Dit overzicht bevat aanbevelingen voor het veilige ontwerp van leidingsystemen voor waterstofdistributie.
Waterstof is een zeer vluchtige vloeistof met een sterke neiging tot lekken. Het is een zeer gevaarlijke en dodelijke combinatie van eigenschappen, een vluchtige vloeistof die moeilijk te beheersen is. Dit zijn trends waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van materialen, pakkingen en afdichtingen, evenals de ontwerpkenmerken van dergelijke systemen. Deze discussie richt zich op de distributie van gasvormig H₂, niet op de productie van H₂, vloeibare H₂ of vloeibare H₂ (zie rechterzijbalk).
Hier zijn een paar belangrijke punten om u te helpen het mengsel van waterstof en H₂-lucht te begrijpen. Waterstof brandt op twee manieren: deflagratie en explosie.
Deflagratie. Deflagratie is een veelvoorkomende verbrandingsmodus waarbij vlammen zich met subsone snelheid door het mengsel verplaatsen. Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer een vrije wolk van een waterstof-luchtmengsel wordt ontstoken door een kleine ontstekingsbron. In dit geval beweegt de vlam met een snelheid van tien tot enkele honderden meters per seconde. De snelle uitzetting van heet gas creëert drukgolven waarvan de sterkte evenredig is met de grootte van de wolk. In sommige gevallen kan de kracht van de schokgolf groot genoeg zijn om gebouwen en andere objecten op zijn pad te beschadigen en letsel te veroorzaken.
exploderen. Toen het explodeerde, reisden vlammen en schokgolven met supersonische snelheden door het mengsel. De drukverhouding bij een detonatiegolf is veel groter dan bij 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 in een beperkte ruimte wordt ontstoken. In zo'n beperkte ruimte kan de minste hoeveelheid energie al ontbranden. Maar voor de detonatie van een waterstof-luchtmengsel in een onbeperkte ruimte is een krachtigere ontstekingsbron nodig.
De drukverhouding over de detonatiegolf in een waterstof-luchtmengsel is ongeveer 20. Bij atmosferische druk is een verhouding van 20 gelijk aan 300 psi. Wanneer deze drukgolf botst met een stilstaand object, neemt de drukverhouding toe tot 40-60. Dit komt door de reflectie van een drukgolf door een stilstaand obstakel.
Neiging tot lekken. Door de lage viscositeit en het lage molecuulgewicht heeft H₂-gas een sterke neiging tot lekken en zelfs het doordringen of penetreren van verschillende materialen.
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 H2-gas bij buiteninstallatie snel zal opstijgen en verdwijnen, waardoor zelfs lekkages minder waarschijnlijk zijn. Maar het kan een tweesnijdend zwaard zijn. Een explosie kan optreden als er gelast moet worden aan een buiteninstallatie boven of in de windrichting van een H2-lek zonder voorafgaand lekdetectieonderzoek. In een afgesloten ruimte kan H2-gas opstijgen en zich vanaf het plafond ophopen, waardoor het zich tot grote volumes kan ophopen voordat het in contact komt met ontstekingsbronnen dicht bij de grond.
Onbedoelde brand. Zelfontbranding is een verschijnsel waarbij een mengsel van gassen of dampen spontaan ontbrandt zonder een externe ontstekingsbron. Het wordt ook wel 'zelfontbranding' of 'spontane ontbranding' genoemd. Zelfontbranding is afhankelijk van temperatuur, niet van druk.
De zelfontbrandingstemperatuur is de minimumtemperatuur waarbij een brandstof spontaan ontbrandt vóór ontbranding, zonder een externe ontstekingsbron, bij contact met lucht of een oxidatiemiddel. De zelfontbrandingstemperatuur van een enkel poeder is de temperatuur waarbij het spontaan ontbrandt zonder een oxidatiemiddel. De zelfontbrandingstemperatuur van gasvormig H₂ in lucht is 585 °C.
De ontstekingsenergie is de energie die nodig is om de voortplanting van een vlam door een brandbaar mengsel op gang te brengen. De minimale ontstekingsenergie is de minimale energie die nodig is om een ​​bepaald brandbaar mengsel bij een bepaalde temperatuur en druk te ontsteken. De minimale vonkontstekingsenergie voor gasvormig H₂ in 1 atm lucht = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Explosiegrenzen zijn de maximale en minimale concentraties damp, nevel of stof in de lucht of zuurstof waarbij een explosie plaatsvindt. De grootte en geometrie van de omgeving, evenals de concentratie van de brandstof, bepalen de grenzen. "Explosiegrens" wordt soms gebruikt als synoniem voor "explosiegrens".
De explosiegrenzen voor H2-mengsels in lucht bedragen 18,3 vol.% (ondergrens) en 59 vol.% (bovengrens).
Bij het ontwerpen van leidingsystemen (Figuur 1) is de eerste stap het bepalen van de benodigde bouwmaterialen voor elk type vloeistof. Elke vloeistof wordt geclassificeerd volgens ASME B31.3 paragraaf 300(b)(1) stelt: "De eigenaar is ook verantwoordelijk voor het bepalen van de klasse D, M, hogedruk- en hogezuiverheidsleidingen, en voor het bepalen of een bepaald kwaliteitssysteem moet worden gebruikt."
Vloeistofcategorisering definieert de testintensiteit en het type test dat vereist is, evenals vele andere vereisten op basis van de vloeistofcategorie. De verantwoordelijkheid hiervoor ligt meestal bij de technische afdeling van de eigenaar of een externe engineer.
Hoewel de B31.3 Process Piping Code de eigenaar niet vertelt welk materiaal hij voor een bepaalde vloeistof moet gebruiken, geeft hij wel richtlijnen over de sterkte, dikte en vereisten voor materiaalverbindingen. Er staan ​​ook twee duidelijke uitspraken in de inleiding van de code:
En breid de eerste alinea hierboven uit, paragraaf B31.3. 300(b)(1) stelt ook: "De eigenaar van een pijpleidinginstallatie is als enige verantwoordelijk voor de naleving van deze Code en voor het vaststellen van de ontwerp-, constructie-, inspectie-, inspectie- en testvereisten die van toepassing zijn op alle vloeistofbehandelings- of procesprocessen waarvan de pijpleiding deel uitmaakt." Dus, na het vastleggen van enkele basisregels voor aansprakelijkheid en vereisten voor het definiëren van vloeistofservicecategorieën, laten we eens kijken waar waterstofgas in past.
Omdat waterstofgas zich gedraagt ​​als een vluchtige vloeistof met lekkage, kan waterstofgas worden beschouwd als een normale vloeistof of een vloeistof van klasse M onder categorie B31.3 voor vloeistofgebruik. Zoals hierboven vermeld, is de classificatie van vloeistofbehandeling een vereiste 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 de definities voor normaal vloeistofgebruik en vloeistofgebruik van klasse M:
“Normaal vloeistofgebruik: Vloeistofgebruik dat van toepassing is op de meeste leidingen die onder deze code vallen, d.w.z. niet onderworpen aan de 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 lekkage, ernstig blijvend letsel kan veroorzaken bij degenen die de vloeistof inademen of ermee in contact komen, zelfs als er onmiddellijk herstelmaatregelen worden genomen.
(2) Na het ontwerp van de pijpleiding, de ervaring, de bedrijfsomstandigheden en de locatie te hebben overwogen, 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 personeel te beschermen tegen blootstelling.
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 paragraaf (2) staat de Code echter de classificatie van hydraulische systemen in klasse M toe na zorgvuldige overweging van "...leidingontwerp, ervaring, bedrijfsomstandigheden en locatie...". De eigenaar staat de vaststelling van normale vloeistofbehandeling toe. De eisen zijn onvoldoende om te voldoen aan de behoefte aan een hoger integriteitsniveau bij het ontwerp, de constructie, inspectie, inspectie en beproeving van waterstofgasleidingsystemen.
Raadpleeg Tabel 1 voordat we het hebben over waterstofcorrosie bij hoge temperaturen (HTHA). Codes, normen en voorschriften staan ​​vermeld in deze tabel, die zes documenten bevat over waterstofbrosheid (HE), een veelvoorkomende corrosieafwijking waar HTHA onder valt. OH kan optreden bij lage en hoge temperaturen. Het wordt beschouwd als een vorm van corrosie die op verschillende manieren kan ontstaan ​​en een breed scala aan materialen kan aantasten.
HE kent verschillende vormen, die kunnen worden onderverdeeld in waterstofscheuren (HAC), waterstofspanningsscheuren (HSC), spanningscorrosiescheuren (SCC), waterstofcorrosiescheuren (HACC), waterstofbubbling (HB), waterstofscheuren (HIC). )), spanningsgeoriënteerde waterstofscheuren (SOHIC), progressieve scheuring (SWC), sulfide-spanningsscheuren (SSC), zachte zone-scheuren (SZC) en waterstofcorrosie bij hoge temperaturen (HTHA).
In zijn eenvoudigste vorm is waterstofbrosheid een mechanisme voor de vernietiging van metaalkorrelgrenzen, wat resulteert in verminderde ductiliteit door de penetratie van atomaire waterstof. De manieren waarop dit gebeurt zijn divers en worden deels gedefinieerd door hun respectievelijke namen, zoals HTHA, waarbij gelijktijdig waterstof van hoge temperatuur en hoge druk nodig is voor brosheid, en SSC, waarbij atomaire waterstof wordt geproduceerd als gesloten gassen en waterstof. Door zuurcorrosie sijpelen deze in metalen omhulsels, wat kan leiden tot brosheid. Maar het algehele resultaat is hetzelfde als voor alle hierboven beschreven gevallen van waterstofbrosheid, waarbij de sterkte van het metaal wordt verminderd door brosheid onder het toelaatbare spanningsbereik, wat op zijn beurt de weg vrijmaakt 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 de materiaalkeuze voor H2-gas: 1. Blootstelling aan waterstof met hoge temperaturen (HTHA) en 2. Ernstige zorgen over mogelijke lekkage. Beide onderwerpen worden momenteel besproken.
In tegenstelling tot moleculaire waterstof kan atomaire waterstof uitzetten, waardoor de waterstof wordt blootgesteld aan hoge temperaturen en druk, wat de basis vormt voor potentiële HTHA. Onder deze omstandigheden kan atomaire waterstof diffunderen in koolstofstalen leidingmaterialen of apparatuur, waar het reageert met koolstof in een metaaloplossing om methaangas te vormen aan de korrelgrenzen. Omdat het gas niet kan ontsnappen, zet het uit en ontstaan ​​er scheuren en spleten in de wanden van leidingen of vaten – dit is HTGA. U kunt de HTHA-resultaten duidelijk zien in figuur 2, waar scheuren en barsten zichtbaar zijn in de 8″ wand. Dit is het deel van de leiding met nominale maat (NPS) dat onder deze omstandigheden bezwijkt.
Koolstofstaal kan worden gebruikt voor waterstoftoepassingen wanneer de bedrijfstemperatuur onder de 260 °C (500 °F) wordt gehouden. Zoals hierboven vermeld, treedt HTHA op wanneer waterstofgas onder een hoge partiële druk en hoge temperatuur wordt gehouden. Koolstofstaal wordt niet aanbevolen wanneer de partiële waterstofdruk naar verwachting rond de 2000 psi (3000 psi) ligt en de temperatuur boven de 230 °C (450 °F) ligt (wat de ongevalsconditie is in Figuur 2).
Zoals te zien is in de aangepaste Nelson-grafiek in figuur 3, deels overgenomen uit API 941, heeft hoge temperatuur de grootste invloed op de waterstofforcering. De partiële druk van waterstofgas kan de 1000 psi overschrijden bij gebruik met koolstofstaalsoorten die werken bij temperaturen tot 260 °C.
Figuur 3. Deze aangepaste Nelson-kaart (gebaseerd op API 941) kan worden gebruikt om geschikte materialen te selecteren voor waterstofgebruik bij verschillende temperaturen.
Figuur 3 toont de keuze van staalsoorten die gegarandeerd waterstofaantasting voorkomen, afhankelijk van de bedrijfstemperatuur en de partiële waterstofdruk. Austenitisch roestvast staal is ongevoelig voor HTHA en is een geschikt materiaal bij alle temperaturen en drukken.
Austenitisch roestvast staal 316/316L 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 hardheid van de warmtebeïnvloede zone (HAZ) 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. Koudvervorming kan echter de mechanische eigenschappen van austenitisch roestvast staal verbeteren, zoals de sterkte en hardheid. Bij het buigen en vormen van buizen van austenitisch roestvast staal veranderen de mechanische eigenschappen, waaronder een afname van de plasticiteit van het materiaal.
Als austenitisch roestvast staal koudvervorming vereist, zal oplossingsgloeien (verhitten tot ongeveer 1045 °C gevolgd door afschrikken of snel afkoelen) de mechanische eigenschappen van het materiaal herstellen naar hun oorspronkelijke waarden. Het elimineert ook de segregatie, sensibilisatie en sigmafase van de legering die na koudvervorming optreden. Houd er bij oplossingsgloeien rekening mee dat snel afkoelen restspanning in het materiaal kan veroorzaken als het niet correct wordt uitgevoerd.
Raadpleeg de tabellen GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index en GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index in ASME B31 voor acceptabele materiaalkeuzes voor H2-service. Pijpen zijn een goed startpunt.
Met een standaard atoomgewicht van 1,008 atomaire massa-eenheden (amu) is waterstof het lichtste en kleinste element in het periodiek systeem en heeft daarom een ​​grote neiging tot lekken, met mogelijk verwoestende gevolgen, mag ik wel zeggen. Daarom moet het gasleidingsysteem zo worden ontworpen dat het aantal mechanische aansluitingen wordt beperkt en de echt noodzakelijke aansluitingen worden verbeterd.
Om potentiële lekpunten te beperken, moet het systeem volledig gelast zijn, met uitzondering van flensverbindingen op apparatuur, leidingelementen en fittingen. Schroefdraadverbindingen moeten zoveel mogelijk, zo niet volledig, worden vermeden. Als schroefverbindingen om welke reden dan ook niet kunnen worden vermeden, is het raadzaam deze volledig te verbinden zonder schroefdraadafdichting en vervolgens de las af te dichten. Bij gebruik van koolstofstalen buizen moeten de pijpverbindingen stomp gelast en na het lassen warmtebehandeld (PWHT). Na het lassen worden buizen in de warmtebeïnvloede zone (HAZ) blootgesteld aan waterstofaantasting, zelfs bij omgevingstemperatuur. Hoewel waterstofaantasting voornamelijk bij hoge temperaturen optreedt, 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 dichtheid in de flensverbindingen te garanderen, moeten Kammprofiel-pakkingen (afb. 4) of een andere vorm van pakkingen worden gebruikt. Deze pakking, die door verschillende fabrikanten op vrijwel dezelfde manier wordt gemaakt, is zeer vergevingsgezind. Hij bestaat uit getande, volledig metalen ringen die tussen zachte, vervormbare afdichtingsmaterialen zijn geplaatst. De tanden concentreren de belasting van de bout op een kleiner oppervlak voor een goede pasvorm met minder spanning. Hij is zo ontworpen dat hij oneffen flensoppervlakken en wisselende bedrijfsomstandigheden kan compenseren.
Figuur 4. Kammprofielpakkingen hebben een metalen kern die aan beide zijden is verlijmd met een zachte vulstof.
Een andere belangrijke factor voor de integriteit van het systeem is de klep. Lekkages rond de spindelafdichting en de flensen van het huis vormen een reëel probleem. Om dit te voorkomen, is het raadzaam om een ​​klep met balgafdichting te kiezen.
Gebruik 1 inch. School 80 koolstofstalen pijp, in ons onderstaande voorbeeld, gegeven productietoleranties, corrosie- en mechanische toleranties in overeenstemming met ASTM A106 Gr B, kan de maximaal toelaatbare werkdruk (MAWP) in twee stappen worden berekend bij temperaturen tot 300 °F (Opmerking: de reden voor "...voor temperaturen tot 300 ºF..." is dat de toelaatbare spanning (S) van ASTM A106 Gr B-materiaal begint te verslechteren wanneer de temperatuur 300 ºF (S) overschrijdt, dus vergelijking (1) vereist: Aanpassen aan temperaturen boven 300 ºF.)
Met behulp van formule (1) is de eerste stap het berekenen van de theoretische barstdruk in de pijpleiding.
T = wanddikte van de buis minus mechanische, corrosie- en productietoleranties, in inches.
Het tweede deel van het proces bestaat uit het berekenen van de maximaal toelaatbare werkdruk Pa van de pijpleiding door de veiligheidsfactor S f toe te passen op het resultaat P volgens vergelijking (2):
Bij gebruik van 1″ school 80 materiaal wordt de barstdruk als volgt berekend:
Een veiligheids-Sf van 4 wordt vervolgens toegepast in overeenstemming met de ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101, berekend als volgt:
De resulterende MAWP-waarde van 810 psi. inch heeft alleen betrekking op de buis. De flensverbinding of het onderdeel met de laagste waarde in het systeem is de bepalende factor bij het bepalen van de toegestane druk in het systeem.
Volgens ASME B16.5 is de maximaal toelaatbare werkdruk voor 150 koolstofstalen flensfittingen 285 psi (1,25 bar) inch bij -20 °F tot 100 °F (38 °C). Klasse 300 heeft een maximaal toelaatbare werkdruk van 740 psi (360 bar). Dit is de druklimietfactor van het systeem volgens het onderstaande voorbeeld van de materiaalspecificatie. Alleen bij hydrostatische tests kunnen deze waarden 1,5 keer hoger zijn.
Als voorbeeld van een basisspecificatie voor koolstofstaalmateriaal kan een H2-gasleidingspecificatie die werkt bij een omgevingstemperatuur lager dan de ontwerpdruk van 740 psi. inch, de materiaalvereisten bevatten die in Tabel 2 worden weergegeven. De volgende typen vereisen mogelijk aandacht in de specificatie:
Naast de leidingen zelf, zijn er vele elementen die het leidingsysteem vormen, zoals fittingen, kleppen, leidingapparatuur, enz. Hoewel veel van deze elementen in een pijpleiding worden samengevoegd om ze in detail te bespreken, vereist dit meer pagina's dan er in dit artikel passen.