Ringkesan iki menehi rekomendasi kanggo desain sistem pipa sing aman kanggo distribusi hidrogen.
Hidrogen minangka cairan sing molah malih kanthi cenderung bocor.Iki minangka kombinasi tendensi sing mbebayani lan mateni, cairan sing molah malih sing angel dikontrol.Iki minangka tren sing kudu ditimbang nalika milih bahan, gasket lan segel, uga karakteristik desain sistem kasebut.Topik-topik babagan distribusi gas H2 sing dadi fokus diskusi iki, dudu produksi H2, H2 cair, utawa H2 cair (pirsani sidebar tengen).
Ing ngisor iki sawetara poin penting kanggo mbantu sampeyan ngerti campuran hidrogen lan H2-air.Hidrogen diobong kanthi rong cara: deflagration lan bledosan.
deflagration.Deflagrasi minangka mode pembakaran umum ing ngendi geni ngliwati campuran kanthi kecepatan subsonik.Iki kedadeyan, contone, nalika awan bebas campuran hidrogen-udhara diuripake dening sumber kontak cilik.Ing kasus iki, geni bakal pindhah ing kacepetan saka sepuluh kanggo sawetara atus kaki saben detik.Ekspansi gas panas kanthi cepet nggawe gelombang tekanan sing kekuatane sebanding karo ukuran awan.Ing sawetara kasus, gaya gelombang kejut bisa cukup kanggo ngrusak struktur bangunan lan obyek liyane ing dalan 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 pasukan tambah, bledosan luwih mbebayani kanggo wong, bangunan lan obyek cedhak.Deflagrasi normal nyebabake bledosan nalika diobong ing papan sing sempit.Ing wilayah sing sempit, ignition bisa disebabake dening energi sing paling sithik.Nanging kanggo detonasi campuran hidrogen-udhara ing papan tanpa wates, sumber kontak sing luwih kuat dibutuhake.
Rasio tekanan ing gelombang detonasi ing campuran hidrogen-hawa kira-kira 20. Ing tekanan atmosfer, rasio 20 yaiku 300 psi.Nalika gelombang tekanan iki tabrakan karo obyek stasioner, rasio tekanan mundhak dadi 40-60.Iki amarga refleksi saka gelombang tekanan saka alangan stasioner.
Kecenderungan bocor.Amarga viskositas sing kurang lan bobot molekul sing sithik, gas H2 cenderung bocor lan malah nembus utawa nembus macem-macem bahan.
Hidrogen 8 kaping luwih entheng tinimbang gas alam, 14 kaping luwih entheng tinimbang hawa, 22 kaping luwih entheng tinimbang propana lan 57 kaping luwih entheng tinimbang uap bensin.Iki tegese yen dipasang ing njobo, gas H2 bakal cepet munggah lan dissipate, ngurangi sembarang pratandha malah bocor.Nanging bisa dadi pedhang loro.Jeblugan bisa kedadeyan yen welding bakal ditindakake ing instalasi ruangan ing ndhuwur utawa mudhun angin saka bocor H2 tanpa sinau deteksi bocor sadurunge welding.Ing papan sing ditutup, gas H2 bisa munggah lan nglumpukake saka langit-langit mudhun, kondisi sing ngidini kanggo mbangun nganti volume gedhe sadurunge dadi luwih kamungkinan kanggo teka menyang kontak karo sumber kontak cedhak lemah.
Kebakaran ora sengaja.Self-ignition minangka fenomena ing ngendi campuran gas utawa uap murub kanthi spontan tanpa sumber saka njaba.Iki uga dikenal minangka "pembakaran spontan" utawa "pembakaran spontan".Self-ignition gumantung ing suhu, ora tekanan.
Suhu autoignition yaiku suhu minimal ing ngendi bahan bakar bakal murub sacara spontan sadurunge nyala tanpa ana sumber kontak njaba nalika kontak karo hawa utawa agen oksidasi.Suhu autoignition saka wêdakakêna siji yaiku suhu sing bisa diobong kanthi spontan tanpa ana zat pengoksidasi.Suhu nyala dhewe gas H2 ing udara yaiku 585 ° C.
Energi nyala yaiku energi sing dibutuhake kanggo miwiti panyebaran nyala liwat campuran sing bisa diobong.Energi nyala minimal yaiku energi minimal sing dibutuhake kanggo ngobong campuran sing bisa diobong ing suhu lan tekanan tartamtu.Energi nyala percikan minimal kanggo gas H2 ing 1 atm udara = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Watesan mbledhos yaiku konsentrasi maksimum lan minimal uap, kabut utawa bledug ing udhara utawa oksigen nalika bledosan dumadi.Ukuran lan geometri lingkungan, uga konsentrasi bahan bakar, ngontrol watesan."Batesan bledosan" kadhangkala digunakake minangka sinonim kanggo "watesan bledosan".
Watesan mbledhos kanggo campuran H2 ing udara yaiku 18,3 vol.% (wates ngisor) lan 59 vol.% (wates ndhuwur).
Nalika ngrancang sistem pipa (Gambar 1), langkah pisanan yaiku nemtokake bahan bangunan sing dibutuhake kanggo saben jinis cairan.Lan saben cairan bakal diklasifikasikake miturut ASME B31.3 paragraf.300 (b) (1) nyatakake, "Pemilik uga tanggung jawab kanggo nemtokake kelas D, M, tekanan dhuwur, lan pipa kemurnian dhuwur, lan nemtokake manawa sistem kualitas tartamtu kudu digunakake."
Kategorisasi cairan nemtokake tingkat tes lan jinis tes sing dibutuhake, uga akeh syarat liyane adhedhasar kategori cairan.Tanggung jawab pemilik kanggo iki biasane ana ing departemen teknik pemilik utawa insinyur outsourcing.
Nalika Kode Piping Proses B31.3 ora ngandhani pemilik materi sing digunakake kanggo cairan tartamtu, nanging menehi panuntun dhumateng babagan kekuatan, kekandelan, lan syarat sambungan materi.Ana uga rong pernyataan ing introduksi kode sing nyatakake kanthi jelas:
Lan nggedhekake paragraf pisanan ing ndhuwur, paragraf B31.3.300(b)(1) uga nyatakake: "Pemilik instalasi pipa mung tanggung jawab kanggo netepi Kode iki lan netepake desain, konstruksi, inspeksi, inspeksi, lan syarat tes sing ngatur kabeh penanganan utawa proses cairan sing dadi bagean pipa.Instalasi.”Dadi, sawise netepake sawetara aturan dhasar kanggo tanggung jawab lan syarat kanggo nemtokake kategori layanan cairan, ayo ndeleng ing ngendi gas hidrogen cocog.
Amarga gas hidrogen tumindak minangka cairan sing molah malih kanthi bocor, gas hidrogen bisa dianggep minangka cairan normal utawa cairan Kelas M ing kategori B31.3 kanggo layanan cair.Kaya sing kasebut ing ndhuwur, klasifikasi penanganan cairan minangka syarat pemilik, yen 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 Cairan Normal: Layanan Cairan sing ditrapake kanggo umume pipa sing tundhuk karo kode iki, yaiku ora tundhuk karo peraturan kanggo kelas D, M, suhu dhuwur, tekanan dhuwur, utawa kebersihan cairan sing dhuwur.
(1) Toksisitas cairan kasebut gedhe banget nganti siji paparan cairan sing sithik banget sing disebabake dening bocor bisa nyebabake ciloko permanen sing serius kanggo wong sing nghirup utawa kontak karo cairan kasebut, sanajan langkah-langkah pemulihan langsung ditindakake.dijupuk
(2) Sawise nimbang desain pipa, pengalaman, kahanan operasi, lan lokasi, pemilik nemtokake manawa syarat kanggo panggunaan normal cairan kasebut ora cukup kanggo nyedhiyakake sesak sing dibutuhake kanggo nglindhungi personel saka paparan.”
Ing definisi M ing ndhuwur, gas hidrogen ora nyukupi kritéria paragraf (1) amarga ora dianggep minangka cairan beracun.Nanging, kanthi ngetrapake bagean (2), Kode kasebut ngidini klasifikasi sistem hidraulik ing kelas M sawise nimbang "...desain pipa, pengalaman, kondisi operasi lan lokasi..." Pamilik ngidini nemtokake penanganan cairan normal.Keperluan kasebut ora cukup kanggo nyukupi kabutuhan tingkat integritas sing luwih dhuwur ing desain, konstruksi, inspeksi, inspeksi lan uji coba sistem pipa gas hidrogen.
Mangga deleng Tabel 1 sadurunge ngrembug High Temperature Hydrogen Corrosion (HTHA).Kode, standar, lan peraturan kadhaptar ing tabel iki, sing kalebu enem dokumen babagan topik embrittlement hidrogen (HE), anomali korosi umum sing kalebu HTHA.OH bisa kedadeyan ing suhu sing kurang lan dhuwur.Dianggep minangka wangun karat, bisa diwiwiti kanthi pirang-pirang cara lan uga mengaruhi macem-macem bahan.
HE duwe macem-macem wujud, sing bisa dipérang dadi hidrogen cracking (HAC), hydrogen stress cracking (HSC), stress corrosion cracking (SCC), hydrogen corrosion cracking (HACC), hydrogen bubbling (HB), hydrogen cracking (HIC).)), stress oriented hydrogen cracking (SOHIC), progressive cracking (SWC), sulfide stress cracking (SSC), soft zone cracking (SZC), dan high temperature hydrogen corrosion (HTHA).
Ing wangun sing paling gampang, embrittlement hidrogen minangka mekanisme kanggo ngrusak wates butir logam, sing nyebabake nyuda daktilitas amarga penetrasi hidrogen atom.Cara kedadeyan kasebut beda-beda lan sebagian ditetepake kanthi jeneng masing-masing, kayata HTHA, ing ngendi suhu dhuwur lan hidrogen tekanan dhuwur dibutuhake kanggo embrittlement, lan SSC, ing ngendi hidrogen atom diprodhuksi minangka gas tertutup lan hidrogen.amarga karat asam, padha seep menyang kasus logam, kang bisa mimpin kanggo brittleness.Nanging asil sakabèhé padha kanggo kabeh kasus embrittlement hidrogen sing diterangake ing ndhuwur, endi kekuatan logam wis suda dening embrittlement ngisor sawetara kaku allowable, kang siji mranata panggung kanggo acara potensi catastrophic diwenehi volatility saka Cairan.
Saliyane kekandelan tembok lan kinerja gabungan mekanik, ana rong faktor utama sing kudu ditimbang nalika milih bahan kanggo layanan gas H2: 1. Paparan hidrogen suhu dhuwur (HTHA) lan 2. Keprigelan serius babagan bocor potensial.Loro-lorone topik saiki lagi dibahas.
Ora kaya hidrogen molekuler, hidrogen atom bisa nggedhekake, nyedhiyakake hidrogen ing suhu lan tekanan sing dhuwur, nggawe basis kanggo potensial HTHA.Ing kahanan kasebut, hidrogen atom bisa nyebar menyang bahan utawa peralatan pipa baja karbon, ing ngendi reaksi karo karbon ing larutan metalik kanggo mbentuk gas metana ing wates gandum.Ora bisa lolos, gas ngembang, nggawe retakan lan celah ing tembok pipa utawa prau - iki HTGA.Sampeyan bisa ndeleng kanthi jelas asil HTHA ing Gambar 2 ing ngendi retak lan retak katon ing tembok 8″.Bagean pipa ukuran nominal (NPS) sing gagal ing kondisi kasebut.
Baja karbon bisa digunakake kanggo layanan hidrogen nalika suhu operasi dijaga ing ngisor 500 ° F.Kaya kasebut ing ndhuwur, HTHA dumadi nalika gas hidrogen ditahan ing tekanan parsial dhuwur lan suhu dhuwur.Baja karbon ora dianjurake nalika tekanan sebagean hidrogen kira-kira 3000 psi lan suhu ing ndhuwur kira-kira 450 ° F (yaiku kondisi kacilakan ing Gambar 2).
Minangka bisa katon saka plot Nelson dipunéwahi ing Figure 3, sebagéyan dijupuk saka API 941, suhu dhuwur wis efek paling ing hidrogen meksa.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 diowahi iki (diadaptasi saka API 941) bisa digunakake kanggo milih bahan sing cocog kanggo layanan hidrogen ing macem-macem suhu.
Ing anjir.3 nuduhake pilihan baja sing dijamin kanggo nyegah serangan hidrogen, gumantung ing suhu operasi lan tekanan sebagean hidrogen.Baja tahan karat Austenitik ora sensitif marang HTHA lan minangka bahan sing nyenengake ing kabeh suhu lan tekanan.
Baja tahan karat Austenitic 316/316L minangka bahan sing paling praktis kanggo aplikasi hidrogen lan nduweni rekaman trek sing wis kabukten.Nalika perawatan panas post-weld (PWHT) dianjurake kanggo baja karbon kanggo calcinate hidrogen residual sak welding lan nyuda atose zona kena pengaruh panas (HAZ) sawise welding, iku ora dibutuhake kanggo stainless steels austenitic.
Efek termothermal sing disebabake dening perawatan panas lan welding duweni pengaruh cilik ing sifat mekanik baja tahan karat austenitik.Nanging, kerja sing adhem bisa nambah sifat mekanik baja tahan karat austenitik, kayata kekuatan lan kekerasan.Nalika mlengkung lan mbentuk pipa saka baja tahan karat austenitik, sifat mekanike diganti, kalebu nyuda plastisitas materi.
Yen baja tahan karat austenitik mbutuhake kadhemen, anil solusi (pemanasan nganti kira-kira 1045 ° C banjur dipateni utawa pendinginan kanthi cepet) bakal mulihake sifat mekanik materi kasebut menyang nilai asline.Uga bakal ngilangi pamisahan campuran, sensitisasi lan fase sigma sing diraih sawise kerja sing adhem.Nalika nindakake anil solusi, elinga yen pendinginan kanthi cepet bisa nyebabake stres residual maneh menyang materi yen ora ditangani kanthi bener.
Deleng tabel GR-2.1.1-1 Indeks Spesifikasi Material Piping lan Tubing lan Indeks Spesifikasi Bahan Pipa GR-2.1.1-2 ing ASME B31 kanggo pilihan material sing bisa ditampa kanggo layanan H2.pipo iku panggonan sing apik kanggo miwiti.
Kanthi bobot atom standar 1.008 unit massa atom (amu), hidrogen minangka unsur paling entheng lan paling cilik ing tabel périodik, lan mulane nduweni kecenderungan dhuwur kanggo bocor, kanthi akibat sing bisa ngrusak, aku bisa nambah.Mula, sistem pipa gas kudu dirancang kanthi cara kanggo mbatesi sambungan jinis mekanik lan nambah sambungan sing pancen dibutuhake.
Nalika mbatesi titik bocor potensial, sistem kudu dilas kanthi lengkap, kajaba sambungan flanged ing peralatan, unsur pipa lan fitting.Sambungan Utas kudu nyingkiri sabisa, yen ora rampung.Yen sambungan Utas ora bisa nyingkiri kanggo alesan apa wae, disaranake kanggo melu tanpa sealant Utas lan banjur segel weld.Nalika nggunakake pipa baja karbon, sambungan pipa kudu dilas lan post weld heat treated (PWHT).Sawise welding, pipa ing zona kena panas (HAZ) kena serangan hidrogen sanajan ing suhu sekitar.Nalika serangan hidrogen dumadi utamane ing suhu sing dhuwur, tahap PWHT bakal nyuda, yen ora ngilangi, kemungkinan kasebut sanajan ing kahanan sekitar.
Titik lemah saka sistem sing dilas kabeh yaiku sambungan flange.Kanggo mesthekake tingkat dhuwur saka tightness ing sambungan flange, gaskets Kammprofile (fig. 4) utawa wangun liyane saka gaskets kudu digunakake.Digawe kanthi cara sing meh padha dening sawetara manufaktur, pad iki banget ngapura.Iku kasusun saka dering kabeh-logam toothed sandwiched antarane alus, bahan sealing deformable.Untu musataken beban bolt ing area sing luwih cilik kanggo nyedhiyakake pas sing nyenyet kanthi kurang stres.Iki dirancang kanthi cara sing bisa ngimbangi permukaan flange sing ora rata uga kahanan operasi sing fluktuatif.
Figure 4. Gaskets Kammprofile duwe inti logam kaiket ing loro-lorone karo pangisi alus.
Faktor penting liyane ing integritas sistem yaiku katup.Bocor ing saubengé segel gagang lan flensa awak minangka masalah nyata.Kanggo nyegah iki, dianjurake kanggo milih katup kanthi segel bellow.
Gunakake 1 inch.Pipa baja karbon sekolah 80, ing conto ing ngisor iki, diwenehi toleransi manufaktur, karat lan toleransi mekanik miturut ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum sing diidini (MAWP) bisa diwilang ing rong langkah ing suhu nganti 300 ° F (Cathetan: Alesan kanggo "... kanggo suhu nganti 300ºF ... 300ºF.(S), dadi Persamaan (1) mbutuhake Nyetel suhu ing ndhuwur 300ºF.)
Ngarujuk marang rumus (1), langkah pisanan yaiku ngitung tekanan bledosan teoritis pipa.
T = kekandelan tembok pipa dikurangi toleransi mekanik, korosi lan manufaktur, ing inci.
Pérangan liya saka proses kasebut yaiku ngetung tekanan kerja maksimum sing diidini Pa saka pipa kanthi nggunakake faktor safety S f kanggo asil P miturut persamaan (2):
Dadi, nalika nggunakake materi 1″ sekolah 80, tekanan bledosan diitung kaya ing ngisor iki:
Safety Sf saka 4 banjur ditrapake miturut ASME Pressure Vessel Rekomendasi Bagean VIII-1 2019, Paragraf 8. UG-101 diitung kaya ing ngisor iki:
Nilai MAWP sing diasilake yaiku 810 psi.inch nuduhake pipe mung.Sambungan flange utawa komponen kanthi rating paling murah ing sistem bakal dadi faktor penentu kanggo nemtokake tekanan sing diidini ing sistem kasebut.
Per ASME B16.5, tekanan kerja maksimum sing diidini kanggo 150 fitting flange baja karbon yaiku 285 psi.inci ing -20 ° F nganti 100 ° F.Kelas 300 nduweni tekanan kerja maksimal sing diijini 740 psi.Iki bakal dadi faktor watesan tekanan sistem miturut conto spesifikasi materi ing ngisor iki.Uga, mung ing tes hidrostatik, nilai kasebut bisa ngluwihi 1,5 kaping.
Minangka conto spesifikasi bahan baja karbon dhasar, spesifikasi garis layanan gas H2 beroperasi ing suhu sekitar ngisor tekanan desain 740 psi.inch, bisa ngemot syarat materi ditampilake ing Tabel 2. Ing ngisor iki jinis sing mbutuhake manungsa waé kanggo kalebu ing specification:
Kajaba saka pipa dhewe, ana akeh unsur sing nggawe sistem pipa kayata fitting, klep, peralatan baris, lan liya-liyane.Wacana iki.