Ten przegląd zawiera zalecenia dotyczące bezpiecznego projektowania systemów rurociągów do dystrybucji wodoru.
Wodór jest bardzo lotną cieczą o dużej skłonności do wycieków.To bardzo niebezpieczna i zabójcza kombinacja tendencji, lotna ciecz, którą trudno kontrolować.Są to trendy, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiałów, uszczelek i uszczelek, a także cech konstrukcyjnych takich systemów.Te tematy dotyczące dystrybucji gazowego H2 są przedmiotem tej dyskusji, a nie produkcja H2, ciekłego H2 lub ciekłego H2 (patrz prawy pasek boczny).
Oto kilka kluczowych punktów, które pomogą Ci zrozumieć mieszaninę wodoru i H2-powietrza.Wodór spala się na dwa sposoby: deflagrację i eksplozję.
deflagracja.Deflagracja to powszechny tryb spalania, w którym płomienie przemieszczają się przez mieszaninę z prędkością poddźwiękową.Dzieje się tak na przykład, gdy wolna chmura mieszaniny wodoru i powietrza zostaje zapalona przez małe źródło zapłonu.W takim przypadku płomień będzie poruszał się z prędkością od dziesięciu do kilkuset stóp na sekundę.Gwałtowna ekspansja gorącego gazu tworzy fale ciśnienia, których siła jest proporcjonalna do wielkości chmury.W niektórych przypadkach siła fali uderzeniowej może wystarczyć do uszkodzenia konstrukcji budowlanych i innych obiektów na jej drodze oraz spowodować obrażenia.
eksplodować.Kiedy eksplodował, płomienie i fale uderzeniowe przemieszczały się przez mieszaninę z prędkością ponaddźwiękową.Stosunek ciśnień w fali detonacyjnej jest znacznie większy niż w detonacji.Ze względu na zwiększoną siłę eksplozja jest bardziej niebezpieczna dla ludzi, budynków i znajdujących się w pobliżu obiektów.Normalna deflagracja powoduje eksplozję, gdy zapala się w ograniczonej przestrzeni.W tak wąskim obszarze zapłon może być spowodowany najmniejszą ilością energii.Ale do detonacji mieszaniny wodoru z powietrzem w nieograniczonej przestrzeni potrzebne jest mocniejsze źródło zapłonu.
Stosunek ciśnień w poprzek fali detonacyjnej w mieszaninie wodoru z powietrzem wynosi około 20. Przy ciśnieniu atmosferycznym stosunek 20 wynosi 300 psi.Kiedy ta fala ciśnienia zderza się z nieruchomym obiektem, stosunek ciśnień wzrasta do 40-60.Wynika to z odbicia fali ciśnienia od nieruchomej przeszkody.
Skłonność do wycieków.Ze względu na niską lepkość i niską masę cząsteczkową gaz H2 ma dużą tendencję do wyciekania, a nawet przenikania lub penetracji różnych materiałów.
Wodór jest 8 razy lżejszy od gazu ziemnego, 14 razy lżejszy od powietrza, 22 razy lżejszy od propanu i 57 razy lżejszy od oparów benzyny.Oznacza to, że po zainstalowaniu na zewnątrz, gaz H2 szybko unosi się i rozprasza, zmniejszając wszelkie oznaki nawet nieszczelności.Ale może to być miecz obosieczny.Wybuch może wystąpić, jeśli spawanie ma być wykonywane na instalacji zewnętrznej powyżej lub z wiatrem w stosunku do wycieku H2 bez badania wykrywania nieszczelności przed spawaniem.W zamkniętej przestrzeni gaz H2 może unosić się i gromadzić od sufitu w dół, co pozwala na gromadzenie się do dużych objętości, zanim będzie bardziej prawdopodobne, że wejdzie w kontakt ze źródłami zapłonu w pobliżu ziemi.
Przypadkowy pożar.Samozapłon to zjawisko, w którym mieszanina gazów lub par zapala się samorzutnie bez zewnętrznego źródła zapłonu.Jest również znany jako „samozapłon” lub „samozapłon”.Samozapłon zależy od temperatury, a nie ciśnienia.
Temperatura samozapłonu to minimalna temperatura, w której paliwo zapali się samorzutnie przed zapłonem przy braku zewnętrznego źródła zapłonu w kontakcie z powietrzem lub środkiem utleniającym.Temperatura samozapłonu pojedynczego proszku to temperatura, w której ulega on samozapłonowi pod nieobecność środka utleniającego.Temperatura samozapłonu gazowego H2 w powietrzu wynosi 585°C.
Energia zapłonu to energia potrzebna do zainicjowania rozprzestrzeniania się płomienia przez palną mieszaninę.Minimalna energia zapłonu to minimalna energia wymagana do zapalenia określonej palnej mieszanki w określonej temperaturze i ciśnieniu.Minimalna energia zapłonu iskry dla gazowego H2 w 1 atm powietrza = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Granice wybuchowości to maksymalne i minimalne stężenia par, mgieł lub pyłów w powietrzu lub tlenie, przy których następuje wybuch.Rozmiar i geometria środowiska, a także stężenie paliwa kontrolują limity.„Granica wybuchowości” jest czasami używana jako synonim „granicy wybuchowości”.
Granice wybuchowości mieszanin H2 w powietrzu wynoszą 18,3% obj. (granica dolna) i 59% obj. (granica górna).
Podczas projektowania systemów rurociągów (rysunek 1) pierwszym krokiem jest określenie materiałów budowlanych potrzebnych dla każdego rodzaju płynu.A każdy płyn zostanie sklasyfikowany zgodnie z paragrafem ASME B31.3.300(b)(1) stwierdza: „Właściciel jest również odpowiedzialny za określenie rurociągów klasy D, M, wysokociśnieniowych i o wysokiej czystości oraz za określenie, czy należy zastosować określony system jakości”.
Kategoryzacja płynów określa stopień i rodzaj wymaganych testów, a także wiele innych wymagań opartych na kategorii płynów.Odpowiedzialność właściciela za to zwykle spoczywa na dziale inżynieryjnym właściciela lub inżyniera zleconego na zewnątrz.
Chociaż Kodeks rurociągów procesowych B31.3 nie mówi właścicielowi, jakiego materiału użyć do określonego płynu, zawiera wskazówki dotyczące wytrzymałości, grubości i wymagań dotyczących połączeń materiałowych.We wstępie do kodeksu znajdują się również dwa stwierdzenia, które jasno stwierdzają:
I rozwiń pierwszy akapit powyżej, paragraf B31.3.300(b)(1) stanowi również: „Właściciel instalacji rurociągu ponosi wyłączną odpowiedzialność za przestrzeganie niniejszego Kodeksu oraz za ustanowienie wymagań projektowych, konstrukcyjnych, kontrolnych, kontrolnych i testowych regulujących wszelkie obchodzenie się z płynami lub procesy, których rurociąg jest częścią.Instalacja."Tak więc, po ustaleniu podstawowych zasad odpowiedzialności i wymagań dotyczących definiowania kategorii usług płynnych, zobaczmy, gdzie pasuje gazowy wodór.
Ponieważ gazowy wodór działa jak lotna ciecz z nieszczelnościami, wodór gazowy można uznać za normalną ciecz lub ciecz klasy M w kategorii B31.3 do obsługi cieczy.Jak stwierdzono powyżej, klasyfikacja obsługi płynów jest wymogiem właściciela, pod warunkiem, że spełnia wytyczne dla wybranych kategorii opisanych w B31.3, paragraf 3. 300.2 Definicje w rozdziale „Usługi hydrauliczne”.Poniżej przedstawiono definicje normalnej obsługi płynów i obsługi płynów klasy M:
„Normalna obsługa płynów: obsługa płynów stosowana w przypadku większości rurociągów podlegających tym przepisom, tj. niepodlegających przepisom dotyczącym klas D, M, wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia lub wysokiej czystości cieczy.
(1) Toksyczność płynu jest tak duża, że ​​pojedyncza ekspozycja na bardzo małą ilość płynu spowodowaną wyciekiem może spowodować poważne, trwałe obrażenia u osób, które wdychają lub mają z nim kontakt, nawet jeśli zostaną podjęte natychmiastowe środki naprawcze.zajęty
(2) Po rozważeniu projektu rurociągu, doświadczenia, warunków pracy i lokalizacji, właściciel stwierdza, że ​​wymagania dotyczące normalnego użytkowania płynu nie są wystarczające do zapewnienia szczelności niezbędnej do ochrony personelu przed narażeniem.”
W powyższej definicji M gazowy wodór nie spełnia kryteriów ust. (1), ponieważ nie jest uważany za ciecz toksyczną.Jednak stosując podsekcję (2), Kodeks zezwala na klasyfikację układów hydraulicznych do klasy M po należytym rozważeniu „…konstrukcji rurociągów, doświadczenia, warunków eksploatacji i lokalizacji…” Właściciel zezwala na określenie normalnego obchodzenia się z płynami.Wymagania są niewystarczające, aby zaspokoić potrzebę wyższego poziomu integralności w projektowaniu, budowie, kontroli, inspekcji i testowaniu systemów rurociągów gazowego wodoru.
Przed omówieniem wysokotemperaturowej korozji wodorowej (HTHA) należy zapoznać się z Tabelą 1.Kodeksy, normy i przepisy są wymienione w tej tabeli, która zawiera sześć dokumentów na temat kruchości wodorowej (HE), powszechnej anomalii korozyjnej, która obejmuje HTHA.OH może wystąpić w niskich i wysokich temperaturach.Uważana za formę korozji, może być inicjowana na kilka sposobów, a także wpływać na szeroką gamę materiałów.
HE ma różne formy, które można podzielić na pękanie wodorowe (HAC), pękanie naprężeniowe wodorowe (HSC), pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC), pękanie korozyjne wodorowe (HACC), pękanie pęcherzykowe wodoru (HB), pękanie wodorowe (HIC).)), pękanie wodorowe zorientowane naprężeniowo (SOHIC), pękanie progresywne (SWC), pękanie naprężeniowe siarczkowe (SSC), pękanie w strefie miękkiej (SZC) i wysokotemperaturowa korozja wodorowa (HTHA).
W najprostszej postaci kruchość wodorowa jest mechanizmem niszczenia granic ziaren metalu, co powoduje zmniejszenie plastyczności w wyniku penetracji wodoru atomowego.Sposoby, w jakie to zachodzi, są różne i częściowo określone przez ich odpowiednie nazwy, takie jak HTHA, gdzie do kruchości potrzebny jest jednocześnie wodór w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, oraz SSC, w którym wodór atomowy jest wytwarzany w postaci gazów zamkniętych i wodoru.z powodu korozji kwasowej przedostają się do metalowych obudów, co może prowadzić do kruchości.Ale ogólny wynik jest taki sam, jak we wszystkich opisanych powyżej przypadkach kruchości wodorowej, gdzie wytrzymałość metalu jest zmniejszana przez kruchość poniżej dopuszczalnego zakresu naprężeń, co z kolei przygotowuje grunt pod potencjalnie katastrofalne zdarzenie, biorąc pod uwagę lotność cieczy.
Oprócz grubości ścianki i wydajności mechanicznej złącza, istnieją dwa główne czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiałów do obsługi gazowego H2: 1. Narażenie na wodór o wysokiej temperaturze (HTHA) i 2. Poważne obawy dotyczące potencjalnego wycieku.Oba tematy są obecnie przedmiotem dyskusji.
W przeciwieństwie do wodoru cząsteczkowego, wodór atomowy może się rozszerzać, wystawiając wodór na działanie wysokich temperatur i ciśnień, tworząc podstawę dla potencjalnego HTHA.W tych warunkach wodór atomowy może dyfundować do materiałów rurociągów lub urządzeń ze stali węglowej, gdzie reaguje z węglem w roztworze metalicznym, tworząc gazowy metan na granicach ziaren.Nie mogąc uciec, gaz rozszerza się, tworząc pęknięcia i szczeliny w ścianach rur lub naczyń – to jest HTGA.Możesz wyraźnie zobaczyć wyniki HTHA na rysunku 2, gdzie pęknięcia i pęknięcia są widoczne w ścianie 8 ″.Część rury o nominalnym rozmiarze (NPS), która ulegnie uszkodzeniu w tych warunkach.
Stal węglowa może być używana do obsługi wodoru, gdy temperatura robocza jest utrzymywana poniżej 500 ° F.Jak wspomniano powyżej, HTHA występuje, gdy gazowy wodór jest utrzymywany pod wysokim ciśnieniem cząstkowym i w wysokiej temperaturze.Stal węglowa nie jest zalecana, gdy spodziewane ciśnienie cząstkowe wodoru wynosi około 3000 psi, a temperatura przekracza około 450°F (co jest stanem awaryjnym na rysunku 2).
Jak widać ze zmodyfikowanego wykresu Nelsona na rysunku 3, częściowo zaczerpniętego z API 941, wysoka temperatura ma największy wpływ na wymuszanie wodoru.Ciśnienie cząstkowe wodoru gazowego może przekraczać 1000 psi, gdy jest stosowane ze stalami węglowymi pracującymi w temperaturach do 500°F.
Rysunek 3. Zmodyfikowany wykres Nelsona (zaadaptowany z API 941) może być wykorzystany do wybrania odpowiednich materiałów do pracy z wodorem w różnych temperaturach.
na ryc.3 pokazuje wybór stali, które gwarantują uniknięcie ataku wodoru, w zależności od temperatury roboczej i ciśnienia cząstkowego wodoru.Austenityczne stale nierdzewne są niewrażliwe na HTHA i są zadowalającymi materiałami we wszystkich temperaturach i ciśnieniach.
Austenityczna stal nierdzewna 316/316L jest najbardziej praktycznym materiałem do zastosowań wodorowych i ma udokumentowane osiągnięcia.Podczas gdy obróbka cieplna po spawaniu (PWHT) jest zalecana dla stali węglowych w celu wypalenia resztkowego wodoru podczas spawania i zmniejszenia twardości w strefie wpływu ciepła (HAZ) po spawaniu, nie jest wymagana dla austenitycznych stali nierdzewnych.
Efekty termotermiczne spowodowane obróbką cieplną i spawaniem mają niewielki wpływ na właściwości mechaniczne austenitycznych stali nierdzewnych.Jednak obróbka na zimno może poprawić właściwości mechaniczne austenitycznych stali nierdzewnych, takie jak wytrzymałość i twardość.Podczas gięcia i formowania rur z austenitycznej stali nierdzewnej zmieniają się ich właściwości mechaniczne, w tym zmniejsza się plastyczność materiału.
Jeśli austenityczna stal nierdzewna wymaga formowania na zimno, wyżarzanie rozpuszczające (ogrzewanie do około 1045°C, a następnie hartowanie lub szybkie schładzanie) przywróci pierwotne właściwości mechaniczne materiału.Wyeliminuje również segregację stopu, uczulenie i fazę sigma uzyskiwaną po obróbce plastycznej na zimno.Podczas przeprowadzania wyżarzania rozpuszczającego należy pamiętać, że szybkie schładzanie może przywrócić naprężenia szczątkowe w materiale, jeśli nie jest właściwie obsługiwane.
Patrz tabele GR-2.1.1-1 Indeks specyfikacji materiałów przewodów rurowych i przewodów rurowych oraz GR-2.1.1-2 Indeks specyfikacji materiałów rurociągów w ASME B31, aby zapoznać się z dopuszczalnymi materiałami do obsługi H2.rury są dobrym miejscem do rozpoczęcia.
Przy standardowej masie atomowej 1,008 jednostek masy atomowej (amu), wodór jest najlżejszym i najmniejszym pierwiastkiem w układzie okresowym, a zatem ma dużą skłonność do wycieku, co może mieć potencjalnie katastrofalne konsekwencje, dodam.Dlatego system gazociągów musi być zaprojektowany w taki sposób, aby ograniczyć połączenia typu mechanicznego i poprawić te połączenia, które są rzeczywiście potrzebne.
W celu ograniczenia potencjalnych miejsc wycieku, system powinien być całkowicie spawany, z wyjątkiem połączeń kołnierzowych na urządzeniach, elementach rurociągów i armaturze.W miarę możliwości, jeśli nie całkowicie, należy unikać połączeń gwintowanych.Jeśli z jakiegokolwiek powodu nie można uniknąć połączeń gwintowanych, zaleca się ich całkowite połączenie bez szczeliwa do gwintów, a następnie uszczelnienie spoiny.W przypadku stosowania rur ze stali węglowej połączenia rur muszą być zespawane doczołowo i poddane obróbce cieplnej po spawaniu (PWHT).Po spawaniu rury w strefie wpływu ciepła (HAZ) są narażone na atak wodoru nawet w temperaturze otoczenia.Podczas gdy atak wodoru występuje głównie w wysokich temperaturach, etap PWHT całkowicie zmniejszy, jeśli nie wyeliminuje, tę możliwość, nawet w warunkach otoczenia.
Słabym punktem systemu całkowicie spawanego jest połączenie kołnierzowe.W celu zapewnienia wysokiego stopnia szczelności połączeń kołnierzowych należy stosować uszczelki Kammprofile (rys. 4) lub inną formę uszczelek.Wykonany prawie w ten sam sposób przez kilku producentów, ten pad jest bardzo wyrozumiały.Składa się z zębatych, całkowicie metalowych pierścieni umieszczonych pomiędzy miękkimi, odkształcalnymi materiałami uszczelniającymi.Zęby koncentrują obciążenie śruby na mniejszym obszarze, aby zapewnić ciasne dopasowanie przy mniejszym naprężeniu.Został zaprojektowany w taki sposób, aby kompensować nierówne powierzchnie kołnierzy oraz zmienne warunki pracy.
Rys. 4. Uszczelki Kammprofile posiadają metalowy rdzeń sklejony obustronnie miękkim wypełniaczem.
Innym ważnym czynnikiem integralności systemu jest zawór.Prawdziwym problemem są wycieki wokół uszczelnienia trzpienia i kołnierzy korpusu.Aby temu zapobiec, zaleca się wybór zaworu z uszczelnieniem mieszkowym.
Użyj 1 cala.Rura ze stali węglowej School 80, w poniższym przykładzie, biorąc pod uwagę tolerancje produkcyjne, tolerancje korozji i tolerancje mechaniczne zgodnie z ASTM A106 Gr B, maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze (MAWP) można obliczyć w dwóch krokach w temperaturach do 300°F (Uwaga: powodem „… dla temperatur do 300ºF…” jest to, że dopuszczalne naprężenie (S) materiału ASTM A106 Gr B zaczyna się pogarszać, gdy temperatura przekracza 300ºF.(S), więc Równanie (1) wymaga dostosowania do temperatur powyżej 300ºF.)
Odwołując się do wzoru (1), pierwszym krokiem jest obliczenie teoretycznego ciśnienia rozrywającego rurociągu.
T = grubość ścianki rury pomniejszona o tolerancje mechaniczne, korozyjne i produkcyjne, w calach.
Druga część procesu polega na obliczeniu maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia roboczego Pa rurociągu poprzez zastosowanie współczynnika bezpieczeństwa S f do wyniku P zgodnie z równaniem (2):
Zatem przy użyciu materiału 1″ school 80 ciśnienie rozrywające oblicza się w następujący sposób:
Następnie stosuje się współczynnik bezpieczeństwa Sf wynoszący 4 zgodnie z zaleceniami dotyczącymi zbiorników ciśnieniowych ASME, rozdział VIII-1 2019, ust. 8. UG-101 oblicza się w następujący sposób:
Wynikowa wartość MAWP wynosi 810 psi.cal odnosi się tylko do rur.Przyłącze kołnierzowe lub element o najniższej wartości znamionowej w systemie będzie decydującym czynnikiem przy określaniu dopuszczalnego ciśnienia w systemie.
Zgodnie z normą ASME B16.5 maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze dla 150 złączek kołnierzowych ze stali węglowej wynosi 285 psi.cala w temperaturze od -20°F do 100°F.Klasa 300 ma maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze 740 psi.Będzie to współczynnik ograniczenia ciśnienia w systemie zgodnie z poniższym przykładem specyfikacji materiałowej.Również tylko w testach hydrostatycznych wartości te mogą przekroczyć 1,5 razy.
Jako przykład podstawowej specyfikacji materiału ze stali węglowej, specyfikacja linii serwisowej gazu H2 działającej w temperaturze otoczenia poniżej ciśnienia projektowego 740 psi.cal, może zawierać wymagania materiałowe przedstawione w Tabeli 2. Następujące typy mogą wymagać uwzględnienia w specyfikacji:
Oprócz samego rurociągu na system rurociągów składa się wiele elementów, takich jak złączki, zawory, wyposażenie rurociągów itp. Chociaż wiele z tych elementów zostanie zebranych razem w rurociągu w celu ich szczegółowego omówienia, zajmie to więcej stron, niż można zmieścić.Ten artykuł.