Ringkesan iki menehi rekomendasi kanggo desain sistem perpipaan sing aman kanggo distribusi hidrogen.
Hidrogen iku cairan sing gampang banget nguap kanthi kecenderungan bocor sing dhuwur. Iki minangka kombinasi kecenderungan sing mbebayani lan mematikan, cairan sing gampang nguap sing angel dikendhaleni. Iki minangka tren sing kudu ditimbang nalika milih bahan, gasket lan segel, uga karakteristik desain sistem kasebut. Topik babagan distribusi gas H2 iki minangka fokus diskusi iki, dudu produksi H2, H2 cair, utawa H2 cair (deleng sidebar tengen).
Iki ana sawetara poin penting kanggo mbantu sampeyan mangerteni campuran hidrogen lan udara H2. Hidrogen kobong kanthi rong cara: deflagrasi lan bledosan.
deflagrasi. Deflagrasi minangka mode pembakaran umum ing ngendi geni ngliwati campuran kasebut kanthi kecepatan subsonik. Iki kedadeyan, contone, nalika awan campuran hidrogen-udara bebas diobong dening sumber penyalaan cilik. Ing kasus iki, geni bakal obah kanthi kecepatan sepuluh nganti atusan kaki per detik. Ekspansi gas panas sing cepet nggawe gelombang tekanan sing kekuwatane sebanding karo ukuran awan. Ing sawetara kasus, gaya gelombang kejut bisa cukup kanggo ngrusak struktur bangunan lan obyek liyane ing jalur kasebut lan nyebabake ciloko.
njeblug. Nalika njeblug, geni lan gelombang kejut ngliwati campuran kasebut kanthi kecepatan supersonik. Rasio tekanan ing gelombang detonasi luwih gedhe tinimbang ing detonasi. Amarga gaya sing tambah, bledosan luwih mbebayani kanggo wong, bangunan, lan obyek ing sacedhake. Deflagrasi normal nyebabake bledosan nalika diobong ing papan sing sempit. Ing area sing sempit kaya ngono, penyalaan bisa disebabake dening energi sing paling sithik. Nanging kanggo detonasi campuran hidrogen-udara ing papan sing ora winates, sumber penyalaan sing luwih kuat dibutuhake.
Rasio tekanan ing gelombang detonasi ing campuran hidrogen-udara kira-kira 20. Ing tekanan atmosfer, rasio 20 yaiku 300 psi. Nalika gelombang tekanan iki tabrakan karo obyek sing ora obah, rasio tekanan mundhak dadi 40-60. Iki amarga pantulan gelombang tekanan saka alangan sing ora obah.
Kecenderungan bocor. Amarga viskositas lan bobot molekul sing kurang, gas H2 nduweni kecenderungan dhuwur kanggo bocor lan malah nembus utawa nembus macem-macem bahan.
Hidrogen iku 8 kali luwih entheng tinimbang gas alam, 14 kali luwih entheng tinimbang udara, 22 kali luwih entheng tinimbang propana lan 57 kali luwih entheng tinimbang uap bensin. Iki tegese nalika dipasang ing njaba ruangan, gas H2 bakal cepet munggah lan ilang, ngurangi tandha-tandha bocor. Nanging bisa dadi pedhang bermata loro. Ledakan bisa kedadeyan yen pengelasan bakal ditindakake ing instalasi njaba ruangan ing ndhuwur utawa ing sisih ngisor bocor H2 tanpa studi deteksi kebocoran sadurunge pengelasan. Ing papan sing ditutup, gas H2 bisa munggah lan nglumpuk saka langit-langit mudhun, kahanan sing ngidini kanggo nglumpuk nganti volume gedhe sadurunge luwih cenderung kontak karo sumber panyalaan cedhak lemah.
Geni sing ora disengaja. Kobongan dhewe iku sawijining fenomena ing ngendi campuran gas utawa uap kobong kanthi spontan tanpa sumber kobongan saka njaba. Iki uga dikenal minangka "pembakaran spontan" utawa "pembakaran spontan". Kobongan dhewe gumantung marang suhu, dudu tekanan.
Suhu penyalaan otomatis yaiku suhu minimal ing ngendi bahan bakar bakal kobong kanthi spontan sadurunge penyalaan tanpa ana sumber penyalaan eksternal nalika kena udara utawa agen pengoksidasi. Suhu penyalaan otomatis saka bubuk tunggal yaiku suhu ing ngendi bahan bakar kobong kanthi spontan tanpa ana agen pengoksidasi. Suhu penyalaan dhewe gas H2 ing udara yaiku 585°C.
Energi penyalaan yaiku energi sing dibutuhake kanggo miwiti panyebaran geni liwat campuran sing gampang kobong. Energi penyalaan minimal yaiku energi minimal sing dibutuhake kanggo ngobong campuran sing gampang kobong tartamtu ing suhu lan tekanan tartamtu. Energi penyalaan percikan minimal kanggo gas H2 ing 1 atm udara = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Watesan eksplosif yaiku konsentrasi maksimum lan minimum uap, kabut, utawa bledug ing udhara utawa oksigen nalika bledosan kedadeyan. Ukuran lan geometri lingkungan, uga konsentrasi bahan bakar, ngontrol watesan kasebut. "Watesan bledosan" kadhangkala digunakake minangka sinonim kanggo "watesan bledosan".
Wates eksplosif kanggo campuran H2 ing udhara yaiku 18,3 vol.% (wates ngisor) lan 59 vol.% (wates ndhuwur).
Nalika ngrancang sistem perpipaan (Gambar 1), langkah pertama yaiku nemtokake bahan bangunan sing dibutuhake kanggo saben jinis cairan. Lan saben cairan bakal diklasifikasikake miturut paragraf ASME B31.3. 300(b)(1) nyatakake, "Pamilik uga tanggung jawab kanggo nemtokake pipa kelas D, M, tekanan dhuwur, lan kemurnian dhuwur, lan nemtokake manawa sistem kualitas tartamtu kudu digunakake."
Kategorisasi fluida nemtokake tingkat pengujian lan jinis pengujian sing dibutuhake, uga akeh syarat liyane adhedhasar kategori fluida. Tanggung jawab pemilik kanggo iki biasane ana ing departemen teknik pemilik utawa insinyur outsourcing.
Sanajan Kode Pipa Proses B31.3 ora ngandhani sing duwe bahan endi sing kudu digunakake kanggo cairan tartamtu, nanging menehi pandhuan babagan kekuatan, kekandelan, lan syarat sambungan bahan. Ana uga rong pernyataan ing pambuka kode sing nyatakake kanthi jelas:
Lan ngrembug luwih lanjut babagan paragraf pisanan ing ndhuwur, paragraf B31.3. 300(b)(1) uga nyatakake: "Pamilik instalasi pipa tanggung jawab penuh kanggo netepi Kode iki lan kanggo netepake syarat desain, konstruksi, inspeksi, inspeksi, lan pengujian sing ngatur kabeh penanganan cairan utawa proses sing pipa kasebut minangka bageane. Instalasi." Dadi, sawise netepake sawetara aturan dhasar kanggo tanggung jawab lan syarat kanggo nemtokake kategori layanan cairan, ayo dideleng ing endi gas hidrogen cocog.
Amarga gas hidrogen tumindak minangka cairan sing gampang nguap kanthi bocor, gas hidrogen bisa dianggep minangka cairan normal utawa cairan Kelas M miturut kategori B31.3 kanggo layanan cairan. Kaya sing wis kasebut ing ndhuwur, klasifikasi penanganan cairan minangka syarat pemilik, anggere memenuhi pedoman kanggo kategori sing dipilih sing diterangake ing B31.3, paragraf 3. 300.2 Definisi ing bagean "Layanan hidrolik". Ing ngisor iki definisi kanggo layanan cairan normal lan layanan cairan Kelas M:
"Layanan Fluida Normal: Layanan fluida ditrapake kanggo umume pipa sing tundhuk karo kode iki, yaiku ora tundhuk karo peraturan kanggo kelas D, M, suhu dhuwur, tekanan dhuwur, utawa kebersihan fluida dhuwur.
(1) Keracunan cairan kasebut gedhe banget saengga mung kena cairan sing sithik banget sing disebabake bocor bisa nyebabake ciloko permanen sing serius kanggo wong sing ngisep utawa kontak karo cairan kasebut, sanajan langkah-langkah pemulihan langsung ditindakake.
(2) Sawise nimbang desain pipa, pengalaman, kahanan operasi, lan lokasi, sing duwe nemtokake manawa syarat kanggo panggunaan cairan normal ora cukup kanggo nyedhiyakake kekencengan sing dibutuhake kanggo nglindhungi personel saka paparan.
Ing definisi M ing ndhuwur, gas hidrogen ora memenuhi kriteria paragraf (1) amarga ora dianggep minangka cairan beracun. Nanging, kanthi ngetrapake subbagian (2), Kode kasebut ngidini klasifikasi sistem hidrolik ing kelas M sawise nimbang "... desain pipa, pengalaman, kondisi operasi lan lokasi ..." Pemilik ngidini nemtokake penanganan cairan normal. Syarat kasebut ora cukup kanggo nyukupi kabutuhan kanggo tingkat integritas sing luwih dhuwur ing desain, konstruksi, inspeksi, inspeksi lan pengujian sistem pipa gas hidrogen.
Deloken Tabel 1 sadurunge ngrembug Korosi Hidrogen Suhu Tinggi (HTHA). Kode, standar, lan peraturan kadhaptar ing tabel iki, sing kalebu enem dokumen babagan topik kerapuhan hidrogen (HE), anomali korosi umum sing kalebu HTHA. OH bisa kedadeyan ing suhu endhek lan dhuwur. Dianggep minangka wujud korosi, bisa diwiwiti kanthi pirang-pirang cara lan uga mengaruhi macem-macem bahan.
HE duwé maneka warna wujud, sing bisa dipérang dadi retak hidrogen (HAC), retak stres hidrogen (HSC), retak korosi stres (SCC), retak korosi hidrogen (HACC), gelembung hidrogen (HB), retak hidrogen (HIC). )), retak hidrogen berorientasi stres (SOHIC), retak progresif (SWC), retak stres sulfida (SSC), retak zona alus (SZC), lan korosi hidrogen suhu dhuwur (HTHA).
Ing wangun sing paling prasaja, kerapuhan hidrogen minangka mekanisme kanggo ngrusak wates butir logam, sing nyebabake keuletan sing suda amarga penetrasi hidrogen atom. Cara kedadeyan iki maneka warna lan sebagian ditegesake dening jenenge masing-masing, kayata HTHA, ing ngendi hidrogen suhu dhuwur lan tekanan dhuwur simultan dibutuhake kanggo kerapuhan, lan SSC, ing ngendi hidrogen atom diprodhuksi minangka gas tertutup lan hidrogen. Amarga korosi asam, dheweke meresap menyang kasus logam, sing bisa nyebabake kerapuhan. Nanging asil sakabèhé padha karo kabeh kasus kerapuhan hidrogen sing diterangake ing ndhuwur, ing ngendi kekuwatan logam dikurangi dening kerapuhan ing ngisor kisaran stres sing diidinake, sing banjur nyetel panggung kanggo kedadeyan sing bisa nyebabake bencana amarga volatilitas cairan kasebut.
Saliyané kekandelan tembok lan kinerja sambungan mekanik, ana rong faktor utama sing kudu ditimbang nalika milih bahan kanggo layanan gas H2: 1. Paparan hidrogen suhu dhuwur (HTHA) lan 2. Kekhawatiran serius babagan potensi kebocoran. Kaloro topik kasebut saiki lagi dirembug.
Ora kaya hidrogen molekuler, hidrogen atom bisa ngembang, ndadekake hidrogen kena suhu lan tekanan dhuwur, nggawe basis kanggo HTHA potensial. Ing kahanan kasebut, hidrogen atom bisa nyebar menyang bahan utawa peralatan pipa baja karbon, ing ngendi reaksi karo karbon ing larutan logam kanggo mbentuk gas metana ing wates butir. Ora bisa metu, gas kasebut ngembang, nggawe retakan lan celah ing tembok pipa utawa pembuluh - iki HTGA. Sampeyan bisa ndeleng kanthi jelas asil HTHA ing Gambar 2 ing ngendi retakan lan retakan katon ing tembok 8″. Bagean pipa ukuran nominal (NPS) sing gagal ing kahanan kasebut.
Baja karbon bisa digunakake kanggo layanan hidrogen nalika suhu operasi dijaga ing ngisor 500°F. Kaya sing wis kasebut ing ndhuwur, HTHA kedadeyan nalika gas hidrogen ditahan ing tekanan parsial sing dhuwur lan suhu sing dhuwur. Baja karbon ora disaranake nalika tekanan parsial hidrogen diarepake sekitar 3000 psi lan suhu ing ndhuwur sekitar 450°F (yaiku kondisi kacilakan ing Gambar 2).
Kaya sing bisa dideleng saka plot Nelson sing dimodifikasi ing Gambar 3, sebagian dijupuk saka API 941, suhu dhuwur nduweni efek paling gedhe marang pemaksaan hidrogen. Tekanan parsial gas hidrogen bisa ngluwihi 1000 psi nalika digunakake karo baja karbon sing beroperasi ing suhu nganti 500°F.
Gambar 3. Grafik Nelson sing dimodifikasi iki (diadaptasi saka API 941) bisa digunakake kanggo milih bahan sing cocog kanggo layanan hidrogen ing macem-macem suhu.
Ing gambar 3 nuduhake pilihan baja sing dijamin bisa ngindhari serangan hidrogen, gumantung saka suhu operasi lan tekanan parsial hidrogen. Baja tahan karat austenitik ora sensitif marang HTHA lan minangka bahan sing nyukupi ing kabeh suhu lan tekanan.
Baja tahan karat Austenitik 316/316L minangka bahan sing paling praktis kanggo aplikasi hidrogen lan nduweni rekam jejak sing wis kabukten. Sanajan perawatan panas pasca-las (PWHT) dianjurake kanggo baja karbon kanggo ngalsinasi hidrogen sisa sajrone pengelasan lan nyuda kekerasan zona sing kena pengaruh panas (HAZ) sawise pengelasan, ora dibutuhake kanggo baja tahan karat austenitik.
Efek termotermal sing disebabake dening perawatan panas lan pengelasan nduweni pengaruh cilik marang sifat mekanik baja tahan karat austenitik. Nanging, pengerjaan adhem bisa ningkatake sifat mekanik baja tahan karat austenitik, kayata kekuatan lan kekerasan. Nalika mbengkongake lan mbentuk pipa saka baja tahan karat austenitik, sifat mekanike owah, kalebu penurunan plastisitas bahan kasebut.
Yen baja tahan karat austenitik mbutuhake pembentukan adhem, anil larutan (dipanasake nganti kira-kira 1045°C banjur didinginkan utawa didinginkan kanthi cepet) bakal mulihake sifat mekanik materi kasebut menyang nilai asline. Iki uga bakal ngilangi segregasi paduan, sensitisasi, lan fase sigma sing digayuh sawise pengerjaan adhem. Nalika nindakake anil larutan, elinga yen pendinginan cepet bisa menehi tekanan sisa maneh menyang materi yen ora ditangani kanthi bener.
Deloken tabel GR-2.1.1-1 Indeks Spesifikasi Bahan Perakitan Pipa lan Tubing lan GR-2.1.1-2 Indeks Spesifikasi Bahan Pipa ing ASME B31 kanggo pilihan bahan sing bisa ditampa kanggo layanan H2. pipa minangka papan sing apik kanggo miwiti.
Kanthi bobot atom standar 1,008 unit massa atom (sma), hidrogen minangka unsur paling entheng lan paling cilik ing tabel periodik, lan mulane nduweni kecenderungan bocor sing dhuwur, kanthi akibat sing bisa ngrusak, aku bisa nambahake. Mulane, sistem pipa gas kudu dirancang kanthi cara sing bisa mbatesi sambungan jinis mekanik lan ningkatake sambungan sing pancen dibutuhake.
Nalika mbatesi titik bocor potensial, sistem kudu dilas kanthi lengkap, kajaba sambungan flens ing peralatan, elemen pipa, lan fitting. Sambungan ulir kudu dihindari sabisa-bisane, yen ora rampung. Yen sambungan ulir ora bisa dihindari amarga alesan apa wae, disaranake kanggo nyambungake kanthi lengkap tanpa sealant ulir banjur nutup las. Nalika nggunakake pipa baja karbon, sambungan pipa kudu dilas butt lan dipanasake sawise dilas (PWHT). Sawise dilas, pipa ing zona sing kena pengaruh panas (HAZ) kena serangan hidrogen sanajan ing suhu sekitar. Nalika serangan hidrogen utamane kedadeyan ing suhu dhuwur, tahap PWHT bakal nyuda, yen ora ngilangi, kemungkinan iki sanajan ing kahanan sekitar.
Titik lemah saka sistem sing dilas kabeh yaiku sambungan flens. Kanggo njamin tingkat keketatan sing dhuwur ing sambungan flens, gasket Kammprofile (gambar 4) utawa bentuk gasket liyane kudu digunakake. Digawé kanthi cara sing meh padha dening sawetara produsen, bantalan iki gampang banget diapusi. Iki kasusun saka cincin logam kabeh untu sing diapit ing antarane bahan segel sing alus lan bisa dideformasi. Untu-untu kasebut ngonsentrasikan beban baut ing area sing luwih cilik kanggo nyedhiyakake pas sing rapet kanthi stres sing luwih sithik. Iki dirancang kanthi cara sing bisa ngimbangi permukaan flens sing ora rata uga kahanan operasi sing fluktuatif.
Gambar 4. Gasket Kammprofile nduweni inti logam sing diiket ing loro-lorone nganggo pengisi alus.
Faktor penting liyané ing integritas sistem yaiku katup. Kebocoran ing sekitar segel batang lan flensa awak minangka masalah nyata. Kanggo nyegah iki, disaranake milih katup kanthi segel bellow.
Gunakake pipa baja karbon School 80 ukuran 1 inci, ing conto ing ngisor iki, diwenehi toleransi manufaktur, korosi, lan toleransi mekanik miturut ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum sing diidinake (MAWP) bisa diitung ing rong langkah ing suhu nganti 300°F (Cathetan: Alesan kanggo "...kanggo suhu nganti 300ºF..." yaiku amarga tegangan sing diidinake (S) saka bahan ASTM A106 Gr B wiwit rusak nalika suhu ngluwihi 300ºF.(S), mula Persamaan (1) mbutuhake Nyetel suhu ing ndhuwur 300ºF.)
Ngrujuk rumus (1), langkah pertama yaiku ngetung tekanan ledakan teoritis pipa.
T = kekandelan dinding pipa dikurangi toleransi mekanik, korosi, dan manufaktur, dalam inci.
Bagean kapindho saka proses iki yaiku ngetung tekanan kerja maksimum sing diidinake Pa saka pipa kanthi ngetrapake faktor keamanan S f menyang asil P miturut persamaan (2):
Dadi, nalika nggunakake bahan 1″ school 80, tekanan ledakan diitung kaya ing ngisor iki:
Sf keamanan 4 banjur ditrapake miturut Rekomendasi Bejana Tekanan ASME Bagian VIII-1 2019, Paragraf 8. UG-101 diitung kaya ing ngisor iki:
Nilai MAWP sing diasilake yaiku 810 psi. inci mung nuduhake pipa. Sambungan flens utawa komponen kanthi rating paling endhek ing sistem bakal dadi faktor penentu kanggo nemtokake tekanan sing diidinake ing sistem.
Miturut ASME B16.5, tekanan kerja maksimum sing diidinake kanggo fitting flens baja karbon 150 yaiku 285 psi. inci ing -20°F nganti 100°F. Kelas 300 nduweni tekanan kerja maksimum sing diidinake yaiku 740 psi. Iki bakal dadi faktor watesan tekanan sistem miturut conto spesifikasi bahan ing ngisor iki. Uga, mung ing tes hidrostatik, nilai kasebut bisa ngluwihi 1,5 kali.
Minangka conto spesifikasi bahan baja karbon dhasar, spesifikasi saluran layanan gas H2 sing beroperasi ing suhu sekitar ing ngisor tekanan desain 740 psi. inci, bisa uga ngemot syarat bahan sing dituduhake ing Tabel 2. Ing ngisor iki jinis sing mbutuhake perhatian kanggo dilebokake ing spesifikasi:
Kejaba pipa dhewe, ana akeh unsur sing mbentuk sistem pipa kayata fitting, katup, peralatan saluran, lan liya-liyane. Sanajan akeh unsur kasebut bakal digabungake ing pipa kanggo mbahas kanthi rinci, iki mbutuhake luwih akeh kaca tinimbang sing bisa ditampung. Artikel iki.