Šis pārskats sniedz ieteikumus drošai ūdeņraža sadales cauruļvadu sistēmu projektēšanai.
Ūdeņradis ir ļoti gaistošs šķidrums ar augstu noplūdes tendenci.Tā ir ļoti bīstama un nāvējoša tendenču kombinācija, gaistošs šķidrums, kuru ir grūti kontrolēt.Šīs ir tendences, kas jāņem vērā, izvēloties materiālus, blīves un blīves, kā arī šādu sistēmu konstrukcijas īpašības.Šīs diskusijas uzmanības centrā ir šīs tēmas par gāzveida H2 izplatību, nevis H2, šķidrā H2 vai šķidrā H2 ražošanu (skatiet labo sānjoslu).
Šeit ir daži galvenie punkti, kas palīdzēs izprast ūdeņraža un H2-gaisa maisījumu.Ūdeņradis sadedzina divos veidos: deflagrācijas un eksplozijas rezultātā.
deflagrācija.Deflagrācija ir izplatīts sadegšanas režīms, kurā liesmas pārvietojas pa maisījumu zemskaņas ātrumā.Tas notiek, piemēram, ja brīvu ūdeņraža-gaisa maisījuma mākoni aizdedzina neliels aizdegšanās avots.Šajā gadījumā liesma pārvietosies ar ātrumu no desmit līdz vairākiem simtiem pēdu sekundē.Karstās gāzes strauja izplešanās rada spiediena viļņus, kuru stiprums ir proporcionāls mākoņa izmēram.Dažos gadījumos triecienviļņa spēks var būt pietiekams, lai sabojātu ēkas konstrukcijas un citus tā ceļā esošus objektus un radītu savainojumus.
eksplodēt.Kad tas eksplodēja, virsskaņas ātrumā pa maisījumu pārvietojās liesmas un triecienviļņi.Spiediena attiecība detonācijas vilnī ir daudz lielāka nekā detonācijas gadījumā.Palielinātā spēka dēļ sprādziens ir bīstamāks cilvēkiem, ēkām un tuvumā esošiem objektiem.Parasta uzliesmošana izraisa sprādzienu, ja to aizdedzina slēgtā telpā.Tik šaurā zonā aizdegšanos var izraisīt vismazākais enerģijas daudzums.Bet ūdeņraža-gaisa maisījuma detonēšanai neierobežotā telpā ir nepieciešams jaudīgāks aizdegšanās avots.
Spiediena attiecība visā detonācijas viļņā ūdeņraža-gaisa maisījumā ir aptuveni 20. Atmosfēras spiedienā attiecība 20 ir 300 psi.Kad šis spiediena vilnis saduras ar nekustīgu objektu, spiediena attiecība palielinās līdz 40-60.Tas ir saistīts ar spiediena viļņa atstarošanu no nekustīga šķēršļa.
Tendence uz noplūdi.Zemās viskozitātes un zemās molekulmasas dēļ H2 gāzei ir liela tendence noplūst un pat caurstrāvot vai iekļūt dažādos materiālos.
Ūdeņradis ir 8 reizes vieglāks par dabasgāzi, 14 reizes vieglāks par gaisu, 22 reizes vieglāks par propānu un 57 reizes vieglāks par benzīna tvaiku.Tas nozīmē, ka, uzstādot ārā, H2 gāze ātri pacelsies un izkliedēsies, samazinot jebkādas vienmērīgas noplūdes pazīmes.Bet tas var būt abpusēji griezīgs zobens.Sprādziens var notikt, ja metināšana jāveic āra instalācijai virs H2 noplūdes vai pa vējam bez noplūdes noteikšanas pētījuma pirms metināšanas.Slēgtā telpā H2 gāze var pacelties un uzkrāties no griestiem uz leju, kas ļauj tai uzkrāties līdz lieliem apjomiem, pirms tā, visticamāk, nonāks saskarē ar aizdegšanās avotiem zemes tuvumā.
Nejaušs ugunsgrēks.Pašaizdegšanās ir parādība, kurā gāzu vai tvaiku maisījums spontāni aizdegas bez ārēja aizdegšanās avota.To sauc arī par "spontānu aizdegšanos" vai "spontānu aizdegšanos".Pašaizdegšanās ir atkarīga no temperatūras, nevis spiediena.
Pašaizdegšanās temperatūra ir minimālā temperatūra, kurā degviela spontāni aizdegas pirms aizdegšanās, ja nav ārēja aizdegšanās avota, saskaroties ar gaisu vai oksidētāju.Atsevišķa pulvera pašaizdegšanās temperatūra ir temperatūra, kurā tas spontāni aizdegas, ja nav oksidētāja.Gāzveida H2 pašaizdegšanās temperatūra gaisā ir 585°C.
Aizdegšanās enerģija ir enerģija, kas nepieciešama, lai uzsāktu liesmas izplatīšanos caur degošu maisījumu.Minimālā aizdedzes enerģija ir minimālā enerģija, kas nepieciešama, lai aizdedzinātu konkrētu degošu maisījumu noteiktā temperatūrā un spiedienā.Minimālā dzirksteļaizdedzes enerģija gāzveida H2 1 atm gaisa = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Sprādzienbīstamības robežas ir maksimālā un minimālā tvaiku, miglas vai putekļu koncentrācija gaisā vai skābeklī, pie kuras notiek sprādziens.Vides izmērs un ģeometrija, kā arī degvielas koncentrācija kontrolē ierobežojumus.“Sprādziena robeža” dažreiz tiek izmantota kā sinonīms vārdam “sprādziena robeža”.
Sprādzienbīstamības robežas H2 maisījumiem gaisā ir 18,3 tilp.% (apakšējā robeža) un 59 tilp.% (augšējā robeža).
Projektējot cauruļvadu sistēmas (1. attēls), vispirms ir jānosaka katram šķidruma veidam nepieciešamie būvmateriāli.Un katrs šķidrums tiks klasificēts saskaņā ar ASME B31.3 punktu.300(b)(1) teikts: "Īpašnieks ir atbildīgs arī par D, M klases, augstspiediena un augstas tīrības cauruļvadu noteikšanu, kā arī par to, vai ir jāizmanto konkrēta kvalitātes sistēma."
Šķidruma iedalījums kategorijās nosaka testēšanas pakāpi un vajadzīgās pārbaudes veidu, kā arī daudzas citas prasības, kuru pamatā ir šķidruma kategorija.Īpašnieka atbildība par to parasti gulstas uz īpašnieka inženiertehnisko nodaļu vai ārpakalpojumu inženieri.
Lai gan B31.3 procesa cauruļvadu kodeksā nav norādīts īpašniekam, kuru materiālu izmantot konkrētam šķidrumam, tas sniedz norādījumus par izturību, biezumu un materiāla savienojuma prasībām.Koda ievadā ir arī divi paziņojumi, kas skaidri norāda:
Un izvērsiet pirmās daļas B31.3. punktu.300(b)(1) arī ir teikts: “Cauruļvada iekārtas īpašnieks ir vienpersoniski atbildīgs par šī kodeksa ievērošanu un par projektēšanas, būvniecības, pārbaudes, pārbaudes un testēšanas prasību noteikšanu, kas reglamentē visu šķidrumu apstrādi vai procesus, kuru daļa ir cauruļvads.Uzstādīšana.”Tātad, pēc tam, kad ir noteikti daži atbildības pamatnoteikumi un prasības šķidruma pakalpojumu kategoriju noteikšanai, redzēsim, kur ir ūdeņraža gāze.
Tā kā ūdeņraža gāze darbojas kā gaistošs šķidrums ar noplūdēm, ūdeņraža gāzi var uzskatīt par parastu šķidrumu vai M klases šķidrumu kategorijā B31.3 šķidruma lietošanai.Kā minēts iepriekš, šķidruma apstrādes klasifikācija ir īpašnieka prasība, ja tā atbilst izvēlēto kategoriju vadlīnijām, kas aprakstītas B31.3, 3. punktā. 300.2. Definīcijas sadaļā “Hidrauliskie pakalpojumi”.Tālāk ir sniegtas parastā šķidruma apkalpošanas un M klases šķidruma apkalpošanas definīcijas.
“Normāls šķidruma pakalpojums: šķidruma pakalpojums, kas piemērojams lielākajai daļai cauruļvadu, uz ko attiecas šis kodekss, ti, uz tiem neattiecas noteikumi par D, M klases, augstas temperatūras, augsta spiediena vai augsta šķidruma tīrības līmeni.
(1) Šķidruma toksicitāte ir tik liela, ka vienreizēja iedarbība uz ļoti nelielu šķidruma daudzumu, ko izraisa noplūde, var radīt nopietnus neatgriezeniskus ievainojumus tiem, kas to ieelpo vai nonāk saskarē ar to, pat ja tiek veikti tūlītēji atveseļošanas pasākumi.paņemts
(2) Ņemot vērā cauruļvada konstrukciju, pieredzi, ekspluatācijas apstākļus un atrašanās vietu, īpašnieks konstatē, ka prasības šķidruma normālai lietošanai nav pietiekamas, lai nodrošinātu necaurlaidību, kas nepieciešama personāla aizsardzībai no iedarbības.”
Iepriekš minētajā M definīcijā ūdeņraža gāze neatbilst 1. punkta kritērijiem, jo ​​to neuzskata par toksisku šķidrumu.Tomēr, piemērojot 2. apakšpunktu, Kodekss ļauj klasificēt hidrauliskās sistēmas M klasē, pienācīgi ņemot vērā “…cauruļvada konstrukciju, pieredzi, ekspluatācijas apstākļus un atrašanās vietu…” Īpašnieks atļauj noteikt parasto šķidruma apstrādi.Prasības ir nepietiekamas, lai apmierinātu vajadzību pēc augstāka līmeņa integritātes ūdeņraža gāzes cauruļvadu sistēmu projektēšanā, būvniecībā, pārbaudē, pārbaudē un testēšanā.
Pirms apspriest augstas temperatūras ūdeņraža koroziju (HTHA), lūdzu, skatiet 1. tabulu.Kodi, standarti un noteikumi ir uzskaitīti šajā tabulā, kurā ir iekļauti seši dokumenti par ūdeņraža trauslumu (HE), kas ir izplatīta korozijas anomālija, kas ietver HTHA.OH var rasties zemā un augstā temperatūrā.To uzskata par korozijas veidu, to var ierosināt vairākos veidos, kā arī ietekmēt plašu materiālu klāstu.
HE ir dažādas formas, kuras var iedalīt ūdeņraža krekinga (HAC), ūdeņraža sprieguma krekinga (HSC), sprieguma korozijas krekinga (SCC), ūdeņraža korozijas krekinga (HACC), ūdeņraža burbuļošanas (HB), ūdeņraža krekinga (HIC).)), uz spriegumu orientēta ūdeņraža krekinga (SOHIC), progresīvā krekinga (SWC), sulfīda sprieguma krekinga (SSC), mīkstās zonas krekinga (SZC) un augstas temperatūras ūdeņraža korozija (HTHA).
Vienkāršākajā formā ūdeņraža trauslums ir mehānisms metāla graudu robežu iznīcināšanai, kā rezultātā samazinās elastība atomu ūdeņraža iespiešanās dēļ.Veidi, kā tas notiek, ir dažādi, un tos daļēji nosaka to attiecīgie nosaukumi, piemēram, HTHA, kur trauslumam ir nepieciešams vienlaikus augsta temperatūra un augstspiediena ūdeņradis, un SSC, kur atomu ūdeņradis tiek ražots kā slēgtas gāzes un ūdeņradis.skābes korozijas dēļ tie iesūcas metāla korpusos, kas var izraisīt trauslumu.Taču kopējais rezultāts ir tāds pats kā visiem iepriekš aprakstītajiem ūdeņraža trausluma gadījumiem, kad metāla stiprumu samazina trauslums zem tā pieļaujamā sprieguma diapazona, kas savukārt nosaka priekšnoteikumus potenciāli katastrofālam notikumam, ņemot vērā šķidruma nepastāvību.
Papildus sienas biezumam un mehānisko savienojumu veiktspējai, izvēloties materiālus H2 gāzes apkalpošanai, jāņem vērā divi galvenie faktori: 1. Augstas temperatūras ūdeņraža (HTHA) iedarbība un 2. Nopietnas bažas par iespējamu noplūdi.Abas tēmas šobrīd tiek apspriestas.
Atšķirībā no molekulārā ūdeņraža atomu ūdeņradis var paplašināties, pakļaujot ūdeņradi augstām temperatūrām un spiedienam, radot pamatu potenciālajam HTHA.Šādos apstākļos atomu ūdeņradis spēj difundēt oglekļa tērauda cauruļvadu materiālos vai iekārtās, kur tas reaģē ar oglekli metāla šķīdumā, veidojot metāna gāzi pie graudu robežām.Nevarot izkļūt, gāze izplešas, radot plaisas un plaisas cauruļu vai tvertņu sienās – tas ir HTGA.Jūs varat skaidri redzēt HTHA rezultātus 2. attēlā, kur 8 collu sienā ir redzamas plaisas un plaisas.Nominālā izmēra (NPS) caurules daļa, kas neizdodas šādos apstākļos.
Oglekļa tēraudu var izmantot ūdeņraža izmantošanai, ja darba temperatūra tiek uzturēta zem 500 ° F.Kā minēts iepriekš, HTHA rodas, ja ūdeņraža gāze tiek turēta augstā daļējā spiedienā un augstā temperatūrā.Oglekļa tēraudu nav ieteicams lietot, ja paredzams, ka ūdeņraža daļējais spiediens ir aptuveni 3000 psi un temperatūra pārsniedz aptuveni 450 °F (kas ir avārijas stāvoklis 2. attēlā).
Kā redzams no modificētā Nelsona diagrammas 3. attēlā, kas daļēji ņemts no API 941, augstai temperatūrai ir vislielākā ietekme uz ūdeņraža piespiešanu.Ūdeņraža gāzes daļējais spiediens var pārsniegt 1000 psi, ja to izmanto ar oglekļa tēraudiem, kas darbojas temperatūrā līdz 500 ° F.
3. attēls. Šo modificēto Nelsona diagrammu (pielāgota API 941) var izmantot, lai izvēlētos piemērotus materiālus ūdeņraža izmantošanai dažādās temperatūrās.
Uz att.3. attēlā parādīta tēraudu izvēle, kuriem tiek garantēta iespēja izvairīties no ūdeņraža iedarbības atkarībā no darba temperatūras un ūdeņraža daļējā spiediena.Austenīta nerūsējošie tēraudi ir nejutīgi pret HTHA un ir apmierinoši materiāli jebkurā temperatūrā un spiedienā.
Austenīta 316/316L nerūsējošais tērauds ir vispraktiskākais materiāls ūdeņraža izmantošanai, un tam ir pierādīta pieredze.Lai gan oglekļa tēraudiem ir ieteicama pēcmetināšanas termiskā apstrāde (PWHT), lai metināšanas laikā kalcinētu atlikušo ūdeņradi un samazinātu karstuma ietekmētās zonas (HAZ) cietību pēc metināšanas, austenīta nerūsējošajiem tēraudiem tā nav nepieciešama.
Termiskās apstrādes un metināšanas radītie termotermiskie efekti maz ietekmē austenīta nerūsējošā tērauda mehāniskās īpašības.Tomēr aukstā apstrāde var uzlabot austenīta nerūsējošā tērauda mehāniskās īpašības, piemēram, izturību un cietību.Liekot un veidojot caurules no austenīta nerūsējošā tērauda, ​​mainās to mehāniskās īpašības, tajā skaitā samazinās materiāla plastiskums.
Ja austenīta nerūsējošajam tēraudam nepieciešama aukstā formēšana, šķīduma atkvēlināšana (karsēšana līdz aptuveni 1045 °C, kam seko rūdīšana vai ātra dzesēšana) atjaunos materiāla mehāniskās īpašības līdz to sākotnējām vērtībām.Tas arī novērsīs sakausējuma segregāciju, sensibilizāciju un sigmas fāzi, kas sasniegta pēc aukstās apstrādes.Veicot šķīduma atkausēšanu, ņemiet vērā, ka ātra dzesēšana var radīt materiālā atlikušo spriegumu, ja tas netiek pareizi apstrādāts.
Skatiet tabulas GR-2.1.1-1 Cauruļvadu un cauruļu montāžas materiālu specifikācijas indekss un GR-2.1.1-2 Cauruļvadu materiālu specifikācijas indekss ASME B31, lai uzzinātu par pieņemamu materiālu izvēli H2 pakalpojumam.caurules ir laba vieta, kur sākt.
Ar standarta atomu svaru 1,008 atomu masas vienības (amu) ūdeņradis ir vieglākais un mazākais elements periodiskajā tabulā, un tāpēc tam ir liela nosliece uz noplūdi ar potenciāli postošām sekām, es varētu piebilst.Līdz ar to gāzesvadu sistēma jāprojektē tā, lai ierobežotu mehāniskā tipa savienojumus un uzlabotu tos savienojumus, kas tiešām ir nepieciešami.
Ierobežojot iespējamās noplūdes vietas, sistēmai jābūt pilnībā metinātai, izņemot iekārtu, cauruļvadu elementu un veidgabalu atloku savienojumus.Pēc iespējas jāizvairās no vītņotiem savienojumiem, ja ne pilnībā.Ja no vītņotiem savienojumiem kāda iemesla dēļ nevar izvairīties, ieteicams tos pilnībā nofiksēt bez vītnes blīvējuma un pēc tam noblīvēt metināto šuvi.Izmantojot oglekļa tērauda cauruli, cauruļu savienojumiem jābūt sadurmetinātiem un pēc metināšanas termiski apstrādātiem (PWHT).Pēc metināšanas caurules siltuma ietekmes zonā (HAZ) ir pakļautas ūdeņraža iedarbībai pat apkārtējās vides temperatūrā.Lai gan ūdeņraža uzbrukums galvenokārt notiek augstā temperatūrā, PWHT stadija šo iespēju pilnībā samazinās, ja ne izslēgs pat apkārtējās vides apstākļos.
Pilnībā metinātās sistēmas vājais punkts ir atloka savienojums.Lai nodrošinātu augstu atloku savienojumu hermētiskumu, jāizmanto Kammprofile blīves (4. att.) vai cita veida blīves.Vairāku ražotāju izgatavots gandrīz tādā pašā veidā, šis paliktnis ir ļoti piedodošs.Tas sastāv no zobainiem pilnīgi metāla gredzeniem, kas iestiprināti starp mīkstiem, deformējamiem blīvējuma materiāliem.Zobi koncentrē skrūves slodzi mazākā laukumā, lai nodrošinātu ciešu piegulšanu ar mazāku slodzi.Tas ir izstrādāts tā, lai tas varētu kompensēt nelīdzenas atloku virsmas, kā arī mainīgos darbības apstākļus.
Attēls 4. Kammprofila blīvēm ir metāla serde, kas no abām pusēm savienota ar mīkstu pildvielu.
Vēl viens svarīgs sistēmas integritātes faktors ir vārsts.Noplūdes ap kāta blīvējumu un korpusa atlokiem ir reāla problēma.Lai to novērstu, ieteicams izvēlēties vārstu ar silfona blīvējumu.
Izmantojiet 1 collu.Skolas 80 oglekļa tērauda caurule, mūsu zemāk esošajā piemērā, ņemot vērā ražošanas pielaides, koroziju un mehāniskās pielaides saskaņā ar ASTM A106 Gr B, maksimālo pieļaujamo darba spiedienu (MAWP) var aprēķināt divos posmos temperatūrā līdz 300 °F (Piezīme. Iemesls “…temperatūrai līdz 300ºF…” ir tāpēc, ka BTM pieļaujamā spriedze ir samazināta vai pieļaujamā slodze. pārsniedz 300ºF.(S), tāpēc (1) vienādojumam ir jāpielāgojas temperatūrai virs 300ºF.)
Atsaucoties uz formulu (1), pirmais solis ir aprēķināt cauruļvada teorētisko pārraušanas spiedienu.
T = caurules sieniņu biezums mīnus mehāniskās, korozijas un ražošanas pielaides collās.
Otrajā procesa daļā tiek aprēķināts cauruļvada maksimāli pieļaujamais darba spiediens Pa, rezultātam P piemērojot drošības koeficientu S f saskaņā ar (2) vienādojumu:
Tādējādi, izmantojot 1″ skola 80 materiālu, pārraušanas spiedienu aprēķina šādi:
Pēc tam tiek piemērots drošības līmenis Sf 4 saskaņā ar ASME spiedtvertņu ieteikumu VIII-1 2019. gada 8. punktu. UG-101 aprēķina šādi:
Iegūtā MAWP vērtība ir 810 psi.collas attiecas tikai uz cauruli.Atloka savienojums vai sastāvdaļa ar zemāko reitingu sistēmā būs noteicošais faktors, nosakot pieļaujamo spiedienu sistēmā.
Saskaņā ar ASME B16.5 maksimālais pieļaujamais darba spiediens 150 oglekļa tērauda atloka veidgabaliem ir 285 psi.collu pie -20°F līdz 100°F.300. klases maksimālais pieļaujamais darba spiediens ir 740 psi.Tas būs sistēmas spiediena robežfaktors saskaņā ar tālāk sniegto materiāla specifikācijas piemēru.Arī tikai hidrostatiskajos testos šīs vērtības var pārsniegt 1,5 reizes.
Oglekļa tērauda materiāla pamatspecifikācijas piemērs ir H2 gāzes apkalpošanas līnijas specifikācija, kas darbojas apkārtējā temperatūrā, kas zemāka par paredzēto spiedienu 740 psi.collu, var ietvert 2. tabulā norādītās materiāla prasības. Tālāk norādītie veidi, kuriem var būt nepieciešama uzmanība, lai tos iekļautu specifikācijā:
Neskaitot pašu cauruļvadu, cauruļvadu sistēmu veido daudzi elementi, piemēram, veidgabali, vārsti, līniju aprīkojums utt. Lai gan daudzi no šiem elementiem tiks salikti kopā, lai tos detalizēti apspriestu, būs nepieciešams vairāk lapu, nekā var ievietot.Šis raksts.