Gambaran keseluruhan ini memberikan cadangan untuk reka bentuk sistem perpaipan yang selamat untuk pengagihan hidrogen.
Hidrogen ialah cecair yang sangat meruap dengan kecenderungan tinggi untuk bocor. Ia merupakan gabungan kecenderungan yang sangat berbahaya dan membawa maut, cecair meruap yang sukar dikawal. Ini adalah trend yang perlu dipertimbangkan semasa memilih bahan, gasket dan pengedap, serta ciri reka bentuk sistem sedemikian. Topik tentang taburan gas H2 inilah yang menjadi tumpuan perbincangan ini, bukan penghasilan H2, cecair H2 atau cecair H2 (lihat bar sisi kanan).
Berikut adalah 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, contohnya, apabila awan campuran hidrogen-udara bebas dinyalakan oleh sumber pencucuhan kecil. Dalam kes ini, api akan bergerak pada kelajuan sepuluh hingga beberapa ratus kaki sesaat. Pengembangan gas panas yang pantas menghasilkan gelombang tekanan yang kekuatannya berkadar terus dengan saiz awan. Dalam beberapa kes, daya gelombang kejutan boleh mencukupi untuk merosakkan struktur bangunan dan objek lain di laluannya dan menyebabkan kecederaan.
meletup. Apabila ia meletup, api dan gelombang kejutan bergerak melalui campuran pada kelajuan supersonik. Nisbah tekanan dalam gelombang letupan adalah jauh lebih besar daripada dalam letupan. Disebabkan oleh daya yang meningkat, letupan lebih berbahaya kepada manusia, bangunan dan objek berdekatan. Deflagrasi biasa menyebabkan letupan apabila dinyalakan di ruang terkurung. Di kawasan yang sempit sedemikian, pencucuhan boleh disebabkan oleh jumlah tenaga yang paling sedikit. Tetapi untuk peledakan 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 bertembung dengan objek pegun, nisbah tekanan meningkat kepada 40-60. Ini disebabkan oleh pantulan gelombang tekanan daripada halangan pegun.
Kecenderungan untuk bocor. Disebabkan 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 cepat naik dan hilang, sekali gus mengurangkan sebarang tanda kebocoran yang 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. Di ruang tertutup, gas H2 boleh naik dan terkumpul dari siling ke bawah, satu keadaan yang membolehkan ia terkumpul sehingga jumlah yang besar sebelum lebih cenderung bersentuhan dengan sumber pencucuhan berhampiran tanah.
Kebakaran tidak sengaja. Pencucuhan sendiri ialah 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 penyalaan sendiri ialah suhu minimum di mana bahan api akan menyala secara spontan sebelum penyalaan tanpa sebarang sumber penyalaan luaran apabila bersentuhan dengan udara atau agen pengoksidaan. Suhu penyalaan sendiri bagi serbuk tunggal ialah suhu di mana ia menyala secara spontan tanpa sebarang agen pengoksidaan. Suhu penyalaan sendiri gas H2 di udara ialah 585°C.
Tenaga penyalaan ialah tenaga yang diperlukan untuk memulakan perambatan nyalaan melalui campuran mudah terbakar. Tenaga penyalaan minimum ialah tenaga minimum yang diperlukan untuk menyalakan campuran mudah terbakar tertentu pada suhu dan tekanan tertentu. Tenaga penyalaan percikan api 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 di udara atau oksigen di mana letupan berlaku. Saiz dan geometri persekitaran, serta kepekatan bahan api, mengawal had tersebut. "Had letupan" kadangkala digunakan sebagai sinonim untuk "had letupan".
Had letupan untuk campuran H2 di udara ialah 18.3 vol.% (had bawah) dan 59 vol.% (had atas).
Semasa mereka bentuk sistem perpaipan (Rajah 1), langkah pertama adalah menentukan bahan binaan yang diperlukan untuk setiap jenis bendalir. Dan setiap bendalir akan dikelaskan mengikut perenggan ASME B31.3. 300(b)(1) menyatakan, “Pemilik juga bertanggungjawab untuk menentukan kelas D, M, tekanan tinggi dan ketulenan tinggi, dan menentukan sama ada sistem kualiti tertentu harus digunakan.”
Pengkategorian bendalir menentukan tahap ujian dan jenis ujian yang diperlukan, serta banyak keperluan lain berdasarkan kategori bendalir. Tanggungjawab pemilik untuk ini biasanya terletak pada jabatan kejuruteraan pemilik atau jurutera luar.
Walaupun Kod Perpaipan Proses B31.3 tidak memberitahu pemilik bahan yang hendak digunakan untuk bendalir tertentu, ia memberikan panduan tentang kekuatan, ketebalan dan keperluan sambungan bahan. Terdapat juga dua pernyataan dalam pengenalan kod yang menyatakan dengan jelas:
Dan lanjutkan 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 keperluan reka bentuk, pembinaan, pemeriksaan, pemeriksaan dan pengujian yang mengawal semua pengendalian atau proses bendalir yang mana saluran paip itu merupakan sebahagian daripadanya. Pemasangan.” Jadi, selepas menetapkan beberapa peraturan asas untuk liabiliti dan keperluan untuk menentukan kategori perkhidmatan bendalir, mari kita lihat di mana gas hidrogen sesuai.
Oleh kerana gas hidrogen bertindak sebagai cecair meruap yang mengalami 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, pengelasan pengendalian bendalir adalah keperluan pemilik, dengan syarat ia memenuhi garis panduan untuk kategori terpilih yang diterangkan dalam B31.3, perenggan 3. 300.2 Takrifan dalam bahagian “Perkhidmatan hidraulik”. Berikut adalah takrifan untuk perkhidmatan bendalir biasa dan perkhidmatan bendalir Kelas M:
“Servis Bendalir Biasa: Servis bendalir yang terpakai kepada kebanyakan perpaipan tertakluk kepada kod ini, iaitu tidak tertakluk kepada peraturan untuk kelas D, M, suhu tinggi, tekanan tinggi atau kebersihan bendalir tinggi.
(1) Ketoksikan bendalir adalah begitu besar sehingga pendedahan tunggal kepada sejumlah kecil bendalir yang disebabkan oleh kebocoran boleh menyebabkan kecederaan kekal yang serius kepada mereka yang menyedut atau bersentuhan dengannya, walaupun langkah pemulihan segera telah diambil.
(2) Selepas mempertimbangkan reka bentuk saluran paip, pengalaman, keadaan operasi dan lokasi, pemilik memutuskan bahawa keperluan untuk penggunaan bendalir biasa tidak mencukupi untuk memberikan keketatan yang diperlukan bagi 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 terhadap “…reka bentuk paip, pengalaman, keadaan operasi dan lokasi…” Pemilik membenarkan penentuan pengendalian bendalir biasa. Keperluan tersebut tidak mencukupi untuk memenuhi keperluan untuk tahap integriti yang lebih tinggi dalam reka bentuk, pembinaan, pemeriksaan, pemeriksaan dan pengujian sistem paip gas hidrogen.
Sila rujuk Jadual 1 sebelum membincangkan Kakisan Hidrogen Suhu Tinggi (HTHA). Kod, piawaian dan peraturan disenaraikan dalam jadual ini, yang merangkumi enam dokumen mengenai topik kerapuhan 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 mempengaruhi pelbagai jenis bahan.
HE mempunyai pelbagai bentuk, yang boleh dibahagikan kepada keretakan hidrogen (HAC), keretakan tegasan hidrogen (HSC), keretakan kakisan tegasan (SCC), keretakan kakisan hidrogen (HACC), penggelembungan hidrogen (HB), keretakan hidrogen (HIC). )), keretakan hidrogen berorientasikan tegasan (SOHIC), keretakan progresif (SWC), keretakan tegasan sulfida (SSC), keretakan zon lembut (SZC), dan kakisan hidrogen suhu tinggi (HTHA).
Dalam bentuknya yang paling ringkas, kerapuhan hidrogen merupakan satu mekanisme untuk pemusnahan sempadan butiran logam, mengakibatkan pengurangan kemuluran disebabkan oleh penembusan hidrogen atom. Cara-cara ini berlaku adalah pelbagai dan sebahagiannya ditakrifkan oleh nama masing-masing, seperti HTHA, di mana hidrogen suhu tinggi dan tekanan tinggi serentak diperlukan untuk kerapuhan, dan SSC, di mana hidrogen atom dihasilkan sebagai gas tertutup dan hidrogen. Disebabkan oleh kakisan asid, ia meresap ke dalam bekas logam, yang boleh menyebabkan kerapuhan. Tetapi hasil keseluruhannya adalah sama seperti semua kes kerapuhan hidrogen yang diterangkan di atas, di mana kekuatan logam dikurangkan oleh kerapuhan di bawah julat tegasan yang dibenarkan, yang seterusnya menyediakan pentas untuk peristiwa yang berpotensi bencana memandangkan turun naik 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 potensi kebocoran. Kedua-dua topik sedang dibincangkan.
Tidak seperti hidrogen molekul, hidrogen atom boleh mengembang, mendedahkan hidrogen kepada suhu dan tekanan tinggi, mewujudkan asas untuk 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 keluar, gas mengembang, mewujudkan retakan dan celah di dinding paip atau saluran – ini adalah HTGA. Anda boleh melihat dengan jelas keputusan HTHA dalam Rajah 2 di mana retakan dan rekahan jelas kelihatan pada dinding 8″. Bahagian paip saiz nominal (NPS) yang gagal di bawah 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 dikekalkan pada tekanan separa tinggi dan suhu tinggi. Keluli karbon tidak digalakkan apabila tekanan separa hidrogen dijangka sekitar 3000 psi dan suhu melebihi kira-kira 450°F (yang merupakan 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 terbesar 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.
Rajah 3 menunjukkan pilihan keluli yang dijamin dapat 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 Austenitik 316/316L merupakan bahan paling praktikal untuk aplikasi hidrogen dan mempunyai rekod prestasi yang terbukti. Walaupun rawatan haba pasca kimpalan (PWHT) disyorkan untuk keluli karbon bagi mengapur hidrogen sisa semasa kimpalan dan mengurangkan kekerasan zon terjejas haba (HAZ) selepas kimpalan, ia tidak diperlukan untuk keluli tahan karat austenitik.
Kesan termoterma yang disebabkan oleh rawatan haba dan kimpalan mempunyai sedikit kesan terhadap sifat mekanikal keluli tahan karat austenit. Walau bagaimanapun, kerja sejuk boleh meningkatkan sifat mekanikal keluli tahan karat austenit, seperti kekuatan dan kekerasan. Apabila membengkokkan 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 sehingga kira-kira 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. Semasa melakukan penyepuhlindapan larutan, perlu diketahui bahawa penyejukan pantas boleh mengembalikan tegasan baki 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 pilihan bahan yang boleh diterima untuk perkhidmatan H2. paip adalah tempat yang baik untuk bermula.
Dengan berat atom standard 1.008 unit jisim atom (sma), hidrogen merupakan unsur paling ringan dan terkecil dalam jadual berkala, dan oleh itu mempunyai kecenderungan yang tinggi untuk bocor, dengan akibat yang berpotensi buruk, saya ingin menambah. Oleh itu, sistem saluran paip gas mesti direka bentuk sedemikian rupa untuk mengehadkan sambungan jenis mekanikal dan menambah baik sambungan yang benar-benar diperlukan.
Apabila mengehadkan titik kebocoran yang berpotensi, sistem harus 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 jua sebab, adalah disyorkan untuk menyambungkannya sepenuhnya tanpa pengedap benang dan kemudian menutup kimpalan. Apabila menggunakan paip keluli karbon, sambungan paip mesti dikimpal punggung dan dirawat haba pasca kimpalan (PWHT). Selepas kimpalan, paip di zon yang 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 di bawah keadaan ambien.
Titik lemah sistem kimpalan sepenuhnya 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 mudah diabaikan. Ia terdiri daripada cincin 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 padanan ketat dengan kurang tekanan. Ia direka bentuk sedemikian rupa supaya ia dapat mengimbangi permukaan bebibir yang tidak rata serta keadaan operasi yang berubah-ubah.
Rajah 4. Gasket profil Kamm mempunyai teras logam yang terikat pada kedua-dua belah dengan pengisi lembut.
Satu lagi faktor penting dalam integriti sistem ialah injap. Kebocoran di sekitar pengedap batang dan bebibir badan merupakan masalah sebenar. Untuk mengelakkan perkara ini, adalah disyorkan untuk memilih injap dengan pengedap belos.
Gunakan paip keluli karbon 1 inci. Sekolah 80, dalam contoh kami di bawah, memandangkan toleransi pembuatan, kakisan dan toleransi mekanikal mengikut ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum yang dibenarkan (MAWP) boleh dikira dalam dua langkah pada suhu sehingga 300°F (Nota: Sebab untuk "...untuk suhu sehingga 300ºF..." adalah kerana tegasan yang dibenarkan (S) bahan ASTM A106 Gr B mula merosot apabila suhu melebihi 300ºF.(S), jadi Persamaan (1) memerlukan Laraskan kepada suhu melebihi 300ºF.)
Merujuk kepada formula (1), langkah pertama adalah untuk mengira tekanan pecah teori saluran paip.
T = ketebalan dinding paip tolak toleransi mekanikal, kakisan dan pembuatan, dalam inci.
Bahagian kedua proses ini adalah untuk mengira tekanan kerja maksimum yang dibenarkan Pa bagi saluran paip dengan menggunakan faktor keselamatan S f kepada hasil P mengikut persamaan (2):
Oleh itu, apabila menggunakan bahan 1″ sekolah 80, tekanan letupan dikira seperti berikut:
Sf keselamatan sebanyak 4 kemudiannya dikenakan mengikut Seksyen VIII-1 2019, Perenggan 8, Cadangan Bekas Tekanan ASME. 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.
Mengikut ASME B16.5, tekanan kerja maksimum yang dibenarkan untuk kelengkapan bebibir keluli karbon 150 ialah 285 psi. inci pada -20°F hingga 100°F. Kelas 300 mempunyai tekanan kerja maksimum yang dibenarkan sebanyak 740 psi. Ini akan menjadi faktor had tekanan sistem mengikut contoh spesifikasi bahan di bawah. Selain itu, hanya dalam ujian hidrostatik, nilai ini boleh melebihi 1.5 kali ganda.
Sebagai contoh spesifikasi bahan keluli karbon asas, spesifikasi talian perkhidmatan gas H2 yang 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 dimasukkan dalam spesifikasi:
Selain daripada perpaipan itu sendiri, terdapat banyak elemen yang membentuk sistem perpaipan seperti kelengkapan, injap, peralatan talian, dan sebagainya. Walaupun banyak elemen ini akan digabungkan dalam satu saluran paip untuk membincangkannya secara terperinci, ini memerlukan lebih banyak halaman daripada yang boleh dimuatkan. Artikel ini.