Šioje apžvalgoje pateikiamos rekomendacijos dėl saugaus vandenilio paskirstymo vamzdynų sistemų projektavimo.
Vandenilis yra labai lakus skystis, turintis didelį polinkį nutekėti.Tai labai pavojingas ir mirtinas tendencijų derinys, lakus skystis, kurį sunku suvaldyti.Tai yra tendencijos, į kurias reikia atsižvelgti renkantis medžiagas, tarpiklius ir sandariklius bei tokių sistemų dizaino ypatybes.Šios diskusijos dėmesio centre yra šios dujinio H2 pasiskirstymo temos, o ne H2, skysto H2 ar skysto H2 gamyba (žr. dešiniąją šoninę juostą).
Štai keletas pagrindinių punktų, padėsiančių suprasti vandenilio ir H2-oro mišinį.Vandenilis dega dviem būdais: deflagracija ir sprogimas.
defliacija.Deflagracija yra įprastas degimo būdas, kai liepsnos sklinda per mišinį ikigarsiniu greičiu.Taip atsitinka, pavyzdžiui, kai laisvą vandenilio ir oro mišinio debesį užsidega nedidelis uždegimo šaltinis.Tokiu atveju liepsna judės nuo dešimties iki kelių šimtų pėdų per sekundę greičiu.Spartus karštų dujų plėtimasis sukuria slėgio bangas, kurių stiprumas yra proporcingas debesies dydžiui.Kai kuriais atvejais smūginės bangos jėgos gali pakakti, kad būtų pažeistos pastato konstrukcijos ir kiti jos kelyje esantys objektai ir sužaloti.
sprogti.Kai jis sprogo, liepsnos ir smūginės bangos sklido per mišinį viršgarsiniu greičiu.Slėgio santykis detonacijos bangoje yra daug didesnis nei detonacijos.Dėl padidintos jėgos sprogimas pavojingesnis žmonėms, pastatams ir šalia esantiems objektams.Įprastas užsidegimas sukelia sprogimą, kai užsidega uždaroje erdvėje.Tokioje siauroje vietoje užsidegimą gali sukelti mažiausiai energijos.Tačiau vandenilio ir oro mišinio detonavimui neribotoje erdvėje reikalingas galingesnis uždegimo šaltinis.
Slėgio santykis per detonacijos bangą vandenilio ir oro mišinyje yra apie 20. Esant atmosferos slėgiui, santykis 20 yra 300 psi.Kai ši slėgio banga susiduria su nejudančiu objektu, slėgio santykis padidėja iki 40-60.Taip yra dėl slėgio bangos atspindžio nuo nejudančios kliūties.
Tendencija nutekėti.Dėl mažo klampumo ir mažos molekulinės masės H2 dujos turi didelį polinkį nutekėti ir netgi prasiskverbti ar prasiskverbti į įvairias medžiagas.
Vandenilis yra 8 kartus lengvesnis už gamtines dujas, 14 kartų lengvesnis už orą, 22 kartus lengvesnis už propaną ir 57 kartus lengvesnis už benzino garus.Tai reiškia, kad įrengus lauke, H2 dujos greitai pakils ir išsisklaidys, todėl sumažės tolygių nuotėkių požymiai.Bet tai gali būti dviašmenis kardas.Sprogimas gali įvykti, jei suvirinama lauko įranga virš H2 nuotėkio arba pavėjui nuo jo neatlikus nuotėkio nustatymo tyrimo prieš suvirinimą.Uždaroje patalpoje H2 dujos gali pakilti ir kauptis nuo lubų žemyn, o tai leidžia joms susikaupti dideliais kiekiais, o tai vėliau gali liestis su šalia žemės esančiais uždegimo šaltiniais.
Atsitiktinis gaisras.Savaiminis užsidegimas – tai reiškinys, kai dujų arba garų mišinys užsiliepsnoja savaime be išorinio uždegimo šaltinio.Jis taip pat žinomas kaip „spontaniškas užsidegimas“ arba „savaiminis užsidegimas“.Savaiminis užsidegimas priklauso nuo temperatūros, o ne nuo slėgio.
Savaiminio užsiliepsnojimo temperatūra yra mažiausia temperatūra, kuriai esant degalai savaime užsiliepsnoja prieš užsiliepsnodami, nesant išorinio užsiliepsnojimo šaltinio, susilietus su oru arba oksiduojančia medžiaga.Pavienių miltelių savaiminio užsidegimo temperatūra yra temperatūra, kurioje jie savaime užsiliepsnoja, kai nėra oksiduojančios medžiagos.Dujinio H2 savaiminio užsidegimo temperatūra ore yra 585°C.
Uždegimo energija yra energija, reikalinga liepsnai plisti per degų mišinį.Minimali užsidegimo energija yra minimali energija, reikalinga tam tikram degiam mišiniui užsidegti esant tam tikrai temperatūrai ir slėgiui.Minimali dujinio H2 kibirkštinio uždegimo energija 1 atm oro = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Sprogumo ribos – tai didžiausia ir mažiausia garų, rūko ar dulkių koncentracija ore arba deguonyje, kuriai esant įvyksta sprogimas.Aplinkos dydis ir geometrija, taip pat kuro koncentracija kontroliuoja ribas.„Sprogimo riba“ kartais vartojama kaip „sprogimo ribos“ sinonimas.
H2 mišinių ore sprogumo ribos yra 18,3 tūrio % (apatinė riba) ir 59 tūrio % (viršutinė riba).
Projektuojant vamzdynų sistemas (1 pav.), pirmiausia reikia nustatyti statybines medžiagas, reikalingas kiekvienam skysčių tipui.Ir kiekvienas skystis bus klasifikuojamas pagal ASME B31.3 pastraipą.300(b)(1) teigiama: „Savininkas taip pat atsakingas už D, M klasės, aukšto slėgio ir didelio grynumo vamzdynų nustatymą ir nustatymą, ar reikia naudoti tam tikrą kokybės sistemą.
Skysčių skirstymas į kategorijas apibrėžia bandymo laipsnį ir būtinų bandymų tipą, taip pat daugelį kitų reikalavimų, pagrįstų skysčių kategorija.Savininko atsakomybė už tai dažniausiai tenka savininko inžinerijos skyriui arba užsakomam inžinieriui.
Nors B31.3 proceso vamzdynų kodeksas savininkui nenurodo, kokią medžiagą naudoti konkrečiam skysčiui, jame pateikiamos gairės dėl stiprumo, storio ir medžiagų prijungimo reikalavimų.Kodekso įžangoje taip pat yra du teiginiai, kurie aiškiai nurodo:
Ir išplėsti pirmiau esančios pirmosios pastraipos B31.3 pastraipą.300(b)(1) taip pat nurodoma: „Už šio kodekso laikymąsi ir projektavimo, konstravimo, tikrinimo, tikrinimo ir bandymų reikalavimų, reglamentuojančių visą skysčių tvarkymą ar procesą, kurio dalis yra dujotiekis, nustatymą, atsako tik dujotiekio įrenginio savininkas.Montavimas“.Taigi, nustačius kai kurias pagrindines atsakomybės taisykles ir skysčių paslaugų kategorijų apibrėžimo reikalavimus, pažiūrėkime, kur tinka vandenilio dujos.
Kadangi vandenilio dujos veikia kaip lakus skystis su nuotėkiu, vandenilio dujos gali būti laikomos įprastu skysčiu arba M klasės skysčiu pagal B31.3 kategoriją, skirtą skysčių eksploatavimui.Kaip minėta pirmiau, skysčių tvarkymo klasifikavimas yra savininko reikalavimas, jei jis atitinka pasirinktų kategorijų gaires, aprašytas B31.3, 3 punkte. 300.2 Apibrėžimai skyriuje „Hidraulinės paslaugos“.Toliau pateikiami įprasto skysčių naudojimo ir M klasės skysčių aptarnavimo apibrėžimai:
„Įprasta skysčių paslauga: skysčių paslauga taikoma daugumai vamzdynų, kuriems taikomas šis kodeksas, ty netaikomos D, M klasės, aukštos temperatūros, aukšto slėgio ar didelio skysčio švarumo taisyklės.
(1) Skysčio toksiškumas yra toks didelis, kad vienkartinis labai mažo skysčio kiekio sąlytis, atsiradęs dėl nuotėkio, gali sunkiai visam laikui sužaloti tuos, kurie jį įkvepia arba liečiasi su juo, net jei imamasi neatidėliotinų priemonių atstatyti.paimtas
(2) Apsvarstęs dujotiekio projektą, patirtį, eksploatavimo sąlygas ir vietą, savininkas nustato, kad įprasto skysčio naudojimo reikalavimų nepakanka, kad būtų užtikrintas sandarumas, būtinas personalui apsaugoti nuo poveikio.“
Pirmiau pateiktame M apibrėžime vandenilio dujos neatitinka 1 dalies kriterijų, nes nelaikomos toksišku skysčiu.Tačiau, taikant 2 dalį, Kodeksas leidžia priskirti hidraulines sistemas M klasei, tinkamai įvertinus „...vamzdyno konstrukciją, patirtį, eksploatavimo sąlygas ir vietą...“ Savininkas leidžia nustatyti įprastą skysčių tvarkymą.Reikalavimai yra nepakankami, kad būtų patenkintas aukštesnio lygio vientisumo poreikis projektuojant, statant, tikrinant, tikrinant ir bandant vandenilio dujų vamzdynų sistemas.
Prieš aptardami aukštatemperatūrinę vandenilio koroziją (HTHA), žr. 1 lentelę.Kodai, standartai ir taisyklės yra išvardyti šioje lentelėje, kurioje yra šeši dokumentai vandenilio trapumo (HE) tema – įprasta korozijos anomalija, apimanti HTHA.OH gali atsirasti esant žemai ir aukštai temperatūrai.Laikoma korozijos forma, ji gali kilti keliais būdais ir taip pat paveikti daugybę medžiagų.
HE yra įvairių formų, kurias galima suskirstyti į vandenilio krekingo (HAC), vandenilio įtempių krekingo (HSC), įtempių korozijos krekingo (SCC), vandenilio korozijos krekingo (HACC), vandenilio burbuliavimo (HB), vandenilio krekingo (HIC).)), į įtempį orientuotas vandenilio krekingas (SOHIC), progresyvus krekingas (SWC), sulfidinis krekingas (SSC), minkštosios zonos krekingas (SZC) ir aukštatemperatūrinis vandenilio korozija (HTHA).
Paprasčiausia vandenilio trapumas yra metalo grūdelių ribų sunaikinimo mechanizmas, dėl kurio sumažėja plastiškumas dėl atominio vandenilio prasiskverbimo.Būdai, kuriais tai įvyksta, yra įvairūs ir iš dalies apibrėžiami atitinkamais pavadinimais, pvz., HTHA, kur vienu metu reikalingas aukšta temperatūra ir aukšto slėgio vandenilis, kad trapumas būtų, ir SSC, kur atominis vandenilis gaminamas kaip uždaros dujos ir vandenilis.dėl rūgščios korozijos jie prasiskverbia į metalinius korpusus, o tai gali sukelti trapumą.Tačiau bendras rezultatas yra toks pat kaip ir visais aukščiau aprašytais vandenilio trapumo atvejais, kai metalo stiprumas sumažėja dėl trapumo žemiau leistino įtempių diapazono, o tai savo ruožtu sudaro sąlygas potencialiai katastrofiškam įvykiui, atsižvelgiant į skysčio nepastovumą.
Be sienelės storio ir mechaninių siūlių savybių, renkantis medžiagas H2 dujų aptarnavimui reikia atsižvelgti į du pagrindinius veiksnius: 1. Aukštos temperatūros vandenilio (HTHA) poveikis ir 2. Rimtas susirūpinimas dėl galimo nuotėkio.Abi temos šiuo metu aptariamos.
Skirtingai nuo molekulinio vandenilio, atominis vandenilis gali plėstis, veikiant vandenilį aukštai temperatūrai ir slėgiui, sukurdamas pagrindą potencialiam HTHA.Esant tokioms sąlygoms, atominis vandenilis gali difunduoti į anglinio plieno vamzdynų medžiagas ar įrangą, kur jis reaguoja su anglimi metaliniame tirpale, sudarydamas metano dujas grūdelių ribose.Negalėdamos ištrūkti, dujos plečiasi, susidaro įtrūkimai ir įtrūkimai vamzdžių ar indų sienelėse – tai HTGA.Galite aiškiai matyti HTHA rezultatus 2 paveiksle, kur 8 colių sienoje matomi įtrūkimai ir įtrūkimai.Nominalaus dydžio (NPS) vamzdžio dalis, kuri sugenda tokiomis sąlygomis.
Anglies plienas gali būti naudojamas vandenilio naudojimui, kai darbinė temperatūra palaikoma žemiau 500 °F.Kaip minėta aukščiau, HTHA atsiranda, kai vandenilio dujos laikomos aukštame daliniame slėgyje ir aukštoje temperatūroje.Anglinis plienas nerekomenduojamas, kai tikimasi, kad vandenilio dalinis slėgis bus apie 3000 psi, o temperatūra viršija maždaug 450 °F (tai avarijos sąlyga 2 paveiksle).
Kaip matyti iš modifikuoto Nelsono grafiko 3 paveiksle, iš dalies paimto iš API 941, aukšta temperatūra turi didžiausią įtaką vandenilio jėgai.Vandenilio dujų dalinis slėgis gali viršyti 1000 psi, kai naudojamas su angliniu plienu, veikiančiu iki 500 °F temperatūroje.
3 pav. Ši modifikuota Nelson diagrama (pritaikyta pagal API 941) gali būti naudojama norint parinkti tinkamas medžiagas vandenilio naudojimui įvairiose temperatūrose.
Ant pav.3 parodytas plienų, kurie garantuotai išvengs vandenilio poveikio, pasirinkimas, atsižvelgiant į darbinę temperatūrą ir dalinį vandenilio slėgį.Austenitinis nerūdijantis plienas yra nejautrus HTHA ir yra patenkinama medžiaga esant bet kokiai temperatūrai ir slėgiui.
Austenitinis 316/316L nerūdijantis plienas yra pati praktiškiausia medžiaga vandenilio naudojimui ir yra pasiteisinusi.Nors anglies plienams rekomenduojamas terminis apdorojimas po suvirinimo (PWHT), kad suvirinimo metu kalcinuotų likutinį vandenilį ir sumažintų karščio paveiktos zonos (HAZ) kietumą po suvirinimo, austenitiniam nerūdijančiam plienui jo nereikia.
Termoterminis poveikis, kurį sukelia terminis apdorojimas ir suvirinimas, mažai veikia austenitinio nerūdijančio plieno mechanines savybes.Tačiau šaltas apdirbimas gali pagerinti mechanines austenitinio nerūdijančio plieno savybes, tokias kaip stiprumas ir kietumas.Lenkiant ir formuojant vamzdžius iš austenitinio nerūdijančio plieno, keičiasi jų mechaninės savybės, įskaitant ir medžiagos plastiškumo mažėjimą.
Jei austenitiniam nerūdijančiam plienui reikalingas šaltasis formavimas, atkaitinimas tirpalu (kaitinimas iki maždaug 1045 °C, po to gesinimas arba greitas aušinimas) atkurs pradines medžiagos mechanines savybes.Tai taip pat pašalins lydinio segregaciją, jautrinimą ir sigmos fazę, pasiektą po šalto apdorojimo.Atkaitindami tirpalą, atminkite, kad greitas aušinimas gali sukelti likutinį įtempimą medžiagoje, jei su ja elgiamasi netinkamai.
Žr. lenteles GR-2.1.1-1 Vamzdynų ir vamzdelių mazgų medžiagų specifikacijos indeksas ir GR-2.1.1-2 Vamzdynų medžiagų specifikacijos indeksas, pateiktas ASME B31, kad sužinotumėte apie priimtinas medžiagas H2 paslaugai.vamzdžiai yra gera vieta pradėti.
Standartinis atominis svoris yra 1,008 atominės masės vienetų (amu), vandenilis yra lengviausias ir mažiausias periodinės lentelės elementas, todėl turi didelį polinkį nutekėti, o tai gali turėti niokojančių pasekmių.Todėl dujotiekio sistema turi būti projektuojama taip, kad būtų apribotos mechaninio tipo jungtys ir patobulintos tos jungtys, kurių tikrai reikia.
Apribojant galimus nuotėkio taškus, sistema turi būti visiškai suvirinta, išskyrus įrangos, vamzdynų elementų ir jungiamųjų detalių flanšines jungtis.Srieginių jungčių reikėtų kiek įmanoma vengti, jei ne visiškai.Jei dėl kokių nors priežasčių negalima išvengti srieginių jungčių, rekomenduojama jas pilnai sukabinti be sriegio sandariklio ir užsandarinti suvirinimo siūlę.Naudojant anglinio plieno vamzdžius, vamzdžių jungtys turi būti suvirintos ir termiškai apdorotos po suvirinimo (PWHT).Po suvirinimo vamzdžiai šilumos poveikio zonoje (HAZ) yra veikiami vandenilio net esant aplinkos temperatūrai.Nors vandenilio ataka pirmiausia įvyksta esant aukštai temperatūrai, PWHT stadija šią galimybę visiškai sumažins, o gal net pašalins net esant aplinkos sąlygoms.
Visiškai suvirintos sistemos silpnoji vieta yra flanšinė jungtis.Siekiant užtikrinti aukštą flanšinių jungčių sandarumo laipsnį, reikia naudoti Kammprofile tarpiklius (4 pav.) arba kitokios formos tarpiklius.Pagaminta beveik vienodai kelių gamintojų, šis įklotas yra labai atlaidus.Jį sudaro dantyti visiškai metaliniai žiedai, įterpti tarp minkštų, deformuojamų sandarinimo medžiagų.Dantys sutelkia varžto apkrovą mažesniame plote, kad būtų užtikrintas tvirtas prigludimas ir mažesnė apkrova.Jis sukurtas taip, kad galėtų kompensuoti nelygius flanšo paviršius ir svyruojančias eksploatavimo sąlygas.
4 pav. Kammprofile tarpikliai turi metalinę šerdį, iš abiejų pusių suklijuotą minkštu užpildu.
Kitas svarbus sistemos vientisumo veiksnys yra vožtuvas.Nuotėkis aplink koto sandariklį ir korpuso flanšus yra tikra problema.Norint to išvengti, rekomenduojama rinktis vožtuvą su silfoniniu sandarikliu.
Naudokite 1 colio.Mokyklos 80 anglinio plieno vamzdis, toliau pateiktame pavyzdyje, atsižvelgiant į gamybos tolerancijas, korozijos ir mechanines leistinas nuokrypas pagal ASTM A106 Gr B, didžiausias leistinas darbinis slėgis (MAWP) gali būti apskaičiuojamas dviem etapais esant temperatūrai iki 300 °F (Pastaba: Priežastis „...temperatūroms iki 300ºF...“ yra dėl to, kad paleidimo temperatūra BTM (ATM1S0) sumažina leistiną įtempį. viršija 300 ºF. (S), todėl pagal (1) lygtį reikia reguliuoti iki aukštesnės nei 300 ºF temperatūros.)
Remiantis (1) formule, pirmasis žingsnis yra apskaičiuoti dujotiekio teorinį plyšimo slėgį.
T = vamzdžio sienelės storis, atėmus mechaninius, korozijos ir gamybos nuokrypius, coliais.
Antroje proceso dalyje apskaičiuojamas didžiausias leistinas dujotiekio darbinis slėgis Pa, taikant saugos koeficientą S f rezultatui P pagal (2) lygtį:
Taigi, naudojant 1″ mokyklą 80 medžiagą, sprogimo slėgis apskaičiuojamas taip:
Tada taikoma saugos Sf vertė 4 pagal ASME slėginių indų rekomendacijų VIII-1 2019 m. skyriaus 8 dalį. UG-101 apskaičiuojama taip:
Gauta MAWP vertė yra 810 psi.colis reiškia tik vamzdį.Flanšinė jungtis arba komponentas, turintis žemiausią įvertinimą sistemoje, bus lemiamas veiksnys nustatant leistiną slėgį sistemoje.
Pagal ASME B16.5 didžiausias leistinas darbinis slėgis 150 anglinio plieno flanšinių jungiamųjų detalių yra 285 psi.colio esant nuo -20°F iki 100°F.300 klasės didžiausias leistinas darbinis slėgis yra 740 psi.Tai bus sistemos slėgio ribinis koeficientas pagal toliau pateiktą medžiagos specifikacijos pavyzdį.Be to, tik atliekant hidrostatinius bandymus, šios vertės gali viršyti 1,5 karto.
Kaip pagrindinės anglinio plieno medžiagos specifikacijos pavyzdys – H2 dujų tiekimo linijos specifikacija, veikianti esant žemesnei nei 740 psi projektiniam slėgiui aplinkos temperatūroje.colių, gali atitikti 2 lentelėje nurodytus medžiagų reikalavimus. Į specifikaciją gali reikėti atkreipti dėmesį į šiuos tipus:
Be paties vamzdyno, yra daug elementų, sudarančių vamzdynų sistemą, pvz., jungiamosios detalės, vožtuvai, linijų įranga ir kt. Nors daugelis šių elementų bus sujungti į dujotiekį, kad būtų galima juos išsamiai aptarti, tam prireiks daugiau puslapių, nei galima sutalpinti.Šis straipsnis.