in assenza di un agente ossidante.La temperatura di autoaccensione dell'H2 gassoso in aria è di 585°C.
L'energia di accensione è l'energia necessaria per avviare la propagazione di una fiamma attraverso una miscela combustibile.L'energia minima di accensione è l'energia minima richiesta per accendere una particolare miscela combustibile a una particolare temperatura e pressione.Energia minima di accensione a scintilla per H2 gassoso in 1 atm di aria = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
I limiti di esplosività sono le concentrazioni massime e minime di vapori, nebbie o polveri nell'aria o nell'ossigeno alle quali si verifica un'esplosione.Le dimensioni e la geometria dell'ambiente, così come la concentrazione del carburante, controllano i limiti.Il "limite di esplosione" è talvolta usato come sinonimo di "limite di esplosione".
I limiti di esplosività per le miscele di H2 in aria sono 18,3 vol.% (limite inferiore) e 59 vol.% (limite superiore).
Quando si progettano sistemi di tubazioni (Figura 1), il primo passo è determinare i materiali da costruzione necessari per ogni tipo di fluido.E ogni fluido sarà classificato in conformità al paragrafo ASME B31.3.300 (b) (1) afferma: "Il proprietario è anche responsabile della determinazione delle tubazioni di classe D, M, ad alta pressione e ad alta purezza e di determinare se un particolare sistema di qualità debba essere utilizzato".
La categorizzazione dei fluidi definisce il grado di test e il tipo di test richiesto, oltre a molti altri requisiti basati sulla categoria del fluido.La responsabilità del proprietario per questo di solito ricade sull'ufficio tecnico del proprietario o su un ingegnere esterno.
Sebbene il codice delle tubazioni di processo B31.3 non indichi al proprietario quale materiale utilizzare per un particolare fluido, fornisce indicazioni sui requisiti di resistenza, spessore e connessione del materiale.Ci sono anche due dichiarazioni nell'introduzione al codice che affermano chiaramente:
Ed espandere il primo paragrafo sopra, paragrafo B31.3.300(b)(1) afferma inoltre: “Il proprietario di un impianto di condutture è l'unico responsabile del rispetto di questo Codice e di stabilire i requisiti di progettazione, costruzione, ispezione, ispezione e collaudo che disciplinano tutti i processi o la gestione dei fluidi di cui la conduttura fa parte.Installazione."Quindi, dopo aver stabilito alcune regole di base per la responsabilità e i requisiti per la definizione delle categorie di servizi fluidi, vediamo dove si inserisce l'idrogeno gassoso.
Poiché l'idrogeno gassoso agisce come un liquido volatile con perdite, l'idrogeno gassoso può essere considerato un liquido normale o un liquido di classe M nella categoria B31.3 per il servizio liquido.Come affermato in precedenza, la classificazione della movimentazione dei fluidi è un requisito del proprietario, a condizione che soddisfi le linee guida per le categorie selezionate descritte in B31.3, paragrafo 3. 300.2 Definizioni nella sezione "Servizi idraulici".Di seguito sono riportate le definizioni per servizio fluido normale e servizio fluido di Classe M:
“Servizio fluido normale: servizio fluido applicabile alla maggior parte delle tubazioni soggette a questo codice, ovvero non soggetto a regolamenti per le classi D, M, alta temperatura, alta pressione o elevata pulizia del fluido.
(1) La tossicità del fluido è così grande che una singola esposizione a una quantità molto piccola del fluido causata da una perdita può causare gravi lesioni permanenti a coloro che lo inalano o entrano in contatto con esso, anche se vengono prese misure di recupero immediate.preso
(2) Dopo aver considerato la progettazione della tubazione, l'esperienza, le condizioni operative e l'ubicazione, il proprietario determina che i requisiti per il normale utilizzo del fluido non sono sufficienti a fornire la tenuta necessaria per proteggere il personale dall'esposizione."
Nella precedente definizione di M, l'idrogeno gassoso non soddisfa i criteri del paragrafo (1) perché non è considerato un liquido tossico.Tuttavia, applicando la sottosezione (2), il Codice consente la classificazione dei sistemi idraulici nella classe M dopo la debita considerazione di "...progettazione delle tubazioni, esperienza, condizioni operative e ubicazione..." Il proprietario consente la determinazione della normale gestione dei fluidi.I requisiti sono insufficienti per soddisfare la necessità di un livello più elevato di integrità nella progettazione, costruzione, ispezione, ispezione e collaudo dei sistemi di tubazioni del gas idrogeno.
Fare riferimento alla Tabella 1 prima di discutere la corrosione da idrogeno ad alta temperatura (HTHA).Codici, standard e regolamenti sono elencati in questa tabella, che include sei documenti sull'argomento dell'infragilimento da idrogeno (HE), un'anomalia di corrosione comune che include HTHA.OH può verificarsi a basse e alte temperature.Considerata una forma di corrosione, può essere innescata in diversi modi e interessare anche un'ampia gamma di materiali.
HE ha varie forme, che possono essere suddivise in cracking da idrogeno (HAC), cracking da stress da idrogeno (HSC), cracking da corrosione da stress (SCC), cracking da corrosione da idrogeno (HACC), gorgogliamento di idrogeno (HB), cracking da idrogeno (HIC).)), cracking da idrogeno orientato allo stress (SOHIC), cracking progressivo (SWC), cracking da stress da solfuro (SSC), cracking a zona morbida (SZC) e corrosione da idrogeno ad alta temperatura (HTHA).
Nella sua forma più semplice, l'infragilimento da idrogeno è un meccanismo per la distruzione dei bordi dei grani metallici, con conseguente riduzione della duttilità dovuta alla penetrazione dell'idrogeno atomico.I modi in cui ciò avviene sono vari e sono in parte definiti dai rispettivi nomi, come HTHA, dove l'idrogeno simultaneo ad alta temperatura e alta pressione è necessario per l'infragilimento, e SSC, dove l'idrogeno atomico viene prodotto come gas chiusi e idrogeno.a causa della corrosione acida, penetrano nelle custodie metalliche, il che può portare alla fragilità.Ma il risultato complessivo è lo stesso di tutti i casi di infragilimento da idrogeno sopra descritti, in cui la resistenza del metallo viene ridotta dall'infragilimento al di sotto del suo intervallo di stress consentito, che a sua volta pone le basi per un evento potenzialmente catastrofico data la volatilità del liquido.
Oltre allo spessore della parete e alle prestazioni del giunto meccanico, ci sono due fattori principali da considerare quando si selezionano i materiali per il servizio con gas H2: 1. Esposizione all'idrogeno ad alta temperatura (HTHA) e 2. Seri timori per potenziali perdite.Entrambi gli argomenti sono attualmente in discussione.
A differenza dell'idrogeno molecolare, l'idrogeno atomico può espandersi, esponendo l'idrogeno a temperature e pressioni elevate, creando le basi per il potenziale HTHA.In queste condizioni, l'idrogeno atomico è in grado di diffondersi nei materiali o nelle apparecchiature delle tubazioni in acciaio al carbonio, dove reagisce con il carbonio in soluzione metallica per formare gas metano ai bordi dei grani.Incapace di fuoriuscire, il gas si espande, creando crepe e fessure nelle pareti di tubi o recipienti: questo è HTGA.Puoi vedere chiaramente i risultati HTHA nella Figura 2 dove sono evidenti crepe e crepe nel muro da 8 pollici.La porzione di tubo di dimensione nominale (NPS) che si guasta in queste condizioni.
L'acciaio al carbonio può essere utilizzato per il servizio a idrogeno quando la temperatura di esercizio viene mantenuta al di sotto di 500°F.Come accennato in precedenza, l'HTHA si verifica quando l'idrogeno gassoso viene mantenuto ad alta pressione parziale e ad alta temperatura.L'acciaio al carbonio non è consigliato quando si prevede che la pressione parziale dell'idrogeno sia di circa 3000 psi e la temperatura sia superiore a circa 450°F (che è la condizione di incidente nella Figura 2).
Come si può vedere dal diagramma di Nelson modificato in Figura 3, in parte tratto dall'API 941, l'alta temperatura ha l'effetto maggiore sulla forzatura dell'idrogeno.La pressione parziale del gas idrogeno può superare i 1000 psi se utilizzato con acciai al carbonio operanti a temperature fino a 500°F.
Figura 3. Questa tabella di Nelson modificata (adattata dall'API 941) può essere utilizzata per selezionare materiali adatti per il servizio dell'idrogeno a varie temperature.
Sulla fig.3 mostra la scelta di acciai garantiti per evitare l'attacco dell'idrogeno, in funzione della temperatura di esercizio e della pressione parziale dell'idrogeno.Gli acciai inossidabili austenitici sono insensibili all'HTHA e sono materiali soddisfacenti a tutte le temperature e pressioni.
L'acciaio inossidabile austenitico 316/316L è il materiale più pratico per le applicazioni a idrogeno e ha una comprovata esperienza.Mentre il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è raccomandato per gli acciai al carbonio per calcinare l'idrogeno residuo durante la saldatura e ridurre la durezza della zona interessata dal calore (HAZ) dopo la saldatura, non è richiesto per gli acciai inossidabili austenitici.
Gli effetti termotermici causati dal trattamento termico e dalla saldatura hanno scarso effetto sulle proprietà meccaniche degli acciai inossidabili austenitici.Tuttavia, la lavorazione a freddo può migliorare le proprietà meccaniche degli acciai inossidabili austenitici, come resistenza e durezza.Quando si piegano e si formano tubi in acciaio inossidabile austenitico, le loro proprietà meccaniche cambiano, inclusa la diminuzione della plasticità del materiale.
Se l'acciaio inossidabile austenitico richiede la formatura a freddo, la solubilizzazione (riscaldamento a circa 1045°C seguito da tempra o raffreddamento rapido) ripristinerà le proprietà meccaniche del materiale ai valori originali.Eliminerà inoltre la segregazione della lega, la sensibilizzazione e la fase sigma ottenuta dopo la lavorazione a freddo.Quando si esegue la solubilizzazione, tenere presente che un raffreddamento rapido può riportare lo stress residuo nel materiale se non maneggiato correttamente.
Fare riferimento alle tabelle GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index e GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index in ASME B31 per la selezione dei materiali accettabili per il servizio H2.le pipe sono un buon punto di partenza.
Con un peso atomico standard di 1.008 unità di massa atomica (amu), l'idrogeno è l'elemento più leggero e più piccolo della tavola periodica, e quindi ha un'elevata propensione a fuoriuscire, con conseguenze potenzialmente devastanti, aggiungerei.Pertanto, il sistema di gasdotti deve essere progettato in modo da limitare i collegamenti di tipo meccanico e migliorare quelli realmente necessari.
Quando si limitano potenziali punti di perdita, il sistema deve essere completamente saldato, ad eccezione delle connessioni flangiate su apparecchiature, elementi di tubazioni e raccordi.Le connessioni filettate dovrebbero essere evitate il più possibile, se non del tutto.Se le connessioni filettate non possono essere evitate per qualsiasi motivo, si consiglia di inserirle completamente senza sigillante per filettature e quindi sigillare la saldatura.Quando si utilizzano tubi in acciaio al carbonio, i giunti dei tubi devono essere saldati di testa e trattati termicamente dopo la saldatura (PWHT).Dopo la saldatura, i tubi nella zona termicamente alterata (ZTA) sono esposti all'attacco dell'idrogeno anche a temperatura ambiente.Sebbene l'attacco dell'idrogeno si verifichi principalmente ad alte temperature, lo stadio PWHT ridurrà completamente, se non eliminerà, questa possibilità anche in condizioni ambientali.
Il punto debole del sistema tutto saldato è la connessione a flangia.Per garantire un elevato grado di tenuta nelle connessioni flangiate, è necessario utilizzare guarnizioni Kammprofile (fig. 4) o un altro tipo di guarnizione.Realizzato quasi allo stesso modo da diversi produttori, questo pad è molto tollerante.È costituito da anelli dentati interamente in metallo inseriti tra materiali di tenuta morbidi e deformabili.I denti concentrano il carico del bullone in un'area più piccola per fornire un accoppiamento stretto con meno stress.È progettato in modo tale da poter compensare le superfici delle flange irregolari e le condizioni operative fluttuanti.
Figura 4. Le guarnizioni Kammprofile hanno un'anima metallica incollata su entrambi i lati con un riempitivo morbido.
Un altro fattore importante per l'integrità del sistema è la valvola.Le perdite intorno alla guarnizione dello stelo e alle flange del corpo sono un vero problema.Per evitare ciò, si consiglia di selezionare una valvola con tenuta a soffietto.
Usa 1 pollice.Tubo in acciaio al carbonio della scuola 80, nel nostro esempio di seguito, date le tolleranze di fabbricazione, la corrosione e le tolleranze meccaniche in conformità con ASTM A106 Gr B, la pressione di esercizio massima consentita (MAWP) può essere calcolata in due passaggi a temperature fino a 300 °F (Nota: il motivo per "...per temperature fino a 300ºF..." è dovuto al fatto che la sollecitazione consentita (S) del materiale ASTM A106 Gr B inizia a deteriorarsi quando la temperatura supera i 300ºF.(S), quindi l'equazione (1) richiede la regolazione a temperature superiori a 300ºF.)
Facendo riferimento alla formula (1), il primo passo è calcolare la pressione di scoppio teorica della tubazione.
T = spessore della parete del tubo meno le tolleranze meccaniche, di corrosione e di fabbricazione, in pollici.
La seconda parte del processo consiste nel calcolare la pressione di esercizio massima consentita Pa della condotta applicando il fattore di sicurezza S f al risultato P secondo l'equazione (2):
Pertanto, quando si utilizza materiale 1″ school 80, la pressione di scoppio viene calcolata come segue:
Viene quindi applicato un Sf di sicurezza di 4 in conformità con le Raccomandazioni sui recipienti a pressione ASME Sezione VIII-1 2019, Paragrafo 8. UG-101 calcolato come segue:
Il valore MAWP risultante è 810 psi.pollici si riferisce solo al tubo.La connessione flangiata o il componente con la valutazione più bassa nel sistema sarà il fattore determinante nel determinare la pressione ammissibile nel sistema.
Secondo ASME B16.5, la pressione di esercizio massima consentita per 150 raccordi flangiati in acciaio al carbonio è di 285 psi.pollici a -20°F a 100°F.La classe 300 ha una pressione di esercizio massima consentita di 740 psi.Questo sarà il fattore limite di pressione del sistema in base all'esempio di specifica del materiale riportato di seguito.Inoltre, solo nei test idrostatici, questi valori possono superare 1,5 volte.
Come esempio di specifica di un materiale in acciaio al carbonio di base, una specifica di una linea di servizio del gas H2 funzionante a una temperatura ambiente inferiore a una pressione di progetto di 740 psi.pollici, può contenere i requisiti di materiale mostrati nella Tabella 2. Di seguito sono riportati i tipi che potrebbero richiedere attenzione per essere inclusi nella specifica:
Oltre alle tubazioni stesse, ci sono molti elementi che compongono il sistema di tubazioni come raccordi, valvole, apparecchiature di linea, ecc. Mentre molti di questi elementi saranno messi insieme in una pipeline per discuterne in dettaglio, ciò richiederà più pagine di quelle che possono essere ospitate.Questo articolo.