Бұл шолуда сутегін таратуға арналған құбыр жүйелерін қауіпсіз жобалау бойынша ұсыныстар берілген.
Сутегі - ағып кетуге бейімділігі жоғары өте ұшқыш сұйықтық. Бұл өте қауіпті және өлімге әкелетін бейімділіктердің үйлесімі, бақылау қиын ұшқыш сұйықтық. Бұл материалдарды, тығыздағыштарды және тығыздағыштарды таңдағанда, сондай-ақ мұндай жүйелердің жобалау сипаттамаларын ескеру қажет үрдістер. Газ тәрізді H2 таралуы туралы осы тақырыптар осы талқылаудың негізгі тақырыбы болып табылады, H2, сұйық H2 немесе сұйық H2 өндірісі емес (оң жақ бүйірлік тақтаны қараңыз).
Сутегі мен H2-ауа қоспасын түсінуге көмектесетін бірнеше негізгі мәселелер. Сутегі екі жолмен жанады: дефлаграция және жарылыс.
дефлаграция. Дефлаграция - жалынның қоспа арқылы дыбыстан төмен жылдамдықпен таралатын кең таралған жану режимі. Бұл, мысалы, сутегі-ауа қоспасының бос бұлты кішкентай тұтану көзімен тұтанған кезде орын алады. Бұл жағдайда жалын секундына оннан бірнеше жүз футқа дейінгі жылдамдықпен қозғалады. Ыстық газдың тез кеңеюі бұлттың өлшеміне пропорционалды қысым толқындарын тудырады. Кейбір жағдайларда соққы толқынының күші құрылыс конструкциялары мен оның жолындағы басқа заттарды зақымдауға және жарақат алуға жеткілікті болуы мүмкін.
жарылыс. Жарылған кезде, жалын мен соққы толқындары қоспа арқылы дыбыстан жоғары жылдамдықпен тарады. Детонация толқынындағы қысым қатынасы детонацияға қарағанда әлдеқайда жоғары. Күштің артуына байланысты жарылыс адамдар, ғимараттар және жақын маңдағы заттар үшін қауіптірек. Қалыпты дефлаграция жабық кеңістікте тұтанған кезде жарылысқа әкеледі. Мұндай тар аймақта тұтану ең аз энергия мөлшерінен туындауы мүмкін. Бірақ шексіз кеңістікте сутегі-ауа қоспасының детонациясы үшін қуатты тұтану көзі қажет.
Сутегі-ауа қоспасындағы детонация толқынындағы қысым қатынасы шамамен 20 құрайды. Атмосфералық қысымда 20 қатынасы 300 psi құрайды. Бұл қысым толқыны қозғалмайтын затпен соқтығысқанда, қысым қатынасы 40-60 дейін артады. Бұл қозғалмайтын кедергіден қысым толқынының шағылысуына байланысты.
Ағып кетуге бейімділік. Тұтқырлығы төмен және молекулалық салмағы төмен болғандықтан, H2 газы әртүрлі материалдардың ағып кетуіне және тіпті енуіне немесе енуіне бейімділігі жоғары.
Сутегі табиғи газдан 8 есе, ауадан 14 есе, пропаннан 22 есе және бензин буынан 57 есе жеңіл. Бұл дегеніміз, ашық ауада орнатылған кезде H2 газы тез көтеріліп, таралады, бұл біркелкі ағып кету белгілерін азайтады. Бірақ бұл екі жақты қылыш болуы мүмкін. Егер дәнекерлеу алдында ағып кетуді анықтауды зерттемей, H2 ағып кетуінің үстінде немесе желге қарай ашық жерде дәнекерлеу жүргізілсе, жарылыс болуы мүмкін. Жабық кеңістікте H2 газы төбеден төмен көтеріліп, жиналуы мүмкін, бұл жағдай оның жерге жақын тұтану көздерімен жанасу ықтималдығы жоғары болғанға дейін үлкен көлемге дейін жиналуына мүмкіндік береді.
Кездейсоқ өрт. Өздігінен тұтану - бұл газдар немесе булар қоспасы сыртқы тұтану көзінсіз өздігінен тұтанатын құбылыс. Ол сондай-ақ «өздігінен жану» немесе «өздігінен жану» деп аталады. Өздігінен тұтану қысымға емес, температураға байланысты.
Өздігінен тұтану температурасы - ауамен немесе тотықтырғыш агентпен жанасқан кезде сыртқы тұтану көзі болмаған кезде отын тұтану алдында өздігінен тұтанатын ең төменгі температура. Бір ұнтақтың өздігінен тұтану температурасы - тотықтырғыш агент болмаған кезде оның өздігінен тұтанатын температурасы. Ауадағы газ тәрізді H2 өздігінен тұтану температурасы 585°C.
Тұтану энергиясы - жанғыш қоспа арқылы жалынның таралуын бастау үшін қажетті энергия. Ең аз тұтану энергиясы - белгілі бір температура мен қысымда белгілі бір жанғыш қоспаны тұтандыру үшін қажетті ең аз энергия. 1 атм ауадағы газ тәрізді H2 үшін ең аз ұшқын тұтану энергиясы = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 мДж).
Жарылыс шегі – жарылыс болатын ауадағы немесе оттегідегі будың, тұманның немесе шаңның ең жоғары және ең төменгі концентрациясы. Қоршаған ортаның мөлшері мен геометриясы, сондай-ақ отынның концентрациясы шектеулерді басқарады. «Жарылыс шегі» кейде «жарылыс шегі» сөзінің синонимі ретінде қолданылады.
Ауадағы H2 қоспаларының жарылғыштық шегі 18,3 көлем% (төменгі шек) және 59 көлем% (жоғарғы шек).
Құбыр жүйелерін жобалау кезінде (1-сурет), бірінші қадам - ​​әрбір сұйықтық түріне қажетті құрылыс материалдарын анықтау. Әр сұйықтық ASME B31.3 тармағына сәйкес жіктеледі. 300(b)(1) тармағында: «Иесі сонымен қатар D, M класын, жоғары қысымды және жоғары тазалықтағы құбырларды анықтауға және белгілі бір сапа жүйесін пайдалану керектігін анықтауға жауапты» делінген.
Сұйықтықты санаттау сынақ дәрежесін және қажетті сынақ түрін, сондай-ақ сұйықтық санатына негізделген басқа да көптеген талаптарды анықтайды. Бұл үшін иесінің жауапкершілігі әдетте иесінің инженерлік бөліміне немесе аутсорсингтік инженерге жүктеледі.
B31.3 технологиялық құбырлар кодексі иесіне белгілі бір сұйықтық үшін қандай материалды пайдалану керектігін айтпаса да, беріктік, қалыңдық және материалды қосу талаптары бойынша нұсқаулық береді. Кодекстің кіріспесінде де анық көрсетілген екі мәлімдеме бар:
Жоғарыдағы бірінші абзацты, B31.3. 300(b)(1) тармағын кеңейтіп, былай делінген: «Құбыр қондырғысының иесі осы Кодексті сақтауға және құбыр бөлігі болып табылатын барлық сұйықтықты өңдеуді немесе процесті реттейтін жобалау, салу, тексеру, тексеру және сынау талаптарын белгілеуге толық жауапты. Орнату». Сонымен, сұйықтық қызметінің санаттарын анықтауға арналған жауапкершілік пен талаптардың кейбір негізгі ережелерін белгілегеннен кейін, сутегі газының қай жерде орналасқанын қарастырайық.
Сутегі газы ағып кететін ұшқыш сұйықтық ретінде әрекет ететіндіктен, сутегі газын сұйықтыққа қызмет көрсету үшін B31.3 санаты бойынша қалыпты сұйықтық немесе M класындағы сұйықтық деп санауға болады. Жоғарыда айтылғандай, сұйықтықты өңдеудің жіктелуі, егер ол B31.3, 3-тармақта сипатталған таңдалған санаттар бойынша нұсқауларға сәйкес келсе, иесінің талабы болып табылады. 300.2 «Гидравликалық қызметтер» бөліміндегі анықтамалар. Төменде қалыпты сұйықтыққа қызмет көрсету және M класындағы сұйықтыққа қызмет көрсету анықтамалары берілген:
«Қалыпты сұйықтық қызметі: Осы кодқа бағынатын көптеген құбырларға қолданылатын сұйықтық қызметі, яғни D, M кластарына, жоғары температураға, жоғары қысымға немесе сұйықтықтың жоғары тазалығына қатысты ережелерге бағынбайды.»
(1) Сұйықтықтың уыттылығы соншалықты жоғары, ағып кетуден туындаған сұйықтықтың өте аз мөлшеріне бір рет әсер ету, тіпті дереу қалпына келтіру шаралары қолданылса да, онымен тыныс алатын немесе жанасатын адамдарға ауыр тұрақты жарақат әкелуі мүмкін.
(2) Құбырдың дизайнын, тәжірибесін, пайдалану жағдайларын және орналасқан жерін қарастырғаннан кейін, иесі сұйықтықты қалыпты пайдалану талаптары персоналды әсерден қорғау үшін қажетті тығыздықты қамтамасыз ету үшін жеткіліксіз деп шешеді.
Жоғарыда келтірілген M анықтамасында сутегі газы (1) тармақшаның критерийлеріне сәйкес келмейді, себебі ол улы сұйықтық болып саналмайды. Дегенмен, (2) тармақшаны қолдану арқылы Кодекс «...құбырлардың дизайны, тәжірибесі, жұмыс жағдайлары және орналасқан жері...» тиісті түрде ескерілгеннен кейін гидравликалық жүйелерді M класына жіктеуге рұқсат береді. Иесі сұйықтықтың қалыпты жұмыс істеуін анықтауға рұқсат береді. Талаптар сутегі газы құбыр жүйелерін жобалау, салу, тексеру, тексеру және сынау кезінде тұтастықтың жоғары деңгейіне қойылатын қажеттілікті қанағаттандыру үшін жеткіліксіз.
Жоғары температуралы сутек коррозиясын (HTHA) талқыламас бұрын 1-кестені қараңыз. Бұл кестеде кодтар, стандарттар және ережелер келтірілген, оған HTHA қамтитын кең таралған коррозия аномалиясы болып табылатын сутектің морт сынуы (HE) тақырыбына арналған алты құжат кіреді. OH төмен және жоғары температураларда пайда болуы мүмкін. Коррозияның бір түрі болып саналатындықтан, ол бірнеше жолмен басталуы мүмкін және сонымен қатар материалдардың кең ауқымына әсер етеді.
HE әртүрлі формаларға ие, оларды сутектік крекинг (HAC), сутектік кернеулік крекинг (HSC), кернеулік коррозиялық крекинг (SCC), сутектік коррозиялық крекинг (HACC), сутектік көпіршіктену (HB), сутектік крекинг (HIC). )), кернеуге бағытталған сутектік крекинг (SOHIC), прогрессивті крекинг (SWC), сульфидтік кернеулік крекинг (SSC), жұмсақ аймақтық крекинг (SZC) және жоғары температуралы сутектік коррозия (HTHA) деп бөлуге болады.
Қарапайым түрде сутегінің морт сынуы металл түйіршіктерінің шекараларының бұзылуының механизмі болып табылады, бұл атомдық сутегінің енуіне байланысты икемділіктің төмендеуіне әкеледі. Мұның қалай болатыны әртүрлі және ішінара олардың тиісті атауларымен анықталады, мысалы, морт сыну үшін бір мезгілде жоғары температура мен жоғары қысымды сутегі қажет болатын HTHA және атомдық сутегі жабық газдар мен сутегі түрінде өндірілетін SSC. қышқылдық коррозияға байланысты олар металл корпустарына сіңіп, морттыққа әкелуі мүмкін. Бірақ жалпы нәтиже жоғарыда сипатталған сутегінің морт сынуының барлық жағдайларымен бірдей, мұнда металлдың беріктігі рұқсат етілген кернеу диапазонынан төмен морт сыну арқылы төмендейді, бұл өз кезегінде сұйықтықтың тұрақсыздығын ескере отырып, ықтимал апатты оқиғаға негіз болады.
Қабырға қалыңдығы мен механикалық қосылыстың өнімділігінен басқа, H2 газына қызмет көрсету үшін материалдарды таңдаған кезде ескеру қажет екі негізгі фактор бар: 1. Жоғары температуралы сутегінің (HTHA) әсері және 2. Ықтимал ағып кетуге қатысты елеулі алаңдаушылық. Екі тақырып та қазіргі уақытта талқылануда.
Молекулалық сутегінен айырмашылығы, атомдық сутегі кеңейіп, сутегін жоғары температура мен қысымға ұшыратып, ықтимал HTHA үшін негіз жасай алады. Мұндай жағдайларда атомдық сутегі көміртекті болаттан жасалған құбыр материалдарына немесе жабдықтарына диффузиялана алады, онда ол металл ерітіндісіндегі көміртекпен әрекеттесіп, түйіршік шекараларында метан газын түзеді. Шыға алмаған газ кеңейіп, құбырлардың немесе ыдыстардың қабырғаларында жарықтар мен саңылаулар пайда болады – бұл HTGA. HTHA нәтижелерін 2-суретте анық көруге болады, мұнда 8 дюймдік қабырғада жарықтар мен сызаттар айқын көрінеді. Осы жағдайларда істен шығатын номиналды өлшемдегі құбыр бөлігі (NPS).
Көміртекті болатты жұмыс температурасы 500°F төмен болған кезде сутегімен жұмыс істеу үшін пайдалануға болады. Жоғарыда айтылғандай, HTHA сутегі газы жоғары парциалды қысым мен жоғары температурада ұсталған кезде пайда болады. Сутегінің парциалды қысымы шамамен 3000 psi және температурасы шамамен 450°F жоғары болған кезде (бұл 2-суретте көрсетілген апат жағдайы) көміртекті болат ұсынылмайды.
3-суреттегі өзгертілген Нельсон графигінен көрініп тұрғандай, ішінара API 941 стандартынан алынған, жоғары температура сутегінің қысымына ең үлкен әсер етеді. 500°F дейінгі температурада жұмыс істейтін көміртекті болаттармен бірге қолданылған кезде сутегі газының парциалды қысымы 1000 psi-ден асуы мүмкін.
3-сурет. Бұл өзгертілген Нельсон диаграммасы (API 941 стандартынан бейімделген) әртүрлі температурада сутегімен жұмыс істеуге жарамды материалдарды таңдау үшін пайдаланылуы мүмкін.
3-суретте жұмыс температурасы мен сутегінің парциалды қысымына байланысты сутегі шабуылынан аулақ болатынына кепілдік берілген болаттардың таңдауы көрсетілген. Аустениттік тот баспайтын болаттар HTHA-ға сезімтал емес және барлық температура мен қысымда қанағаттанарлық материалдар болып табылады.
Аустениттік 316/316L тот баспайтын болат сутегімен жұмыс істеу үшін ең практикалық материал болып табылады және дәлелденген тәжірибесі бар. Дәнекерлеу кезінде қалдық сутегін кальцийлеу және дәнекерлеуден кейін жылу әсер ететін аймақтың (HAZ) қаттылығын азайту үшін көміртекті болаттарды дәнекерлеуден кейінгі термиялық өңдеу (PWHT) ұсынылады, бірақ аустениттік тот баспайтын болаттар үшін бұл қажет емес.
Термиялық өңдеу және дәнекерлеу нәтижесінде пайда болатын термотермиялық әсерлер аустениттік тот баспайтын болаттардың механикалық қасиеттеріне аз әсер етеді. Дегенмен, суық өңдеу аустениттік тот баспайтын болаттардың беріктігі мен қаттылығы сияқты механикалық қасиеттерін жақсарта алады. Аустениттік тот баспайтын болаттан құбырларды майыстыру және қалыптастыру кезінде олардың механикалық қасиеттері өзгереді, соның ішінде материалдың пластикалығының төмендеуі.
Егер аустениттік тот баспайтын болат суықтай қалыптауды қажет етсе, ерітіндімен күйдіру (шамамен 1045°C дейін қыздыру, содан кейін сөндіру немесе тез салқындату) материалдың механикалық қасиеттерін бастапқы мәндеріне қайтарады. Сондай-ақ, суықтай өңдеуден кейін қол жеткізілген қорытпаның бөлінуін, сенсибилизациясын және сигма фазасын жояды. Ерітіндімен күйдіру кезінде, дұрыс өңделмеген жағдайда, тез салқындату материалға қалдық кернеуді қайтаруы мүмкін екенін ескеріңіз.
H2 қызметі үшін қолайлы материал таңдауын ASME B31 бағдарламасындағы GR-2.1.1-1 Құбырлар мен түтіктерді құрастыру материалының сипаттама индексі және GR-2.1.1-2 Құбырлар материалының сипаттама индексі кестелерінен қараңыз. құбырлар бастау үшін жақсы орын.
Стандартты атомдық салмағы 1,008 атомдық масса бірлігі (amu) болғандықтан, сутегі периодтық кестедегі ең жеңіл және ең кіші элемент болып табылады, сондықтан оның ағып кетуге бейімділігі жоғары, бұл апатты салдарға әкелуі мүмкін деп қосар едім. Сондықтан, газ құбыры жүйесі механикалық типтегі қосылыстарды шектейтін және шынымен қажет қосылыстарды жақсартатындай етіп жобалануы керек.
Ықтимал ағып кету нүктелерін шектеген кезде, жабдықтағы, құбыр элементтеріндегі және фитингтердегі фланецті қосылыстарды қоспағанда, жүйе толығымен дәнекерленуі керек. Бұрандалы қосылыстардан толықтай болмаса да, мүмкіндігінше аулақ болу керек. Егер қандай да бір себептермен бұрандалы қосылыстардан аулақ болу мүмкін болмаса, оларды бұрандалы тығыздағышсыз толығымен жалғап, содан кейін дәнекерлеуді тығыздау ұсынылады. Көміртекті болат құбырды пайдаланған кезде, құбыр қосылыстары түйіспесі дәнекерленіп, дәнекерлеуден кейінгі термиялық өңдеуден (PWHT) өтуі керек. Дәнекерлеуден кейін жылу әсер ететін аймақтағы (HAZ) құбырлар қоршаған орта температурасында да сутегі шабуылына ұшырайды. Сутегі шабуылы негізінен жоғары температурада жүрсе де, PWHT сатысы қоршаған орта жағдайында да бұл мүмкіндікті толығымен азайтады, тіпті жояды.
Толық дәнекерленген жүйенің әлсіз тұсы - фланецті қосылыс. Фланецті қосылыстарда жоғары тығыздықты қамтамасыз ету үшін Kammprofile төсемдерін (4-сурет) немесе басқа төсем түрлерін пайдалану керек. Бірнеше өндірушілер дәл осындай тәсілмен жасаған бұл төсем өте ыңғайлы. Ол жұмсақ, деформацияланатын тығыздағыш материалдардың арасына орналастырылған тісті тұтастай металл сақиналардан тұрады. Тістер болттың жүктемесін аз кернеумен тығыз орналасуды қамтамасыз ету үшін кішірек аймаққа шоғырландырады. Ол фланец беттерінің біркелкі еместігін, сондай-ақ ауытқып тұратын жұмыс жағдайларын өтей алатындай етіп жасалған.
4-сурет. Каммпрофильді төсемдердің екі жағында да жұмсақ толтырғышпен бекітілген металл өзегі бар.
Жүйенің тұтастығының тағы бір маңызды факторы - клапан. Штативті тығыздағыш пен корпус фланецтерінің айналасындағы ағып кетулер нақты мәселе болып табылады. Мұның алдын алу үшін сильфонды тығыздағышы бар клапанды таңдау ұсынылады.
Төмендегі мысалда ASTM A106 Gr B стандартына сәйкес өндірістік төзімділік, коррозия және механикалық төзімділік берілген 1 дюймдік School 80 көміртекті болат құбырын пайдаланыңыз, рұқсат етілген ең жоғары жұмыс қысымын (MAWP) 300°F дейінгі температурада екі қадаммен есептеуге болады (Ескерту: «...300ºF дейінгі температура үшін...» себебі, ASTM A106 Gr B материалының рұқсат етілген кернеуі (S) температура 300ºF (S) асқан кезде нашарлай бастайды, сондықтан (1) теңдеу 300ºF жоғары температураға реттеуді талап етеді.)
(1) формуласына сүйене отырып, бірінші қадам құбырдың теориялық жарылыс қысымын есептеу болып табылады.
T = құбыр қабырғасының қалыңдығынан механикалық, коррозияға және өндірістік төзімділікті алып тастағанда, дюйммен көрсетілген.
Процестің екінші бөлігі (2) теңдеуіне сәйкес P нәтижесіне қауіпсіздік коэффициентін S f қолдану арқылы құбырдың рұқсат етілген ең жоғары жұмыс қысымы Pa есептеу болып табылады:
Осылайша, 1 дюймдік мектеп 80 материалын пайдаланған кезде, жарылыс қысымы келесідей есептеледі:
Содан кейін ASME қысымды ыдыстарға арналған ұсыныстарының VIII-1 бөлімінің 2019 жылғы 8-тармағына сәйкес 4 қауіпсіздік Sf қолданылады. UG-101 келесідей есептеледі:
Нәтижесінде алынған MAWP мәні 810 psi. дюймге тең, бұл тек құбырға қатысты. Жүйедегі ең төменгі рейтингі бар фланецті қосылым немесе компонент жүйедегі рұқсат етілген қысымды анықтауда шешуші фактор болады.
ASME B16.5 стандартына сәйкес, 150 көміртекті болаттан жасалған фланецті фитингтер үшін рұқсат етілген ең жоғары жұмыс қысымы -20°F-тан 100°F-қа дейінгі температурада 285 psi дюймді құрайды. 300 класының рұқсат етілген ең жоғары жұмыс қысымы 740 psi құрайды. Бұл төмендегі материалдың сипаттамалық мысалына сәйкес жүйенің қысым шекті коэффициенті болады. Сондай-ақ, тек гидростатикалық сынақтарда ғана бұл мәндер 1,5 еседен асуы мүмкін.
Көміртекті болат материалының негізгі сипаттамасына мысал ретінде, қоршаған орта температурасында 740 psi. дюймдік жобалық қысымнан төмен жұмыс істейтін H2 газ қызмет көрсету желісінің сипаттамасы 2-кестеде көрсетілген материал талаптарын қамтуы мүмкін. Төменде сипаттамаға назар аударуды қажет ететін түрлер келтірілген:
Құбырдың өзінен басқа, құбыр жүйесін құрайтын көптеген элементтер бар, мысалы, фитингтер, клапандар, желілік жабдықтар және т.б. Бұл элементтердің көпшілігі оларды егжей-тегжейлі талқылау үшін құбырға біріктірілетін болса да, бұл үшін сыйымдылығы бар беттерден көп бет қажет болады. Бұл мақала.