В этом обзоре представлены рекомендации по безопасному проектированию трубопроводных систем для распределения водорода.
Водород является очень летучей жидкостью с высокой тенденцией к утечке.Это очень опасная и смертельная комбинация тенденций, летучая жидкость, которую трудно контролировать.Это тенденции, которые следует учитывать при выборе материалов, прокладок и уплотнений, а также конструктивных характеристик таких систем.Эти темы о распределении газообразного H2 находятся в центре внимания этого обсуждения, а не о производстве H2, жидкого H2 или жидкого H2 (см. правую врезку).
Вот несколько ключевых моментов, которые помогут вам понять смесь водорода и H2-воздуха.Водород горит двумя способами: дефлаграцией и взрывом.
дефлаграция.Дефлаграция - это распространенный режим горения, при котором пламя проходит через смесь с дозвуковой скоростью.Это происходит, например, при воспламенении свободного облака водородно-воздушной смеси от небольшого источника воспламенения.В этом случае пламя будет двигаться со скоростью от десяти до нескольких сотен футов в секунду.Быстрое расширение горячего газа создает волны давления, сила которых пропорциональна размеру облака.В некоторых случаях силы ударной волны может быть достаточно, чтобы повредить строительные конструкции и другие объекты на ее пути и нанести травму.
взорваться.Когда он взорвался, пламя и ударные волны прошли через смесь со сверхзвуковой скоростью.Отношение давлений в детонационной волне значительно больше, чем в детонации.Из-за повышенной силы взрыв более опасен для людей, зданий и находящихся рядом предметов.Обычная дефлаграция вызывает взрыв при воспламенении в замкнутом пространстве.В такой узкой области воспламенение может быть вызвано наименьшим количеством энергии.Но для детонации водородно-воздушной смеси в неограниченном пространстве требуется более мощный источник воспламенения.
Отношение давлений поперек волны детонации в водородно-воздушной смеси составляет около 20. При атмосферном давлении отношение 20 составляет 300 фунтов на квадратный дюйм.Когда эта волна давления сталкивается с неподвижным объектом, отношение давлений увеличивается до 40-60.Это связано с отражением волны давления от неподвижного препятствия.
Склонность к протечкам.Из-за своей низкой вязкости и низкой молекулярной массы газообразный водород имеет высокую склонность к утечке и даже проникновению через различные материалы.
Водород в 8 раз легче природного газа, в 14 раз легче воздуха, в 22 раза легче пропана и в 57 раз легче паров бензина.Это означает, что при установке на открытом воздухе газ H2 будет быстро подниматься и рассеиваться, уменьшая любые признаки даже утечек.Но это может быть палка о двух концах.Взрыв может произойти, если сварка должна выполняться на наружной установке над или с подветренной стороны от места утечки H2 без проведения исследования по обнаружению утечек перед сваркой.В замкнутом пространстве газообразный H2 может подниматься и накапливаться от потолка вниз, что позволяет ему накапливаться до больших объемов, прежде чем он с большей вероятностью вступит в контакт с источниками воспламенения у земли.
Случайный пожар.Самовоспламенение – это явление, при котором смесь газов или паров самовозгорается без внешнего источника воспламенения.Он также известен как «самовозгорание» или «самовозгорание».Самовоспламенение зависит от температуры, а не от давления.
Температура самовоспламенения – это минимальная температура, при которой топливо самовозгорается до воспламенения в отсутствие внешнего источника воспламенения при контакте с воздухом или окислителем.Температура самовоспламенения отдельного пороха – это температура, при которой он самовозгорается в отсутствие окислителя.Температура самовоспламенения газообразного Н2 на воздухе 585°С.
Энергия воспламенения – это энергия, необходимая для инициирования распространения пламени через горючую смесь.Минимальная энергия воспламенения – это минимальная энергия, необходимая для воспламенения конкретной горючей смеси при определенной температуре и давлении.Минимальная энергия искрового воспламенения газообразного Н2 в 1 атм воздуха = 1,9 × 10–8 БТЕ (0,02 мДж).
Пределы взрываемости – это максимальная и минимальная концентрации паров, тумана или пыли в воздухе или кислороде, при которых происходит взрыв.Размер и геометрия окружающей среды, а также концентрация топлива контролируют пределы.«Предел взрыва» иногда используется как синоним «предела взрыва».
Пределы взрываемости для смесей H2 в воздухе составляют 18,3 об.% (нижний предел) и 59 об.% (верхний предел).
При проектировании систем трубопроводов (рис. 1) первым шагом является определение строительных материалов, необходимых для каждого типа жидкости.И каждая жидкость будет классифицироваться в соответствии с параграфом ASME B31.3.300(b)(1) говорится: «Владелец также несет ответственность за определение класса D, M, трубопроводов высокого давления и высокой чистоты, а также за определение того, следует ли использовать конкретную систему качества».
Классификация жидкости определяет степень испытаний и тип необходимых испытаний, а также многие другие требования, основанные на категории жидкости.Ответственность владельца за это обычно ложится на инженерный отдел владельца или привлеченного инженера.
Хотя B31.3 Кодекс технологических трубопроводов не указывает владельцу, какой материал использовать для конкретной жидкости, он содержит рекомендации по прочности, толщине и требованиям к материалам соединения.Во введении к коду также есть два утверждения, в которых четко говорится:
И расширить первый абзац выше, параграф B31.3.300(b)(1) также говорится: «Владелец трубопроводной установки несет единоличную ответственность за соблюдение настоящего Кодекса и за установление требований к проектированию, строительству, инспекциям, проверкам и испытаниям, регулирующим все операции с жидкостями или процессы, частью которых является трубопровод.Монтаж."Итак, после установления некоторых основных правил ответственности и требований для определения категорий работы с жидкостями, давайте посмотрим, какое место занимает газообразный водород.
Поскольку газообразный водород действует как летучая жидкость с утечками, газообразный водород можно считать обычной жидкостью или жидкостью класса M по категории B31.3 для работы с жидкостями.Как указывалось выше, классификация работы с жидкостями является требованием владельца при условии, что она соответствует руководящим принципам для выбранных категорий, описанных в B31.3, параграф 3. 300.2 Определения в разделе «Гидравлические службы».Ниже приведены определения для нормальной работы с жидкостью и работы с жидкостью класса M:
«Нормальная работа с жидкостью: работа с жидкостью, применимая к большинству трубопроводов, подпадающих под действие этого кода, т. е. не подпадающих под действие правил для классов D, M, высокой температуры, высокого давления или высокой чистоты жидкости.
(1) Токсичность жидкости настолько велика, что однократное воздействие очень небольшого количества жидкости, вызванной утечкой, может привести к серьезным необратимым травмам тех, кто вдыхает ее или соприкасается с ней, даже если будут приняты немедленные меры по восстановлению.взятый
(2) Рассмотрев конструкцию трубопровода, опыт, условия эксплуатации и местоположение, владелец определяет, что требования к нормальному использованию жидкости недостаточны для обеспечения герметичности, необходимой для защиты персонала от воздействия.”
В приведенном выше определении M газообразный водород не соответствует критериям параграфа (1), поскольку он не считается токсичной жидкостью.Однако, применяя подраздел (2), Кодекс разрешает относить гидравлические системы к классу M после надлежащего рассмотрения «… конструкции трубопровода, опыта, условий эксплуатации и местоположения…». Владелец разрешает определение нормальной работы с жидкостью.Требования недостаточны для удовлетворения потребности в более высоком уровне целостности при проектировании, строительстве, проверке, осмотре и испытании систем трубопроводов газообразного водорода.
Пожалуйста, обратитесь к Таблице 1, прежде чем обсуждать высокотемпературную водородную коррозию (HTHA).Нормы, стандарты и правила перечислены в этой таблице, которая включает шесть документов по теме водородного охрупчивания (HE), распространенной аномалии коррозии, которая включает HTHA.ОН может возникать при низких и высоких температурах.Считается формой коррозии, она может быть инициирована несколькими способами, а также воздействовать на широкий спектр материалов.
ГО имеет различные формы, которые можно разделить на водородный крекинг (ВАК), водородный крекинг под напряжением (ВСК), коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), водородное коррозионное растрескивание (ВАКК), водородный барботаж (ГБ), водородный крекинг (ВГК).)), водородное растрескивание под напряжением (SOHIC), прогрессирующее растрескивание (SWC), сульфидное растрескивание под напряжением (SSC), растрескивание в мягкой зоне (SZC) и высокотемпературная водородная коррозия (HTHA).
В своей простейшей форме водородное охрупчивание представляет собой механизм разрушения границ зерен металла, что приводит к снижению пластичности из-за проникновения атомарного водорода.Способы, которыми это происходит, различны и частично определяются их соответствующими названиями, такими как HTHA, где для охрупчивания требуется одновременная высокая температура и водород под высоким давлением, и SSC, где атомарный водород производится в виде закрытых газов и водорода.из-за кислотной коррозии они просачиваются в металлические корпуса, что может привести к их хрупкости.Но общий результат такой же, как и для всех случаев водородного охрупчивания, описанных выше, когда прочность металла снижается из-за охрупчивания ниже его допустимого диапазона напряжений, что, в свою очередь, создает условия для потенциально катастрофического события, учитывая летучесть жидкости.
В дополнение к толщине стенок и характеристикам механических соединений при выборе материалов для работы с газом H2 следует учитывать два основных фактора: 1. Воздействие высокотемпературного водорода (HTHA) и 2. Серьезные опасения по поводу потенциальной утечки.Обе темы сейчас обсуждаются.
В отличие от молекулярного водорода, атомарный водород может расширяться, подвергая водород воздействию высоких температур и давлений, создавая основу для потенциального HTHA.В этих условиях атомарный водород способен диффундировать в материалы трубопроводов или оборудование из углеродистой стали, где он реагирует с углеродом в металлическом растворе с образованием газообразного метана на границах зерен.Не имея возможности выйти, газ расширяется, создавая трещины и щели в стенках труб или сосудов – это ВТГА.Вы можете ясно видеть результаты HTHA на Рисунке 2, где очевидны трещины и трещины в 8-дюймовой стене.Часть трубы номинального размера (NPS), которая выходит из строя в этих условиях.
Углеродистая сталь может использоваться для работы с водородом, когда рабочая температура поддерживается ниже 500°F.Как упоминалось выше, HTHA возникает, когда газообразный водород выдерживается при высоком парциальном давлении и высокой температуре.Углеродистая сталь не рекомендуется, когда ожидается, что парциальное давление водорода будет около 3000 фунтов на квадратный дюйм, а температура выше примерно 450 ° F (что является аварийным состоянием на рис. 2).
Как видно из модифицированного графика Нельсона на рисунке 3, частично взятого из API 941, высокая температура оказывает наибольшее влияние на воздействие водорода.Парциальное давление газообразного водорода может превышать 1000 фунтов на квадратный дюйм при использовании с углеродистыми сталями, работающими при температурах до 500°F.
Рисунок 3. Эту модифицированную диаграмму Нельсона (адаптированную из API 941) можно использовать для выбора подходящих материалов для работы с водородом при различных температурах.
На рис.3 показан выбор сталей, которые гарантированно избегают водородного воздействия, в зависимости от рабочей температуры и парциального давления водорода.Аустенитные нержавеющие стали нечувствительны к HTHA и являются удовлетворительными материалами при любых температурах и давлениях.
Аустенитная нержавеющая сталь 316/316L является наиболее практичным материалом для водородных применений и имеет проверенную репутацию.В то время как термообработка после сварки (PWHT) рекомендуется для углеродистых сталей для прокаливания остаточного водорода во время сварки и снижения твердости в зоне термического влияния (ЗТВ) после сварки, для аустенитных нержавеющих сталей она не требуется.
Термотермические эффекты, вызванные термической обработкой и сваркой, мало влияют на механические свойства аустенитных нержавеющих сталей.Однако холодная обработка может улучшить механические свойства аустенитных нержавеющих сталей, такие как прочность и твердость.При гибке и формовке труб из аустенитной нержавеющей стали изменяются их механические свойства, в том числе снижается пластичность материала.
Если аустенитная нержавеющая сталь требует холодной штамповки, отжиг на твердый раствор (нагрев примерно до 1045°C с последующей закалкой или быстрым охлаждением) восстановит механические свойства материала до их первоначальных значений.Это также устранит сегрегацию сплава, сенсибилизацию и сигма-фазу, достигаемые после холодной обработки давлением.Выполняя отжиг на твердый раствор, имейте в виду, что быстрое охлаждение может вернуть остаточное напряжение в материал, если с ним не обращаться должным образом.
См. таблицы GR-2.1.1-1 Указатель спецификаций материалов для трубопроводов и трубных сборок и GR-2.1.1-2 Указатель спецификаций материалов трубопроводов в ASME B31 для приемлемого выбора материалов для работы H2.трубы - хорошее место для начала.
При стандартном атомном весе 1,008 атомных единиц массы (а.е.м.) водород является самым легким и наименьшим элементом в периодической таблице и, следовательно, имеет высокую склонность к утечке с потенциально разрушительными последствиями, могу добавить.Поэтому система газопровода должна быть спроектирована таким образом, чтобы ограничить соединения механического типа и улучшить те соединения, которые действительно необходимы.
При ограничении возможных мест утечки система должна быть полностью сварной, за исключением фланцевых соединений на оборудовании, элементах трубопроводов и арматуре.Резьбовых соединений следует избегать, насколько это возможно, если не полностью.Если по какой-либо причине нельзя избежать резьбовых соединений, рекомендуется полностью зафиксировать их без резьбового герметика, а затем герметизировать сварной шов.При использовании труб из углеродистой стали соединения труб должны быть сварены встык и подвергнуты термообработке после сварки (PWHT).После сварки трубы в околошовной зоне (ЗТВ) подвергаются водородному воздействию даже при температуре окружающей среды.В то время как водородная атака происходит в основном при высоких температурах, стадия PWHT полностью уменьшит, если не устранит, эту возможность даже в условиях окружающей среды.
Слабым местом цельносварной системы является фланцевое соединение.Для обеспечения высокой степени герметичности фланцевых соединений следует использовать прокладки Kammprofile (рис. 4) или другую форму прокладок.Сделанный почти одинаково несколькими производителями, этот коврик очень щадящий.Он состоит из зубчатых цельнометаллических колец, зажатых между мягкими деформируемыми уплотнительными материалами.Зубья концентрируют нагрузку болта на меньшей площади, обеспечивая плотную посадку с меньшим напряжением.Он сконструирован таким образом, что может компенсировать неровности поверхностей фланцев, а также колебания рабочих условий.
Рис. 4. Прокладки Kammprofile имеют металлический сердечник, соединенный с обеих сторон мягким наполнителем.
Еще одним важным фактором целостности системы является клапан.Утечки вокруг уплотнения штока и фланцев корпуса представляют собой настоящую проблему.Для предотвращения этого рекомендуется выбирать клапан с сильфонным уплотнением.
Используйте 1 дюйм.Труба из углеродистой стали School 80, в нашем примере ниже, с учетом производственных допусков, коррозионных и механических допусков в соответствии с ASTM A106 Gr B, максимально допустимое рабочее давление (MAWP) может быть рассчитано в два этапа при температурах до 300 °F (Примечание: причина «… для температур до 300ºF…» заключается в том, что допустимое напряжение (S) материала ASTM A106 Gr B начинает ухудшаться, когда температура превышает 300ºF .(S), поэтому уравнение (1) требует настройки на температуру выше 300ºF.)
Ссылаясь на формулу (1), первым шагом является расчет теоретического давления разрыва трубопровода.
T = толщина стенки трубы за вычетом механических, коррозионных и производственных допусков, в дюймах.
Вторая часть процесса заключается в расчете максимально допустимого рабочего давления Pa трубопровода путем применения коэффициента запаса S f к результату P согласно уравнению (2):
Таким образом, при использовании материала school 80 толщиной 1″ давление разрыва рассчитывается следующим образом:
Затем применяется безопасность Sf, равная 4, в соответствии с рекомендациями ASME по сосудам под давлением, раздел VIII-1, 2019 г., параграф 8. UG-101 рассчитывается следующим образом:
Полученное значение MAWP составляет 810 фунтов на квадратный дюйм.дюйм относится только к трубе.Фланцевое соединение или компонент с наименьшим номиналом в системе будет определяющим фактором при определении допустимого давления в системе.
В соответствии с ASME B16.5 максимально допустимое рабочее давление для фланцевых фитингов из углеродистой стали 150 составляет 285 фунтов на квадратный дюйм.дюйм при температуре от -20°F до 100°F.Класс 300 имеет максимально допустимое рабочее давление 740 фунтов на квадратный дюйм.Это будет коэффициент ограничения давления системы в соответствии с приведенным ниже примером спецификации материала.Также только при гидростатических испытаниях эти значения могут превышать 1,5 раза.
В качестве примера базовой спецификации материала из углеродистой стали можно привести спецификацию линии подачи газа H2, работающей при температуре окружающей среды ниже расчетного давления 740 фунтов на квадратный дюйм.дюйма, могут содержать требования к материалам, указанные в таблице 2. Следующие типы могут потребовать внимания для включения в спецификацию:
Помимо самого трубопровода, существует множество элементов, из которых состоит трубопроводная система, таких как фитинги, клапаны, линейное оборудование и т. д. Хотя многие из этих элементов будут объединены в трубопровод для их подробного обсуждения, для этого потребуется больше страниц, чем можно вместить.Эта статья.