この概要では、水素供給用の配管システムの安全な設計に関する推奨事項を提供します。
水素は揮発性が高く、漏れやすい液体です。それは非常に危険で致命的な傾向の組み合わせであり、制御が難しい揮発性の液体です。これらは、材料、ガスケット、シールを選択する際に考慮すべき傾向と、そのようなシステムの設計特性です。この議論の焦点は、ガス状 H2 の分布に関するトピックであり、H2、液体 H2、または液体 H2 の生成ではありません (右側のサイドバーを参照)。
水素と H2 空気の混合物を理解するのに役立つ重要なポイントをいくつか紹介します。水素は、爆燃と爆発の 2 つの方法で燃焼します。
爆燃。爆燃は、火炎が亜音速で混合物を通過する一般的な燃焼モードです。これは、たとえば、水素と空気の混合物の自由雲が小さな点火源によって点火されるときに発生します。この場合、炎は毎秒 10 ～数百フィートの速度で移動します。高温ガスの急速な膨張により圧力波が発生し、その強さは雲のサイズに比例します。場合によっては、衝撃波の力は、その経路にある建物の構造やその他の物体に損傷を与え、怪我を引き起こす可能性があります。
爆発する。それが爆発すると、炎と衝撃波が混合物中を超音速で伝わりました。デトネーション波の圧力比はデトネーションよりもはるかに大きくなります。力が増大するため、爆発は人、建物、近くの物体にとってより危険になります。通常の爆燃は、密閉空間で点火すると爆発を引き起こします。このような狭い範囲では、最小限のエネルギーでも発火する可能性があります。しかし、無限の空間で水素と空気の混合物を爆発させるには、より強力な点火源が必要です。
水素と空気の混合物における爆発波の圧力比は約 20 です。大気圧では、比 20 は 300 psi です。この圧力波が静止物体に衝突すると、圧力比は 40 ～ 60 に増加します。これは、静止した障害物からの圧力波の反射によるものです。
漏れる傾向。H2 ガスは粘度が低く、分子量が低いため、漏れやすく、さまざまな物質に浸透または浸透する傾向があります。
水素は天然ガスの 8 倍、空気の 14 倍、プロパンの 22 倍、ガソリン蒸気の 57 倍軽いです。これは、屋外に設置すると、H2 ガスがすぐに上昇して消散し、漏れの兆候が軽減されることを意味します。しかし、それは両刃の剣になる可能性があります。溶接前に漏れ検出調査を行わずに、H2 漏れ箇所の上または風下の屋外設置で溶接を行う場合、爆発が発生する可能性があります。密閉された空間では、H2 ガスが上昇して天井から下に蓄積する可能性があり、この状態では地面近くの発火源と接触する可能性が高くなる前に大量に蓄積する可能性があります。
失火。自己発火は、ガスまたは蒸気の混合物が外部発火源なしで自然発火する現象です。「自然発火」「自然発火」とも呼ばれます。自己発火は圧力ではなく温度に依存します。
自己発火温度は、外部発火源がない場合に、空気または酸化剤と接触したときに燃料が点火前に自然発火する最低温度である。単一粉末の自己発火温度は、酸化剤が存在しない場合に自然発火する温度です。空気中のガス状 H2 の自己発火温度は 585°C です。
点火エネルギーは、可燃性混合物を通して火炎の伝播を開始するのに必要なエネルギーです。最小点火エネルギーは、特定の温度および圧力で特定の可燃性混合物に点火するのに必要な最小エネルギーです。1 気圧の空気中のガス状 H2 の最小火花点火エネルギー = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ)。
爆発限界とは、爆発が発生する空気または酸素中の蒸気、霧、粉塵の最大濃度と最小濃度です。環境のサイズと形状、および燃料の濃度によって制限が決まります。「爆発限界」は「爆発限界」と同義で使われることもあります。
空気中の H2 混合物の爆発限界は、18.3 vol.% (下限) と 59 vol.% (上限) です。
配管システム (図 1) を設計する場合、最初のステップは、各種類の流体に必要な建築材料を決定することです。また、各流体は ASME B31.3 の項に従って分類されます。300(b)(1) には、「所有者は、クラス D、M、高圧、および高純度の配管を決定し、特定の品質システムを使用する必要があるかどうかを決定する責任もあります。」と記載されています。
流体の分類では、試験の程度と必要な試験の種類、および流体のカテゴリに基づいた他の多くの要件が定義されます。これに対するオーナーの責任は通常、オーナーのエンジニアリング部門または外部委託エンジニアにあります。
B31.3 プロセス配管コードは、特定の流体にどの材料を使用するかを所有者に指示するものではありませんが、強度、厚さ、および材料接続要件に関するガイダンスを提供します。コードの導入部には、次のことを明確に述べている 2 つのステートメントもあります。
そして、上記の最初の段落、段落 B31.3 を拡張します。300(b)(1)には次のようにも記載されています。「パイプライン設備の所有者は、この規範を遵守し、パイプラインが一部であるすべての流体の取り扱いまたはプロセスを管理する設計、建設、検査、検査、およびテスト要件を確立することに単独で責任を負います。インストールです。」したがって、液体サービスのカテゴリを定義するための責任と要件に関する基本ルールをいくつか定めた後、水素ガスがどこに当てはまるかを見てみましょう。
水素ガスは漏れのある揮発性液体として機能するため、水素ガスは通常の液体、または液体サービスのカテゴリ B31.3 に基づくクラス M 液体と見なすことができます。上で述べたように、流体取り扱いの分類は、B31.3、第 3 項「油圧サービス」セクションの 300.2 定義に記載されている選択されたカテゴリーのガイドラインを満たしている限り、所有者の要件です。以下は、通常の流体サービスとクラス M 流体サービスの定義です。
「通常の流体サービス: このコードの対象となるほとんどの配管に適用される流体サービス。つまり、クラス D、M、高温、高圧、または高流体清浄度の規制の対象ではありません。
(1) 液体の毒性は非常に強いため、漏洩によって生じた極少量の液体に 1 回だけさらされると、直ちに回復措置を講じたとしても、それを吸入または接触した人に重大な永久的傷害を引き起こす可能性があります。取られた
(2) 所有者は、パイプラインの設計、経験、動作条件、および場所を考慮した結果、液体の通常の使用要件では人員を暴露から保護するために必要な気密性を提供するには不十分であると判断します。」
上記の M の定義では、水素ガスは有毒な液体とみなされないため、段落 (1) の基準を満たしません。ただし、サブセクション (2) を適用することにより、コードは「…配管設計、経験、動作条件、および場所…」を十分に考慮した後、油圧システムをクラス M に分類することを許可します。所有者は通常の流体の取り扱いを決定することを許可します。この要件は、水素ガス配管システムの設計、建設、検査、検査およびテストにおけるより高いレベルの完全性のニーズを満たすには不十分です。
高温水素腐食 (HTHA) について説明する前に、表 1 を参照してください。この表には、規格、規格、規制がリストされています。この表には、HTHA を含む一般的な腐食異常である水素脆化 (HE) に関する 6 つの文書が含まれています。OH は低温でも高温でも発生する可能性があります。腐食の一種と考えられており、さまざまな方法で開始され、広範囲の材料にも影響を与えます。
HEにはさまざまな形態があり、水素割れ（HAC）、水素応力割れ（HSC）、応力腐食割れ（SCC）、水素腐食割れ（HACC）、水素バブリング（HB）、水素割れ（HIC）に分類できます。))、応力指向性水素亀裂 (SOHIC)、進行性亀裂 (SWC)、硫化物応力亀裂 (SSC)、ソフトゾーン亀裂 (SZC)、および高温水素腐食 (HTHA)。
最も単純な形では、水素脆化は金属粒界の破壊のメカニズムであり、その結果、原子状水素の侵入により延性が低下します。これが起こる方法はさまざまで、脆化のために同時に高温高圧の水素が必要な HTHA や、密閉ガスと水素として原子状水素が生成される SSC など、それぞれの名前によって部分的に定義されています。酸腐食により金属ケースに浸透し、脆化を引き起こす可能性があります。しかし、全体的な結果は、上記の水素脆化のすべてのケースと同じであり、許容応力範囲を下回る脆化によって金属の強度が低下し、その結果、液体の揮発性を考慮すると、潜在的に壊滅的な出来事の準備が整えられます。
H2 ガスサービス用の材料を選択する際には、壁の厚さと機械的接合の性能に加えて、考慮すべき主な要素が 2 つあります。1. 高温水素 (HTHA) への曝露、および 2. 漏洩の可能性に関する深刻な懸念です。どちらのトピックも現在議論中です。
分子状水素とは異なり、原子状水素は膨張して高温高圧にさらされる可能性があり、潜在的な HTHA の基礎を作り出します。これらの条件下では、原子状水素が炭素鋼の配管材料や設備に拡散し、金属溶液中の炭素と反応して粒界にメタンガスを形成します。ガスが逃げることができずに膨張し、パイプや容器の壁に亀裂や亀裂が生じます。これが HTGA です。図 2 の HTHA の結果から、8 インチの壁に亀裂やひび割れがはっきりと確認できます。これらの条件下で破損する公称サイズ (NPS) パイプの部分。
炭素鋼は、動作温度が 500°F 以下に維持されている場合、水素サービスに使用できます。前述したように、HTHA は水素ガスが高分圧かつ高温に保持されると発生します。水素分圧が約 3000 psi と予想され、温度が約 450°F を超える場合 (図 2 の事故条件)、炭素鋼は推奨されません。
API 941 から部分的に引用した図 3 の修正ネルソン プロットからわかるように、高温は水素強制に最も大きな影響を与えます。最大 500°F の温度で動作する炭素鋼で使用すると、水素ガス分圧が 1000 psi を超えることがあります。
図 3. この修正されたネルソン チャート (API 941 から適合) を使用して、さまざまな温度での水素サービスに適した材料を選択できます。
図上。図 3 は、動作温度と水素の分圧に応じて、水素の攻撃を回避することが保証される鋼の選択を示しています。オーステナイト系ステンレス鋼は HTHA の影響を受けず、あらゆる温度および圧力において満足のいく材料です。
オーステナイト系 316/316L ステンレス鋼は、水素用途で最も実用的な材料であり、実績があります。炭素鋼では溶接中に残留水素をか焼し、溶接後の熱影響部 (HAZ) の硬度を下げるために溶接後熱処理 (PWHT) が推奨されますが、オーステナイト系ステンレス鋼では必要ありません。
熱処理や溶接によって生じる熱の影響は、オーステナイト系ステンレス鋼の機械的特性にはほとんど影響しません。ただし、冷間加工により、強度や硬度などのオーステナイト系ステンレス鋼の機械的特性を向上させることができます。オーステナイト系ステンレス鋼からパイプを曲げて成形すると、材料の可塑性の低下など、機械的特性が変化します。
オーステナイト系ステンレス鋼に冷間成形が必要な場合は、溶体化焼鈍 (約 1045°C に加熱した後、焼き入れまたは急冷) を行うと、材料の機械的特性が元の値に回復します。また、冷間加工後に生じる合金の偏析、鋭敏化、シグマ相も除去されます。溶体化焼きなましを実行するときは、適切に処理しないと急速冷却により材料に残留応力が戻る可能性があることに注意してください。
H2 サービスで許容される材料の選択については、ASME B31 の表 GR-2.1.1-1 配管およびチューブ アセンブリ材料仕様インデックスおよび GR-2.1.1-2 配管材料仕様インデックスを参照してください。パイプから始めるのが良いでしょう。
標準原子量が 1.008 原子質量単位 (amu) の水素は、周期表上で最も軽くて最小の元素であるため、漏洩する傾向が高く、潜在的に壊滅的な結果をもたらす可能性があると付け加えておきます。したがって、ガスパイプラインシステムは、機械式接続を制限し、本当に必要な接続を改善するように設計する必要があります。
潜在的な漏れ箇所を制限する場合、機器、配管要素、継手のフランジ接続を除き、システムを完全に溶接する必要があります。ねじ接続は、完全にではないにせよ、可能な限り避ける必要があります。何らかの理由でねじ接続が避けられない場合は、ねじシーラントを使用せずにねじ接続を完全にかみ合わせてから溶接部をシールすることをお勧めします。炭素鋼パイプを使用する場合、パイプ継手を突合せ溶接し、溶接後熱処理 (PWHT) する必要があります。溶接後、熱影響部 (HAZ) 内のパイプは、周囲温度であっても水素の攻撃にさらされます。水素による攻撃は主に高温で発生しますが、PWHT 段階では、周囲条件下であってもこの可能性を、排除しないにしても完全に低減します。
全溶接方式の弱点はフランジ接続です。フランジ接続の高度な気密性を確保するには、Kammprofile ガスケット (図 4) または別の形式のガスケットを使用する必要があります。いくつかのメーカーがほぼ同じ方法で製造しているこのパッドは、非常に寛容です。これは、柔らかく変形可能なシール材の間に挟まれた歯付きの全金属リングで構成されています。歯はボルトの荷重をより小さな領域に集中させ、より少ない応力でしっかりとフィットします。フランジ表面の凹凸や動作条件の変動を補償できるように設計されています。
図 4. Kammprofile ガスケットには、両側に柔らかいフィラーで結合された金属コアがあります。
システムの完全性におけるもう 1 つの重要な要素はバルブです。ステムシールとボディフランジの周りの漏れは大きな問題です。これを防ぐためにはベローズシール付きのバルブを選定することを推奨します。
1インチを使用します。以下の例では、ASTM A106 Gr B に準拠した製造公差、腐食、および機械的公差を考慮した School 80 炭素鋼パイプの場合、最大許容使用圧力 (MAWP) は 300°F までの温度で 2 段階で計算できます (注: 「…最高 300°F までの温度の場合…」の理由は、温度が 300°F を超えると ASTM A106 Gr B 材料の許容応力 (S) が劣化し始めるためです。 .(S) であるため、式 (1) では 300°F 以上の温度に調整する必要があります。)
式 (1) を参照すると、最初のステップはパイプラインの理論上の破裂圧力を計算することです。
T = パイプの壁の厚さから機械的公差、腐食公差、製造公差を差し引いた値 (インチ単位)。
プロセスの 2 番目の部分では、式 (2) に従って結果 P に安全係数 S f を適用することで、パイプラインの最大許容作動圧力 Pa を計算します。
したがって、1 インチのスクール 80 材料を使用する場合、破裂圧力は次のように計算されます。
次に、ASME 圧力容器勧告セクション VIII-1 2019 のパラグラフ 8 に従って、安全 Sf 4 が適用されます。UG-101 は次のように計算されます。
結果として得られる MAWP 値は 810 psi です。インチはパイプのみを指します。システム内の最も低い定格を持つフランジ接続またはコンポーネントが、システム内の許容圧力を決定する決定要素となります。
ASME B16.5 によると、150 炭素鋼フランジ継手の最大許容使用圧力は 285 psi です。-20°F ～ 100°F でインチ。クラス 300 の最大許容作動圧力は 740 psi です。これは、以下の材料仕様例によるシステムの圧力制限係数となります。また、水圧試験のみで、これらの値は 1.5 倍を超えることがあります。
基本的な炭素鋼材料仕様の例として、設計圧力 740 psi 未満の周囲温度で動作する H2 ガス サービス ライン仕様があります。インチには、表 2 に示す材料要件が含まれる場合があります。仕様に含める必要がある可能性のあるタイプは次のとおりです。
配管自体とは別に、継手、バルブ、ライン機器など、配管システムを構成する多くの要素があります。これらの要素の多くをパイプラインにまとめて詳細に説明しますが、これには収容できるよりも多くのページが必要になります。この記事。