Dit overzicht bevat aanbevelingen voor het veilige ontwerp van leidingsystemen voor waterstofdistributie.
Waterstof is een zeer vluchtige vloeistof met een grote neiging tot lekkage. 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 bij de ontwerpkenmerken van dergelijke systemen. Deze onderwerpen over de verspreiding van gasvormig H2 staan ​​centraal in deze discussie, niet de productie van H2, vloeibaar H2 of vloeibare waterstof (zie rechterzijbalk).
Hieronder volgen enkele belangrijke punten om het mengsel van waterstof en H2-lucht te begrijpen. Waterstof verbrandt op twee manieren: door deflagratie en door explosie.
Deflagratie. Deflagratie is een veelvoorkomende verbrandingsmodus waarbij vlammen zich met subsonische snelheid door het mengsel voortplanten. Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer een vrije wolk van een waterstof-luchtmengsel wordt ontstoken door een kleine ontstekingsbron. In dit geval zal de vlam zich met een snelheid van tien tot enkele honderden voet per seconde voortbewegen. De snelle uitzetting van het hete gas creëert drukgolven waarvan de sterkte evenredig is met de grootte van de wolk. In sommige gevallen kan de kracht van de schokgolf voldoende zijn om gebouwen en andere objecten op zijn pad te beschadigen en letsel te veroorzaken.
explodeerde. Bij de explosie verspreidden vlammen en schokgolven zich met supersonische snelheid door het mengsel. De drukverhouding in een detonatiegolf is veel groter dan bij een detonatie. Door de toegenomen kracht is de explosie gevaarlijker voor mensen, gebouwen en objecten in de omgeving. Normale deflagratie veroorzaakt een explosie wanneer deze in een afgesloten ruimte wordt ontstoken. In zo'n kleine ruimte kan ontsteking al door een minimale hoeveelheid energie worden veroorzaakt. 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 komt een verhouding van 20 overeen met 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.
Lekkagegevoeligheid. Door de lage viscositeit en het lage molecuulgewicht heeft H2-gas een grote neiging tot lekken en kan het zelfs doordringen in diverse 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 waterstofgas bij installaties in de buitenlucht snel opstijgt en verdampt, waardoor eventuele lekken nauwelijks opvallen. Dit kan echter een tweesnijdend zwaard zijn. Er kan een explosie ontstaan ​​als er laswerkzaamheden worden uitgevoerd aan een installatie in de buitenlucht, boven of aan de loefzijde van een waterstoflek, zonder voorafgaand lekonderzoek. In een afgesloten ruimte kan waterstofgas opstijgen en zich ophopen vanaf het plafond, waardoor het zich kan ophopen tot grote hoeveelheden voordat het in contact komt met ontstekingsbronnen nabij de grond.
Onbedoelde brand. Zelfontbranding is een fenomeen waarbij een mengsel van gassen of dampen spontaan ontbrandt zonder externe ontstekingsbron. Het wordt ook wel "spontane verbranding" genoemd. Zelfontbranding is afhankelijk van de temperatuur, niet van de druk.
De zelfontbrandingstemperatuur is de minimale temperatuur waarbij een brandstof spontaan ontbrandt, zonder externe ontstekingsbron, bij contact met lucht of een oxiderend middel. De zelfontbrandingstemperatuur van een enkel poeder is de temperatuur waarbij het spontaan ontbrandt zonder oxiderend middel. 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 te initiëren. 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 bedraagt ​​1,9 × 10⁻⁸ BTU (0,02 mJ).
Explosiegrenzen zijn de maximale en minimale concentraties van dampen, nevels of stofdeeltjes in lucht of zuurstof waarbij een explosie plaatsvindt. De grootte en geometrie van de omgeving, evenals de concentratie van de brandstof, bepalen deze grenzen. "Explosiegrens" wordt soms gebruikt als synoniem voor "explosiegrens".
De explosiegrenzen voor H2-mengsels in lucht liggen op 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 paragraaf 300(b)(1) van ASME B31.3: "De eigenaar is ook verantwoordelijk voor het bepalen van klasse D, M, hogedruk- en hoogzuivere leidingen, en voor het bepalen of een bepaald kwaliteitssysteem moet worden gebruikt."
De categorisering van vloeistoffen definieert de mate van testen en het type testen dat vereist is, evenals vele andere eisen op basis van de vloeistofcategorie. De verantwoordelijkheid hiervoor ligt doorgaans bij de technische afdeling van de eigenaar of een extern ingeschakelde engineer.
Hoewel de B31.3-code voor procesleidingen de eigenaar niet vertelt welk materiaal voor een bepaalde vloeistof moet worden gebruikt, geeft deze wel richtlijnen met betrekking tot sterkte, wanddikte en materiaalaansluitingseisen. In de inleiding van de code staan ​​bovendien twee duidelijke verklaringen:
En verder ingaand op de eerste paragraaf hierboven, 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- en testvereisten die van toepassing zijn op alle vloeistofbehandeling of processen waarvan de pijpleiding deel uitmaakt.” Dus, na het vaststellen van enkele basisregels voor aansprakelijkheid en vereisten voor het definiëren van vloeistofservicecategorieën, laten we eens kijken waar waterstofgas in dit plaatje past.
Omdat waterstofgas zich gedraagt ​​als een vluchtige vloeistof die kan lekken, kan het worden beschouwd als een normale vloeistof of een vloeistof van klasse M onder categorie B31.3 voor vloeistofdiensten. Zoals hierboven vermeld, is de classificatie van vloeistofbehandeling een vereiste van de opdrachtgever, mits deze voldoet aan de richtlijnen voor de geselecteerde categorieën zoals beschreven in B31.3, paragraaf 3. 300.2 Definities in de sectie "Hydraulische diensten". De volgende definities gelden voor normale vloeistofdiensten en vloeistofdiensten van klasse M:
"Normale vloeistofservice: Vloeistofservice van toepassing op de meeste leidingen die onder deze code vallen, d.w.z. niet onderworpen aan voorschriften voor klassen D, M, hoge temperatuur, hoge druk of hoge vloeistofzuiverheid."
(1) De toxiciteit van de vloeistof is zo groot dat een enkele blootstelling aan een zeer kleine hoeveelheid van de vloeistof als gevolg van een lekkage ernstig en blijvend letsel kan veroorzaken bij degenen die de vloeistof inademen of ermee in contact komen, zelfs als er onmiddellijk herstelmaatregelen worden genomen.
(2) Na overweging van het ontwerp van de pijpleiding, de ervaring, de bedrijfsomstandigheden en de locatie, stelt de eigenaar vast dat de vereisten voor normaal gebruik van de vloeistof niet voldoende zijn om de noodzakelijke dichtheid te garanderen ter bescherming van het personeel 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 subsectie (2) toe te passen, staat de Code echter toe dat hydraulische systemen in klasse M worden ingedeeld na zorgvuldige overweging van “…leidingontwerp, ervaring, bedrijfsomstandigheden en locatie…”. De eigenaar staat de bepaling van normale vloeistofverwerking toe. De vereisten zijn onvoldoende om te voldoen aan de behoefte aan een hoger niveau van integriteit bij het ontwerp, de constructie, de inspectie en het testen van waterstofgasleidingsystemen.
Raadpleeg tabel 1 voordat u het onderwerp waterstofcorrosie bij hoge temperaturen (HTHA) bespreekt. Deze tabel bevat codes, normen en voorschriften, waaronder zes documenten over waterstofbrosheid (HE), een veelvoorkomende corrosieafwijking die ook onder HTHA valt. OH kan zowel bij lage als hoge temperaturen optreden. Het wordt beschouwd als een vorm van corrosie, kan op verschillende manieren ontstaan ​​en een breed scala aan materialen aantasten.
Waterstoferosie kent verschillende vormen, die kunnen worden onderverdeeld in waterstofscheuren (HAC), waterstofspanningsscheuren (HSC), spanningscorrosiescheuren (SCC), waterstofcorrosiescheuren (HACC), waterstofbellen (HB), waterstofscheuren (HIC), spanningsgeoriënteerde waterstofscheuren (SOHIC), progressieve scheurvorming (SWC), sulfide-spanningsscheuren (SSC), scheurvorming in de zachte zone (SZC) en waterstofcorrosie bij hoge temperaturen (HTHA).
In de meest eenvoudige vorm is waterstofbrosheid een mechanisme voor de vernietiging van metaalkorrelgrenzen, wat resulteert in een verminderde ductiliteit als gevolg van de penetratie van atomaire waterstof. De manieren waarop dit gebeurt, variëren en worden deels gedefinieerd door hun respectievelijke namen, zoals HTHA, waarbij gelijktijdige hoge temperatuur en hoge druk van waterstof nodig zijn voor brosheid, en SSC, waarbij atomaire waterstof wordt geproduceerd als gesloten gas en waterstof door zure corrosie in de metaallagen sijpelt, wat kan leiden tot brosheid. Maar het uiteindelijke resultaat is hetzelfde als bij alle hierboven beschreven gevallen van waterstofbrosheid: de sterkte van het metaal wordt door brosheid verminderd tot 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 voegprestaties zijn er twee belangrijke factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de materiaalkeuze voor toepassingen met waterstofgas: 1. Blootstelling aan waterstof bij 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 drukken, wat de basis vormt voor potentiële HTHA (High Temperature Hydrogen Accident). Onder deze omstandigheden kan atomaire waterstof diffunderen in koolstofstalen leidingen of apparatuur, waar het reageert met koolstof in een metaaloplossing en methaangas vormt aan de korrelgrenzen. Omdat het gas niet kan ontsnappen, zet het uit en veroorzaakt het scheuren en spleten in de wanden van leidingen of vaten – dit is HTGA (High Temperature Gas Accident). De gevolgen van HTHA zijn duidelijk te zien in Figuur 2, waar scheuren en barsten zichtbaar zijn in de 8-inch wand. Dit is het gedeelte van de nominale diameter (NPS) leiding dat onder deze omstandigheden bezwijkt.
Koolstofstaal kan worden gebruikt voor toepassingen met waterstof, mits de bedrijfstemperatuur onder de 500 °F blijft. Zoals hierboven vermeld, treedt HTHA op wanneer waterstofgas onder hoge partiële druk en bij hoge temperatuur wordt vastgehouden. Koolstofstaal wordt niet aanbevolen wanneer de partiële waterstofdruk naar verwachting rond de 3000 psi ligt en de temperatuur boven de 450 °F komt (wat de ongevalssituatie in figuur 2 is).
Zoals te zien is in de aangepaste Nelson-grafiek in figuur 3, die deels is overgenomen uit API 941, heeft een hoge temperatuur het grootste effect op de waterstofindringing. De partiële druk van waterstofgas kan oplopen tot meer dan 1000 psi bij gebruik met koolstofstaal dat werkt bij temperaturen tot 500 °F.
Figuur 3. Deze aangepaste Nelson-grafiek (aangepast van API 941) kan worden gebruikt om geschikte materialen te selecteren voor gebruik met waterstof bij verschillende temperaturen.
Figuur 3 toont de keuze van staalsoorten die gegarandeerd bestand zijn tegen waterstofaantasting, afhankelijk van de bedrijfstemperatuur en de partiële waterstofdruk. Austenitische roestvrijstalen zijn ongevoelig voor HTHA en zijn geschikte materialen bij alle temperaturen en drukken.
Austenitisch 316/316L roestvrij staal is het meest praktische materiaal voor toepassingen met waterstof en heeft zich bewezen. Hoewel nabehandeling met warmte (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 nodig voor austenitisch roestvrij staal.
Thermothermische effecten als gevolg van warmtebehandeling en lassen hebben weinig invloed op de mechanische eigenschappen van austenitisch roestvast staal. Koudvervorming kan de mechanische eigenschappen van austenitisch roestvast staal echter verbeteren, zoals 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 koudvervormd moet worden, zal oplossingsgloeien (verhitting tot ongeveer 1045 °C gevolgd door afschrikken of snel afkoelen) de mechanische eigenschappen van het materiaal herstellen tot hun oorspronkelijke waarden. Het zal ook de legeringssegregatie, sensibilisatie en sigmafase die na koudvervorming zijn ontstaan, elimineren. Wees er bij het uitvoeren van oplossingsgloeien op bedacht dat snel afkoelen restspanningen in het materiaal kan veroorzaken als dit niet op de juiste manier gebeurt.
Raadpleeg de tabellen GR-2.1.1-1 (Index van materiaalspecificaties voor leiding- en buisconstructies) en GR-2.1.1-2 (Index van materiaalspecificaties voor leidingen) in ASME B31 voor acceptabele materiaalkeuzes voor H2-toepassingen. Leidingen zijn een goed uitgangspunt.
Met een standaard atoomgewicht van 1,008 atomaire massa-eenheden (amu) is waterstof het lichtste en kleinste element in het periodiek systeem en daardoor zeer vatbaar voor lekkage, met potentieel verwoestende gevolgen. Het gasleidingsysteem moet daarom zo ontworpen worden dat mechanische verbindingen beperkt worden en de verbindingen die echt nodig zijn, geoptimaliseerd worden.
Om potentiële lekpunten te beperken, moet het systeem volledig gelast worden, met uitzondering van flensverbindingen op apparatuur, leidingelementen en fittingen. Schroefdraadverbindingen moeten zoveel mogelijk, zo niet volledig, vermeden worden. Als schroefdraadverbindingen om welke reden dan ook niet vermeden kunnen worden, is het aan te raden ze volledig aan te draaien zonder schroefdraadafdichtmiddel en vervolgens de las af te dichten. Bij gebruik van koolstofstalen buizen moeten de buisverbindingen stompgelast en na het lassen warmtebehandeld (PWHT) worden. Na het lassen worden buizen in de warmtebeïnvloede zone (HAZ) blootgesteld aan waterstofcorrosie, zelfs bij omgevingstemperatuur. Hoewel waterstofcorrosie voornamelijk optreedt bij hoge temperaturen, zal de PWHT-fase deze mogelijkheid volledig verminderen, zo niet elimineren, zelfs bij omgevingstemperatuur.
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 ander type pakking worden gebruikt. Deze pakking, die door verschillende fabrikanten op vrijwel dezelfde manier wordt vervaardigd, is zeer flexibel. Hij bestaat uit getande, volledig metalen ringen die zijn ingeklemd tussen zachte, vervormbare afdichtingsmaterialen. De tanden concentreren de belasting van de bout op een kleiner oppervlak, waardoor een strakke passing met minder spanning wordt verkregen. Het ontwerp is zodanig dat het oneffenheden in het flensoppervlak en fluctuerende bedrijfsomstandigheden kan compenseren.
Afbeelding 4. Kammprofile-pakkingen hebben een metalen kern die aan beide zijden is verbonden met een zachte vulling.
Een andere belangrijke factor voor de integriteit van het systeem is de klep. Lekkages rond de spindelafdichting en de flenzen van het klephuis vormen een reëel probleem. Om dit te voorkomen, is het raadzaam een ​​klep met balgafdichting te kiezen.
Gebruik een 1 inch School 80 koolstofstalen buis in ons onderstaande voorbeeld. Gezien de fabricagetoleranties, corrosietoleranties en mechanische toleranties volgens ASTM A106 Gr B, kan de maximaal toelaatbare werkdruk (MAWP) in twee stappen worden berekend bij temperaturen tot 300 °F (Opmerking: De reden voor "...bij temperaturen tot 300 °F..." is dat de toelaatbare spanning (S) van ASTM A106 Gr B-materiaal begint af te nemen wanneer de temperatuur boven 300 °F komt. (S), dus vergelijking (1) moet worden aangepast voor temperaturen boven 300 °F.)
Verwijzend naar formule (1), is de eerste stap het berekenen van de theoretische barstdruk van de pijpleiding.
T = wanddikte van de pijp minus mechanische, corrosie- en fabricagetoleranties, in inches.
Het tweede deel van het proces is 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 inch school 80-materiaal wordt de barstdruk als volgt berekend:
Vervolgens wordt een veiligheidsfactor Sf van 4 toegepast in overeenstemming met de ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 wordt als volgt berekend:
De resulterende MAWP-waarde is 810 psi. inch heeft alleen betrekking op de pijp. De flensverbinding of het onderdeel met de laagste classificatie in het systeem is bepalend voor de toelaatbare druk in het systeem.
Volgens ASME B16.5 is de maximaal toelaatbare werkdruk voor flensfittingen van koolstofstaal 150 285 psi.inch bij -20°F tot 100°F. Klasse 300 heeft een maximaal toelaatbare werkdruk van 740 psi. Dit is de druklimietfactor van het systeem volgens het onderstaande voorbeeld van de materiaalspecificatie. Deze waarden mogen bovendien alleen bij hydrostatische tests 1,5 keer hoger zijn.
Als voorbeeld van een basisspecificatie voor koolstofstaal kan een specificatie voor een H2-gasleiding, werkend bij een omgevingstemperatuur onder een ontwerpdruk van 740 psi.inch, de materiaaleisen bevatten die in Tabel 2 worden weergegeven. De volgende typen vereisen mogelijk aandacht om in de specificatie te worden opgenomen:
Naast de leidingen zelf, bestaat het leidingsysteem uit vele elementen zoals fittingen, afsluiters, leidingapparatuur, enzovoort. Hoewel veel van deze elementen in een pijpleiding samengebracht zullen worden om ze in detail te bespreken, zou dit meer pagina's in beslag nemen dan in dit artikel mogelijk is.