Овој преглед дава препораки за безбеден дизајн на цевководни системи за дистрибуција на водород.
Водородот е многу испарлива течност со висока тенденција за истекување.Тоа е многу опасна и смртоносна комбинација на тенденции, испарлива течност која тешко се контролира.Ова се трендови што треба да се земат предвид при изборот на материјали, дихтунзи и заптивки, како и карактеристиките на дизајнот на таквите системи.Овие теми за дистрибуцијата на гасовитиот H2 се во фокусот на оваа дискусија, а не производството на H2, течен H2 или течен H2 (види десната странична лента).
Еве неколку клучни точки кои ќе ви помогнат да ја разберете мешавината на водород и H2-воздух.Водородот гори на два начина: дефлаграција и експлозија.
дефлаграција.Дефлаграцијата е вообичаен режим на согорување во кој пламенот патува низ смесата со субсонични брзини.Ова се случува, на пример, кога слободен облак од мешавина на водород-воздух се запали од мал извор на палење.Во овој случај, пламенот ќе се движи со брзина од десет до неколку стотици стапки во секунда.Брзото ширење на врелиот гас создава бранови под притисок чија сила е пропорционална на големината на облакот.Во некои случаи, силата на ударниот бран може да биде доволна за да ги оштети градежните конструкции и другите предмети на патот и да предизвика повреда.
експлодираат.Кога експлодирала, пламенот и ударните бранови патувале низ смесата со суперсонична брзина.Односот на притисокот во бранот на детонација е многу поголем отколку во детонацијата.Поради зголемената сила експлозијата е поопасна за луѓето, зградите и околните објекти.Нормално дефлагрирање предизвикува експлозија кога се запали во затворен простор.Во толку тесен простор, палењето може да биде предизвикано од најмала количина на енергија.Но, за детонација на мешавина на водород-воздух во неограничен простор, потребен е помоќен извор на палење.
Односот на притисокот низ бранот на детонација во смесата водород-воздух е околу 20. При атмосферски притисок, односот од 20 е 300 psi.Кога овој бран на притисок ќе се судри со неподвижен објект, односот на притисокот се зголемува на 40-60.Ова се должи на одразот на бранот на притисок од стационарна пречка.
Тенденција за протекување.Поради нискиот вискозитет и малата молекуларна тежина, гасот H2 има висока тенденција да истекува, па дури и да навлезе или да навлезе во различни материјали.
Водородот е 8 пати полесен од природниот гас, 14 пати полесен од воздухот, 22 пати полесен од пропанот и 57 пати полесен од пареата на бензинот.Ова значи дека кога ќе се инсталира на отворено, гасот H2 брзо ќе се издигне и ќе се расипе, намалувајќи ги сите знаци на дури и протекување.Но, тоа може да биде меч со две острици.Може да дојде до експлозија ако заварувањето треба да се изврши на надворешна инсталација над или надолу од истекување H2 без студија за откривање истекување пред заварувањето.Во затворен простор, гасот H2 може да се издигне и да се акумулира од таванот надолу, состојба што му овозможува да се акумулира до големи количини пред да биде поголема веројатноста да дојде во контакт со извори на палење во близина на земјата.
Случаен пожар.Самозапалувањето е феномен во кој мешавина од гасови или пареи се запали спонтано без надворешен извор на палење.Познато е и како „спонтано согорување“ или „спонтано согорување“.Самозапалувањето зависи од температурата, а не од притисокот.
Температурата на самозапалување е минималната температура на која горивото спонтано ќе се запали пред палењето во отсуство на надворешен извор на палење при контакт со воздух или оксидирачки агенс.Температурата на самозапалување на еден прашок е температурата на која тој спонтано се запали во отсуство на оксидирачки агенс.Температурата на самозапалување на гасовитиот H2 во воздухот е 585°C.
Енергијата на палење е енергијата потребна за иницирање на ширење на пламенот низ запалива смеса.Минималната енергија на палење е минималната енергија потребна за да се запали одредена запалива смеса при одредена температура и притисок.Минимална енергија за палење на искра за гасовит H2 во 1 atm воздух = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Експлозивните граници се максималните и минималните концентрации на пареа, магла или прашина во воздухот или кислородот при кои се случува експлозија.Големината и геометријата на околината, како и концентрацијата на горивото, ги контролираат границите.„Граница на експлозија“ понекогаш се користи како синоним за „граница на експлозија“.
Експлозивните граници за H2 смесите во воздухот се 18,3 vol.% (долна граница) и 59 vol.% (горна граница).
При дизајнирање на цевководни системи (слика 1), првиот чекор е да се одредат градежните материјали потребни за секој тип на течност.И секоја течност ќе биде класифицирана во согласност со ставот ASME B31.3.300(б)(1) вели, „Сопственикот е исто така одговорен за одредување на цевководи од класа D, M, висок притисок и висока чистота и одредување дали треба да се користи одреден систем за квалитет“.
Категоризацијата на течности го дефинира степенот на тестирање и видот на потребното тестирање, како и многу други барања врз основа на категоријата на течности.Одговорноста на сопственикот за ова обично паѓа на инженерскиот оддел на сопственикот или на надворешниот инженер.
Иако кодексот за процесни цевки B31.3 не му кажува на сопственикот кој материјал да го користи за одредена течност, тој обезбедува упатства за цврстината, дебелината и барањата за поврзување на материјалот.Исто така, има две изјави во воведот на кодот кои јасно кажуваат:
И проширете го првиот став погоре, став Б31.3.300(б)(1), исто така, вели: „Сопственикот на цевководна инсталација е единствено одговорен за усогласување со овој Кодекс и за утврдување на барањата за проектирање, изградба, инспекција, инспекција и тестирање што го регулираат секое ракување со течности или процес чиј дел е цевководот.Инсталација.”Значи, по утврдувањето на некои основни правила за одговорност и барања за дефинирање на категориите на услуги на течности, ајде да видиме каде се вклопува водородниот гас.
Бидејќи водородниот гас делува како испарлива течност со протекување, водородниот гас може да се смета за нормална течност или течност од класа М под категоријата B31.3 за течна услуга.Како што е наведено погоре, класификацијата на ракување со течности е барање на сопственикот, под услов да ги исполнува упатствата за избраните категории опишани во B31.3, став 3. 300.2 Дефиниции во делот „Хидраулични услуги“.Следниве се дефиниции за нормална услуга на течности и услуга на течности од класа М:
„Нормална услуга на течности: Сервисот за течности се применува на повеќето цевководи кои се предмет на оваа шифра, односно не подлежат на прописите за класите D, M, висока температура, висок притисок или висока чистота на течности.
(1) Токсичноста на течноста е толку голема што еднократна изложеност на многу мала количина на течност предизвикана од истекување може да предизвика сериозни трајни повреди на оние кои вдишуваат или доаѓаат во контакт со неа, дури и ако се преземат итни мерки за обновување.земени
(2) По разгледувањето на дизајнот на цевководот, искуството, условите за работа и локацијата, сопственикот утврдува дека барањата за нормална употреба на течноста не се доволни за да се обезбеди затегнатоста потребна за заштита на персоналот од изложеност.”
Во горната дефиниција за М, водородниот гас не ги исполнува критериумите од став (1) бидејќи не се смета за токсична течност.Меѓутоа, со примена на потточка (2), Кодексот дозволува класификација на хидраулични системи во класата М по соодветно разгледување на „...дизајнот на цевките, искуството, работните услови и локацијата...“ Сопственикот дозволува определување на нормално ракување со течности.Барањата се недоволни за да се задоволат потребите за повисоко ниво на интегритет при проектирањето, конструкцијата, инспекцијата, инспекцијата и тестирањето на системите за цевки за водороден гас.
Ве молиме погледнете ја Табела 1 пред да разговарате за водородна корозија на висока температура (HTHA).Кодовите, стандардите и прописите се наведени во оваа табела, која вклучува шест документи на тема водородна кршливост (HE), вообичаена аномалија на корозија која вклучува HTHA.OH може да се појави при ниски и високи температури.Се смета за форма на корозија, може да се иницира на неколку начини и исто така да влијае на широк спектар на материјали.
HE има различни форми, кои можат да се поделат на пукање со водород (HAC), пукање со водороден стрес (HSC), пукање од корозија на стрес (SCC), пукање од корозија на водород (HACC), клокотот на водород (HB), пукање со водород (HIC).)), водородно пукање ориентирано на стрес (SOHIC), прогресивно пукање (SWC), пукање на сулфид напрегање (SSC), пукање во мека зона (SZC) и водородна корозија (HTHA) на висока температура.
Во својата наједноставна форма, водородната кршливост е механизам за уништување на границите на металните зрна, што резултира со намалена еластичност поради пенетрацијата на атомскиот водород.Начините на кои тоа се случува се различни и делумно се дефинирани со нивните соодветни имиња, како што е HTHA, каде што е потребен истовремен водород со висока температура и висок притисок за кршливост, и SSC, каде што атомскиот водород се произведува како затворени гасови и водород.поради киселинска корозија, тие навлегуваат во метални куќишта, што може да доведе до кршливост.Но, вкупниот резултат е ист како и за сите случаи на водородна кршливост опишани погоре, каде што јачината на металот се намалува со кршливост под дозволениот опсег на напрегање, што пак ја поставува основата за потенцијално катастрофален настан со оглед на испарливоста на течноста.
Покрај дебелината на ѕидот и механичките перформанси на спојниците, треба да се земат предвид два главни фактори при изборот на материјали за сервисирање на гас H2: 1. Изложеност на водород со висока температура (HTHA) и 2. Сериозни грижи за потенцијално истекување.Двете теми во моментов се на дискусија.
За разлика од молекуларниот водород, атомскиот водород може да се прошири, изложувајќи го водородот на високи температури и притисоци, создавајќи основа за потенцијален HTHA.Под овие услови, атомскиот водород може да се дифузира во материјалите или опремата за цевки од јаглероден челик, каде што реагира со јаглерод во метален раствор за да формира гас метан на границите на зрната.Не можејќи да избега, гасот се шири, создавајќи пукнатини и пукнатини на ѕидовите на цевките или садовите - ова е HTGA.Можете јасно да ги видите резултатите од HTHA на Слика 2 каде пукнатините и пукнатините се видливи на ѕидот од 8 инчи.Делот од цевката со номинална големина (NPS) што не успева во овие услови.
Јаглеродниот челик може да се користи за сервисирање на водород кога работната температура се одржува под 500°F.Како што споменавме погоре, HTHA се јавува кога водородниот гас се држи на висок парцијален притисок и висока температура.Јаглеродниот челик не се препорачува кога се очекува парцијалниот притисок на водородот да биде околу 3000 psi, а температурата е над околу 450°F (што е услов за несреќа на Слика 2).
Како што може да се види од модифицираната слика на Нелсон на Слика 3, делумно преземена од API 941, високата температура има најголем ефект врз принудувањето на водород.Парцијалниот притисок на водородниот гас може да надмине 1000 psi кога се користи со јаглеродни челици кои работат на температури до 500°F.
Слика 3. Оваа модифицирана табела на Нелсон (приспособена од API 941) може да се користи за избор на соодветни материјали за сервисирање на водород на различни температури.
На сл.3 го прикажува изборот на челици кои гарантирано избегнуваат напад на водород, во зависност од работната температура и парцијалниот притисок на водородот.Аустенитните нерѓосувачки челици се нечувствителни на HTHA и се задоволителни материјали на сите температури и притисоци.
Аустенитичниот нерѓосувачки челик 316/316L е најпрактичниот материјал за примена на водород и има докажано искуство.Додека термичката обработка по заварување (PWHT) се препорачува за јаглеродните челици за калцинирање на преостанатиот водород за време на заварувањето и намалување на тврдоста на зоната погодена од топлина (HAZ) по заварувањето, тоа не е потребно за аустенитни нерѓосувачки челици.
Термотермичките ефекти предизвикани од термичка обработка и заварување имаат мало влијание врз механичките својства на аустенитичните нерѓосувачки челици.Сепак, ладното работење може да ги подобри механичките својства на аустенитичните нерѓосувачки челици, како што се силата и цврстината.При свиткување и формирање на цевки од аустенитен нерѓосувачки челик, нивните механички својства се менуваат, вклучително и намалување на пластичноста на материјалот.
Ако аустенитниот не'рѓосувачки челик бара ладно формирање, жарењето со раствор (загревање до приближно 1045°C проследено со гаснење или брзо ладење) ќе ги врати механичките својства на материјалот до нивните првобитни вредности.Исто така, ќе ја елиминира сегрегацијата на легурата, сензибилизацијата и фазата на сигма постигнати по ладна работа.Кога вршите варење со раствор, имајте предвид дека брзото ладење може да го врати преостанатиот стрес во материјалот доколку не се ракува правилно.
Погледнете во табелите GR-2.1.1-1 Индекс на спецификација на материјалот за склопување цевки и цевки и GR-2.1.1-2 Индекс на спецификација на материјал за цевки во ASME B31 за прифатлив избор на материјали за услугата H2.цевките се добро место за почеток.
Со стандардна атомска тежина од 1,008 единици на атомска маса (аму), водородот е најлесниот и најмалиот елемент на периодниот систем, и затоа има голема склоност кон истекување, со потенцијално разорни последици, би можел да додадам.Затоа, системот за гасоводот мора да биде дизајниран на таков начин што ќе ги ограничи врските од механички тип и ќе ги подобри оние врски што се навистина потребни.
При ограничување на потенцијалните точки на истекување, системот треба да биде целосно заварен, освен прирабничките приклучоци на опремата, цевководните елементи и фитинзите.Врските со навој треба да се избегнуваат колку што е можно, ако не и целосно.Ако навојните врски не можат да се избегнат поради која било причина, се препорачува целосно да се заглават без заптивната смеса со навој и потоа да се запечати заварот.Кога користите цевки од јаглероден челик, спојниците на цевките мора да бидат заварени со задник и термички обработени после заварување (PWHT).По заварувањето, цевките во зоната погодена од топлина (HAZ) се изложени на напад на водород дури и при амбиентална температура.Додека нападот со водород се случува првенствено на високи температури, фазата PWHT целосно ќе ја намали, ако не и елиминира, оваа можност дури и во амбиентални услови.
Слабата точка на целосно заварениот систем е прирабничката врска.За да се обезбеди висок степен на затегнатост на прирабничките приклучоци, треба да се користат дихтунзи Kammprofile (слика 4) или друга форма на дихтунзи.Направен на речиси ист начин од неколку производители, оваа подлога е многу простлива.Се состои од заби целосно метални прстени сместени меѓу меки, деформабилни материјали за заптивање.Забите го концентрираат товарот на завртката на помала површина за да обезбедат цврсто вклопување со помал стрес.Дизајниран е на таков начин што може да ги компензира нерамните површини на прирабниците, како и флуктуирачките работни услови.
Слика 4. Дихтунзите од Кампрофилот имаат метално јадро врзано од двете страни со меко полнење.
Друг важен фактор во интегритетот на системот е вентилот.Истекувањето околу заптивката на стеблото и прирабниците на телото се вистински проблем.За да се спречи ова, се препорачува да изберете вентил со заптивка со мев.
Користете 1 инч.Јаглеродни челични цевки од школа 80, во нашиот пример подолу, со оглед на производните толеранции, корозија и механички толеранции во согласност со ASTM A106 Gr B, максималниот дозволен работен притисок (MAWP) може да се пресмета во два чекори на температури до 300°F (Забелешка: Причината за „… Материјалот Б почнува да се влошува кога температурата ќе надмине 300ºF.(S), така што равенката (1) бара Прилагодување на температури над 300ºF.)
Осврнувајќи се на формулата (1), првиот чекор е да се пресмета теоретскиот притисок на пукање на цевководот.
T = дебелина на ѕидот на цевката минус механички, корозија и производствени толеранции, во инчи.
Вториот дел од процесот е да се пресмета максимално дозволениот работен притисок Pa на цевководот со примена на безбедносниот фактор S f на резултатот P според равенката (2):
Така, кога се користи материјал од 1 инчи школа 80, притисокот на пукањето се пресметува на следниов начин:
Потоа се применува безбедносен Sf од 4 во согласност со Препораките за садот под притисок на ASME, Дел VIII-1 2019, став 8. UG-101 пресметан на следниов начин:
Добиената вредност на MAWP е 810 psi.инч се однесува само на цевката.Прирабничкиот приклучок или компонентата со најнизок рејтинг во системот ќе биде одлучувачки фактор за одредување на дозволениот притисок во системот.
Според ASME B16.5, максималниот дозволен работен притисок за прирабнички фитинзи од јаглероден челик од 150 е 285 psi.инчи на -20°F до 100°F.Класата 300 има максимален дозволен работен притисок од 740 psi.Ова ќе биде граничниот фактор на притисок на системот според примерот за спецификација на материјалот подолу.Исто така, само при хидростатички тестови, овие вредности може да надминат 1,5 пати.
Како пример за основна спецификација за материјал од јаглероден челик, спецификација за сервисна линија за гас H2 која работи на амбиентална температура под проектен притисок од 740 psi.инчи, може да ги содржи барањата за материјали прикажани во Табела 2. Следниве се типови за кои може да биде потребно внимание да бидат вклучени во спецификацијата:
Освен самиот цевковод, има многу елементи кои го сочинуваат цевководниот систем, како што се фитинзи, вентили, линиска опрема, итн. Иако многу од овие елементи ќе се соберат во цевковод за детално да се дискутираат, за ова ќе бидат потребни повеќе страници отколку што може да се сместат.Оваа статија.