סקירה זו מספקת המלצות לתכנון בטוח של מערכות צנרת להפצת מימן.
מימן הוא נוזל נדיף מאוד עם נטייה גבוהה לדליפה.זהו שילוב מאוד מסוכן וקטלני של נטיות, נוזל נדיף שקשה לשלוט בו.אלו מגמות שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת חומרים, אטמים ואטמים, כמו גם את מאפייני העיצוב של מערכות כאלה.נושאים אלה על התפלגות H2 הגזי הם המוקד של דיון זה, לא הייצור של H2, נוזל H2 או H2 נוזלי (ראה סרגל צד ימין).
הנה כמה נקודות מפתח שיעזרו לך להבין את התערובת של מימן ואוויר H2.מימן בוער בשתי דרכים: התפוצצות ופיצוץ.
התפרצות.התפרקות היא מצב בעירה נפוץ שבו להבות נעות דרך התערובת במהירויות תת-קוליות.זה קורה, למשל, כאשר ענן חופשי של תערובת מימן-אוויר נדלק על ידי מקור הצתה קטן.במקרה זה, הלהבה תנוע במהירות של עשר עד כמה מאות מטרים בשנייה.ההתפשטות המהירה של הגז החם יוצרת גלי לחץ שעוצמתם פרופורציונלית לגודל הענן.במקרים מסוימים, כוחו של גל ההלם יכול להספיק כדי לפגוע במבני בניין ובחפצים אחרים בדרכו ולגרום לפציעה.
לְהִתְפּוֹצֵץ.כשהיא התפוצצה, להבות וגלי הלם עברו דרך התערובת במהירויות על-קוליות.יחס הלחץ בגל פיצוץ גדול בהרבה מאשר בפיצוץ.בשל הכוח המוגבר, הפיצוץ מסוכן יותר לאנשים, מבנים וחפצים סמוכים.התנפחות רגילה גורמת לפיצוץ כאשר היא מציתה בחלל סגור.באזור כל כך צר, הצתה יכולה להיגרם על ידי הכמות הקטנה ביותר של אנרגיה.אבל עבור פיצוץ של תערובת מימן-אוויר בחלל בלתי מוגבל, נדרש מקור הצתה חזק יותר.
יחס הלחץ על פני גל הפיצוץ בתערובת מימן-אוויר הוא כ-20. בלחץ אטמוספרי, יחס של 20 הוא 300 psi.כאשר גל לחץ זה מתנגש באובייקט נייח, יחס הלחץ עולה ל-40-60.זה נובע מהשתקפות של גל לחץ ממכשול נייח.
נטייה לדליפה.בשל צמיגותו הנמוכה ומשקלו המולקולרי הנמוך, לגז H2 יש נטייה גבוהה לדלוף ואף לחדור או לחדור לחומרים שונים.
מימן קל פי 8 מגז טבעי, קל פי 14 מאוויר, פי 22 קל יותר מפרופאן ופי 57 מאדי בנזין.המשמעות היא שכאשר מותקן בחוץ, גז H2 יעלה במהירות ויתפוגג, ויפחית את כל הסימנים של דליפות אחידות.אבל זו יכולה להיות חרב פיפיות.פיצוץ עלול להתרחש אם יש לבצע ריתוך בהתקנה חיצונית מעל או במורד הרוח של דליפת H2 ללא מחקר איתור נזילות לפני הריתוך.בחלל סגור, גז H2 יכול לעלות ולהצטבר מהתקרה ומטה, מצב המאפשר לו להצטבר לנפחים גדולים לפני שיש סיכוי גבוה יותר לבוא במגע עם מקורות הצתה בקרבת הקרקע.
שריפה בשוגג.הצתה עצמית היא תופעה שבה תערובת של גזים או אדים מתלקחת באופן ספונטני ללא מקור הצתה חיצוני.זה ידוע גם בשם "בעירה ספונטנית" או "בעירה ספונטנית".הצתה עצמית תלויה בטמפרטורה, לא בלחץ.
טמפרטורת הצתה עצמית היא הטמפרטורה המינימלית שבה דלק יתלקח באופן ספונטני לפני ההצתה בהיעדר מקור הצתה חיצוני במגע עם אוויר או חומר מחמצן.טמפרטורת הצתה עצמית של אבקה בודדת היא הטמפרטורה שבה היא מתלקחת באופן ספונטני בהיעדר חומר מחמצן.טמפרטורת ההצתה העצמית של H2 הגזי באוויר היא 585 מעלות צלזיוס.
אנרגיית ההצתה היא האנרגיה הנדרשת כדי ליזום את התפשטות הלהבה דרך תערובת בעירה.אנרגיית הצתה מינימלית היא האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי להצית תערובת בעירה מסוימת בטמפרטורה ובלחץ מסוימים.אנרגיית הצתת ניצוץ מינימלית עבור H2 גז באטמוספירה אחת של אוויר = 1.9 × 10-8 BTU (0.02 mJ).
גבולות פיצוץ הם הריכוז המרבי והמינימלי של אדים, ערפילים או אבק באוויר או בחמצן שבו מתרחש פיצוץ.הגודל והגיאומטריה של הסביבה, כמו גם ריכוז הדלק, שולט בגבולות."מגבלת פיצוץ" משמשת לעתים כמילה נרדפת ל"מגבלת פיצוץ".
גבולות הפיצוץ של תערובות H2 באוויר הם 18.3 נפח% (גבול תחתון) ו-59 נפח% (גבול עליון).
בעת תכנון מערכות צנרת (איור 1), השלב הראשון הוא לקבוע את חומרי הבניין הדרושים לכל סוג נוזל.וכל נוזל יסווג בהתאם לפסקה ASME B31.3.300(ב)(1) קובע, "הבעלים אחראי גם לקביעת צנרת מסוג D, M, לחץ גבוה וטוהר גבוה, ולקבוע האם יש להשתמש במערכת איכות מסוימת."
סיווג הנוזלים מגדיר את מידת הבדיקה וסוג הבדיקה הנדרשת, כמו גם דרישות רבות אחרות המבוססות על קטגוריית הנוזלים.האחריות של הבעלים לכך נופלת לרוב על מחלקת ההנדסה של הבעלים או מהנדס במיקור חוץ.
בעוד שקוד B31.3 Process Piping אינו אומר לבעלים באיזה חומר להשתמש עבור נוזל מסוים, הוא מספק הנחיות לגבי חוזק, עובי ודרישות חיבור החומר.יש גם שתי הצהרות במבוא לקוד שקובעות בבירור:
והרחיב על הפסקה הראשונה לעיל, פסקה ב31.3.300(ב)(1) קובע גם: "הבעלים של מתקן צנרת הוא האחראי הבלעדי לעמידה בקוד זה ולקביעת דרישות התכנון, הבנייה, הבדיקה, הבדיקה והבדיקה המסדירות את כל הטיפול או התהליך הנוזלים שהצינור הוא חלק ממנו.הַתקָנָה."אז, לאחר שקבענו כמה כללי יסוד לאחריות ודרישות להגדרת קטגוריות שירות נוזלים, בואו נראה היכן גז מימן משתלב.
מכיוון שגז מימן פועל כנוזל נדיף עם דליפות, גז מימן יכול להיחשב כנוזל רגיל או כנוזל Class M בקטגוריה B31.3 עבור שירות נוזלי.כאמור לעיל, הסיווג של טיפול בנוזלים הוא דרישת בעלים, בתנאי שהוא עומד בהנחיות לקטגוריות הנבחרות המתוארות ב-B31.3, סעיף 3. 300.2 הגדרות בסעיף "שירותים הידראוליים".להלן הגדרות עבור שירות נוזלים רגיל ושירות נוזלים Class M:
"שירות נוזלים רגיל: שירות נוזלים המתאים לרוב הצנרת בכפוף לקוד זה, כלומר אינו כפוף לתקנות עבור מחלקות D, M, טמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה או ניקיון נוזלים גבוה.
(1) הרעילות של הנוזל כה גדולה עד שחשיפה בודדת לכמות קטנה מאוד של הנוזל הנגרמת עקב דליפה עלולה לגרום לפגיעה קבועה חמורה באלו השואפים או באים עמו במגע, גם אם ננקטים אמצעי התאוששות מיידיים.נלקח
(2) לאחר בחינת תכנון הצינור, הניסיון, תנאי ההפעלה והמיקום, קובע הבעלים כי הדרישות לשימוש רגיל בנוזל אינן מספיקות כדי לספק את האטימות הדרושה כדי להגן על הצוות מפני חשיפה.”
בהגדרה לעיל של M, גז מימן אינו עומד בקריטריונים של פסקה (1) מכיוון שהוא אינו נחשב לנוזל רעיל.עם זאת, על ידי החלת סעיף קטן (2), הקוד מתיר סיווג של מערכות הידראוליות בדרגה M לאחר התחשבות נאותה ב"...תכנון צנרת, ניסיון, תנאי הפעלה ומיקום..." הבעלים מתיר קביעת טיפול רגיל בנוזלים.הדרישות אינן מספיקות כדי לענות על הצורך ברמת תקינות גבוהה יותר בתכנון, בנייה, בדיקה, בדיקה ובדיקה של מערכות צנרת גז מימן.
אנא עיין בטבלה 1 לפני הדיון בקורוזיה של מימן בטמפרטורה גבוהה (HTHA).קודים, תקנים ותקנות מפורטים בטבלה זו, הכוללת שישה מסמכים בנושא שבירות מימן (HE), חריגת קורוזיה נפוצה הכוללת HTHA.OH יכול להתרחש בטמפרטורות נמוכות וגבוהות.נחשבת לסוג של קורוזיה, היא יכולה להיות יזומה בכמה דרכים וגם להשפיע על מגוון רחב של חומרים.
ל-HE יש צורות שונות, שניתן לחלק לפיצוח מימן (HAC), פיצוח מתח מימן (HSC), פיצוח קורוזיה במתח (SCC), פיצוח קורוזיה במימן (HACC), בעבוע מימן (HB), פיצוח מימן (HIC).)), פיצוח מימן מכוון מתח (SOHIC), פיצוח מתקדם (SWC), פיצוח מתח גופרתי (SSC), פיצוח אזור רך (SZC) וקורוזיה מימן בטמפרטורה גבוהה (HTHA).
בצורתו הפשוטה ביותר, שבריריות מימן היא מנגנון להרס של גבולות גרגירי מתכת, וכתוצאה מכך משיכות מופחתת עקב חדירת מימן אטומי.הדרכים שבהן זה מתרחש מגוונות ומוגדרות בחלקן בשמותיהם, כגון HTHA, שבו יש צורך בו-זמנית בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה למימן להתפרקות, ו-SSC, שבו מימן אטומי מיוצר כגזים סגורים ומימן.עקב קורוזיה חומצית, הם מחלחלים לתוך מארזי מתכת, מה שעלול להוביל לשבירות.אבל התוצאה הכוללת זהה לכל המקרים של התפרקות מימן שתוארו לעיל, כאשר חוזק המתכת מופחת על ידי התפרקות מתחת לטווח הלחץ המותר שלה, מה שבתורו קובע את השלב לאירוע שעלול להיות קטסטרופלי בהתחשב בתנודתיות הנוזל.
בנוסף לעובי הדופן וביצועי המפרק המכניים, ישנם שני גורמים עיקריים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת חומרים לשירות גז H2: 1. חשיפה למימן בטמפרטורה גבוהה (HTHA) ו-2. חששות רציניים לגבי דליפה אפשרית.שני הנושאים נמצאים כעת בדיון.
שלא כמו מימן מולקולרי, מימן אטומי יכול להתרחב, לחשוף את המימן לטמפרטורות ולחצים גבוהים, וליצור את הבסיס ל-HTHA פוטנציאלי.בתנאים אלה, מימן אטומי מסוגל להתפזר לתוך חומרים או ציוד צנרת מפלדת פחמן, שם הוא מגיב עם פחמן בתמיסה מתכתית ליצירת גז מתאן בגבולות התבואה.לא מצליח להימלט, הגז מתרחב, יוצר סדקים וחריצים בקירות של צינורות או כלים - זה HTGA.אתה יכול לראות בבירור את תוצאות ה-HTHA באיור 2 שבו סדקים וסדקים ניכרים בקיר בגודל 8 אינץ'.החלק של הצינור בגודל נומינלי (NPS) שנכשל בתנאים אלה.
ניתן להשתמש בפלדת פחמן לשירות מימן כאשר טמפרטורת הפעולה נשמרת מתחת ל-500°F.כפי שהוזכר לעיל, HTHA מתרחש כאשר גז מימן מוחזק בלחץ חלקי גבוה ובטמפרטורה גבוהה.פלדת פחמן אינה מומלצת כאשר הלחץ החלקי של המימן צפוי להיות סביב 3000 psi והטמפרטורה היא מעל כ-450°F (שזהו מצב התאונה באיור 2).
כפי שניתן לראות מתרשים נלסון ששונה באיור 3, שנלקח בחלקו מ-API 941, לטמפרטורה גבוהה יש את ההשפעה הגדולה ביותר על כפיית המימן.הלחץ החלקי של גז מימן יכול לעלות על 1000 psi בשימוש עם פלדות פחמן הפועלות בטמפרטורות של עד 500°F.
איור 3. תרשים נלסון שונה זה (מותאם מ-API 941) יכול לשמש לבחירת חומרים מתאימים לשירות מימן בטמפרטורות שונות.
על איור.3 מציג את הבחירה של פלדות שמובטחות להימנע מהתקפת מימן, בהתאם לטמפרטורת הפעולה והלחץ החלקי של המימן.פלדות אל-חלד אוסטניטיות אינן רגישות ל-HTHA והן חומרים משביעי רצון בכל הטמפרטורות והלחצים.
פלדת אל חלד Austenitic 316/316L היא החומר המעשי ביותר ליישומי מימן ובעלת רקורד מוכח.בעוד טיפול בחום לאחר ריתוך (PWHT) מומלץ לפלדות פחמן כדי לסייד שאריות מימן במהלך הריתוך ולהפחית את קשיות האזור המושפע בחום (HAZ) לאחר הריתוך, הוא אינו נדרש עבור פלדות אל חלד אוסטניטיות.
להשפעות תרמיות הנגרמות מטיפול בחום וריתוך יש השפעה מועטה על התכונות המכניות של פלדות אל-חלד אוסטניטיות.עם זאת, עבודה קרה יכולה לשפר את התכונות המכניות של פלדות אל חלד אוסטניטיות, כגון חוזק וקשיות.כאשר מכופפים ויוצרים צינורות מנירוסטה אוסטניטית, התכונות המכניות שלהם משתנות, כולל הירידה בפלסטיות של החומר.
אם נירוסטה אוסטניטית דורשת יצירה קרה, חישול תמיסה (חימום לכ-1045 מעלות צלזיוס ואחריו כיבוי או קירור מהיר) ישיב את התכונות המכניות של החומר לערכים המקוריים שלהם.זה גם יבטל את הפרדת הסגסוגת, הרגישות ושלב הסיגמה שהושגו לאחר עבודה קרה.בעת ביצוע חישול תמיסה, שים לב שקירור מהיר עלול להחזיר את הלחץ שיורי לחומר אם לא מטפלים בו כראוי.
עיין בטבלאות GR-2.1.1-1 אינדקס מפרט חומרי הרכבת צנרת וצינורות ומדד מפרט חומרי צנרת GR-2.1.1-2 ב-ASME B31 לבחירת חומרים מקובלים עבור שירות H2.צינורות הם מקום טוב להתחיל בו.
עם משקל אטומי סטנדרטי של 1.008 יחידות מסה אטומית (אמו), מימן הוא היסוד הקל והקטן ביותר בטבלה המחזורית, ולכן יש לו נטייה גבוהה לדלוף, עם השלכות הרסניות שעלולות להיות הרסניות, אפשר להוסיף.לכן, מערכת צינורות הגז חייבת להיות מתוכננת בצורה כזו שתגביל חיבורים מסוג מכאני ותשפר את החיבורים הנחוצים באמת.
בעת הגבלת נקודות דליפה פוטנציאליות, המערכת צריכה להיות מרותכת במלואה, למעט חיבורי אוגן על ציוד, רכיבי צנרת ואביזרים.יש להימנע ככל האפשר מחיבורי הברגה, אם לא לחלוטין.אם לא ניתן להימנע מחיבורי הברגה מכל סיבה שהיא, מומלץ לשלב אותם במלואם ללא איטום הברגה ולאחר מכן לאטום את הריתוך.בעת שימוש בצינור פלדת פחמן, חיבורי הצינור חייבים להיות מרותכים בקת ולטפל בחום לאחר ריתוך (PWHT).לאחר הריתוך, צינורות באזור מושפע החום (HAZ) חשופים להתקפת מימן אפילו בטמפרטורת הסביבה.בעוד שהתקפת מימן מתרחשת בעיקר בטמפרטורות גבוהות, שלב ה-PWHT יפחית לחלוטין, אם לא יבטל, אפשרות זו אפילו בתנאי סביבה.
נקודת התורפה של המערכת המרותכת כולה היא חיבור האוגן.כדי להבטיח רמה גבוהה של אטימות בחיבורי אוגן, יש להשתמש באטמי Kammprofile (איור 4) או סוג אחר של אטמים.מיוצר כמעט באותו אופן על ידי מספר יצרנים, הרפידה הזו מאוד סלחנית.הוא מורכב מטבעות מתכת מלאות שיניים, כרוכות בין חומרי איטום רכים הניתנים לעיוות.השיניים מרכזות את עומס הבורג באזור קטן יותר כדי לספק התאמה הדוקה עם פחות מתח.הוא מתוכנן בצורה כזו שהוא יכול לפצות על משטחי אוגן לא אחידים כמו גם תנאי הפעלה משתנים.
איור 4. לאטמי Kammprofile יש ליבת מתכת המחוברת משני הצדדים עם מילוי רך.
גורם חשוב נוסף בשלמות המערכת הוא השסתום.דליפות סביב אטם הגבעול ואוגני הגוף הן בעיה אמיתית.כדי למנוע זאת, מומלץ לבחור שסתום עם אטם מפוח.
השתמש ב-1 אינץ'.צינור פלדת פחמן בית ספר 80, בדוגמה שלנו למטה, בהינתן סובלנות ייצור, קורוזיה וסובלנות מכאנית בהתאם ל-ASTM A106 Gr B, ניתן לחשב את לחץ העבודה המקסימלי המותר (MAWP) בשני שלבים בטמפרטורות של עד 300°F (הערה: הסיבה ל-"...עבור טמפרטורות של עד... s כדי להידרדר כאשר הטמפרטורה עולה על 300ºF.(S), לכן משוואה (1) מחייבת התאמה לטמפרטורות מעל 300ºF.)
בהתייחס לנוסחה (1), השלב הראשון הוא לחשב את לחץ ההתפרצות התיאורטי של הצינור.
T = עובי דופן הצינור מינוס סובלנות מכאנית, קורוזיה וייצור, באינצ'ים.
החלק השני של התהליך הוא לחשב את לחץ העבודה המרבי המותר Pa של הצינור על ידי החלת מקדם הבטיחות S f על התוצאה P לפי משוואה (2):
לפיכך, בעת שימוש בחומר 1 אינץ' בית ספר 80, לחץ ההתפרצות מחושב באופן הבא:
לאחר מכן מוחל Sf בטיחותי של 4 בהתאם להמלצות ASME Pressure Vessel Section VIII-1 2019, סעיף 8. UG-101 מחושב באופן הבא:
ערך ה-MAWP המתקבל הוא 810 psi.אינץ' מתייחס לצינור בלבד.חיבור האוגן או הרכיב בעל הדירוג הנמוך ביותר במערכת יהיה הגורם הקובע בקביעת הלחץ המותר במערכת.
לפי ASME B16.5, לחץ העבודה המרבי המותר עבור אביזרי אוגן מפלדת פחמן של 150 הוא 285 psi.אינץ' ב-20°F עד 100°F.ל- Class 300 יש לחץ עבודה מרבי מותר של 740 psi.זה יהיה גורם הגבלת הלחץ של המערכת לפי דוגמה של מפרט החומר להלן.כמו כן, רק בבדיקות הידרוסטטיות, ערכים אלה יכולים לעלות על פי 1.5.
כדוגמה למפרט חומר בסיסי של פלדת פחמן, מפרט קו שירות גז H2 הפועל בטמפרטורת סביבה מתחת ללחץ עיצובי של 740 psi.אינץ', עשוי להכיל את דרישות החומר המוצגות בטבלה 2. להלן סוגים שעשויים לדרוש תשומת לב כדי להיכלל במפרט:
מלבד הצנרת עצמה, ישנם אלמנטים רבים המרכיבים את מערכת הצנרת כגון אביזרים, שסתומים, ציוד קו וכו'. בעוד שרבים מהאלמנטים הללו יורכבו בצינור כדי לדון בהם בפירוט, הדבר ידרוש יותר דפים ממה שניתן להכיל.המאמר הזה.