이 개요는 수소 분배를 위한 배관 시스템의 안전한 설계를 위한 권장 사항을 제공합니다.
수소는 누출 경향이 높은 휘발성 액체입니다.그것은 매우 위험하고 치명적인 경향의 조합, 제어하기 어려운 휘발성 액체입니다.재료, 개스킷 및 씰을 선택할 때 고려해야 할 추세와 이러한 시스템의 설계 특성입니다.기체 H2 분포에 대한 이러한 주제는 H2, 액체 H2 또는 액체 H2의 생성이 아니라 이 논의의 초점입니다(오른쪽 사이드바 참조).
다음은 수소와 H2-공기의 혼합물을 이해하는 데 도움이 되는 몇 가지 핵심 사항입니다.수소는 폭연과 폭발의 두 가지 방식으로 연소됩니다.
폭연.폭연은 화염이 아음속으로 혼합물을 통해 이동하는 일반적인 연소 모드입니다.예를 들어, 이것은 수소-공기 혼합물의 자유로운 구름이 작은 점화원에 의해 점화될 때 발생합니다.이 경우 화염은 초당 10에서 수백 피트의 속도로 이동합니다.뜨거운 가스의 급속한 팽창은 구름의 크기에 비례하는 강도의 압력파를 생성합니다.어떤 경우에는 충격파의 힘이 건물 구조물과 그 경로에 있는 다른 물체를 손상시키고 부상을 입힐 수 있습니다.
터지다.폭발했을 때 화염과 충격파가 혼합물을 초음속으로 이동했습니다.폭발파의 압력 비율은 폭발보다 훨씬 큽니다.증가된 힘으로 인해 폭발은 사람, 건물 및 주변 물체에 더 위험합니다.정상적인 폭연은 밀폐된 공간에서 점화될 때 폭발을 일으킵니다.이렇게 좁은 공간에서는 최소한의 에너지로도 발화가 ​​일어날 수 있습니다.그러나 무제한 공간에서 수소-공기 혼합물을 폭발시키려면 더 강력한 발화원이 필요합니다.
수소-공기 혼합물에서 폭발파에 걸친 압력 비율은 약 20입니다. 대기압에서 비율 20은 300psi입니다.이 압력파가 정지된 물체와 충돌하면 압력비가 40-60으로 증가합니다.이는 고정된 장애물에서 압력파가 반사되기 때문입니다.
누출 경향.낮은 점도와 저분자량으로 인해 H2 가스는 누출 경향이 높으며 다양한 물질에 침투하거나 침투하기도 합니다.
수소는 천연가스보다 8배, 공기보다 14배, 프로판보다 22배, 휘발유 증기보다 57배 가볍습니다.즉, 실외에 설치하면 H2 가스가 빠르게 상승하고 소멸되어 누출 징후가 줄어듭니다.그러나 양날의 검이 될 수 있습니다.용접 전에 누출 감지 연구 없이 H2 누출 위 또는 바람이 부는 방향에서 옥외 설치에서 용접을 수행하는 경우 폭발이 발생할 수 있습니다.밀폐된 공간에서 H2 가스는 상승하여 천장 아래로 축적될 수 있으며, 이는 지면 근처의 발화원과 접촉하기 전에 대량으로 축적될 수 있는 조건입니다.
우발적인 화재.자기 발화는 가스 또는 증기의 혼합물이 외부 발화원 없이 자발적으로 발화하는 현상입니다."자발적 연소" 또는 "자발적 연소"라고도 합니다.자기 발화는 압력이 아닌 온도에 따라 달라집니다.
자연 발화 온도는 공기 또는 산화제와 접촉하여 외부 발화원이 없을 때 연료가 점화되기 전에 자발적으로 발화하는 최소 온도입니다.단일 분말의 자연 발화 온도는 산화제가 없는 상태에서 자연 발화하는 온도입니다.공기 중의 기체 H2의 자연 발화 온도는 585°C입니다.
점화 에너지는 가연성 혼합물을 통해 화염 전파를 시작하는 데 필요한 에너지입니다.최소 점화 에너지는 특정 온도 및 압력에서 특정 가연성 혼합물을 점화하는 데 필요한 최소 에너지입니다.공기 1atm의 기체 H2에 대한 최소 스파크 점화 에너지 = 1.9 × 10–8 BTU(0.02mJ).
폭발 한계는 폭발이 발생하는 공기 또는 산소 중 증기, 미스트 또는 먼지의 최대 및 최소 농도입니다.연료의 농도뿐만 아니라 환경의 크기와 구조가 한계를 제어합니다."폭발 한계"는 때때로 "폭발 한계"의 동의어로 사용됩니다.
공기 중 H2 혼합물의 폭발 한계는 18.3vol.%(하한) 및 59vol.%(상한)입니다.
배관 시스템을 설계할 때(그림 1) 첫 번째 단계는 각 유형의 유체에 필요한 건축 자재를 결정하는 것입니다.그리고 각 유체는 ASME B31.3 단락에 따라 분류됩니다.300(b)(1)에는 "소유자는 클래스 D, M, 고압 및 고순도 배관을 결정하고 특정 품질 시스템을 사용해야 하는지 여부를 결정할 책임도 있습니다."라고 명시되어 있습니다.
유체 분류는 테스트 정도와 필요한 테스트 유형은 물론 유체 범주를 기반으로 하는 기타 많은 요구 사항을 정의합니다.이에 대한 소유자의 책임은 일반적으로 소유자의 엔지니어링 부서 또는 외주 엔지니어에게 있습니다.
B31.3 Process Piping Code는 소유주에게 특정 유체에 사용할 재료를 알려주지 않지만 강도, 두께 및 재료 연결 요구 사항에 대한 지침을 제공합니다.또한 코드 소개에는 다음과 같이 명확하게 설명하는 두 가지 문이 있습니다.
그리고 위의 첫 번째 단락 B31.3을 확장합니다.300(b)(1)은 또한 다음과 같이 명시합니다.설치."따라서 유체 서비스 범주를 정의하기 위한 책임 및 요구 사항에 대한 몇 가지 기본 규칙을 정한 후 수소 가스가 어디에 적합한지 살펴보겠습니다.
수소 가스는 누출이 있는 휘발성 액체로 작용하기 때문에 수소 가스는 일반 액체 또는 액체 서비스에 대한 범주 B31.3의 클래스 M 액체로 간주될 수 있습니다.위에서 언급한 바와 같이 유체 취급 분류는 B31.3, 단락 3에 설명된 선택된 범주에 대한 지침을 충족하는 경우 소유자 요구 사항입니다. 300.2 "유압 서비스" 섹션의 정의.다음은 일반 유체 서비스 및 클래스 M 유체 서비스에 대한 정의입니다.
“정상 유체 서비스: 이 코드가 적용되는 대부분의 배관에 적용되는 유체 서비스, 즉 클래스 D, M, 고온, 고압 또는 높은 유체 청정도에 대한 규정이 적용되지 않습니다.
(1) 유체의 독성이 매우 커서 누출로 인한 미량의 유체에 단 한 번만 노출되면 즉시 복구 조치를 취하더라도 이를 흡입하거나 접촉하는 사람에게 심각한 영구적인 상해를 입힐 수 있습니다.찍은
(2) 파이프라인 설계, 경험, 작동 조건 및 위치를 고려한 후 소유자는 유체의 정상적인 사용에 대한 요구 사항이 직원을 노출로부터 보호하는 데 필요한 견고성을 제공하기에 충분하지 않다고 결정합니다.”
상기 M의 정의에서 수소가스는 독성액체에 해당하지 않으므로 상기 (1)항의 기준을 만족하지 못한다.그러나 하위 섹션 (2)를 적용하여 코드는 "...파이프 설계, 경험, 작동 조건 및 위치..."를 충분히 고려한 후 클래스 M의 유압 시스템 분류를 허용합니다. 소유자는 정상적인 유체 취급 결정을 허용합니다.요구 사항은 수소 가스 배관 시스템의 설계, 구성, 검사, 검사 및 테스트에서 더 높은 수준의 무결성에 대한 요구를 충족시키기에는 불충분합니다.
고온 수소 부식(HTHA)에 대해 논의하기 전에 표 1을 참조하십시오.코드, 표준 및 규정이 이 표에 나열되어 있으며 여기에는 HTHA를 포함하는 일반적인 부식 이상인 수소 취성(HE) 주제에 대한 6개의 문서가 포함되어 있습니다.OH는 저온 및 고온에서 발생할 수 있습니다.부식의 한 형태로 간주되며 여러 가지 방식으로 시작될 수 있으며 광범위한 재료에 영향을 미칩니다.
HE는 다양한 형태를 가지고 있으며 수소 분해(HAC), 수소 응력 분해(HSC), 응력 부식 균열(SCC), 수소 부식 균열(HACC), 수소 버블링(HB), 수소 분해(HIC)로 나눌 수 있습니다.)), 응력 지향 수소 균열(SOHIC), 점진적 균열(SWC), 황화물 응력 균열(SSC), 연질 영역 균열(SZC) 및 고온 수소 부식(HTHA).
가장 단순한 형태의 수소 취성은 금속 입계를 파괴하는 메커니즘으로 원자 수소의 침투로 인해 연성이 감소합니다.이것이 발생하는 방식은 다양하며 취화를 위해 동시에 고온 및 고압 수소가 필요한 HTHA와 원자 수소가 폐쇄 가스 및 수소로 생성되는 SSC와 같이 각각의 이름으로 부분적으로 정의됩니다.산성 부식으로 인해 금속 케이스에 스며들어 취성을 유발할 수 있습니다.그러나 전반적인 결과는 위에서 설명한 수소 취성의 모든 경우와 동일합니다. 여기서 금속의 강도는 허용 가능한 응력 범위 미만의 취화에 의해 감소되며, 이는 다시 액체의 휘발성으로 인해 잠재적으로 재앙적인 사건의 단계를 설정합니다.
벽 두께 및 기계적 접합 성능 외에도 H2 가스 서비스용 재료를 선택할 때 고려해야 할 두 가지 주요 요소가 있습니다. 1. 고온 수소(HTHA)에 대한 노출 및 2. 잠재적인 누출에 대한 심각한 우려.두 주제 모두 현재 논의 중입니다.
분자 수소와 달리 원자 수소는 팽창할 수 있어 수소를 고온 및 고압에 노출시켜 잠재적인 HTHA의 기초를 만듭니다.이러한 조건에서 원자 수소는 탄소강 배관 재료 또는 장비로 확산될 수 있으며 금속 용액의 탄소와 반응하여 입계에서 메탄 가스를 형성합니다.탈출할 수 없는 가스는 팽창하여 파이프나 용기의 벽에 균열과 틈새를 만듭니다. 이것이 바로 HTGA입니다.8″ 벽에서 균열과 균열이 분명한 그림 2에서 HTHA 결과를 명확하게 볼 수 있습니다.이러한 조건에서 실패하는 공칭 크기(NPS) 파이프 부분입니다.
탄소강은 작동 온도가 500°F 미만으로 유지될 때 수소 서비스에 사용할 수 있습니다.위에서 언급한 바와 같이 HTHA는 수소 가스가 높은 분압과 고온에서 유지될 때 발생합니다.탄소강은 수소 분압이 약 3000psi로 예상되고 온도가 약 450°F 이상(그림 2의 사고 조건)인 경우 권장되지 않습니다.
API 941에서 부분적으로 가져온 그림 3의 수정된 Nelson 플롯에서 볼 수 있듯이 고온은 수소 강제력에 가장 큰 영향을 미칩니다.수소 가스 분압은 최대 500°F의 온도에서 작동하는 탄소강과 함께 사용할 때 1000psi를 초과할 수 있습니다.
그림 3. 이 수정된 Nelson 차트(API 941에서 수정됨)를 사용하여 다양한 온도에서 수소 서비스에 적합한 재료를 선택할 수 있습니다.
무화과에.3은 작동 온도와 수소 부분압에 따라 수소 공격을 피할 수 있는 강철 선택을 보여줍니다.오스테나이트계 스테인리스강은 HTHA에 민감하지 않으며 모든 온도와 압력에서 만족스러운 재료입니다.
오스테나이트계 316/316L 스테인리스강은 수소 응용 분야에서 가장 실용적인 소재이며 입증된 실적을 보유하고 있습니다.용접 후 열처리(PWHT)는 용접 중 잔류 수소를 하소하고 용접 후 열영향부(HAZ) 경도를 줄이기 위해 탄소강에 권장되지만 오스테나이트 스테인리스강에는 필요하지 않습니다.
열처리 및 용접으로 인한 열적 영향은 오스테나이트계 스테인리스 강의 기계적 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다.그러나 냉간 가공은 강도 및 경도와 같은 오스테나이트계 스테인리스 강의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.오스테나이트계 스테인리스강으로 파이프를 구부리고 성형할 때 재료의 가소성 감소를 포함하여 기계적 특성이 변경됩니다.
오스테나이트 스테인리스강에 냉간 성형이 필요한 경우 용액 어닐링(약 1045°C로 가열한 후 담금질 또는 급속 냉각)하면 재료의 기계적 특성이 원래 값으로 복원됩니다.또한 냉간 가공 후 달성되는 합금 편석, 민감화 및 시그마 상을 제거합니다.용액 어닐링을 수행할 때 적절하게 처리하지 않으면 급속 냉각이 재료에 잔류 응력을 다시 넣을 수 있다는 점에 유의하십시오.
H2 서비스에 허용되는 재료 선택에 대해서는 ASME B31의 표 GR-2.1.1-1 배관 및 튜빙 어셈블리 재료 사양 지수 및 GR-2.1.1-2 배관 재료 사양 지수를 참조하십시오.파이프는 시작하기에 좋은 장소입니다.
1.008 원자 질량 단위(amu)의 표준 원자량을 가진 수소는 주기율표에서 가장 가볍고 가장 작은 원소이므로 잠재적으로 엄청난 결과를 초래할 수 있는 누출 경향이 높습니다.따라서 가스 파이프라인 시스템은 기계식 연결을 제한하고 실제로 필요한 연결을 개선하는 방식으로 설계되어야 합니다.
잠재적인 누출 지점을 제한할 때 장비, 배관 요소 및 부속품의 플랜지 연결부를 제외하고 시스템을 완전히 용접해야 합니다.스레드 연결은 완전히는 아니더라도 가능한 한 피해야 합니다.어떤 이유로든 나사산 연결을 피할 수 없는 경우 나사산 밀봉제 없이 완전히 맞물린 다음 용접부를 밀봉하는 것이 좋습니다.탄소강 파이프를 사용하는 경우 파이프 조인트를 맞대기 용접하고 용접 후 열처리(PWHT)해야 합니다.용접 후 열 영향부(HAZ)의 파이프는 주변 온도에서도 수소 공격에 노출됩니다.수소 공격은 주로 고온에서 발생하지만 PWHT 단계는 주변 조건에서도 이러한 가능성을 제거하지는 못하더라도 완전히 줄입니다.
전체 용접 시스템의 약점은 플랜지 연결입니다.플랜지 연결에서 높은 수준의 견고성을 보장하려면 Kammprofile 개스킷(그림 4) 또는 다른 형태의 개스킷을 사용해야 합니다.여러 제조업체에서 거의 동일한 방식으로 제작된 이 패드는 매우 내구성이 뛰어납니다.부드럽고 변형 가능한 밀봉 재료 사이에 끼워진 톱니 모양의 순금속 링으로 구성됩니다.톱니는 더 작은 영역에 볼트의 하중을 집중시켜 더 적은 응력으로 단단히 고정되도록 합니다.고르지 않은 플랜지 표면과 변동하는 작동 조건을 보상할 수 있는 방식으로 설계되었습니다.
그림 4. Kammprofile 개스킷에는 금속 코어가 양쪽에 부드러운 필러로 결합되어 있습니다.
시스템 무결성의 또 다른 중요한 요소는 밸브입니다.스템 씰과 바디 플랜지 주변의 누출은 실제 문제입니다.이를 방지하기 위해 벨로우즈 씰이 있는 밸브를 선택하는 것이 좋습니다.
1인치를 사용합니다.학교 80 탄소강관, 아래 예에서 ASTM A106 Gr B에 따른 제조 공차, 부식 및 기계적 공차가 주어지면 최대 허용 작동 압력(MAWP)은 최대 300°F의 온도에서 두 단계로 계산할 수 있습니다(참고: "...온도가 300ºF까지..."인 이유는 ASTM A106 Gr B 재료의 허용 응력(S)이 온도가 300ºF(S)를 초과할 때 악화되기 시작하기 때문입니다. 방정식 (1)은 300ºF 이상의 온도로 조정해야 합니다.)
공식 (1)을 참조하면 첫 번째 단계는 파이프라인 이론 파열 압력을 계산하는 것입니다.
T = 파이프 벽 두께에서 기계적, 부식 및 제조 공차를 뺀 값(인치).
프로세스의 두 번째 부분은 방정식 (2)에 따라 결과 P에 안전 계수 Sf를 적용하여 파이프라인의 최대 허용 작동 압력 Pa를 계산하는 것입니다.
따라서 1″ 학교 80 재료를 사용할 때 파열 압력은 다음과 같이 계산됩니다.
그런 다음 ASME 압력 용기 권장 사항 섹션 VIII-1 2019, 단락 8에 따라 안전 Sf 4를 적용합니다. UG-101은 다음과 같이 계산됩니다.
결과 MAWP 값은 810psi입니다.인치는 파이프만 나타냅니다.시스템에서 가장 낮은 등급의 플랜지 연결 또는 구성 요소는 시스템의 허용 압력을 결정하는 결정 요인이 됩니다.
ASME B16.5에 따라 150 탄소강 플랜지 피팅의 최대 허용 작동 압력은 285psi입니다.-20°F ~ 100°F에서 인치.클래스 300의 최대 허용 작동 압력은 740psi입니다.이것은 아래의 재료 사양 예에 따른 시스템의 압력 제한 계수가 됩니다.또한 수압 테스트에서만 이러한 값이 1.5배를 초과할 수 있습니다.
기본 탄소강 재료 사양의 예로 설계 압력 740psi 미만의 주변 온도에서 작동하는 H2 가스 공급 라인 사양이 있습니다.인치, 표 2에 표시된 재료 요구 사항을 포함할 수 있습니다. 다음은 사양에 포함되기 위해 주의가 필요할 수 있는 유형입니다.
배관 자체 외에도 피팅, 밸브, 라인 장비 등과 같이 배관 시스템을 구성하는 많은 요소가 있습니다. 이러한 요소 중 많은 요소를 파이프라인에 모아 자세히 논의하지만 수용할 수 있는 것보다 더 많은 페이지가 필요합니다.이 기사.