Această prezentare generală oferă recomandări pentru proiectarea în siguranță a sistemelor de conducte pentru distribuția hidrogenului.
Hidrogenul este un lichid foarte volatil, cu o tendință ridicată de scurgeri. Este o combinație de tendințe foarte periculoasă și mortală, un lichid volatil dificil de controlat. Acestea sunt tendințe de luat în considerare la alegerea materialelor, garniturilor și etanșărilor, precum și a caracteristicilor 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 dreaptă).
Iată câteva aspecte cheie care vă vor ajuta să înțelegeți amestecul de hidrogen și H2-aer. Hidrogenul arde în două moduri: prin deflagrație și explozie.
deflagrație. Deflagrația este un mod comun de ardere în care flăcările se deplasează prin amestec la viteze subsonice. Aceasta 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 zece până la câteva sute de picioare pe secundă. Expansiunea rapidă a gazului fierbinte creează unde de presiune a căror intensitate este proporțională cu dimensiunea norului. În unele cazuri, forța undei de șoc poate fi suficientă pentru a deteriora structurile clădirilor și alte obiecte din calea sa și a provoca vătămări corporale.
a explodat. Când a explodat, flăcările și undele de șoc au călătorit prin amestec la viteze supersonice. Raportul de presiune într-o undă de detonație este mult mai mare decât într-o detonație. Datorită forței crescute, explozia este mai periculoasă pentru oameni, clădiri și obiectele 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 unda de detonație 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 reflexiei unei unde de presiune de la un obstacol staționar.
Tendință la scurgeri. Datorită vâscozității sale scăzute și greutății moleculare reduse, gazul H2 are o tendință ridicată de a se scurge și chiar de a pătrunde în diverse 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 exterior, gazul H2 se va ridica și se va disipa rapid, reducând orice semne de scurgeri. Dar poate fi o sabie cu două tăișuri. O explozie poate apărea dacă se efectuează sudarea pe o instalație exterioară deasupra sau în direcția vântului față de o scurgere de H2, fără un studiu de detectare a scurgerilor înainte de sudură. Într-un spațiu închis, gazul H2 se poate ridica și 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 surse 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 cunoscută 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 un agent oxidant. Temperatura de autoaprindere a unei singure pulberi este temperatura la care aceasta 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 aprinderea unui 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, cețuri sau prafuri 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 folosită ca sinonimă 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. Fiecare fluid va fi clasificat în conformitate cu paragraful ASME B31.3. 300(b)(1) prevede: „Proprietarul este, de asemenea, responsabil pentru determinarea conductelor de clasă D, M, de înaltă presiune și de înaltă puritate și pentru determinarea dacă ar trebui utilizat un anumit sistem de calitate.”
Clasificarea fluidelor definește gradul de testare și tipul de testare necesar, precum și multe alte cerințe bazate pe categoria fluidului. Responsabilitatea proprietarului pentru acest lucru revine de obicei departamentului de inginerie al proprietarului sau unui inginer extern.
Deși Codul B31.3 pentru conducte de proces nu spune proprietarului ce material să utilizeze pentru un anumit fluid, acesta oferă îndrumări privind rezistența, grosimea și cerințele de conectare a materialelor. Există, de asemenea, două afirmații în introducerea codului care precizează clar:
Și pentru a dezvolta primul paragraf de mai sus, paragraful B31.3. 300(b)(1) prevede, de asemenea: „Proprietarul unei instalații de conducte este singurul responsabil pentru respectarea prezentului Cod și pentru stabilirea cerințelor de proiectare, construcție, inspecție și testare care guvernează toate manipulările de fluide sau procesele din care face parte conducta. Instalație.” Așadar, după stabilirea unor reguli de bază privind răspunderea și a cerințelor pentru definirea categoriilor de servicii pentru fluide, să vedem unde se încadrează hidrogenul gazos.
Deoarece hidrogenul gazos acționează ca un lichid volatil cu scurgeri, acesta poate fi considerat un lichid normal sau un lichid din clasa M în categoria B31.3 pentru servicii cu fluide. Așa cum s-a menționat mai sus, clasificarea manipulării fluidelor este o cerință a proprietarului, cu condiția să îndeplinească instrucțiunile pentru categoriile selectate descrise în B31.3, paragraful 3. 300.2 Definiții din secțiunea „Servicii hidraulice”. Următoarele sunt definiții pentru servicii cu fluide normale și servicii cu fluide din clasa M:
„Serviciu normal de fluide: Serviciu de fluide aplicabil majorității conductelor supuse acestui cod, adică nu este supus reglementărilor pentru clasele D, M, temperatură înaltă, presiune înaltă sau curățenie ridicată a fluidelor.”
(1) Toxicitatea fluidului este atât de mare încât o singură expunere la o cantitate foarte mică din fluid, cauzată de o scurgere, poate provoca leziuni grave și permanente celor care îl inhalează sau intră în contact cu acesta, chiar dacă se iau măsuri imediate de recuperare.
(2) După luarea în considerare a proiectării conductei, a experienței, a condițiilor de funcționare și a amplasării, proprietarul stabilește că cerințele pentru utilizarea normală a fluidului nu sunt suficiente pentru a asigura etanșeitatea necesară protejării personalului de expunere.
În definiția de mai sus a lui M, hidrogenul gazos nu îndeplinește criteriile de la paragraful (1) deoarece nu este considerat un lichid toxic. Cu toate acestea, prin aplicarea subsecțiunii (2), Codul permite clasificarea sistemelor hidraulice în clasa M după luarea în considerare a „...proiectului conductelor, experienței, condițiilor de funcționare și amplasării...”. Proprietarul permite determinarea manipulării normale a fluidelor. Cerințele sunt insuficiente pentru a satisface necesitatea unui nivel mai ridicat de integritate în proiectarea, construcția, inspecția și testarea sistemelor de conducte de hidrogen gazos.
Vă rugăm să consultați Tabelul 1 înainte de a discuta despre coroziunea prin hidrogen la temperatură înaltă (HTHA). Codurile, standardele și reglementările sunt enumerate în acest tabel, care include șase documente pe tema fragilizării prin hidrogen (HE), o anomalie comună de coroziune care include HTHA. OH poate apărea la temperaturi scăzute și ridicate. Considerată o formă de coroziune, aceasta 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 fisurare prin hidrogen (HAC), fisurare prin hidrogen sub stres (HSC), fisurare prin coroziune sub stres (SCC), fisurare prin coroziune prin hidrogen (HACC), barbotare prin hidrogen (HB), fisurare prin hidrogen (HIC), fisurare prin hidrogen orientată spre stres (SOHIC), fisurare progresivă (SWC), fisurare prin sulfură sub stres (SSC), fisurare în zonă moale (SZC) și coroziune prin hidrogen la temperatură înaltă (HTHA).
În forma sa cea mai simplă, fragilizarea prin hidrogen este un mecanism de distrugere a limitelor granulelor metalice, rezultând o ductilitate redusă din cauza penetrării hidrogenului atomic. Modalitățile prin care se produce acest lucru sunt variate și sunt parțial definite de denumirile lor respective, cum ar fi HTHA, unde este nevoie simultan de hidrogen la temperatură ridicată și presiune ridicată pentru fragilizare, și SSC, unde hidrogenul atomic este produs sub formă de gaze închise și hidrogen. Din cauza coroziunii acide, acestea se infiltrează în carcasele metalice, ceea ce poate duce la fragilitate. Dar rezultatul general este același ca în toate cazurile de fragilizare prin hidrogen descrise mai sus, unde rezistența metalului este redusă prin fragilizare sub intervalul său de tensiune admisibil, ceea ce, la rândul său, pregătește terenul pentru un eveniment potențial catastrofal, având în vedere volatilitatea lichidului.
Pe lângă grosimea peretelui și performanța mecanică a îmbinării, există doi factori principali de luat în considerare la selectarea materialelor pentru utilizarea gazului H2: 1. Expunerea la hidrogen la temperatură înaltă (HTHA) și 2. Îngrijorări serioase cu privire la potențialele scurgeri. Ambele subiecte sunt în prezent în discuție.
Spre deosebire de hidrogenul molecular, hidrogenul atomic se poate expanda, expunându-l la temperaturi și presiuni ridicate, creând baza pentru o potențială HTHA (hidrogenizare a gazelor metan). În aceste condiții, hidrogenul atomic este capabil să difuzeze în materialele sau echipamentele pentru conducte din oțel carbon, unde reacționează cu carbonul din soluția metalică pentru a forma gaz metan la limitele granulelor. Neputând scăpa, gazul se expandează, creând fisuri și fisuri în pereții țevilor sau vaselor - acesta este HTGA. Puteți vedea clar rezultatele HTHA în Figura 2, unde fisurile și fisurile sunt evidente în peretele de 8″. Porțiunea de țeavă cu dimensiune nominală (NPS) care cedează în aceste condiții.
Oțelul carbon poate fi utilizat pentru operarea cu hidrogen atunci când temperatura de funcționare este menținută sub 260°C. Așa cum s-a 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 se așteaptă ca presiunea parțială a hidrogenului să fie în jur de 3000 psi, iar temperatura este peste aproximativ 230°C (care este condiția accidentului din Figura 2).
După cum se poate observa din diagrama Nelson modificată din Figura 3, preluată parțial din API 941, temperatura ridicată are cel mai mare efect asupra forțării 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 după API 941) poate fi utilizată pentru a selecta materiale adecvate pentru funcționarea cu hidrogen la diferite temperaturi.
În fig. 3 se prezintă alegerea oțelurilor care garantează evitarea atacului hidrogenului, 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 presiunile.
Oțelul inoxidabil austenitic 316/316L este cel mai practic material pentru aplicațiile cu hidrogen și are o experiență dovedită. Deși tratamentul termic post-sudura (PWHT) este recomandat pentru oțelurile carbon pentru calcinarea hidrogenului rezidual în timpul sudării și reducerea durității zonei afectate termic (HAZ) după sudare, acesta 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, recoacerea în soluție (încălzire la aproximativ 1045°C urmată de călire sau răcire rapidă) va restabili proprietățile mecanice ale materialului la valorile lor inițiale. De asemenea, va elimina segregarea aliajului, sensibilizarea și faza sigma obținută după prelucrarea la rece. Atunci când efectuați recoacerea în soluție, rețineți că răcirea rapidă poate introduce tensiuni reziduale înapoi în material dacă nu este manipulată corespunzător.
Consultați tabelele GR-2.1.1-1 Indexul specificațiilor materialelor pentru ansamblurile de țevi și tubulatură și GR-2.1.1-2 Indexul specificațiilor materialelor pentru țevi din ASME B31 pentru selecțiile acceptabile de materiale pentru serviciul cu H2. Țevile sunt un bun punct de plecare.
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 predispoziție ridicată la scurgeri, cu consecințe potențial devastatoare, aș adăuga. Prin urmare, sistemul de conducte de gaze 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 scurgeri, sistemul trebuie să fie complet sudat, cu excepția conexiunilor cu flanșă de 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 cuplarea completă a acestora fără material de etanșare pentru filete și apoi etanșarea sudurii. Atunci când se utilizează țevi din oțel carbon, îmbinările țevilor trebuie sudate cap la cap și tratate termic post-sudură (PWHT). După sudare, țevile din zona afectată termic (HAZ) sunt expuse atacului de hidrogen chiar și la temperatura ambiantă. În timp ce atacul de hidrogen are loc în principal 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 flanșă, ar trebui utilizate garnituri Kammprofile (fig. 4) sau o altă formă de garnitură. Fabricată aproape în același mod de mai mulți producători, această garnitură este foarte permisivă. Este formată din inele dințate din metal, intercalate între materiale de etanșare moi, deformabile. Dinții concentrează sarcina șurubului într-o zonă mai mică pentru a asigura o fixare strânsă cu mai puțin stres. Este proiectată astfel încât să poată compensa suprafețele neuniforme ale flanșelor, precum și condițiile fluctuante de funcționare.
Figura 4. Garniturile Kammprofile au un miez metalic lipit pe ambele părți cu un material de umplutură moale.
Un alt factor important în integritatea sistemului este supapa. Scurgerile din jurul etanșării tijei și a flanșelor corpului reprezintă o problemă reală. Pentru a preveni acest lucru, se recomandă selectarea unei supape cu etanșare cu burduf.
Se utilizează o țeavă din oțel carbon School 80 de 1 inch. În exemplul nostru de mai jos, având în vedere toleranțele de fabricație, toleranțele la coroziune și cele mecanice în conformitate cu ASTM A106 Gr B, presiunea maximă admisibilă de lucru (MAWP) poate fi calculată în doi pași la temperaturi de până la 300°F (Notă: Motivul pentru „...pentru temperaturi de până la 300ºF...” este acela că tensiunea admisibilă (S) a materialului ASTM A106 Gr B începe să se deterioreze atunci când temperatura depășește 300ºF (S), deci 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 țevii minus toleranțele mecanice, de coroziune și de fabricație, în inci.
A doua parte a procesului constă în calcularea presiunii de lucru maximă admisibilă Pa a conductei prin aplicarea factorului de siguranță S f la rezultatul P, conform ecuației (2):
Astfel, atunci când se utilizează material de 1″ cu diametrul de 80, presiunea de spargere se calculează după cum urmează:
Apoi se aplică un factor de siguranță Sf de 4 în conformitate cu Recomandările ASME pentru recipiente sub presiune, Secțiunea VIII-1 2019, Paragraful 8. UG-101 se calculează după cum urmează:
Valoarea MAWP rezultată este de 810 psi. „Inch” se referă doar la țeavă. Conexiunea cu flanșă sau componenta cu cea mai mică putere nominală din sistem va fi factorul determinant în determinarea presiunii admisibile în sistem.
Conform standardului ASME B16.5, presiunea de lucru maximă admisă pentru fitingurile cu flanșă din oțel carbon de 150 este de 285 psi. inch la o temperatură între -20°F și 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 specificații ale materialului de mai jos. De asemenea, numai în testele hidrostatice, aceste valori pot depăși de 1,5 ori.
Ca exemplu de specificație de bază pentru materialul oțelului carbon, o specificație pentru o conductă de gaz H2 care funcționează la o temperatură ambiantă sub o presiune de proiectare de 740 psi. inch, poate conține cerințele privind materialele prezentate în Tabelul 2. Următoarele sunt tipurile care pot necesita atenție pentru a fi incluse în specificație:
Pe lângă conductele în sine, există multe elemente care alcătuiesc sistemul de conducte, cum ar fi fitinguri, valve, echipamente de linie etc. Deși 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 acomodate. Acest articol.