W niniejszym przeglądzie przedstawiono zalecenia dotyczące bezpiecznego projektowania systemów rurociągowych do dystrybucji wodoru.
Wodór to ciecz o wysokiej lotności i tendencji do wycieków. To bardzo niebezpieczna i zabójcza kombinacja tendencji, ciecz lotna, którą trudno kontrolować. Należy wziąć pod uwagę te trendy przy wyborze materiałów, uszczelek i uszczelnień, a także przy projektowaniu takich systemów. Tematem tej dyskusji są zagadnienia dotyczące dystrybucji gazowego H₂, a nie jego wytwarzania, ciekłego H₂ lub ciekłego H₂ (patrz prawy pasek boczny).
Oto kilka kluczowych punktów, które pomogą Ci zrozumieć mieszankę wodoru i H₂ z powietrzem. Wodór spala się na dwa sposoby: deflagrację i wybuch.
Deflagracja. Deflagracja to powszechny tryb spalania, w którym płomienie przemieszczają się przez mieszaninę z prędkością poddźwiękową. Dzieje się tak na przykład, gdy wolna chmura mieszanki wodoru i powietrza zostaje zapalona przez małe źródło zapłonu. W takim przypadku płomień będzie się poruszał z prędkością od dziesięciu do kilkuset stóp na sekundę. Szybkie rozprężanie się gorącego gazu wytwarza fale ciśnienia, których siła jest proporcjonalna do rozmiaru chmury. W niektórych przypadkach siła fali uderzeniowej może być wystarczająca, aby uszkodzić konstrukcje budynków i inne obiekty na swojej drodze, powodując obrażenia.
Eksplodować. Podczas eksplozji płomienie i fale uderzeniowe przemieszczają się przez mieszaninę z prędkością naddźwiękową. Stosunek ciśnień w fali detonacyjnej jest znacznie wyższy niż w detonacji. Ze względu na zwiększoną siłę, eksplozja jest bardziej niebezpieczna dla ludzi, budynków i pobliskich obiektów. Normalna deflagracja powoduje wybuch, gdy zapala się w ograniczonej przestrzeni. W tak wąskiej przestrzeni zapłon może zostać spowodowany przez najmniejszą ilość energii. Jednak do detonacji mieszanki wodoru z powietrzem w nieograniczonej przestrzeni wymagane jest silniejsze źródło zapłonu.
Stosunek ciśnień w poprzek fali detonacyjnej w mieszance wodoru z powietrzem wynosi około 20. Przy ciśnieniu atmosferycznym stosunek 20 wynosi 300 psi. Gdy ta fala ciśnienia zderza się ze nieruchomym obiektem, stosunek ciśnień wzrasta do 40–60. Dzieje się tak z powodu odbicia fali ciśnienia od nieruchomej przeszkody.
Tendencja do wycieków. Ze względu na niską lepkość i niską masę cząsteczkową, gaz H2 ma dużą tendencję do wycieków, 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, wodór szybko unosi się i rozprasza, redukując wszelkie oznaki wycieków. Może to jednak okazać się mieczem obosiecznym. Do wybuchu może dojść, jeśli spawanie ma być wykonywane na instalacji zewnętrznej nad lub pod wiatrem od miejsca wycieku wodoru, bez uprzedniego przeprowadzenia badania szczelności. W zamkniętej przestrzeni wodór może unosić się i gromadzić od sufitu w dół, co pozwala mu na gromadzenie się w dużych ilościach, zanim będzie bardziej prawdopodobne zetknięcie się ze źródłami zapłonu w pobliżu gruntu.
Przypadkowy pożar. Samozapłon to zjawisko, w którym mieszanina gazów lub par zapala się samoistnie bez zewnętrznego źródła zapłonu. Jest on również znany jako „samozapłon” lub „samozapłon”. Samozapłon zależy od temperatury, a nie ciśnienia.
Temperatura samozapłonu to minimalna temperatura, w której paliwo samozapłonie przed zapłonem w przypadku braku zewnętrznego źródła zapłonu w kontakcie z powietrzem lub utleniaczem. Temperatura samozapłonu pojedynczego proszku to temperatura, w której ulega on samozapłonowi w przypadku braku utleniacza. Temperatura samozapłonu gazowego H2 w powietrzu wynosi 585°C.
Energia zapłonu to energia potrzebna do zainicjowania rozprzestrzeniania się płomienia przez mieszaninę palną. Minimalna energia zapłonu to minimalna energia potrzebna do zapalenia danej mieszaniny palnej 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. Wielkość i geometria środowiska, a także stężenie paliwa, determinują te granice. „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).
Projektując systemy rurociągów (rysunek 1), pierwszym krokiem jest określenie materiałów budowlanych potrzebnych dla każdego rodzaju cieczy. Każda ciecz będzie klasyfikowana zgodnie z paragrafem normy ASME B31.3. Paragraf 300(b)(1) stanowi: „Właściciel jest również odpowiedzialny za określenie klasy rurociągów D, M, wysokiego ciśnienia i wysokiej czystości oraz za ustalenie, czy należy zastosować system o określonej jakości”.
Kategoryzacja płynów określa stopień i rodzaj wymaganych testów, a także wiele innych wymagań w zależności od kategorii płynu. Odpowiedzialność za to zazwyczaj spoczywa na dziale inżynieryjnym właściciela lub inżynierze zewnętrznym.
Chociaż Kodeks Rur Procesowych B31.3 nie wskazuje właścicielowi, jakiego materiału należy użyć do danego medium, zawiera on jednak wskazówki dotyczące wytrzymałości, grubości i wymagań materiałowych dotyczących połączeń. We wstępie do kodeksu znajdują się również dwa oświadczenia, które jasno określają:
Rozwijając pierwszy akapit powyżej, paragraf B31.3. 300(b)(1) stanowi również: „Właściciel instalacji rurociągowej ponosi wyłączną odpowiedzialność za przestrzeganie niniejszego Kodeksu oraz za ustanowienie wymagań dotyczących projektowania, budowy, inspekcji, kontroli i testowania, regulujących wszelkie czynności związane z cieczami lub procesy, których częścią jest rurociąg. Instalacja”. Po ustaleniu podstawowych zasad odpowiedzialności i wymagań dotyczących definiowania kategorii usług związanych z cieczami, zobaczmy, jakie miejsce zajmuje wodór.
Ponieważ wodór zachowuje się jak lotna ciecz z wyciekami, można go uznać za ciecz normalną lub ciecz klasy M w kategorii B31.3 dla obsługi cieczy. Jak wspomniano powyżej, klasyfikacja obsługi cieczy jest wymogiem właściciela, pod warunkiem, że spełnia wytyczne dla wybranych kategorii opisanych w B31.3, paragraf 3. 300.2 Definicje w sekcji „Usługi hydrauliczne”. Poniżej przedstawiono definicje dla obsługi cieczy normalnej i obsługi cieczy klasy M:
„Normalna eksploatacja cieczy: eksploatacja cieczy stosowana w przypadku większości rurociągów podlegających temu kodeksowi, tj. niepodlegająca przepisom dotyczącym klas D, M, wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia lub wysokiej czystości cieczy.
(1) Toksyczność płynu jest tak duża, że ​​jednorazowe narażenie na bardzo małą ilość płynu spowodowaną wyciekiem może spowodować poważne i trwałe obrażenia u osób, które go wdychają lub mają z nim kontakt, nawet jeśli zostaną podjęte natychmiastowe środki zaradcze.
(2) Po rozważeniu konstrukcji rurociągu, doświadczenia, warunków eksploatacji i lokalizacji właściciel ustala, że ​​wymagania dotyczące normalnego użytkowania cieczy nie są wystarczające do zapewnienia szczelności niezbędnej do ochrony personelu przed narażeniem.
W powyższej definicji M, wodór gazowy nie spełnia kryteriów określonych w ust. (1), ponieważ nie jest uważany za ciecz toksyczną. Jednakże, stosując ust. (2), Kodeks zezwala na klasyfikację układów hydraulicznych do klasy M po należytym uwzględnieniu „…projektu rurociągów, doświadczenia, warunków eksploatacji i lokalizacji…”. Właściciel zezwala na określenie normalnego sposobu postępowania z płynem. Wymagania te są niewystarczające, aby spełnić potrzebę wyższego poziomu integralności w projektowaniu, budowie, kontroli, inspekcji i testowaniu układów rurociągów wodoru gazowego.
Przed omówieniem korozji wodorowej w wysokiej temperaturze (HTHA) należy zapoznać się z Tabelą 1. W tabeli wymieniono przepisy, normy i regulacje, które obejmują sześć dokumentów dotyczących kruchości wodorowej (HE), powszechnej anomalii korozyjnej, która obejmuje HTHA. OH może występować zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach. Uważana za formę korozji, może być inicjowana na kilka sposobów i 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), pęcherzykowanie wodoru (HB), pękanie wodorowe (HIC). )), pękanie wodorowe zorientowane na naprężenie (SOHIC), pękanie postępujące (SWC), pękanie naprężeniowe siarczkowe (SSC), pękanie w strefie miękkiej (SZC) i korozję wodorową w wysokiej temperaturze (HTHA).
W najprostszej postaci, kruchość wodorowa to mechanizm niszczenia granic ziaren metalu, co prowadzi do zmniejszenia ciągliwości z powodu penetracji wodoru atomowego. Sposoby, w jakie to zachodzi, są zróżnicowane i częściowo zdefiniowane przez ich nazwy, takie jak HTHA, gdzie do kruchości wymagany jest jednocześnie wodór w wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu, oraz SSC, gdzie wodór atomowy jest wytwarzany w postaci gazów zamkniętych i wodoru. Z powodu korozji kwasowej przedostają się one do metalowych obudów, co może prowadzić do kruchości. Jednak ogólny wynik jest taki sam, jak we wszystkich opisanych powyżej przypadkach kruchości wodorowej, gdzie wytrzymałość metalu zmniejsza się z powodu kruchości poniżej dopuszczalnego zakresu naprężeń, co z kolei stwarza warunki do potencjalnie katastrofalnego zdarzenia, biorąc pod uwagę lotność cieczy.
Oprócz grubości ścianek i wytrzymałości mechanicznej połączeń, przy wyborze materiałów do zastosowań z wodorem należy wziąć pod uwagę dwa główne czynniki: 1. Narażenie na działanie wodoru wysokotemperaturowego (HTHA) oraz 2. Poważne obawy dotyczące potencjalnego wycieku. Oba te zagadnienia są obecnie przedmiotem dyskusji.
W przeciwieństwie do wodoru cząsteczkowego, wodór atomowy może się rozprężać, wystawiając się na działanie wysokich temperatur i ciśnień, tworząc podstawę potencjalnego HTHA. W tych warunkach wodór atomowy może dyfundować do rur lub urządzeń ze stali węglowej, gdzie reaguje z węglem w roztworze metalicznym, tworząc metan na granicach ziaren. Nie mogąc się wydostać, gaz rozpręża się, tworząc pęknięcia i szczeliny w ściankach rur lub zbiorników – to jest HTGA. Wyniki HTHA są wyraźnie widoczne na rysunku 2, gdzie pęknięcia i szczeliny są widoczne w ściance 8″. Część rury o nominalnej średnicy (NPS), która ulega zniszczeniu w tych warunkach.
Stal węglowa może być stosowana do pracy z wodorem, gdy temperatura robocza jest utrzymywana poniżej 260°C (500°F). Jak wspomniano powyżej, HTHA występuje, gdy wodór jest utrzymywany pod wysokim ciśnieniem parcjalnym i w wysokiej temperaturze. Stal węglowa nie jest zalecana, gdy spodziewane ciśnienie parcjalne wodoru wynosi około 2700 barów (3000 psi), a temperatura przekracza około 230°C (co odpowiada warunkom awaryjnym przedstawionym na rysunku 2).
Jak widać na zmodyfikowanym wykresie Nelsona na rysunku 3, częściowo zaczerpniętym z normy API 941, wysoka temperatura ma największy wpływ na wymuszanie wodoru. Ciśnienie parcjalne wodoru w stanie gazowym może przekroczyć 1000 psi w przypadku stali węglowych pracujących w temperaturach do 500°F (266°C).
Rysunek 3. Ta zmodyfikowana tabela Nelsona (opracowana na podstawie API 941) może być używana do doboru odpowiednich materiałów do pracy z wodorem w różnych temperaturach.
Na rys. 3 przedstawiono wybór stali gwarantujących odporność na atak wodoru, w zależności od temperatury pracy i ciśnienia parcjalnego wodoru. Stale nierdzewne austenityczne są niewrażliwe na HTHA i stanowią zadowalające materiały w każdej temperaturze i ciśnieniu.
Austenityczna stal nierdzewna 316/316L jest najbardziej praktycznym materiałem do zastosowań wodorowych i ma udokumentowane sukcesy. Chociaż obróbka cieplna po spawaniu (PWHT) jest zalecana w przypadku stali węglowych w celu kalcynacji wodoru resztkowego podczas spawania i zmniejszenia twardości w strefie wpływu ciepła (HAZ) po spawaniu, nie jest ona wymagana w przypadku austenitycznych stali nierdzewnych.
Efekty termotermiczne wywołane obróbką cieplną i spawaniem mają niewielki wpływ na właściwości mechaniczne austenitycznych stali nierdzewnych. Jednakże obróbka plastyczna na zimno może poprawić właściwości mechaniczne austenitycznych stali nierdzewnych, takie jak wytrzymałość i twardość. Podczas gięcia i formowania rur ze stali nierdzewnej austenitycznej zmieniają się ich właściwości mechaniczne, w tym zmniejsza się plastyczność materiału.
Jeśli austenityczna stal nierdzewna wymaga obróbki plastycznej na zimno, wyżarzanie rozpuszczające (nagrzewanie do około 1045°C, a następnie hartowanie lub szybkie chłodzenie) przywróci pierwotne właściwości mechaniczne materiału. Wyeliminuje ono również segregację stopu, sensytyzację i fazę sigma powstałe po obróbce plastycznej na zimno. Podczas wyżarzania rozpuszczającego należy pamiętać, że szybkie chłodzenie może przywrócić materiałowi naprężenia szczątkowe, jeśli nie zostanie przeprowadzone prawidłowo.
W celu zapoznania się z dopuszczalnymi wyborami materiałów do zastosowań wodorowych należy zapoznać się z tabelami GR-2.1.1-1 Indeks specyfikacji materiałów dla rurociągów i zespołów przewodów rurowych oraz GR-2.1.1-2 Indeks specyfikacji materiałów dla rurociągów w normie ASME B31. Rury są dobrym punktem wyjścia.
Przy standardowej masie atomowej wynoszącej 1,008 jednostek masy atomowej (j.m.), wodór jest najlżejszym i najmniejszym pierwiastkiem w układzie okresowym, a zatem ma dużą skłonność do wycieków, co, muszę dodać, może mieć katastrofalne skutki. Dlatego system gazociągów musi być zaprojektowany w taki sposób, aby ograniczyć połączenia mechaniczne i ulepszyć te połączenia, które są naprawdę potrzebne.
Ograniczając potencjalne punkty nieszczelności, system powinien być w całości spawany, z wyjątkiem połączeń kołnierzowych na urządzeniach, elementach rurociągów i armaturze. Należy unikać połączeń gwintowanych, o ile to możliwe, a nawet całkowicie. Jeśli z jakiegokolwiek powodu nie można uniknąć połączeń gwintowanych, zaleca się ich pełne połączenie bez użycia uszczelniacza gwintów, a następnie uszczelnienie spoiny. W przypadku stosowania rur ze stali węglowej, połączenia rur muszą być spawane doczołowo i poddane obróbce cieplnej po spawaniu (PWHT). Po spawaniu rury w strefie wpływu ciepła (HAZ) są narażone na działanie wodoru, nawet w temperaturze otoczenia. Chociaż działanie wodoru występuje głównie w wysokich temperaturach, etap PWHT całkowicie zredukuje, a nawet wyeliminuje, to ryzyko, nawet w warunkach otoczenia.
Słabym punktem systemu całkowicie spawanego jest połączenie kołnierzowe. Aby zapewnić wysoki stopień szczelności połączeń kołnierzowych, należy stosować uszczelki Kammprofile (rys. 4) lub inne rodzaje uszczelek. Ta podkładka, produkowana niemal w ten sam sposób przez wielu producentów, jest bardzo odporna na uszkodzenia. Składa się z zębatych pierścieni metalowych umieszczonych pomiędzy miękkimi, odkształcalnymi materiałami uszczelniającymi. Zęby koncentrują obciążenie śruby na mniejszej powierzchni, zapewniając ścisłe dopasowanie przy mniejszym naprężeniu. Została zaprojektowana w taki sposób, aby kompensować nierówne powierzchnie kołnierzy, a także zmienne warunki pracy.
Rysunek 4. Uszczelki Kammprofile posiadają rdzeń metalowy połączony obustronnie miękkim wypełniaczem.
Kolejnym ważnym czynnikiem wpływającym na integralność systemu jest zawór. Nieszczelności wokół uszczelnienia trzpienia i kołnierzy korpusu stanowią poważny problem. Aby temu zapobiec, zaleca się wybór zaworu z uszczelnieniem mieszkowym.
Użyj rury ze stali węglowej School 80 o średnicy 1 cala. W naszym przykładzie poniżej, biorąc pod uwagę tolerancje produkcyjne, odporności na korozję i mechaniczne zgodnie z normą ASTM A106 Gr B, maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze (MAWP) można obliczyć w dwóch krokach w temperaturach do 300°F (uwaga: powodem „…dla temperatur do 300°F…” jest to, że dopuszczalne naprężenie (S) materiału ASTM A106 Gr B zaczyna się pogarszać, gdy temperatura przekracza 300°F (S), więc równanie (1) wymaga dostosowania do temperatur powyżej 300°F).
Odwołując się do wzoru (1), pierwszym krokiem jest obliczenie teoretycznego ciśnienia rozrywającego rurociąg.
T = grubość ścianki rury pomniejszona o tolerancje mechaniczne, korozyjne i produkcyjne, w calach.
Drugą częścią procesu jest obliczenie maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia roboczego Pa rurociągu poprzez zastosowanie współczynnika bezpieczeństwa S f do wyniku P zgodnie z równaniem (2):
Zatem przy użyciu materiału szkolnego 80 o grubości 1 cala ciśnienie rozrywające oblicza się w następujący sposób:
Następnie stosuje się współczynnik bezpieczeństwa Sf równy 4 zgodnie z sekcją VIII-1 Zaleceń dotyczących zbiorników ciśnieniowych ASME z 2019 r., paragraf 8. Współczynnik UG-101 oblicza się w następujący sposób:
Wynikowa wartość MAWP wynosi 810 psi. Cale odnoszą się tylko do rur. Połączenie kołnierzowe lub element o najniższej klasie w systemie będzie czynnikiem decydującym o dopuszczalnym ciśnieniu w systemie.
Zgodnie z normą ASME B16.5, maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze dla 150 kołnierzy ze stali węglowej wynosi 285 psi (1,45 bara) w temperaturach od -20°F do 100°F (38°C). Klasa 300 ma maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze wynoszące 740 psi (1,95 bara). Będzie to współczynnik graniczny ciśnienia dla systemu, zgodnie z poniższym przykładem specyfikacji materiałowej. Ponadto, tylko w testach hydrostatycznych, wartości te mogą przekraczać 1,5-krotnie.
Jako przykład podstawowej specyfikacji materiałowej stali węglowej, specyfikacja linii serwisowej gazu H2 działającej w temperaturze otoczenia poniżej ciśnienia projektowego 740 psi. cala może zawierać wymagania materiałowe przedstawione w tabeli 2. Poniżej wymieniono typy, na które należy zwrócić uwagę, aby uwzględnić je w specyfikacji:
Oprócz samych rurociągów, na system rurociągów składa się wiele elementów, takich jak armatura, zawory, osprzęt liniowy itp. Chociaż wiele z tych elementów zostanie zestawionych w rurociągu, aby omówić je szczegółowo, zajmie to więcej stron, niż jest to możliwe. Ten artykuł.