Dësen Iwwerbléck gëtt Recommandatiounen fir eng sécher Design vun Päif Systemer fir Wasserstoff Verdeelung.
Waasserstoff ass eng héich liichtflüchteg Flëssegkeet mat enger héijer Tendenz ze Leck.Et ass eng ganz geféierlech an déidlech Kombinatioun vun Tendenzen, eng flüchteg Flëssegkeet déi schwéier ze kontrolléieren ass.Dëst sinn Trends fir ze berücksichtegen wann Dir Materialien, Dichtungen a Dichtungen auswielen, wéi och d'Designeigenschaften vun esou Systemer.Dës Themen iwwer d'Verdeelung vu gasfërmegen H2 sinn de Fokus vun dëser Diskussioun, net d'Produktioun vun H2, Flësseg H2 oder Flësseg H2 (kuckt riets Sidebar).
Hei sinn e puer Schlësselpunkte fir Iech ze hëllefen d'Mëschung vu Waasserstoff an H2-Loft ze verstoen.Waasserstoff verbrennt op zwou Weeër: Deflagratioun an Explosioun.
Deflagratioun.Deflagratioun ass e gemeinsame Verbrennungsmodus an deem Flamen duerch d'Mëschung mat subsonic Geschwindegkeet reesen.Dëst geschitt zum Beispill wann eng fräi Wollek vu Waasserstoff-Loft-Mëschung duerch eng kleng Zündquell entsteet.An dësem Fall wäert d'Flam mat enger Geschwindegkeet vun zéng bis e puer honnert Féiss pro Sekonn bewegen.Déi séier Expansioun vum waarme Gas entsteet Drockwellen, deenen hir Kraaft proportional zu der Gréisst vun der Wollek ass.A verschiddene Fäll kann d'Kraaft vun der Schockwelle genuch sinn fir Baustrukturen an aner Objeten op sengem Wee ze beschiedegen a Verletzungen ze verursaachen.
explodéieren.Wéi et explodéiert ass, sinn d'Flamen a Schockwellen duerch d'Mëschung mat supersonesche Geschwindegkeet gereest.Den Drockverhältnis an enger Detonatiounswelle ass vill méi grouss wéi an enger Detonatioun.Wéinst der verstäerkter Kraaft ass d'Explosioun méi geféierlech fir Leit, Gebaier an Emgéigend Objeten.Normal Deflagratioun verursaacht eng Explosioun wann se an engem begrenzte Raum entzündegt ginn.An esou engem schmuele Gebitt kann d'Zündung duerch déi mannst Energie verursaacht ginn.Awer fir d'Detonatioun vun enger Waasserstoff-Loft-Mëschung an engem onlimitéierten Raum ass eng méi mächteg Zündquell néideg.
Den Drockverhältnis iwwer d'Detonatiounswell an enger Waasserstoff-Loft-Mëschung ass ongeféier 20. Beim Atmosphärendrock ass e Verhältnis vun 20 300 psi.Wann dës Drockwell mat engem stationären Objet kollidéiert, erhéicht den Drockverhältnis op 40-60.Dëst ass wéinst der Reflexioun vun enger Drockwell vun engem stationären Hindernis.
Tendenz zu Leck.Wéinst senger gerénger Viskositéit a gerénger Molekulargewiicht huet H2 Gas eng héich Tendenz fir ze lecken a souguer duerch verschidde Materialien ze permeatéieren oder ze penetréieren.
Waasserstoff ass 8 Mol méi hell wéi Äerdgas, 14 Mol méi hell wéi Loft, 22 Mol méi hell wéi Propan a 57 Mol méi hell wéi Benzindamp.Dëst bedeit datt wann se dobausse installéiert ass, den H2 Gas séier eropgeet an opléist, wat all Zeeche vu souguer Leckage reduzéiert.Awer et kann en zweeschneidegt Schwäert sinn.Eng Explosioun kann optrieden wann d'Schweißen op enger Outdoor-Installatioun iwwer oder Downwind vun engem H2 Leck gemaach ginn ouni Leckdetektiounsstudie virum Schweißen.An engem zouenen Raum kann H2 Gas eropgoen a vun der Plafong erof sammelen, eng Bedingung, déi et erlaabt bis grouss Bänn opzebauen, ier se méi wahrscheinlech a Kontakt mat Zündquellen no beim Buedem kommen.
Zoufälleg Feier.Selbstzündung ass e Phänomen an deem eng Mëschung vu Gasen oder Damp spontan entsteet ouni eng extern Zündquell.Et ass och bekannt als "spontan Verbrennung" oder "spontan Verbrennung".Selbstzündung hänkt vun der Temperatur of, net vum Drock.
D'Autoignatiounstemperatur ass d'Mindesttemperatur bei där e Brennstoff spontan ier d'Zündung an der Verontreiung vun enger externer Zündquell beim Kontakt mat Loft oder engem Oxidatiounsmëttel entsteet.D'Autoignitiounstemperatur vun engem eenzege Pudder ass d'Temperatur bei där et spontan entzündegt an der Verontreiung vun engem Oxidatiounsmëttel.D'Selbstzündungstemperatur vu gasforme H2 an der Loft ass 585°C.
D'Zündungsenergie ass d'Energie déi néideg ass fir d'Verbreedung vun enger Flam duerch eng brennbar Mëschung ze initiéieren.Minimum Zündenergie ass d'Mindestenergie déi néideg ass fir eng bestëmmte brennbar Mëschung bei enger bestëmmter Temperatur an Drock ze ignite.Minimum Zündungsenergie fir gasform H2 an 1 Atm Loft = 1,9 × 10-8 BTU (0,02 mJ).
Explosiv Grenzen sinn déi maximal a minimal Konzentratioune vu Damp, Niwwel oder Stëbs an der Loft oder Sauerstoff bei deenen eng Explosioun geschitt.D'Gréisst an d'Geometrie vun der Ëmwelt, wéi och d'Konzentratioun vum Brennstoff, kontrolléiert d'Limiten."Explosiounslimit" gëtt heiansdo als Synonym fir "Explosiounslimit" benotzt.
D'Explosiounsgrenze fir H2-Mëschungen an der Loft sinn 18,3 Vol.% (ënnescht Limit) an 59 Vol.% (Uewergrenz).
Wann Dir Päifsystemer designt (Figur 1), ass den éischte Schrëtt d'Baumaterial fir all Zort Flëssegkeet ze bestëmmen.An all Flëssegkeet wäert am Aklang mat ASME B31.3 Paragraph klasséiert ginn.300 (b) (1) seet: "De Besëtzer ass och verantwortlech fir d'Klass D, M, Héichdrock an héich Rengheet Piping ze bestëmmen, an ze bestëmmen ob e bestëmmte Qualitéitssystem soll benotzt ginn."
Flëssegkeetskategoriséierung definéiert den Testgrad an d'Testart erfuerderlech, souwéi vill aner Ufuerderunge baséiert op der Flëssegkeetskategorie.D'Verantwortung vum Besëtzer dofir fällt normalerweis op d'Ingenieurdepartement vum Besëtzer oder en outsourcéierten Ingenieur.
Iwwerdeems de B31.3 Prozess Piping Code net de Besëtzer seet wat Material fir eng bestëmmte Flëssegkeet ze benotzen, et gëtt Orientatioun iwwer Stäerkt, Dicke, a Material Verbindung Ufuerderunge.Et ginn och zwou Aussoen an der Aféierung vum Code, déi kloer soen:
An erweideren op den éischte Paragraph uewen, Paragraph B31.3.300(b)(1) seet och: "De Besëtzer vun enger Pipeline-Installatioun ass eleng verantwortlech fir d'Konformitéit mat dësem Code a fir d'Schafung vun den Design, Konstruktioun, Inspektioun, Inspektioun an Testfuerderunge fir all Flësseghandhabung oder Prozess, vun deenen d'Pipeline en Deel ass.Installatioun."Also, nodeems Dir e puer Grondregele fir d'Haftung an d'Ufuerderunge festgeluecht huet fir Flëssegkeetsservicekategorien ze definéieren, kucke mer wou Waasserstoffgas passt.
Well Waasserstoffgas wierkt als flüchteg Flëssegkeet mat Leckage, kann Waasserstoffgas als normal Flëssegkeet oder eng Klass M Flëssegkeet ënner der Kategorie B31.3 fir Flëssegkeetsservice ugesi ginn.Wéi uewen ernimmt, ass d'Klassifikatioun vun Flëssegket Ëmgank e Besëtzer Noutwendegkeete, virausgesat et entsprécht de Richtlinnen fir déi ausgewielt Kategorien beschriwwen am B31.3, Paragraph 3. 300.2 Definitiounen an der Rubrik "Hydraulesch Servicer".Déi folgend sinn Definitioune fir normal Flëssegket Service a Klass M Flëssegket Service:
"Normal Fluid Service: Flëssegkeetsservice applicabel fir déi meescht Päifen ënner dësem Code, dh net ënnerleien zu Reglementer fir Klassen D, M, Héichtemperatur, Héichdrock oder héich Flëssegkeetsreinheet.
(1) D'Toxizitéit vun der Flëssegkeet ass sou grouss datt eng eenzeg Belaaschtung fir eng ganz kleng Quantitéit vun der Flëssegkeet, déi duerch e Leck verursaacht gëtt, e seriöse permanente Verletzung verursaache kann fir déi, déi inhaléieren oder a Kontakt kommen, och wann direkt Erhuelungsmoossname getraff ginn.geholl
(2) Nodeems d'Pipeline Design, d'Erfahrung, d'Operatiounsbedéngungen an d'Location berücksichtegt huet, bestëmmt de Besëtzer datt d'Ufuerderunge fir normal Notzung vun der Flëssegkeet net genuch sinn fir d'Dichtheet ze bidden déi néideg ass fir d'Personal virun der Belaaschtung ze schützen."
An der uewe genannter Definitioun vu M entsprécht Waasserstoffgas net de Critèren vum Paragraph (1) well et net als gëfteg Flëssegkeet ugesi gëtt.Wéi och ëmmer, andeems d'Ënnersektioun (2) applizéiert gëtt, erlaabt de Code d'Klassifikatioun vun hydraulesche Systemer an der Klass M no der berücksichtegter Berücksichtegung vu "... Piping Design, Erfahrung, Operatiounsbedingunge a Standuert ..." De Besëtzer erlaabt d'Bestëmmung vun der normaler Flëssegkeetshandhabung.D'Ufuerderunge sinn net genuch fir de Besoin fir e méi héijen Niveau vun Integritéit am Design, Konstruktioun, Inspektioun, Inspektioun an Tester vu Waasserstoffgasleitungssystemer z'erreechen.
Kuckt w.e.g. op d'Tabelle 1 ier Dir iwwer Héichtemperatur Waasserstoffkorrosioun (HTHA) diskutéiert.Coden, Standarden a Reglementer sinn an dëser Tabell opgezielt, déi sechs Dokumenter op d'Thema Waasserstoff embrittlement ëmfaasst (HE), eng gemeinsam corrosion Anomalie datt HTHA ëmfaasst.OH ka bei niddregen an héijen Temperaturen optrieden.Als Form vu Korrosioun betruecht, kann et op verschidde Weeër initiéiert ginn an och eng breet Palette vu Materialien beaflossen.
HE huet verschidde Formen, déi ënnerdeelt ginn an Waasserstoff Rëss (HAC), Waasserstoff Stress Rëss (HSC), Stress corrosion Rëss (SCC), Waasserstoff corrosion Rëss (HACC), Waasserstoff bubbling (HB), Waasserstoff Rëss (HIC).)), Stress orientéiert Waasserstoff Rëss (SOHIC), progressiv Rëss (SWC), Sulfid Stress Rëss (SSC), Soft Zone Rëss (SZC), an héich Temperatur Waasserstoff corrosion (HTHA).
A senger einfachster Form ass Waasserstoffverbrechung e Mechanismus fir d'Zerstéierung vu Metallkorngrenzen, wat zu enger reduzéierter Duktilitéit duerch d'Penetratioun vum atomesche Waasserstoff resultéiert.D'Manéier wéi dat geschitt ass variéiert a sinn deelweis duerch hir jeweileg Nimm definéiert, wéi HTHA, wou gläichzäiteg Héichtemperatur- an Héichdrockwaasserstoff gebraucht gëtt fir d'Verbrechung, an SSC, wou atomescht Waasserstoff als zougeschlossene Gase a Waasserstoff produzéiert gëtt.duerch Säurekorrosioun si se an d'Metallfässer, wat zu Bréchheet féieren kann.Mä d'allgemeng Resultat ass déi selwecht wéi fir all Fäll vun Wasserstoff embrittlement uewen beschriwwen, wou d'Stäerkt vun der Metal duerch embrittlement ënnert sengem zulässlech Stress Gamme reduzéiert gëtt, déi am Tour setzt d'Bühn fir eng potentiell katastrofal Event der volatility vun der Flëssegket.
Nieft der Mauer deck a mechanesch gemeinsam Leeschtung, ginn et zwee Haaptgrënn Facteure engem betruecht wann Material fir H2 Gas Service auswielen: 1. Belaaschtung fir héich Temperatur Wasserstoff (HTHA) an 2. Serious Bedenken iwwer Potential Auswee.Béid Theme sinn am Moment diskutéiert.
Am Géigesaz zu molekulare Waasserstoff kann atomescht Waasserstoff ausdehnen, de Waasserstoff op héijen Temperaturen an Drock aussetzt, wat d'Basis fir potenziell HTHA erstellt.Ënner dëse Bedéngungen ass atomarer Waasserstoff fäeg a Kuelestahlleitungsmaterialien oder Ausrüstung ze diffuséieren, wou et mat Kuelestoff an enger metallescher Léisung reagéiert fir Methangas op Kärgrenzen ze bilden.Kann net entkommen, de Gas erweidert, Rëss a Spalten an de Maueren vu Päifen oder Schëffer erstallt - dëst ass HTGA.Dir kënnt d'HTHA Resultater kloer an der Figur 2 gesinn, wou Rëss a Rëss an der 8 ″ Mauer evident sinn.Den Deel vun der nominaler Gréisst (NPS) Päif, deen ënner dëse Konditioune feelt.
Carbon Stol kann fir Wasserstoff Service benotzt ginn, wann d'Betribstemperatur ënner 500 ° F gehale gëtt.Wéi uewen ernimmt, geschitt HTHA wann Waasserstoffgas bei héijen Deeldrock an héijer Temperatur gehale gëtt.Kuelestol ass net recommandéiert wann de Waasserstoffdeelendrock ongeféier 3000 psi erwaart gëtt an d'Temperatur iwwer ongeféier 450 ° F ass (wat den Accidentbedingung an der Figur 2 ass).
Wéi kann aus der geännert Nelson Komplott gesi ginn 3, deelweis aus API geholl 941, héich Temperatur huet de gréissten Effekt op Wasserstoff forcéiere.Waasserstoffgas Partielldrock kann 1000 psi iwwerschreiden wann se mat Kuelestahl benotzt ginn, déi bei Temperaturen bis zu 500 ° F operéieren.
Figur 3. Dëst geännert Nelson Diagramm (vum API ugepasst 941) kann benotzt ginn gëeegent Material fir Wasserstoff Service bei verschiddenen Temperaturen ze wielen.
Op Fig.3 weist de Choix vun Stol datt Waasserstoff Attack ze vermeiden garantéiert sinn, je Betribssystemer Temperatur an deelweis Drock vun Wasserstoff.Austenitesch Edelstahl sinn onempfindlech fir HTHA a sinn zefriddestellend Materialien bei all Temperaturen an Drock.
Austenitic 316 / 316L STAINLESS Stol ass déi praktesch Material fir Wasserstoff Uwendungen an huet eng bewisen Streck Rekord.Iwwerdeems Post-Schweiß Wärmebehandlung (PWHT) recommandéiert ass fir Kuelestole fir de Reschtwasserstoff beim Schweißen ze kalcinéieren an d'Hëtzt beaflosst Zone (HAZ) Hardness nom Schweißen ze reduzéieren, ass et net erfuerderlech fir austenitesch Edelstahl.
Thermothermesch Effekter, déi duerch Wärmebehandlung a Schweißen verursaacht ginn, hu wéineg Effekt op déi mechanesch Eegeschafte vun austeniteschen Edelstahl.Wéi och ëmmer, d'Kälberaarbecht kann d'mechanesch Eegeschafte vun austeniteschen Edelstahl verbesseren, wéi d'Kraaft an d'Häregkeet.Beim Biegen a Formen vu Päifen aus austeniteschen Edelstahl änneren hir mechanesch Eegeschaften, och d'Reduktioun vun der Plastizitéit vum Material.
Wann austenitescht Edelstahl Kälteformung erfuerdert, wäert d'Léisungsglühung (Heizung op ongeféier 1045 ° C gefollegt vu Quenching oder séier Ofkillung) d'mechanesch Eegeschafte vum Material op hir ursprénglech Wäerter restauréieren.Et wäert och d'Legierung Segregatioun eliminéieren, Sensibiliséierung an Sigma Phase erreecht no kal schaffen.Wann Dir Léisungsglühung ausféiert, musst Dir bewosst sinn datt séier Ofkillung de Reschtstress zréck an d'Material setzen kann wann net richteg gehandhabt gëtt.
Kuckt d'Tabellen GR-2.1.1-1 Piping an Tubing Assemblée Material Spezifizéierung Index an GR-2.1.1-2 Piping Material Spezifizéierungsindex an ASME B31 fir akzeptabel Materialwahlen fir H2 Service.Päifen sinn eng gutt Plaz fir unzefänken.
Mat engem Standard Atomgewiicht vun 1,008 Atommass Eenheeten (amu) ass Waasserstoff dat liichtst a klengst Element am Periodesystem, an huet dofir eng héich Propensitéit fir ze lecken, mat potenziell zerstéierende Konsequenzen, kann ech derbäisetzen.Dofir muss de Gasleitungssystem esou entworf ginn fir mechanesch Verbindungen ze limitéieren an déi Verbindungen ze verbesseren déi wierklech gebraucht ginn.
Wann d'Potenzial Leckpunkte limitéiert sinn, sollt de System voll geschweest ginn, ausser fir flänzlech Verbindungen op Ausrüstung, Pipingelementer an Armaturen.Threaded Verbindungen solle sou wäit wéi méiglech vermeit ginn, wann net komplett.Wann threaded Verbindungen aus irgend engem Grond net vermeide kënne ginn, ass et recommandéiert se komplett ouni Fuedemdichtstoff ze engagéieren an dann d'Schweiß ze versiegeln.Wann Dir Kuelestahlpipe benotzt, musse d'Päifverbindunge stompgeschweest ginn a post-Schweiß Wärmebehandlung (PWHT).Nom Schweißen sinn d'Päifen an der Hëtztbetraffener Zone (HAZ) op Waasserstoffattack och bei Ëmfeldtemperatur ausgesat.Iwwerdeems Waasserstoff Attack haaptsächlech bei héijen Temperaturen geschitt, wäert d'PWHT Etapp komplett reduzéieren, wann net eliminéiert, dës Méiglechkeet och ënner Ëmfeld.
De schwaache Punkt vum ganz verschweißte System ass d'Flangeverbindung.Fir en héije Grad vun Dichtheet an de Flensverbindungen ze garantéieren, sollten Kammprofile Dichtungen (Fig. 4) oder eng aner Form vu Dichtungen benotzt ginn.Gemaach op bal déiselwecht Manéier vu verschiddene Hiersteller, ass dëse Pad ganz verzeien.Et besteet aus gezahnte ganz Metallringen, déi tëscht mëllen, deforméierbare Dichtungsmaterialien sandwichéiert sinn.D'Zänn konzentréieren d'Belaaschtung vum Bolzen an engem méi klenge Gebitt fir eng enk Fit mat manner Stress ze bidden.Et ass esou entworf datt et fir ongläiche Flangeflächen souwéi schwankende Betribsbedéngungen kompenséiere kann.
Figur 4. Kammprofile Dichtungen hunn e Metallkär op béide Säiten mat engem mëllen Filler gebonnen.
En anere wichtege Faktor an der Integritéit vum System ass de Ventil.Lecke ronderëm de Stammdicht a Kierperflänzen sinn e reelle Problem.Fir dëst ze vermeiden, ass et recommandéiert e Ventil mat engem Balgendicht ze wielen.
Benotzt 1 Zoll.Schoul 80 Kuelestoff Stahl Päif, an eisem Beispill hei ënnendrënner, mat Fabrikatioun Toleranzen, Korrosioun a mechanesch Toleranzen am Aklang mat ASTM A106 Gr B, kann de maximal zulässlechen Aarbechtsdrock (MAWP) an zwee Schrëtt bei Temperaturen bis 300 ° F berechent ginn (Notiz: De Grond fir "...fir Temperaturen bis zu ... s verschlechtert wann d'Temperatur iwwer 300ºF.(S) iwwerschratt ass, also Equatioun (1) erfuerdert Upassung op Temperaturen iwwer 300ºF.)
Bezunn op d'Formel (1), den éischte Schrëtt ass de Pipeline theoretesch Burst Drock ze berechnen.
T = Päif Mauer deck minus mechanesch, corrosion an Fabrikatioun Toleranzen, an Zoll.
Den zweeten Deel vum Prozess ass de maximal zulässlechen Aarbechtsdrock Pa vun der Pipeline ze berechnen andeems de Sécherheetsfaktor S f op d'Resultat P no der Equatioun (2) applizéiert gëtt:
Also, wann Dir 1 ″ Schoul 80 Material benotzt, gëtt de Burstdrock wéi follegt berechent:
A Sécherheet Sf vun 4 gëtt dann applizéiert am Aklang mat der ASME Pressure Vessel Recommandatiounen Sektioun VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 berechent wéi follegt:
De resultéierende MAWP Wäert ass 810 psi.Zoll bezitt sech nëmmen op Päif.D'Flangeverbindung oder d'Komponente mat dem niddregsten Bewäertung am System wäert den entscheedende Faktor bei der Bestëmmung vum zulässlechen Drock am System sinn.
Per ASME B16.5 ass de maximal zulässlechen Aarbechtsdrock fir 150 Kuelestolflensarmaturen 285 psi.Zoll bei -20°F bis 100°F.Klass 300 huet eng maximal zulässlech schaffen Drock pa 740 psi.Dëst wäert den Drocklimitfaktor vum System sinn no dem Materialspezifizéierungsbeispill hei ënnen.Och nëmmen an hydrostatesche Tester kënnen dës Wäerter 1,5 Mol iwwerschreiden.
Als Beispill vun enger Basis Kuelestoff Stol Material Spezifizéierung, eng H2 Gas Service Linn Spezifizéierung Betribssystemer bei enger Ëmfeld Temperatur ënner engem Design Drock vun 740 psi.Zoll, kann d'Material Ufuerderunge enthalen an Table 2. Déi folgend sinn Zorte datt Opmierksamkeet verlaangen kann an der Spezifizéierung abegraff ginn:
Ausser der Pipe selwer, ginn et vill Elementer, déi de Pipesystem ausmaachen, wéi Armaturen, Ventile, Linnausrüstung, asw.. Iwwerdeems vill vun dësen Elementer an enger Pipeline zesummegesat ginn fir se am Detail ze diskutéieren, wäert dat méi Säiten erfuerderen wéi et kann ënnerbruecht ginn.Dësen Artikel.