Denne oversikten gir anbefalinger for sikker utforming av rørsystemer for hydrogendistribusjon.
Hydrogen er en svært flyktig væske med høy tendens til å lekke.Det er en veldig farlig og dødelig kombinasjon av tendenser, en flyktig væske som er vanskelig å kontrollere.Dette er trender å vurdere når du velger materialer, pakninger og tetninger, samt designegenskapene til slike systemer.Disse emnene om distribusjon av gassformig H2 er fokus for denne diskusjonen, ikke produksjonen av H2, flytende H2 eller flytende H2 (se høyre sidefelt).
Her er noen viktige punkter for å hjelpe deg å forstå blandingen av hydrogen og H2-luft.Hydrogen brenner på to måter: deflagrasjon og eksplosjon.
deflagrasjon.Deflagrasjon er en vanlig forbrenningsmodus der flammer beveger seg gjennom blandingen med subsoniske hastigheter.Dette skjer for eksempel når en fri sky av hydrogen-luftblanding antennes av en liten tennkilde.I dette tilfellet vil flammen bevege seg med en hastighet på ti til flere hundre fot per sekund.Den raske ekspansjonen av varm gass skaper trykkbølger hvis styrke er proporsjonal med størrelsen på skyen.I noen tilfeller kan kraften fra sjokkbølgen være nok til å skade bygningskonstruksjoner og andre gjenstander i veien og forårsake skade.
eksplodere.Da den eksploderte, reiste flammer og sjokkbølger gjennom blandingen i supersoniske hastigheter.Trykkforholdet i en detonasjonsbølge er mye større enn i en detonasjon.På grunn av den økte kraften er eksplosjonen farligere for mennesker, bygninger og gjenstander i nærheten.Normal deflagrasjon forårsaker en eksplosjon når den antennes i et begrenset rom.I et så trangt område kan antennelse være forårsaket av minst mulig energi.Men for detonering av en hydrogen-luftblanding i et ubegrenset rom kreves det en kraftigere tennkilde.
Trykkforholdet over detonasjonsbølgen i en hydrogen-luftblanding er ca. 20. Ved atmosfærisk trykk er et forhold på 20 300 psi.Når denne trykkbølgen kolliderer med en stasjonær gjenstand, øker trykkforholdet til 40-60.Dette skyldes refleksjon av en trykkbølge fra en stasjonær hindring.
Tendens til å lekke.På grunn av sin lave viskositet og lave molekylvekt har H2-gass en høy tendens til å lekke og til og med penetrere eller penetrere ulike materialer.
Hydrogen er 8 ganger lettere enn naturgass, 14 ganger lettere enn luft, 22 ganger lettere enn propan og 57 ganger lettere enn bensindamp.Dette betyr at når den installeres utendørs, vil H2-gassen raskt stige og forsvinne, noe som reduserer eventuelle tegn på jevne lekkasjer.Men det kan være et tveegget sverd.En eksplosjon kan oppstå hvis sveising skal utføres på en utendørs installasjon over eller i motvind av en H2-lekkasje uten en lekkasjedeteksjonsstudie før sveising.I et lukket rom kan H2-gass stige og samle seg fra taket og ned, en tilstand som gjør at den kan bygge seg opp til store volumer før den er mer sannsynlig å komme i kontakt med tennkilder nær bakken.
Utilsiktet brann.Selvantennelse er et fenomen der en blanding av gasser eller damper antennes spontant uten en ekstern antennelseskilde.Det er også kjent som "spontan forbrenning" eller "spontan forbrenning".Selvantenning avhenger av temperatur, ikke trykk.
Selvantennelsestemperaturen er minimumstemperaturen ved hvilken et drivstoff spontant vil antennes før antennelse i fravær av en ekstern tennkilde ved kontakt med luft eller et oksidasjonsmiddel.Selvantennelsestemperaturen til et enkelt pulver er temperaturen der det spontant antennes i fravær av et oksidasjonsmiddel.Selvantennelsestemperaturen til gassformig H2 i luft er 585°C.
Tennenergien er energien som kreves for å sette i gang spredningen av en flamme gjennom en brennbar blanding.Minimum antennelsesenergi er minimumsenergien som kreves for å antenne en bestemt brennbar blanding ved en bestemt temperatur og trykk.Minimum gnistantenningsenergi for gassformig H2 i 1 atm luft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Eksplosjonsgrenser er maksimale og laveste konsentrasjoner av damper, tåke eller støv i luft eller oksygen der en eksplosjon oppstår.Størrelsen og geometrien til miljøet, samt konsentrasjonen av drivstoffet, styrer grensene."Eksplosjonsgrense" brukes noen ganger som et synonym for "eksplosjonsgrense".
Eksplosjonsgrensene for H2-blandinger i luft er 18,3 vol.% (nedre grense) og 59 vol.% (øvre grense).
Når du designer rørsystemer (figur 1), er det første trinnet å bestemme byggematerialene som trengs for hver type væske.Og hver væske vil bli klassifisert i henhold til ASME B31.3 paragraf.300(b)(1) sier: "Eieren er også ansvarlig for å bestemme klasse D, M, rørledninger med høy trykk og høy renhet, og bestemme om et bestemt kvalitetssystem skal brukes."
Væskekategorisering definerer graden av testing og type testing som kreves, samt mange andre krav basert på væskekategorien.Ansvaret til eieren for dette faller vanligvis til ingeniøravdelingen til eieren eller en utkontraktert ingeniør.
Selv om B31.3-prosessrørkoden ikke forteller eieren hvilket materiale som skal brukes for en bestemt væske, gir den veiledning om styrke, tykkelse og materialtilkoblingskrav.Det er også to utsagn i introduksjonen til koden som tydelig sier:
Og utdype det første avsnittet ovenfor, avsnitt B31.3.300(b)(1) sier også: «Eieren av en rørledningsinstallasjon er eneansvarlig for å overholde disse retningslinjene og for å etablere design-, konstruksjons-, inspeksjons-, inspeksjons- og testkravene som styrer all væskehåndtering eller prosess som rørledningen er en del av.Installasjon."Så, etter å ha fastsatt noen grunnregler for ansvar og krav for å definere kategorier av væsketjenester, la oss se hvor hydrogengass passer inn.
Fordi hydrogengass fungerer som en flyktig væske med lekkasjer, kan hydrogengass betraktes som en normal væske eller en klasse M-væske under kategori B31.3 for flytende service.Som nevnt ovenfor er klassifiseringen av væskehåndtering et eierkrav, forutsatt at den oppfyller retningslinjene for de utvalgte kategoriene beskrevet i B31.3, avsnitt 3. 300.2 Definisjoner i avsnittet "Hydrauliske tjenester".Følgende er definisjoner for normal væskeservice og klasse M væskeservice:
"Normal væskeservice: Væskeservice gjelder for de fleste rør som er underlagt denne koden, dvs. ikke underlagt forskrifter for klasse D, M, høy temperatur, høyt trykk eller høy væskerenhet.
(1) Væskens toksisitet er så stor at en enkelt eksponering for en svært liten mengde av væsken forårsaket av en lekkasje kan forårsake alvorlig varig skade på de som inhalerer eller kommer i kontakt med den, selv om umiddelbare gjenopprettingstiltak iverksettes.tatt
(2) Etter å ha vurdert rørledningsdesign, erfaring, driftsforhold og plassering, fastslår eieren at kravene til normal bruk av væsken ikke er tilstrekkelige til å gi den tettheten som er nødvendig for å beskytte personell mot eksponering.”
I ovennevnte definisjon av M oppfyller ikke hydrogengass kriteriene i paragraf (1) fordi den ikke anses som en giftig væske.Ved å anvende underseksjon (2) tillater imidlertid koden klassifisering av hydrauliske systemer i klasse M etter behørig vurdering av "...rørdesign, erfaring, driftsforhold og plassering..." Eieren tillater fastsettelse av normal væskehåndtering.Kravene er utilstrekkelige for å møte behovet for et høyere integritetsnivå ved design, konstruksjon, inspeksjon, inspeksjon og testing av hydrogengassrørsystemer.
Vennligst se tabell 1 før du diskuterer høytemperaturhydrogenkorrosjon (HTHA).Koder, standarder og forskrifter er oppført i denne tabellen, som inkluderer seks dokumenter om emnet hydrogensprøhet (HE), en vanlig korrosjonsavvik som inkluderer HTHA.OH kan oppstå ved lave og høye temperaturer.Betraktet som en form for korrosjon, kan den initieres på flere måter og påvirke et bredt spekter av materialer.
HE har ulike former, som kan deles inn i hydrogen-cracking (HAC), hydrogen-spenningscracking (HSC), spenningskorrosjonscracking (SCC), hydrogen-korrosjonscracking (HACC), hydrogenbobling (HB), hydrogencracking (HIC).)), spenningsorientert hydrogen-cracking (SOHIC), progressiv cracking (SWC), sulfid stress cracking (SSC), myksone-cracking (SZC) og høytemperatur-hydrogenkorrosjon (HTHA).
I sin enkleste form er hydrogensprøhet en mekanisme for ødeleggelse av metallkorngrenser, noe som resulterer i redusert duktilitet på grunn av penetrering av atomært hydrogen.Måtene dette skjer på er varierte og er delvis definert av deres respektive navn, for eksempel HTHA, hvor samtidig høytemperatur og høyt trykk hydrogen er nødvendig for sprøhet, og SSC, hvor atomært hydrogen produseres som lukkede gasser og hydrogen.på grunn av syrekorrosjon siver de inn i metallhus, noe som kan føre til sprøhet.Men det samlede resultatet er det samme som for alle tilfeller av hydrogensprøhet beskrevet ovenfor, hvor styrken til metallet reduseres ved sprøhet under dets tillatte spenningsområde, som igjen setter scenen for en potensielt katastrofal hendelse gitt væskens flyktighet.
I tillegg til veggtykkelse og mekanisk skjøteevne, er det to hovedfaktorer å vurdere når du velger materialer for H2-gasstjeneste: 1. Eksponering for høytemperaturhydrogen (HTHA) og 2. Alvorlige bekymringer om potensiell lekkasje.Begge temaene er for tiden under diskusjon.
I motsetning til molekylært hydrogen, kan atomært hydrogen ekspandere, og utsette hydrogenet for høye temperaturer og trykk, og skape grunnlaget for potensiell HTHA.Under disse forholdene er atomisk hydrogen i stand til å diffundere inn i rørmaterialer eller utstyr av karbonstål, hvor det reagerer med karbon i metallisk løsning for å danne metangass ved korngrensene.Ute av stand til å unnslippe, utvider gassen seg og skaper sprekker og sprekker i veggene til rør eller kar – dette er HTGA.Du kan tydelig se HTHA-resultatene i figur 2 der sprekker og sprekker er tydelige i 8-tommers veggen.Den delen av røret med nominell størrelse (NPS) som svikter under disse forholdene.
Karbonstål kan brukes til hydrogenservice når driftstemperaturen holdes under 500°F.Som nevnt ovenfor oppstår HTHA når hydrogengass holdes ved høyt partialtrykk og høy temperatur.Karbonstål anbefales ikke når hydrogenpartialtrykket forventes å være rundt 3000 psi og temperaturen er over ca. 450°F (som er ulykkestilstanden i figur 2).
Som man kan se fra det modifiserte Nelson-plottet i figur 3, delvis hentet fra API 941, har høy temperatur størst effekt på hydrogenpressing.Hydrogengasspartialtrykket kan overstige 1000 psi når det brukes med karbonstål som opererer ved temperaturer opp til 500°F.
Figur 3. Dette modifiserte Nelson-diagrammet (tilpasset fra API 941) kan brukes til å velge egnede materialer for hydrogentjeneste ved forskjellige temperaturer.
På fig.3 viser valget av stål som garantert unngår hydrogenangrep, avhengig av driftstemperatur og partialtrykk av hydrogen.Austenittisk rustfritt stål er ufølsomt for HTHA og er tilfredsstillende materialer ved alle temperaturer og trykk.
Austenitic 316/316L rustfritt stål er det mest praktiske materialet for hydrogenapplikasjoner og har en bevist merittliste.Selv om varmebehandling etter sveising (PWHT) anbefales for karbonstål for å kalsinere resterende hydrogen under sveising og redusere hardheten i varmepåvirket sone (HAZ) etter sveising, er det ikke nødvendig for austenittisk rustfritt stål.
Termotermiske effekter forårsaket av varmebehandling og sveising har liten effekt på de mekaniske egenskapene til austenittiske rustfrie stål.Kaldbearbeiding kan imidlertid forbedre de mekaniske egenskapene til austenittiske rustfrie stål, slik som styrke og hardhet.Når du bøyer og former rør fra austenittisk rustfritt stål, endres deres mekaniske egenskaper, inkludert reduksjonen i plastisiteten til materialet.
Hvis austenittisk rustfritt stål krever kaldforming, vil løsningsgløding (oppvarming til ca. 1045°C etterfulgt av bråkjøling eller rask avkjøling) gjenopprette de mekaniske egenskapene til materialet til de opprinnelige verdiene.Det vil også eliminere legeringssegregeringen, sensibiliseringen og sigmafasen som oppnås etter kaldbearbeiding.Når du utfører løsningsgløding, vær oppmerksom på at rask avkjøling kan sette gjenværende belastning tilbake i materialet hvis det ikke håndteres riktig.
Se tabellene GR-2.1.1-1 Materialspesifikasjonsindeks for rør og rørmontering og GR-2.1.1-2 Spesifikasjonsindeks for rørmateriale i ASME B31 for akseptable materialvalg for H2-service.rør er et godt sted å starte.
Med en standard atomvekt på 1,008 atommasseenheter (amu), er hydrogen det letteste og minste grunnstoffet i det periodiske system, og har derfor stor tilbøyelighet til å lekke, med potensielt ødeleggende konsekvenser, kan jeg legge til.Derfor må gassrørledningssystemet utformes på en slik måte at det begrenser koblinger av mekanisk type og forbedrer de koblingene som virkelig er nødvendige.
Ved begrensning av potensielle lekkasjepunkter bør systemet være helsveiset, med unntak av flensforbindelser på utstyr, rørelementer og beslag.Gjengeforbindelser bør unngås så langt som mulig, om ikke helt.Hvis gjengede forbindelser ikke kan unngås av en eller annen grunn, anbefales det å koble dem helt inn uten gjengetetningsmiddel og deretter forsegle sveisen.Ved bruk av karbonstålrør skal rørskjøtene stumpsveises og ettersveises varmebehandlet (PWHT).Etter sveising blir rør i den varmepåvirkede sonen (HAZ) utsatt for hydrogenangrep selv ved omgivelsestemperatur.Mens hydrogenangrep først og fremst skjer ved høye temperaturer, vil PWHT-stadiet fullstendig redusere, om ikke eliminere, denne muligheten selv under omgivelsesforhold.
Det svake punktet til det helsveisede systemet er flensforbindelsen.For å sikre høy grad av tetthet i flensforbindelser bør det benyttes Kammprofilpakninger (fig. 4) eller annen form for pakninger.Laget på nesten samme måte av flere produsenter, er denne puten veldig tilgivende.Den består av tannede helmetallringer mellom myke, deformerbare tetningsmaterialer.Tennene konsentrerer belastningen av bolten i et mindre område for å gi en tett passform med mindre belastning.Den er utformet på en slik måte at den kan kompensere for ujevne flensoverflater samt svingende driftsforhold.
Figur 4. Kammprofilpakninger har en metallkjerne festet på begge sider med en myk fyllmasse.
En annen viktig faktor i systemets integritet er ventilen.Lekkasjer rundt stammepakningen og kroppsflensene er et reelt problem.For å forhindre dette anbefales det å velge en ventil med belgtetning.
Bruk 1 tomme.School 80 karbonstålrør, i vårt eksempel nedenfor, gitt produksjonstoleranser, korrosjon og mekaniske toleranser i samsvar med ASTM A106 Gr B, kan det maksimalt tillatte arbeidstrykket (MAWP) beregnes i to trinn ved temperaturer opp til 300°F (Merk: Årsaken til "...for temperaturer opp til... for temperaturer opp til..."100, fordi startmaterialet er GrºF 6) s forverres når temperaturen overstiger 300ºF.(S), så ligning (1) krever Juster til temperaturer over 300ºF.)
Med henvisning til formel (1), er det første trinnet å beregne det teoretiske sprengtrykket i rørledningen.
T = rørveggtykkelse minus mekaniske, korrosjons- og produksjonstoleranser, i tommer.
Den andre delen av prosessen er å beregne det maksimalt tillatte arbeidstrykket Pa for rørledningen ved å bruke sikkerhetsfaktoren S f på resultatet P i henhold til ligning (2):
Når du bruker 1″ skole 80-materiale, beregnes sprengtrykket som følger:
En sikkerhets-Sf på 4 påføres deretter i samsvar med ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 beregnet som følger:
Den resulterende MAWP-verdien er 810 psi.tomme refererer kun til rør.Flensforbindelsen eller komponenten med den laveste karakteren i systemet vil være den avgjørende faktoren for å bestemme det tillatte trykket i systemet.
Per ASME B16.5 er det maksimalt tillatte arbeidstrykket for 150 karbonstålflensfittings 285 psi.tomme ved -20°F til 100°F.Klasse 300 har et maksimalt tillatt arbeidstrykk på 740 psi.Dette vil være trykkgrensefaktoren til systemet i henhold til materialspesifikasjonseksemplet nedenfor.Bare i hydrostatiske tester kan disse verdiene overstige 1,5 ganger.
Som et eksempel på en grunnleggende karbonstålmaterialspesifikasjon, en H2-gassserviceledningsspesifikasjon som opererer ved en omgivelsestemperatur under et designtrykk på 740 psi.tomme, kan inneholde materialkravene vist i tabell 2. Følgende er typer som kan kreve oppmerksomhet for å inkluderes i spesifikasjonen:
Bortsett fra selve røropplegget er det mange elementer som utgjør rørsystemet som beslag, ventiler, ledningsutstyr osv. Mens mange av disse elementene vil settes sammen i en rørledning for å diskutere dem i detalj, vil dette kreve flere sider enn det som er plass til.Denne artikkelen.