Gambaran keseluruhan ini memberikan cadangan untuk reka bentuk selamat sistem paip untuk pengedaran hidrogen.
Hidrogen ialah cecair yang sangat mudah meruap dengan kecenderungan tinggi untuk bocor.Ia adalah gabungan kecenderungan yang sangat berbahaya dan mematikan, cecair meruap yang sukar dikawal.Ini adalah trend yang perlu dipertimbangkan apabila memilih bahan, gasket dan pengedap, serta ciri reka bentuk sistem sedemikian.Topik mengenai taburan gas H2 ini adalah fokus perbincangan ini, bukan penghasilan H2, cecair H2, atau cecair H2 (lihat bar sisi kanan).
Berikut ialah beberapa perkara penting untuk membantu anda memahami campuran hidrogen dan H2-udara.Hidrogen terbakar dalam dua cara: deflagrasi dan letupan.
deflagrasi.Deflagrasi ialah mod pembakaran biasa di mana api bergerak melalui campuran pada kelajuan subsonik.Ini berlaku, sebagai contoh, apabila awan bebas campuran hidrogen-udara dinyalakan oleh sumber pencucuhan kecil.Dalam kes ini, nyalaan akan bergerak pada kelajuan sepuluh hingga beberapa ratus kaki sesaat.Pengembangan gas panas yang cepat menghasilkan gelombang tekanan yang kekuatannya berkadar dengan saiz awan.Dalam sesetengah kes, kuasa gelombang kejutan boleh cukup untuk merosakkan struktur bangunan dan objek lain di laluannya dan menyebabkan kecederaan.
meletup.Apabila ia meletup, nyalaan dan gelombang kejutan bergerak melalui campuran pada kelajuan supersonik.Nisbah tekanan dalam gelombang letupan adalah lebih besar daripada letupan.Oleh kerana daya yang meningkat, letupan lebih berbahaya untuk orang ramai, bangunan dan objek berdekatan.Deflagrasi biasa menyebabkan letupan apabila dinyalakan dalam ruang terkurung.Di kawasan yang sempit, pencucuhan boleh disebabkan oleh jumlah tenaga yang paling sedikit.Tetapi untuk letupan campuran hidrogen-udara dalam ruang yang tidak terhad, sumber pencucuhan yang lebih berkuasa diperlukan.
Nisbah tekanan merentasi gelombang letupan dalam campuran hidrogen-udara adalah kira-kira 20. Pada tekanan atmosfera, nisbah 20 ialah 300 psi.Apabila gelombang tekanan ini berlanggar dengan objek pegun, nisbah tekanan meningkat kepada 40-60.Ini disebabkan oleh pantulan gelombang tekanan daripada halangan pegun.
Kecenderungan untuk bocor.Oleh kerana kelikatannya yang rendah dan berat molekul yang rendah, gas H2 mempunyai kecenderungan yang tinggi untuk bocor dan juga meresap atau menembusi pelbagai bahan.
Hidrogen adalah 8 kali lebih ringan daripada gas asli, 14 kali lebih ringan daripada udara, 22 kali lebih ringan daripada propana dan 57 kali lebih ringan daripada wap petrol.Ini bermakna apabila dipasang di luar, gas H2 akan naik dan hilang dengan cepat, mengurangkan sebarang tanda kebocoran sekata.Tetapi ia boleh menjadi pedang bermata dua.Letupan mungkin berlaku jika kimpalan akan dilakukan pada pemasangan luar di atas atau di bawah angin kebocoran H2 tanpa kajian pengesanan kebocoran sebelum kimpalan.Dalam ruang tertutup, gas H2 boleh naik dan terkumpul dari siling ke bawah, satu keadaan yang membolehkan ia membina sehingga volum yang besar sebelum lebih berkemungkinan bersentuhan dengan sumber pencucuhan berhampiran tanah.
Kebakaran tidak sengaja.Pencucuhan sendiri adalah fenomena di mana campuran gas atau wap menyala secara spontan tanpa sumber pencucuhan luaran.Ia juga dikenali sebagai "pembakaran spontan" atau "pembakaran spontan".Pencucuhan sendiri bergantung pada suhu, bukan tekanan.
Suhu autocucuh ialah suhu minimum di mana bahan api akan menyala secara spontan sebelum pencucuhan tanpa ketiadaan sumber pencucuhan luaran apabila bersentuhan dengan udara atau agen pengoksida.Suhu auto nyalaan serbuk tunggal ialah suhu di mana ia menyala secara spontan tanpa ketiadaan agen pengoksida.Suhu penyalaan sendiri gas H2 dalam udara ialah 585°C.
Tenaga pencucuhan ialah tenaga yang diperlukan untuk memulakan perambatan nyalaan melalui campuran mudah terbakar.Tenaga pencucuhan minimum ialah tenaga minimum yang diperlukan untuk menyalakan campuran mudah terbakar tertentu pada suhu dan tekanan tertentu.Tenaga pencucuhan percikan minimum untuk gas H2 dalam 1 atm udara = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Had letupan ialah kepekatan maksimum dan minimum wap, kabus atau habuk dalam udara atau oksigen di mana letupan berlaku.Saiz dan geometri persekitaran, serta kepekatan bahan api, mengawal had."Had letupan" kadangkala digunakan sebagai sinonim untuk "had letupan".
Had letupan untuk campuran H2 dalam udara ialah 18.3 vol.% (had bawah) dan 59 vol.% (had atas).
Apabila mereka bentuk sistem paip (Rajah 1), langkah pertama ialah menentukan bahan binaan yang diperlukan untuk setiap jenis cecair.Dan setiap cecair akan dikelaskan mengikut perenggan ASME B31.3.300(b)(1) menyatakan, "Pemilik juga bertanggungjawab untuk menentukan kelas D, M, tekanan tinggi, dan paip ketulenan tinggi, dan menentukan sama ada sistem kualiti tertentu harus digunakan."
Pengkategorian bendalir mentakrifkan tahap ujian dan jenis ujian yang diperlukan, serta banyak keperluan lain berdasarkan kategori bendalir.Tanggungjawab pemilik untuk ini biasanya terletak kepada jabatan kejuruteraan pemilik atau jurutera penyumberan luar.
Walaupun Kod Paip Proses B31.3 tidak memberitahu pemilik bahan yang hendak digunakan untuk cecair tertentu, ia memberikan panduan tentang keperluan kekuatan, ketebalan dan sambungan bahan.Terdapat juga dua pernyataan dalam pengenalan kepada kod yang menyatakan dengan jelas:
Dan kembangkan pada perenggan pertama di atas, perenggan B31.3.300(b)(1) juga menyatakan: “Pemilik pemasangan saluran paip bertanggungjawab sepenuhnya untuk mematuhi Kod ini dan untuk mewujudkan reka bentuk, pembinaan, pemeriksaan, pemeriksaan dan keperluan ujian yang mengawal semua pengendalian atau proses bendalir yang mana saluran paip itu adalah sebahagian.Pemasangan.”Jadi, selepas menetapkan beberapa peraturan asas untuk liabiliti dan keperluan untuk mentakrifkan kategori perkhidmatan bendalir, mari lihat di mana gas hidrogen sesuai.
Oleh kerana gas hidrogen bertindak sebagai cecair meruap dengan kebocoran, gas hidrogen boleh dianggap sebagai cecair biasa atau cecair Kelas M di bawah kategori B31.3 untuk perkhidmatan cecair.Seperti yang dinyatakan di atas, klasifikasi pengendalian bendalir adalah keperluan pemilik, dengan syarat ia memenuhi garis panduan untuk kategori terpilih yang diterangkan dalam B31.3, perenggan 3. 300.2 Definisi dalam bahagian "Perkhidmatan hidraulik".Berikut ialah definisi untuk perkhidmatan cecair biasa dan perkhidmatan cecair Kelas M:
“Perkhidmatan Bendalir Biasa: Servis bendalir terpakai kepada kebanyakan paip tertakluk kepada kod ini, iaitu tidak tertakluk kepada peraturan untuk kelas D, M, suhu tinggi, tekanan tinggi atau kebersihan bendalir tinggi.
(1) Ketoksikan cecair adalah sangat besar sehingga satu pendedahan kepada sejumlah kecil cecair yang disebabkan oleh kebocoran boleh menyebabkan kecederaan kekal yang serius kepada mereka yang menyedut atau bersentuhan dengannya, walaupun langkah pemulihan segera diambil.diambil
(2) Selepas mempertimbangkan reka bentuk saluran paip, pengalaman, keadaan operasi, dan lokasi, pemilik menentukan bahawa keperluan untuk penggunaan biasa bendalir tidak mencukupi untuk memberikan kekejangan yang diperlukan untuk melindungi kakitangan daripada pendedahan.”
Dalam takrifan M di atas, gas hidrogen tidak memenuhi kriteria perenggan (1) kerana ia tidak dianggap sebagai cecair toksik.Walau bagaimanapun, dengan menggunakan subseksyen (2), Kod membenarkan pengelasan sistem hidraulik dalam kelas M selepas pertimbangan sewajarnya “…reka bentuk paip, pengalaman, keadaan operasi dan lokasi…” Pemilik membenarkan penentuan pengendalian bendalir biasa.Keperluan tersebut tidak mencukupi untuk memenuhi keperluan tahap integriti yang lebih tinggi dalam reka bentuk, pembinaan, pemeriksaan, pemeriksaan dan ujian sistem paip gas hidrogen.
Sila rujuk Jadual 1 sebelum membincangkan Hakisan Hidrogen Suhu Tinggi (HTHA).Kod, piawaian dan peraturan disenaraikan dalam jadual ini, yang merangkumi enam dokumen mengenai topik pemusnahan hidrogen (HE), anomali kakisan biasa yang merangkumi HTHA.OH boleh berlaku pada suhu rendah dan tinggi.Dianggap sebagai satu bentuk kakisan, ia boleh dimulakan dalam beberapa cara dan juga menjejaskan pelbagai bahan.
HE mempunyai pelbagai bentuk, yang boleh dibahagikan kepada retak hidrogen (HAC), retak tegasan hidrogen (HSC), retak kakisan tegasan (SCC), retak kakisan hidrogen (HACC), menggelegak hidrogen (HB), retak hidrogen (HIC).)), keretakan hidrogen berorientasikan tegasan (SOHIC), keretakan progresif (SWC), retak tegasan sulfida (SSC), keretakan zon lembut (SZC), dan kakisan hidrogen suhu tinggi (HTHA).
Dalam bentuk yang paling mudah, kemerosotan hidrogen adalah mekanisme untuk pemusnahan sempadan butiran logam, mengakibatkan kemuluran berkurangan akibat penembusan hidrogen atom.Cara-cara di mana ini berlaku adalah berbeza-beza dan sebahagiannya ditakrifkan oleh nama masing-masing, seperti HTHA, di mana hidrogen suhu tinggi dan tekanan tinggi serentak diperlukan untuk pembengkakan, dan SSC, di mana hidrogen atom dihasilkan sebagai gas tertutup dan hidrogen.disebabkan oleh kakisan asid, mereka meresap ke dalam bekas logam, yang boleh menyebabkan kerapuhan.Tetapi keputusan keseluruhan adalah sama seperti untuk semua kes kerosakan hidrogen yang diterangkan di atas, di mana kekuatan logam dikurangkan oleh kemerosotan di bawah julat tegasan yang dibenarkan, yang seterusnya menetapkan peringkat untuk kejadian yang berpotensi bencana memandangkan kemeruapan cecair.
Selain ketebalan dinding dan prestasi sambungan mekanikal, terdapat dua faktor utama yang perlu dipertimbangkan semasa memilih bahan untuk perkhidmatan gas H2: 1. Pendedahan kepada hidrogen suhu tinggi (HTHA) dan 2. Kebimbangan serius tentang kemungkinan kebocoran.Kedua-dua topik itu sedang dalam perbincangan.
Tidak seperti hidrogen molekul, hidrogen atom boleh mengembang, mendedahkan hidrogen kepada suhu dan tekanan tinggi, mewujudkan asas kepada potensi HTHA.Di bawah keadaan ini, hidrogen atom dapat meresap ke dalam bahan atau peralatan paip keluli karbon, di mana ia bertindak balas dengan karbon dalam larutan logam untuk membentuk gas metana pada sempadan butiran.Tidak dapat melarikan diri, gas mengembang, mencipta keretakan dan celah di dinding paip atau vesel - ini adalah HTGA.Anda boleh melihat dengan jelas keputusan HTHA dalam Rajah 2 di mana keretakan dan rekahan jelas pada dinding 8″.Bahagian paip saiz nominal (NPS) yang gagal dalam keadaan ini.
Keluli karbon boleh digunakan untuk perkhidmatan hidrogen apabila suhu operasi dikekalkan di bawah 500°F.Seperti yang dinyatakan di atas, HTHA berlaku apabila gas hidrogen dipegang pada tekanan separa tinggi dan suhu tinggi.Keluli karbon tidak disyorkan apabila tekanan separa hidrogen dijangka sekitar 3000 psi dan suhu melebihi kira-kira 450°F (iaitu keadaan kemalangan dalam Rajah 2).
Seperti yang dapat dilihat daripada plot Nelson yang diubah suai dalam Rajah 3, sebahagiannya diambil daripada API 941, suhu tinggi mempunyai kesan yang paling besar terhadap pemaksaan hidrogen.Tekanan separa gas hidrogen boleh melebihi 1000 psi apabila digunakan dengan keluli karbon yang beroperasi pada suhu sehingga 500°F.
Rajah 3. Carta Nelson yang diubah suai ini (diadaptasi daripada API 941) boleh digunakan untuk memilih bahan yang sesuai untuk perkhidmatan hidrogen pada pelbagai suhu.
Pada rajah.3 menunjukkan pilihan keluli yang dijamin untuk mengelakkan serangan hidrogen, bergantung pada suhu operasi dan tekanan separa hidrogen.Keluli tahan karat austenit tidak sensitif terhadap HTHA dan merupakan bahan yang memuaskan pada semua suhu dan tekanan.
Keluli tahan karat Austenitic 316/316L ialah bahan yang paling praktikal untuk aplikasi hidrogen dan mempunyai rekod prestasi yang terbukti.Walaupun rawatan haba selepas kimpalan (PWHT) disyorkan untuk keluli karbon untuk mengkalsinasi sisa hidrogen semasa mengimpal dan mengurangkan kekerasan zon terjejas haba (HAZ) selepas kimpalan, ia tidak diperlukan untuk keluli tahan karat austenit.
Kesan termoterma yang disebabkan oleh rawatan haba dan kimpalan mempunyai sedikit kesan ke atas sifat mekanikal keluli tahan karat austenit.Walau bagaimanapun, kerja sejuk boleh meningkatkan sifat mekanikal keluli tahan karat austenit, seperti kekuatan dan kekerasan.Apabila membongkok dan membentuk paip daripada keluli tahan karat austenit, sifat mekanikalnya berubah, termasuk penurunan keplastikan bahan.
Jika keluli tahan karat austenit memerlukan pembentukan sejuk, penyepuhlindapan larutan (pemanasan hingga lebih kurang 1045°C diikuti dengan pelindapkejutan atau penyejukan pantas) akan memulihkan sifat mekanikal bahan kepada nilai asalnya.Ia juga akan menghapuskan pengasingan aloi, pemekaan dan fasa sigma yang dicapai selepas kerja sejuk.Apabila melakukan penyepuhlindapan larutan, ketahui bahawa penyejukan pantas boleh mengembalikan tekanan sisa ke dalam bahan jika tidak dikendalikan dengan betul.
Rujuk jadual GR-2.1.1-1 Indeks Spesifikasi Bahan Pemasangan Paip dan Tiub dan GR-2.1.1-2 Indeks Spesifikasi Bahan Paip dalam ASME B31 untuk pemilihan bahan yang boleh diterima untuk perkhidmatan H2.paip adalah tempat yang baik untuk bermula.
Dengan berat atom piawai 1.008 unit jisim atom (amu), hidrogen ialah unsur paling ringan dan terkecil pada jadual berkala, dan oleh itu mempunyai kecenderungan tinggi untuk bocor, dengan akibat yang berpotensi memusnahkan, saya mungkin menambah.Oleh itu, sistem saluran paip gas mesti direka sedemikian rupa untuk mengehadkan sambungan jenis mekanikal dan menambah baik sambungan yang benar-benar diperlukan.
Apabila mengehadkan titik kebocoran yang berpotensi, sistem hendaklah dikimpal sepenuhnya, kecuali sambungan bebibir pada peralatan, elemen paip dan kelengkapan.Sambungan berulir harus dielakkan sejauh mungkin, jika tidak sepenuhnya.Jika sambungan berulir tidak dapat dielakkan atas apa-apa sebab, adalah disyorkan untuk menyambungkannya sepenuhnya tanpa pengedap benang dan kemudian mengelak kimpalan.Apabila menggunakan paip keluli karbon, sambungan paip mesti dikimpal punggung dan dirawat haba selepas kimpalan (PWHT).Selepas kimpalan, paip di zon terjejas haba (HAZ) terdedah kepada serangan hidrogen walaupun pada suhu ambien.Walaupun serangan hidrogen berlaku terutamanya pada suhu tinggi, peringkat PWHT akan mengurangkan sepenuhnya, jika tidak menghapuskan, kemungkinan ini walaupun dalam keadaan ambien.
Titik lemah sistem dikimpal semua ialah sambungan bebibir.Untuk memastikan tahap ketat yang tinggi dalam sambungan bebibir, gasket Kammprofile (rajah 4) atau bentuk gasket lain harus digunakan.Dibuat dengan cara yang hampir sama oleh beberapa pengeluar, pad ini sangat memaafkan.Ia terdiri daripada gelang logam bergigi yang diapit di antara bahan pengedap yang lembut dan boleh ubah bentuk.Gigi menumpukan beban bolt di kawasan yang lebih kecil untuk memberikan kesesuaian yang ketat dengan kurang tekanan.Ia direka bentuk sedemikian rupa sehingga ia boleh mengimbangi permukaan bebibir yang tidak rata serta keadaan operasi yang berubah-ubah.
Rajah 4. Gasket Kammprofile mempunyai teras logam yang diikat pada kedua-dua belah dengan pengisi lembut.
Satu lagi faktor penting dalam integriti sistem ialah injap.Kebocoran di sekeliling meterai batang dan bebibir badan adalah masalah sebenar.Untuk mengelakkan ini, adalah disyorkan untuk memilih injap dengan meterai belos.
Guna 1 inci.Paip keluli karbon sekolah 80, dalam contoh kami di bawah, memandangkan toleransi pembuatan, kakisan dan toleransi mekanikal selaras dengan ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum yang dibenarkan (MAWP) boleh dikira dalam dua langkah pada suhu sehingga 300°F (Nota : Sebab “…untuk suhu sehingga 300ºF) bermula dengan suhu bahan ASTM (S) yang melebihi 300ºF…” adalah kerana tekanan bahan ASTM yang dibenarkan (S) melebihi suhu B1 (S) yang dibenarkan 300ºF.(S), jadi Persamaan (1) memerlukan Laraskan kepada suhu melebihi 300ºF.)
Merujuk kepada formula (1), langkah pertama ialah mengira tekanan pecah teori saluran paip.
T = ketebalan dinding paip tolak mekanikal, toleransi kakisan dan pembuatan, dalam inci.
Bahagian kedua proses adalah untuk mengira tekanan kerja maksimum yang dibenarkan Pa saluran paip dengan menggunakan faktor keselamatan S f kepada hasil P mengikut persamaan (2):
Oleh itu, apabila menggunakan bahan sekolah 1″ 80, tekanan pecah dikira seperti berikut:
Keselamatan Sf sebanyak 4 kemudiannya digunakan menurut ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Perenggan 8. UG-101 dikira seperti berikut:
Nilai MAWP yang terhasil ialah 810 psi.inci merujuk kepada paip sahaja.Sambungan bebibir atau komponen dengan penarafan terendah dalam sistem akan menjadi faktor penentu dalam menentukan tekanan yang dibenarkan dalam sistem.
Bagi ASME B16.5, tekanan kerja maksimum yang dibenarkan untuk 150 kelengkapan bebibir keluli karbon ialah 285 psi.inci pada -20°F hingga 100°F.Kelas 300 mempunyai tekanan kerja maksimum yang dibenarkan iaitu 740 psi.Ini akan menjadi faktor had tekanan sistem mengikut contoh spesifikasi bahan di bawah.Juga, hanya dalam ujian hidrostatik, nilai ini boleh melebihi 1.5 kali.
Sebagai contoh spesifikasi bahan keluli karbon asas, spesifikasi talian perkhidmatan gas H2 beroperasi pada suhu ambien di bawah tekanan reka bentuk 740 psi.inci, mungkin mengandungi keperluan bahan yang ditunjukkan dalam Jadual 2. Berikut adalah jenis yang mungkin memerlukan perhatian untuk disertakan dalam spesifikasi:
Selain daripada paip itu sendiri, terdapat banyak elemen yang membentuk sistem paip seperti kelengkapan, injap, peralatan talian, dll. Walaupun banyak elemen ini akan disatukan dalam saluran paip untuk membincangkannya secara terperinci, ini memerlukan lebih banyak halaman daripada yang boleh dimuatkan.Artikel ini.