Această prezentare generală oferă recomandări pentru proiectarea în siguranță a sistemelor de conducte pentru distribuția hidrogenului.
Hidrogenul este un lichid foarte volatil, cu o mare tendință de scurgere.Este o combinație de tendințe foarte periculoasă și mortală, un lichid volatil greu de controlat.Acestea sunt tendințe de luat în considerare atunci când alegeți materiale, garnituri și etanșări, precum și caracteristicile de proiectare ale unor astfel de sisteme.Aceste subiecte despre distribuția H2 gazos sunt în centrul acestei discuții, nu producția de H2, H2 lichid sau H2 lichid (vezi bara laterală din dreapta).
Iată câteva puncte cheie pentru a vă ajuta să înțelegeți amestecul de hidrogen și H2-aer.Hidrogenul arde în două moduri: deflagrație și explozie.
deflagraţie.Deflagrația este un mod obișnuit de ardere în care flăcările se deplasează prin amestec la viteze subsonice.Acest lucru se întâmplă, de exemplu, atunci când un nor liber de amestec hidrogen-aer este aprins de o sursă mică de aprindere.În acest caz, flacăra se va mișca cu o viteză de la zece până la câteva sute de picioare pe secundă.Expansiunea rapidă a gazului fierbinte creează unde de presiune a căror putere este proporțională cu dimensiunea norului.În unele cazuri, forța undei de șoc poate fi suficientă pentru a deteriora structurile clădirii și alte obiecte în calea acesteia și pentru a provoca răni.
exploda.Când a explodat, flăcările și undele de șoc au călătorit prin amestec cu viteze supersonice.Raportul de presiune într-o undă de detonare este mult mai mare decât într-o detonare.Datorită forței crescute, explozia este mai periculoasă pentru oameni, clădiri și obiecte din apropiere.Deflagrația normală provoacă o explozie atunci când este aprinsă într-un spațiu închis.Într-o zonă atât de îngustă, aprinderea poate fi cauzată de cea mai mică cantitate de energie.Dar pentru detonarea unui amestec hidrogen-aer într-un spațiu nelimitat, este necesară o sursă de aprindere mai puternică.
Raportul de presiune pe valul de detonare într-un amestec hidrogen-aer este de aproximativ 20. La presiunea atmosferică, un raport de 20 este de 300 psi.Când această undă de presiune se ciocnește cu un obiect staționar, raportul de presiune crește la 40-60.Acest lucru se datorează reflectării unei unde de presiune de la un obstacol staționar.
Tendința la scurgere.Datorită vâscozității sale scăzute și greutății moleculare scăzute, gazul H2 are o mare tendință de a se scurge și chiar de a pătrunde sau de a pătrunde în diferite materiale.
Hidrogenul este de 8 ori mai ușor decât gazul natural, de 14 ori mai ușor decât aerul, de 22 de ori mai ușor decât propanul și de 57 de ori mai ușor decât vaporii de benzină.Aceasta înseamnă că atunci când este instalat în aer liber, gazul H2 se va ridica și se va disipa rapid, reducând orice semne de scurgeri.Dar poate fi o sabie cu două tăișuri.Poate apărea o explozie dacă sudarea trebuie efectuată pe o instalație exterioară deasupra sau în aval de vânt a unei scurgeri de H2 fără un studiu de detectare a scurgerilor înainte de sudare.Într-un spațiu închis, gazul H2 se poate ridica și se poate acumula de la tavan în jos, o condiție care îi permite să se acumuleze în volume mari înainte de a fi mai probabil să intre în contact cu sursele de aprindere din apropierea solului.
Incendiu accidental.Autoaprinderea este un fenomen în care un amestec de gaze sau vapori se aprinde spontan fără o sursă externă de aprindere.Este cunoscut și sub denumirea de „combustie spontană” sau „combustie spontană”.Autoaprinderea depinde de temperatură, nu de presiune.
Temperatura de autoaprindere este temperatura minimă la care un combustibil se va aprinde spontan înainte de aprindere în absența unei surse externe de aprindere la contactul cu aerul sau cu un agent oxidant.Temperatura de autoaprindere a unei singure pulberi este temperatura la care se aprinde spontan în absența unui agent oxidant.Temperatura de autoaprindere a H2 gazos în aer este de 585°C.
Energia de aprindere este energia necesară pentru a iniția propagarea unei flăcări printr-un amestec combustibil.Energia minimă de aprindere este energia minimă necesară pentru a aprinde un anumit amestec combustibil la o anumită temperatură și presiune.Energia minimă de aprindere prin scânteie pentru H2 gazos în 1 atm de aer = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Limitele de explozie sunt concentrațiile maxime și minime de vapori, ceață sau praf în aer sau oxigen la care are loc o explozie.Dimensiunea și geometria mediului, precum și concentrația combustibilului, controlează limitele.„Limita de explozie” este uneori folosit ca sinonim pentru „limita de explozie”.
Limitele de explozie pentru amestecurile de H2 în aer sunt 18,3% vol. (limita inferioară) și 59% vol. (limita superioară).
La proiectarea sistemelor de conducte (Figura 1), primul pas este determinarea materialelor de construcție necesare pentru fiecare tip de fluid.Și fiecare fluid va fi clasificat în conformitate cu ASME B31.3 paragraful.300(b)(1) prevede: „Proprietarul este, de asemenea, responsabil pentru determinarea conductelor de clasa D, M, de înaltă presiune și de puritate ridicată și de a determina dacă un anumit sistem de calitate trebuie utilizat.”
Categorizarea fluidelor definește gradul de testare și tipul de testare necesar, precum și multe alte cerințe bazate pe categoria fluidului.Responsabilitatea proprietarului pentru aceasta revine de obicei departamentului de inginerie al proprietarului sau unui inginer externalizat.
În timp ce Codul de conducte de proces B31.3 nu îi spune proprietarului ce material să folosească pentru un anumit fluid, oferă îndrumări privind rezistența, grosimea și cerințele de conectare a materialului.Există, de asemenea, două afirmații în introducerea codului care precizează clar:
Și extindeți primul paragraf de mai sus, paragraful B31.3.300(b)(1) mai precizează: „Proprietarul unei instalații de conducte este singurul responsabil pentru respectarea prezentului Cod și pentru stabilirea cerințelor de proiectare, construcție, inspecție, inspecție și testare care reglementează toate procesele sau manipularea fluidelor din care conducta face parte.Instalare."Deci, după ce am stabilit câteva reguli de bază pentru răspundere și cerințe pentru definirea categoriilor de servicii fluide, să vedem unde se încadrează hidrogenul gazos.
Deoarece hidrogenul gazos acționează ca un lichid volatil cu scurgeri, hidrogenul gazos poate fi considerat un lichid normal sau un lichid de clasă M din categoria B31.3 pentru servicii lichide.După cum sa menționat mai sus, clasificarea manipulării fluidelor este o cerință a proprietarului, cu condiția să îndeplinească liniile directoare pentru categoriile selectate descrise în B31.3, paragraful 3. 300.2 Definiții în secțiunea „Servicii hidraulice”.Următoarele sunt definiții pentru serviciul normal de fluide și serviciul de fluide de clasa M:
„Serviciul normal de fluide: serviciul de fluide aplicabil majorității conductelor care fac obiectul acestui cod, adică nu este supus reglementărilor pentru clasele D, M, temperatură înaltă, presiune înaltă sau curățenie ridicată a fluidului.
(1) Toxicitatea fluidului este atât de mare încât o singură expunere la o cantitate foarte mică de fluid cauzată de o scurgere poate provoca vătămări permanente grave celor care inhalează sau intră în contact cu acesta, chiar dacă se iau măsuri de recuperare imediată.Luat
(2) După ce a luat în considerare proiectarea conductei, experiența, condițiile de funcționare și locația, proprietarul stabilește că cerințele pentru utilizarea normală a fluidului nu sunt suficiente pentru a asigura etanșeitatea necesară pentru a proteja personalul de expunere.”
În definiția de mai sus a lui M, hidrogenul gazos nu îndeplinește criteriile alin. (1) deoarece nu este considerat lichid toxic.Totuși, prin aplicarea subsecțiunii (2), Codul permite clasificarea sistemelor hidraulice în clasa M după luarea în considerare a „...concepției conductelor, experienței, condițiilor de funcționare și locației...” Proprietarul permite determinarea manevrării normale a fluidelor.Cerințele sunt insuficiente pentru a satisface necesitatea unui nivel mai ridicat de integritate în proiectarea, construcția, inspecția, inspecția și testarea sistemelor de conducte de gaz cu hidrogen.
Vă rugăm să consultați Tabelul 1 înainte de a discuta despre Coroziunea cu hidrogen la temperatură înaltă (HTHA).Codurile, standardele și reglementările sunt enumerate în acest tabel, care include șase documente pe tema fragilizării cu hidrogen (HE), o anomalie comună de coroziune care include HTHA.OH poate apărea la temperaturi scăzute și ridicate.Considerată o formă de coroziune, poate fi inițiată în mai multe moduri și poate afecta, de asemenea, o gamă largă de materiale.
HE are diverse forme, care pot fi împărțite în cracarea hidrogenului (HAC), cracarea prin stres cu hidrogen (HSC), cracarea prin coroziune sub tensiune (SCC), cracarea prin coroziune a hidrogenului (HACC), barbotarea hidrogenului (HB), cracarea hidrogenului (HIC).)), cracarea cu hidrogen orientată la stres (SOHIC), cracarea progresivă (SWC), cracarea prin stres cu sulfuri (SSC), fisurarea zonei moi (SZC) și coroziunea cu hidrogen la temperatură înaltă (HTHA).
În forma sa cea mai simplă, fragilizarea hidrogenului este un mecanism de distrugere a granițelor metalice, rezultând o ductilitate redusă datorită pătrunderii hidrogenului atomic.Modalitățile în care se întâmplă acest lucru sunt variate și sunt parțial definite prin denumirile lor respective, cum ar fi HTHA, unde este nevoie de hidrogen simultan la temperatură înaltă și la presiune înaltă pentru fragilizare și SSC, unde hidrogenul atomic este produs sub formă de gaze închise și hidrogen.din cauza coroziunii acide, se infiltrează în carcase metalice, ceea ce poate duce la fragilitate.Dar rezultatul general este același ca pentru toate cazurile de fragilizare pe bază de hidrogen descrise mai sus, în care rezistența metalului este redusă prin fragilizare sub intervalul de tensiuni permise, care, la rândul său, pregătește scena pentru un eveniment potențial catastrofal, având în vedere volatilitatea lichidului.
Pe lângă grosimea peretelui și performanța îmbinării mecanice, există doi factori principali de luat în considerare la selectarea materialelor pentru serviciul cu gaz H2: 1. Expunerea la hidrogen la temperatură înaltă (HTHA) și 2. Preocupări serioase cu privire la potențialele scurgeri.Ambele subiecte sunt în prezent în discuție.
Spre deosebire de hidrogenul molecular, hidrogenul atomic se poate extinde, expunând hidrogenul la temperaturi și presiuni ridicate, creând baza pentru potențialul HTHA.În aceste condiții, hidrogenul atomic este capabil să difuzeze în materialele sau echipamentele de conducte din oțel carbon, unde reacționează cu carbonul în soluție metalică pentru a forma gaz metan la limitele cerealelor.Incapabil să scape, gazul se extinde, creând fisuri și crăpături în pereții țevilor sau ai vaselor - acesta este HTGA.Puteți vedea clar rezultatele HTHA în Figura 2, unde fisurile și fisurile sunt evidente în peretele de 8 inchi.Porțiunea de conductă de dimensiune nominală (NPS) care se defectează în aceste condiții.
Oțelul carbon poate fi utilizat pentru serviciul cu hidrogen atunci când temperatura de funcționare este menținută sub 500°F.După cum sa menționat mai sus, HTHA apare atunci când hidrogenul gazos este menținut la presiune parțială ridicată și temperatură ridicată.Oțelul carbon nu este recomandat atunci când presiunea parțială a hidrogenului este de așteptat să fie în jur de 3000 psi și temperatura este peste aproximativ 450 ° F (care este condiția accidentului din Figura 2).
După cum se poate observa din graficul Nelson modificat din Figura 3, luat parțial din API 941, temperatura ridicată are cel mai mare efect asupra forței hidrogenului.Presiunea parțială a hidrogenului gazos poate depăși 1000 psi atunci când este utilizat cu oțeluri carbon care funcționează la temperaturi de până la 500°F.
Figura 3. Această diagramă Nelson modificată (adaptată din API 941) poate fi utilizată pentru a selecta materiale adecvate pentru serviciul cu hidrogen la diferite temperaturi.
Pe fig.3 arată alegerea oțelurilor care sunt garantate pentru evitarea atacului cu hidrogen, în funcție de temperatura de funcționare și presiunea parțială a hidrogenului.Oțelurile inoxidabile austenitice sunt insensibile la HTHA și sunt materiale satisfăcătoare la toate temperaturile și presiuni.
Oțelul inoxidabil austenitic 316/316L este cel mai practic material pentru aplicații cu hidrogen și are un istoric dovedit.În timp ce tratamentul termic post-sudare (PWHT) este recomandat pentru oțelurile carbon pentru a calcina hidrogenul rezidual în timpul sudării și pentru a reduce duritatea zonei afectate de căldură (HAZ) după sudare, nu este necesar pentru oțelurile inoxidabile austenitice.
Efectele termotermice cauzate de tratamentul termic și sudare au un efect redus asupra proprietăților mecanice ale oțelurilor inoxidabile austenitice.Cu toate acestea, prelucrarea la rece poate îmbunătăți proprietățile mecanice ale oțelurilor inoxidabile austenitice, cum ar fi rezistența și duritatea.La îndoirea și formarea țevilor din oțel inoxidabil austenitic, proprietățile lor mecanice se modifică, inclusiv scăderea plasticității materialului.
Dacă oțelul inoxidabil austenitic necesită formare la rece, recoacere cu soluție (încălzire la aproximativ 1045°C urmată de călire sau răcire rapidă) va restabili proprietățile mecanice ale materialului la valorile lor originale.De asemenea, va elimina segregarea aliajului, sensibilizarea și faza sigma realizată după prelucrarea la rece.Când efectuați recoacerea cu soluție, fiți conștienți de faptul că răcirea rapidă poate reintroduce stres rezidual în material dacă nu este manipulat corespunzător.
Consultați tabelele GR-2.1.1-1 Indexul specificațiilor materialelor pentru țevi și ansambluri de țevi și GR-2.1.1-2 Indexul specificațiilor materialelor pentru conducte din ASME B31 pentru selecțiile de materiale acceptabile pentru service H2.țevile sunt un loc bun pentru a începe.
Cu o greutate atomică standard de 1,008 unități de masă atomică (amu), hidrogenul este cel mai ușor și mai mic element din tabelul periodic și, prin urmare, are o tendință mare de a se scurge, cu consecințe potențial devastatoare, aș putea adăuga.Prin urmare, sistemul de conducte de gaz trebuie proiectat astfel încât să limiteze conexiunile de tip mecanic și să îmbunătățească acele conexiuni care sunt cu adevărat necesare.
La limitarea punctelor potențiale de scurgere, sistemul trebuie să fie complet sudat, cu excepția conexiunilor cu flanșă pe echipamente, elemente de conducte și fitinguri.Conexiunile filetate trebuie evitate pe cât posibil, dacă nu complet.Dacă conexiunile filetate nu pot fi evitate din orice motiv, se recomandă să le cuplați complet fără etanșant de filet și apoi să etanșați sudura.Când utilizați țevi din oțel carbon, îmbinările țevilor trebuie să fie sudate cap la cap și tratate termic după sudare (PWHT).După sudare, țevile din zona afectată de căldură (HAZ) sunt expuse atacului hidrogenului chiar și la temperatura ambiantă.În timp ce atacul cu hidrogen are loc în primul rând la temperaturi ridicate, etapa PWHT va reduce complet, dacă nu va elimina, această posibilitate chiar și în condiții ambientale.
Punctul slab al sistemului complet sudat este conexiunea cu flanșă.Pentru a asigura un grad ridicat de etanșeitate în conexiunile cu flanșe, trebuie utilizate garnituri Kammprofile (fig. 4) sau o altă formă de garnituri.Fabricat aproape în același mod de mai mulți producători, acest tampon este foarte iertător.Este alcătuit din inele din metal, dintate, cuprinse între materiale de etanșare moi, deformabile.Dinții concentrează sarcina șurubului într-o zonă mai mică pentru a oferi o potrivire strânsă cu mai puțină stres.Este proiectat astfel încât să poată compensa suprafețele neuniforme ale flanșelor, precum și condițiile de operare fluctuante.
Figura 4. Garniturile Kammprofile au un miez metalic lipit pe ambele părți cu o umplutură moale.
Un alt factor important în integritatea sistemului este supapa.Scurgerile din jurul garniturii tijei și flanșelor corpului sunt o problemă reală.Pentru a preveni acest lucru, se recomandă să alegeți o supapă cu etanșare cu burduf.
Utilizați 1 inch.Țeava din oțel carbon School 80, în exemplul nostru de mai jos, având în vedere toleranțele de fabricație, coroziune și toleranțe mecanice în conformitate cu ASTM A106 Gr B, presiunea maximă admisibilă de lucru (MAWP) poate fi calculată în două trepte la temperaturi de până la 300°F (Notă: Motivul pentru „...pentru temperaturi de până la 300°F...” este că temperatura materialului se deteriorează atunci când temperatura admisibilă se deteriorează A10 Gr... depășește 300ºF.(S), astfel încât ecuația (1) necesită ajustarea la temperaturi peste 300ºF.)
Referindu-ne la formula (1), primul pas este calcularea presiunii teoretice de spargere a conductei.
T = grosimea peretelui conductei minus toleranțele mecanice, la coroziune și de fabricație, în inci.
A doua parte a procesului este de a calcula presiunea maximă admisă de lucru Pa a conductei prin aplicarea factorului de siguranță S f la rezultatul P conform ecuației (2):
Astfel, atunci când se folosește material școlar 1″ 80, presiunea de spargere se calculează după cum urmează:
Se aplică apoi un Sf de siguranță de 4 în conformitate cu Recomandările pentru recipiente sub presiune ASME Secțiunea VIII-1 2019, Punctul 8. UG-101 calculat după cum urmează:
Valoarea MAWP rezultată este de 810 psi.inch se referă numai la țeavă.Conexiunea cu flanșă sau componenta cu cea mai mică valoare nominală din sistem va fi factorul determinant în determinarea presiunii admisibile în sistem.
Conform ASME B16.5, presiunea maximă de lucru permisă pentru 150 fitinguri cu flanșă din oțel carbon este de 285 psi.inch la -20°F până la 100°F.Clasa 300 are o presiune de lucru maximă admisă de 740 psi.Acesta va fi factorul limită de presiune al sistemului conform exemplului de specificație a materialului de mai jos.De asemenea, numai în testele hidrostatice, aceste valori pot depăși de 1,5 ori.
Ca exemplu de specificație de bază a materialului din oțel carbon, o specificație pentru o linie de alimentare cu gaz H2 care funcționează la o temperatură ambientală sub o presiune de proiectare de 740 psi.inch, poate conține cerințele de material prezentate în tabelul 2. Următoarele sunt tipuri care pot necesita atenție pentru a fi incluse în specificație:
În afară de conductele în sine, există multe elemente care alcătuiesc sistemul de conducte, cum ar fi fitingurile, supapele, echipamentele de linie etc. În timp ce multe dintre aceste elemente vor fi reunite într-o conductă pentru a le discuta în detaliu, acest lucru va necesita mai multe pagini decât pot fi găzduite.Acest articol.