Dit overzicht geeft aanbevelingen voor het veilig ontwerpen van leidingsystemen voor waterstofdistributie.
Waterstof is een zeer vluchtige vloeistof met een hoge neiging tot lekken.Het is een zeer gevaarlijke en dodelijke combinatie van neigingen, een vluchtige vloeistof die moeilijk te beheersen is.Dit zijn trends waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van materialen, pakkingen en afdichtingen, evenals de ontwerpkenmerken van dergelijke systemen.Deze onderwerpen over de distributie van gasvormig H2 staan ​​centraal in deze discussie, niet de productie van H2, vloeibaar H2 of vloeibaar H2 (zie rechter zijbalk).
Hier zijn een paar belangrijke punten om u te helpen het mengsel van waterstof en H2-lucht te begrijpen.Waterstof verbrandt op twee manieren: deflagratie en explosie.
deflagratie.Deflagratie is een gebruikelijke verbrandingsmodus waarbij vlammen zich met subsonische snelheden door het mengsel verplaatsen.Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer een vrije wolk waterstof-luchtmengsel wordt ontstoken door een kleine ontstekingsbron.In dit geval beweegt de vlam met een snelheid van tien tot enkele honderden voet per seconde.De snelle uitzetting van heet gas veroorzaakt drukgolven waarvan de sterkte evenredig is met de grootte van de wolk.In sommige gevallen kan de kracht van de schokgolf voldoende zijn om bouwconstructies en andere objecten op zijn pad te beschadigen en letsel te veroorzaken.
ontploffen.Toen het explodeerde, reisden vlammen en schokgolven met supersonische snelheden door het mengsel.De drukverhouding in een detonatiegolf is veel groter dan in een detonatie.Door de toegenomen kracht is de explosie gevaarlijker voor mensen, gebouwen en objecten in de buurt.Normale deflagratie veroorzaakt een explosie wanneer deze wordt ontstoken in een besloten ruimte.In zo'n smal gebied kan ontsteking worden veroorzaakt door de minste hoeveelheid energie.Maar voor de ontploffing van een waterstof-luchtmengsel in een onbeperkte ruimte is een krachtigere ontstekingsbron vereist.
De drukverhouding over de ontploffingsgolf in een waterstof-luchtmengsel is ongeveer 20. Bij atmosferische druk is een verhouding van 20 300 psi.Wanneer deze drukgolf in botsing komt met een stilstaand object, neemt de drukverhouding toe tot 40-60.Dit komt door de weerkaatsing van een drukgolf van een stilstaand obstakel.
Neiging tot lekken.Vanwege de lage viscositeit en het lage molecuulgewicht heeft H2-gas een grote neiging om te lekken en zelfs verschillende materialen te doordringen of binnen te dringen.
Waterstof is 8 keer lichter dan aardgas, 14 keer lichter dan lucht, 22 keer lichter dan propaan en 57 keer lichter dan benzinedamp.Dit betekent dat wanneer het buiten wordt geïnstalleerd, het H2-gas snel zal opstijgen en verdwijnen, waardoor tekenen van gelijkmatige lekken worden verminderd.Maar het kan een tweesnijdend zwaard zijn.Er kan een explosie optreden als er gelast moet worden op een buiteninstallatie boven of benedenwinds van een H2-lek zonder een lekdetectieonderzoek voorafgaand aan het lassen.In een afgesloten ruimte kan H2-gas opstijgen en zich vanaf het plafond naar beneden ophopen, waardoor het zich tot grote volumes kan ophopen voordat het eerder in contact komt met ontstekingsbronnen in de buurt van de grond.
Toevallig vuur.Zelfontbranding is een fenomeen waarbij een mengsel van gassen of dampen spontaan ontbrandt zonder externe ontstekingsbron.Het wordt ook wel "spontane verbranding" of "spontane verbranding" genoemd.Zelfontbranding hangt af van de temperatuur, niet van de druk.
De zelfontbrandingstemperatuur is de minimumtemperatuur waarbij een brandstof spontaan ontbrandt voorafgaand aan ontsteking bij afwezigheid van een externe ontstekingsbron bij contact met lucht of een oxidatiemiddel.De zelfontbrandingstemperatuur van een enkel poeder is de temperatuur waarbij het spontaan ontbrandt in afwezigheid van een oxidatiemiddel.De zelfontbrandingstemperatuur van gasvormig H2 in lucht is 585°C.
De ontstekingsenergie is de energie die nodig is om de verspreiding van een vlam door een brandbaar mengsel op gang te brengen.Minimale ontstekingsenergie is de minimale energie die nodig is om een ​​bepaald brandbaar mengsel bij een bepaalde temperatuur en druk te ontsteken.Minimale vonkontstekingsenergie voor gasvormig H2 in 1 atm lucht = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Explosiegrenzen zijn de maximale en minimale concentraties van dampen, nevels of stof in lucht of zuurstof waarbij een explosie optreedt.De grootte en geometrie van de omgeving, evenals de concentratie van de brandstof, bepalen de limieten."Explosiegrens" wordt soms gebruikt als synoniem voor "explosiegrens".
De explosiegrenzen voor H2-mengsels in lucht zijn 18,3 vol.% (ondergrens) en 59 vol.% (bovengrens).
Bij het ontwerpen van leidingsystemen (figuur 1) is de eerste stap het bepalen van de bouwmaterialen die nodig zijn voor elk type vloeistof.En elke vloeistof zal worden geclassificeerd in overeenstemming met de paragraaf van ASME B31.3.300(b)(1) stelt: "De eigenaar is ook verantwoordelijk voor het bepalen van klasse D-, M-, hogedruk- en zeer zuivere leidingen en het bepalen of een bepaald kwaliteitssysteem moet worden gebruikt."
Vloeistofcategorisatie definieert de mate van testen en het type testen dat vereist is, evenals vele andere vereisten op basis van de vloeistofcategorie.De verantwoordelijkheid van de eigenaar hiervoor ligt meestal bij de engineeringafdeling van de eigenaar of een uitbestede ingenieur.
Hoewel de procesleidingcode B31.3 de eigenaar niet vertelt welk materiaal hij voor een bepaalde vloeistof moet gebruiken, geeft hij wel richtlijnen voor sterkte, dikte en materiaalverbindingsvereisten.Er zijn ook twee verklaringen in de inleiding van de code die duidelijk aangeven:
En ga verder met de eerste alinea hierboven, paragraaf B31.3.300(b)(1) stelt ook: “De eigenaar van een pijpleidinginstallatie is als enige verantwoordelijk voor het naleven van deze Code en voor het vaststellen van de ontwerp-, constructie-, inspectie-, inspectie- en testvereisten voor alle vloeistofbehandeling of processen waarvan de pijpleiding een onderdeel is.Installatie."Dus, na het vaststellen van enkele basisregels voor aansprakelijkheid en vereisten voor het definiëren van vloeistofservicecategorieën, laten we eens kijken waar waterstofgas in past.
Omdat waterstofgas werkt als een vluchtige vloeistof met lekken, kan waterstofgas worden beschouwd als een normale vloeistof of een klasse M-vloeistof onder categorie B31.3 voor vloeistofgebruik.Zoals hierboven vermeld, is de classificatie van vloeistofbehandeling een eis van de eigenaar, mits deze voldoet aan de richtlijnen voor de geselecteerde categorieën beschreven in B31.3, paragraaf 3. 300.2 Definities in de sectie “Hydraulische diensten”.Hieronder volgen definities voor normale vloeistofservice en klasse M-vloeistofservice:
“Normal Fluid Service: Fluid-service van toepassing op de meeste leidingen die onder deze code vallen, dwz niet onderworpen aan voorschriften voor klassen D, M, hoge temperatuur, hoge druk of hoge vloeistofreinheid.
(1) De giftigheid van de vloeistof is zo groot dat een eenmalige blootstelling aan een zeer kleine hoeveelheid vloeistof veroorzaakt door een lek ernstig blijvend letsel kan veroorzaken bij degenen die de vloeistof inademen of ermee in contact komen, zelfs als er onmiddellijk herstelmaatregelen worden genomen.genomen
(2) Na bestudering van het ontwerp, de ervaring, de bedrijfsomstandigheden en de locatie van de pijpleiding, stelt de eigenaar vast dat de vereisten voor normaal gebruik van de vloeistof niet voldoende zijn om de dichtheid te bieden die nodig is om het personeel tegen blootstelling te beschermen.”
In de bovenstaande definitie van M voldoet waterstofgas niet aan de criteria van paragraaf (1) omdat het niet als een giftige vloeistof wordt beschouwd.Door toepassing van lid (2) staat de Code echter de classificatie toe van hydraulische systemen in klasse M na grondige overweging van "... ontwerp van leidingen, ervaring, bedrijfsomstandigheden en locatie ..." De eigenaar staat de bepaling van normale vloeistofbehandeling toe.De eisen zijn onvoldoende om te voldoen aan de behoefte aan een hoger niveau van integriteit bij het ontwerpen, bouwen, inspecteren, inspecteren en testen van waterstofgasleidingsystemen.
Raadpleeg Tabel 1 voordat u Hoge Temperatuur Waterstof Corrosie (HTHA) bespreekt.Codes, normen en voorschriften staan ​​in deze tabel, die zes documenten bevat over het onderwerp waterstofbrosheid (HE), een veelvoorkomende corrosieafwijking waar HTHA deel van uitmaakt.OH kan optreden bij lage en hoge temperaturen.Beschouwd als een vorm van corrosie, kan het op verschillende manieren worden geïnitieerd en ook een breed scala aan materialen aantasten.
HE heeft verschillende vormen, die kunnen worden onderverdeeld in waterstofkraken (HAC), waterstofspanningsscheuren (HSC), spanningscorrosiescheuren (SCC), waterstofcorrosiescheuren (HACC), waterstofborrelen (HB), waterstofkraken (HIC).)), spanningsgeoriënteerde waterstofkraken (SOHIC), progressieve scheuren (SWC), sulfidespanningsscheuren (SSC), zachte zonescheuren (SZC) en waterstofcorrosie bij hoge temperatuur (HTHA).
In zijn eenvoudigste vorm is waterstofbrosheid een mechanisme voor de vernietiging van metaalkorrelgrenzen, wat resulteert in verminderde ductiliteit als gevolg van de penetratie van atomaire waterstof.De manieren waarop dit gebeurt, zijn gevarieerd en worden gedeeltelijk bepaald door hun respectieve namen, zoals HTHA, waar gelijktijdig hoge temperatuur en hoge druk waterstof nodig zijn voor verbrossing, en SSC, waar atomaire waterstof wordt geproduceerd als gesloten gassen en waterstof.door zuurcorrosie sijpelen ze in metalen behuizingen, wat kan leiden tot broosheid.Maar het algehele resultaat is hetzelfde als voor alle hierboven beschreven gevallen van waterstofbrosheid, waarbij de sterkte van het metaal door verbrossing wordt verminderd tot onder het toegestane spanningsbereik, wat op zijn beurt het toneel vormt voor een potentieel catastrofale gebeurtenis gezien de vluchtigheid van de vloeistof.
Naast wanddikte en mechanische verbindingsprestaties, zijn er twee belangrijke factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van materialen voor H2-gasservice: 1. Blootstelling aan hogetemperatuurwaterstof (HTHA) en 2. Ernstige zorgen over mogelijke lekkage.Beide onderwerpen zijn momenteel in behandeling.
In tegenstelling tot moleculaire waterstof kan atomaire waterstof uitzetten, waardoor de waterstof wordt blootgesteld aan hoge temperaturen en drukken, waardoor de basis ontstaat voor potentiële HTHA.Onder deze omstandigheden kan atomaire waterstof diffunderen in koolstofstalen leidingmaterialen of apparatuur, waar het reageert met koolstof in een metallische oplossing om methaangas te vormen aan de korrelgrenzen.Het gas kan niet ontsnappen en zet uit, waardoor scheuren en spleten ontstaan ​​in de wanden van leidingen of vaten – dit is HTGA.U kunt de HTHA-resultaten duidelijk zien in figuur 2, waar barsten en barsten zichtbaar zijn in de 8″ muur.Het gedeelte van de nominale maat (NPS) leiding dat onder deze omstandigheden faalt.
Koolstofstaal kan worden gebruikt voor waterstofservice wanneer de bedrijfstemperatuur onder 500°F wordt gehouden.Zoals hierboven vermeld, treedt HTHA op wanneer waterstofgas op hoge partiële druk en hoge temperatuur wordt gehouden.Koolstofstaal wordt niet aanbevolen wanneer de partiële waterstofdruk naar verwachting ongeveer 3000 psi zal zijn en de temperatuur hoger is dan ongeveer 450°F (wat de ongevalstoestand is in figuur 2).
Zoals blijkt uit de gewijzigde Nelson-grafiek in figuur 3, gedeeltelijk ontleend aan API 941, heeft hoge temperatuur het grootste effect op waterstofforcering.De partiële druk van waterstofgas kan hoger zijn dan 1000 psi bij gebruik met koolstofstaal dat werkt bij temperaturen tot 500°F.
Afbeelding 3. Deze aangepaste Nelson-kaart (overgenomen van API 941) kan worden gebruikt om geschikte materialen te selecteren voor waterstofservice bij verschillende temperaturen.
Op afb.3 toont de keuze van staalsoorten die gegarandeerd waterstofaantasting voorkomen, afhankelijk van de bedrijfstemperatuur en de partiële waterstofdruk.Austenitische roestvaste staalsoorten zijn ongevoelig voor HTHA en zijn bevredigende materialen bij alle temperaturen en drukken.
Austenitisch 316/316L roestvrij staal is het meest praktische materiaal voor waterstoftoepassingen en heeft een bewezen staat van dienst.Hoewel warmtebehandeling na het lassen (PWHT) wordt aanbevolen voor koolstofstaal om restwaterstof tijdens het lassen te calcineren en de HAZ-hardheid na het lassen te verminderen, is dit niet vereist voor austenitisch roestvast staal.
Thermothermische effecten veroorzaakt door warmtebehandeling en lassen hebben weinig effect op de mechanische eigenschappen van austenitisch roestvast staal.Koudvervormen kan echter de mechanische eigenschappen van austenitisch roestvast staal, zoals sterkte en hardheid, verbeteren.Bij het buigen en vormen van buizen van austenitisch roestvast staal veranderen hun mechanische eigenschappen, waaronder de afname van de plasticiteit van het materiaal.
Als austenitisch roestvast staal koud moet worden gevormd, zal oplossingsgloeien (verwarmen tot ongeveer 1045°C gevolgd door afschrikken of snelle afkoeling) de mechanische eigenschappen van het materiaal naar hun oorspronkelijke waarden herstellen.Het elimineert ook de legeringssegregatie, sensibilisatie en sigmafase die na koudvervormen worden bereikt.Houd er bij het uitvoeren van oplossingsgloeien rekening mee dat snelle afkoeling restspanning in het materiaal kan terugbrengen als het niet op de juiste manier wordt behandeld.
Raadpleeg de tabellen GR-2.1.1-1 Materiaalspecificatie-index voor leidingen en buizen en GR-2.1.1-2 Materiaalspecificatie-index voor leidingen in ASME B31 voor acceptabele materiaalkeuzes voor H2-service.pijpen zijn een goede plek om te beginnen.
Met een standaard atoomgewicht van 1.008 atomaire massa-eenheden (amu), is waterstof het lichtste en kleinste element op het periodiek systeem en heeft daarom een ​​grote neiging tot lekken, met potentieel verwoestende gevolgen, zou ik kunnen toevoegen.Daarom moet het gaspijpleidingsysteem zo worden ontworpen dat mechanische verbindingen worden beperkt en de verbindingen die echt nodig zijn, worden verbeterd.
Bij het beperken van mogelijke lekpunten moet het systeem volledig zijn gelast, met uitzondering van flensverbindingen op apparatuur, leidingelementen en fittingen.Schroefdraadverbindingen moeten zoveel mogelijk, zo niet volledig, worden vermeden.Als schroefdraadverbindingen om welke reden dan ook niet kunnen worden vermeden, wordt aanbevolen om ze volledig aan te sluiten zonder schroefdraadafdichtmiddel en vervolgens de las af te dichten.Bij gebruik van koolstofstalen buizen moeten de buisverbindingen stomplassen en na het lassen een warmtebehandeling ondergaan (PWHT).Na het lassen worden leidingen in de door hitte beïnvloede zone (HAZ) zelfs bij omgevingstemperatuur blootgesteld aan waterstofaantasting.Hoewel waterstofaantasting voornamelijk plaatsvindt bij hoge temperaturen, zal de PWHT-fase deze mogelijkheid volledig verminderen, zo niet elimineren, zelfs onder omgevingsomstandigheden.
Het zwakke punt van het volledig gelaste systeem is de flensverbinding.Om een ​​hoge mate van dichtheid in flensverbindingen te garanderen, moeten Kammprofile-pakkingen (fig. 4) of een andere vorm van pakkingen worden gebruikt.Deze pad is door verschillende fabrikanten op bijna dezelfde manier gemaakt en is zeer vergevingsgezind.Het bestaat uit volledig metalen getande ringen die zijn ingeklemd tussen zachte, vervormbare afdichtingsmaterialen.De tanden concentreren de belasting van de bout in een kleiner gebied voor een strakke pasvorm met minder spanning.Het is zo ontworpen dat het oneffen flensoppervlakken en wisselende bedrijfsomstandigheden kan compenseren.
Figuur 4. Kammprofile pakkingen hebben een metalen kern die aan beide zijden is verlijmd met een zachte vulstof.
Een andere belangrijke factor in de integriteit van het systeem is de klep.Lekkages rond de spindelafdichting en carrosserieflenzen zijn een reëel probleem.Om dit te voorkomen is het aan te raden om een ​​afsluiter te kiezen met een balgafdichting.
Gebruik 1 inch.School 80 koolstofstalen buis, in ons voorbeeld hieronder, gegeven fabricagetoleranties, corrosie en mechanische toleranties in overeenstemming met ASTM A106 Gr B, kan de maximaal toegestane werkdruk (MAWP) in twee stappen worden berekend bij temperaturen tot 300 ° F (Opmerking: de reden voor "... voor temperaturen tot 300 ° F ..." is omdat de toegestane spanning (S) van ASTM A106 Gr B-materiaal begint te verslechteren wanneer de temperatuur hoger is dan 300 ° F. (S), dus vergelijking (1) vereist aanpassen aan temperaturen boven 300ºF.)
Verwijzend naar formule (1), is de eerste stap het berekenen van de theoretische barstdruk van de pijpleiding.
T = buiswanddikte minus mechanische, corrosie- en fabricagetoleranties, in inches.
Het tweede deel van het proces is het berekenen van de maximaal toegestane werkdruk Pa van de pijpleiding door de veiligheidsfactor S f toe te passen op het resultaat P volgens vergelijking (2):
Bij gebruik van materiaal van 1″ school 80 wordt de barstdruk dus als volgt berekend:
Vervolgens wordt een veiligheids-Sf van 4 toegepast in overeenstemming met de ASME-aanbevelingen voor drukvaten, sectie VIII-1 2019, paragraaf 8. UG-101 wordt als volgt berekend:
De resulterende MAWP-waarde is 810 psi.inch verwijst alleen naar pijp.De flensverbinding of component met de laagste classificatie in het systeem zal de bepalende factor zijn bij het bepalen van de toelaatbare druk in het systeem.
Volgens ASME B16.5 is de maximaal toegestane werkdruk voor 150 koolstofstalen flensfittingen 285 psi.inch bij -20°F tot 100°F.Klasse 300 heeft een maximaal toegestane werkdruk van 740 psi.Dit is de druklimietfactor van het systeem volgens het onderstaande voorbeeld van de materiaalspecificatie.Ook kunnen deze waarden alleen bij hydrostatische tests 1,5 keer hoger zijn.
Als voorbeeld van een basisspecificatie van koolstofstaalmateriaal, een specificatie van een H2-gasserviceleiding die werkt bij een omgevingstemperatuur onder een ontwerpdruk van 740 psi.inch, kunnen de materiaalvereisten bevatten die worden weergegeven in tabel 2. De volgende typen kunnen aandacht vereisen om in de specificatie te worden opgenomen:
Afgezien van de leidingen zelf, zijn er veel elementen waaruit het leidingsysteem bestaat, zoals fittingen, kleppen, lijnapparatuur, enz. Hoewel veel van deze elementen in een pijpleiding zullen worden samengevoegd om ze in detail te bespreken, zal dit meer pagina's vergen dan kan worden ondergebracht.Dit artikel.