В обзоре представлены рекомендации по безопасному проектированию трубопроводных систем для распределения водорода.
Водород — это очень летучая жидкость с высокой тенденцией к утечке. Это очень опасное и смертельно опасное сочетание 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 являются фокусом этого обсуждения, а не производство H2, жидкого H2 или жидкого H2 (см. правую боковую панель).
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 распространяется по смеси на дозвуковых скоростях. Это происходит, например, когда свободное облако смеси водорода и воздуха воспламеняется небольшим источником 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 сила ударной волны может быть достаточной, чтобы повредить строительные конструкции и другие объекты на своем пути и нанести травму.
Взорвавшись, он взорвался. Пламя и ударные волны распространились по смеси со сверхзвуковой скоростью. Соотношение давлений в детонационной волне намного больше, чем при детонации. Из-за возросшей силы взрыв более опасен для людей, зданий и близлежащих объектов. Обычная дефлаграция вызывает взрыв при воспламенении в ограниченном 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.
Коэффициент давления в детонационной волне в смеси водорода и воздуха составляет около 20. При атмосферном давлении коэффициент 20 составляет 300 фунтов на квадратный дюйм. Когда эта волна давления сталкивается с неподвижным объектом, коэффициент давления увеличивается до 40-60. Это происходит из-за отражения волны давления от неподвижного препятствия.
Склонность к утечке. Из-за своей низкой вязкости и низкой молекулярной массы газ H2 имеет высокую склонность к утечке и даже проникновению или проникновению в 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 быстро поднимется и рассеется, уменьшая любые признаки даже утечек. Но это может быть палкой о двух концах. Взрыв может произойти, если сварка будет выполняться на наружной установке выше или по ветру от утечки H2 без исследования на предмет обнаружения утечек перед сваркой. В замкнутом пространстве газ H2 может подниматься и накапливаться от потолка вниз, что позволяет ему накапливаться до больших объемов, прежде чем с большей вероятностью вступит в контакт с источниками возгорания у земли.
Случайный пожар. Самовозгорание — это явление, при котором смесь газов или паров самопроизвольно воспламеняется без внешнего источника воспламенения. Это также известно как «самовозгорание» или «спонтанное возгорание». Самовозгорание зависит от температуры, а не от давления.
Температура самовоспламенения — это минимальная температура, при которой топливо самопроизвольно воспламеняется до возгорания при отсутствии внешнего источника воспламенения при контакте с воздухом или окислителем. Температура самовоспламенения отдельного порошка — это температура, при которой он самопроизвольно воспламеняется при отсутствии окислителя. Температура самовоспламенения газообразного H2 в воздухе составляет 585°C.
Энергия зажигания — это энергия, необходимая для начала распространения пламени через горючую смесь. Минимальная энергия зажигания — это минимальная энергия, необходимая для воспламенения определенной горючей смеси при определенной температуре и давлении. Минимальная энергия искрового воспламенения для газообразного H2 в 1 атм воздуха = 1,9 × 10–8 БТЕ (0,02 мДж).
Пределы взрываемости — это максимальные и минимальные концентрации паров, туманов или пыли в воздухе или кислороде, при которых происходит взрыв. Размер и геометрия окружающей среды, а также концентрация топлива контролируют пределы. «Пределы взрываемости» иногда используются как синоним «предела взрываемости».
Пределы взрываемости смесей H2 с воздухом составляют 18,3 об.% (нижний предел) и 59 об.% (верхний предел).
При проектировании трубопроводных систем (рисунок 1) первым шагом является определение строительных материалов, необходимых для каждого типа жидкости. И каждая жидкость будет классифицирована в соответствии с параграфом ASME B31.3. 300(b)(1) гласит: «Владелец также несет ответственность за определение класса D, M, высокого давления и высокой чистоты трубопроводов, а также за определение того, следует ли использовать определенную систему качества».
Категоризация жидкости определяет степень тестирования и тип требуемого тестирования, а также множество других требований, основанных на категории жидкости. Ответственность владельца за это обычно ложится на инженерный отдел владельца или на внешнего инженера.
Хотя B31.3 Process Piping Code не указывает владельцу, какой материал использовать для конкретной жидкости, он дает указания по прочности, толщине и требованиям к материальным соединениям. Во введении к кодексу также есть два утверждения, которые четко указывают:
И расширьте первый абзац выше, пункт B31.3. 300(b)(1) также гласит: «Владелец трубопроводной установки несет исключительную ответственность за соблюдение настоящего Кодекса и за установление требований к проектированию, строительству, осмотру, проверке и испытаниям, регулирующих все операции с жидкостями или процессы, частью которых является трубопровод. Установка». Итак, после установления некоторых основных правил ответственности и требований для определения категорий обслуживания жидкостей, давайте посмотрим, какое место занимает водородный газ.
Поскольку водородный газ действует как летучая жидкость с утечками, водородный газ можно считать обычной жидкостью или жидкостью класса M в категории B31.3 для жидкостного обслуживания. Как указано выше, классификация обработки жидкости является требованием владельца, при условии, что она соответствует рекомендациям для выбранных категорий, описанных в B31.3, параграф 3. 300.2 Определения в разделе «Гидравлические услуги». Ниже приведены определения для обычного жидкостного обслуживания и жидкостного обслуживания класса M:
«Обычная эксплуатация с жидкостью: эксплуатация с жидкостью, применимая к большинству трубопроводов, подпадающих под действие настоящего кодекса, т. е. не подпадающая 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 в результате утечки может привести к серьезным необратимым травмам у тех, кто вдохнул ее или соприкоснулся с ней, даже если будут приняты немедленные меры по восстановлению.
(2) После рассмотрения конструкции трубопровода, опыта, условий эксплуатации и местоположения владелец определяет, что требования для нормального использования жидкости недостаточны для обеспечения герметичности, необходимой для защиты персонала от воздействия.
В приведенном выше определении M водородный газ не соответствует критериям пункта (1), поскольку он не считается токсичной жидкостью. Однако, применяя подраздел (2), Кодекс допускает классификацию гидравлических систем в классе M после надлежащего рассмотрения «…конструкции трубопровода, опыта, условий эксплуатации и местоположения…» Владелец разрешает определение обычного обращения с жидкостью. Требования недостаточны для удовлетворения потребности в более высоком уровне целостности при проектировании, строительстве, осмотре, проверке и испытании систем трубопроводов водородного газа.
Пожалуйста, ознакомьтесь с Таблицей 1 перед обсуждением Высокотемпературной водородной коррозии (HTHA). В этой таблице перечислены кодексы, стандарты и правила, которые включают шесть документов по теме водородной хрупкости (HE), распространенной коррозионной аномалии, которая включает HTHA. OH может возникать при низких и высоких температурах. Рассматриваемая как форма коррозии, она может быть инициирована несколькими способами и также влиять на широкий спектр материалов.
HE имеет различные формы, которые можно разделить на водородное растрескивание (HAC), водородное растрескивание под напряжением (HSC), коррозионное растрескивание под напряжением (SCC), водородное коррозионное растрескивание (HACC), пузырьки водорода (HB), водородное растрескивание (HIC). )), водородное растрескивание под напряжением (SOHIC), прогрессирующее растрескивание (SWC), сульфидное растрескивание под напряжением (SSC), растрескивание в мягкой зоне (SZC) и высокотемпературную водородную коррозию (HTHA).
В своей простейшей форме водородная хрупкость 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 хрупкости одновременно требуются высокая температура и высокое давление водорода, и SSC, где атомарный водород образуется в виде закрытых газов и водорода. из-за кислотной коррозии они просачиваются в металлические оболочки, что может привести к хрупкости. Но общий результат такой же, как и для всех случаев водородной хрупкости, описанных выше, где прочность металла снижается из-за хрупкости ниже допустимого диапазона напряжений, что, в свою очередь, создает условия для потенциально катастрофического события, учитывая летучесть жидкости.
Помимо толщины стенки и механических характеристик соединения, есть два основных фактора, которые следует учитывать при выборе материалов для работы с газом H2: 1. Воздействие высокотемпературного водорода (HTHA) и 2. Серьезные опасения относительно потенциальной утечки. Обе темы в настоящее время 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 или оборудование трубопроводов из углеродистой стали, где он реагирует с углеродом в металлическом растворе, образуя метановый газ на границах зерен. Не имея возможности вырваться, газ расширяется, создавая трещины и щели в стенках труб или сосудов — это HTGA. Вы можете ясно увидеть результаты HTHA на рисунке 2, где трещины и трещины очевидны в стенке 8″. Часть трубы номинального размера (NPS), которая выходит из строя в этих условиях.
Углеродистая сталь может использоваться для водородной службы, когда рабочая температура поддерживается ниже 500°F. Как упоминалось выше, HTHA происходит, когда водородный газ удерживается при высоком парциальном давлении и высокой температуре. Углеродистая сталь не рекомендуется, когда парциальное давление водорода, как ожидается, составит около 3000 фунтов на квадратный дюйм, а температура будет выше примерно 450°F (что является аварийным состоянием на рисунке 2).
Как видно из модифицированного графика Нельсона на рисунке 3, частично взятого из API 941, высокая температура оказывает наибольшее влияние на вытеснение 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 не подвержены водородной атаке, 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 историю. В то время как послесварочная термическая обработка (PWHT) рекомендуется для углеродистых сталей для прокаливания остаточного водорода во время сварки и снижения твердости зоны термического влияния (HAZ) после сварки, она не требуется для аустенитных нержавеющих сталей.
Термотермические эффекты, вызванные термической обработкой и сваркой, оказывают незначительное влияние 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 формовки, отжиг на твердый раствор (нагрев примерно до 1045°C с последующей закалкой или быстрым охлаждением) восстановит механические свойства материала до их первоначальных значений. Он также устранит ликвацию сплава, сенсибилизацию и сигма-фазу, достигнутые после холодной обработки. При выполнении отжига на твердый раствор следует помнить, что быстрое охлаждение может вернуть остаточное напряжение в материал, если не обращаться с ним должным образом.
Подходящие материалы для эксплуатации в среде водорода можно найти в таблицах GR-2.1.1-1 «Индекс спецификации материалов для труб и трубных узлов» и GR-2.1.1-2 «Индекс спецификации материалов для труб» в стандарте ASME B31. Для начала можно использовать трубы.
При стандартном атомном весе 1,008 атомных единиц массы (а.е.м.) водород является самым легким и самым маленьким элементом в периодической таблице, и поэтому имеет высокую склонность к утечкам, с потенциально разрушительными последствиями, могу добавить я. Поэтому система газопроводов должна быть спроектирована таким образом, чтобы ограничить механические соединения и улучшить те соединения, которые действительно необходимы.
При ограничении потенциальных точек утечки система должна быть полностью сварной, за исключением фланцевых соединений на оборудовании, элементах трубопровода и фитингах. Резьбовых соединений следует избегать по возможности, если не полностью. Если по какой-либо причине резьбовых соединений избежать невозможно, рекомендуется полностью закрепить их без резьбового герметика, а затем герметизировать сварной шов. При использовании труб из углеродистой стали стыковые соединения должны быть сварены встык и подвергнуты послесварочной термической обработке (PWHT). После сварки трубы в зоне термического влияния (HAZ) подвергаются воздействию водорода даже при температуре окружающей среды. Хотя воздействие водорода происходит в основном при высоких температурах, стадия PWHT полностью снизит, если не исключит, 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. Изготовленная практически одинаково несколькими производителями, эта прокладка очень щадящая. Она состоит из зубчатых цельнометаллических колец, зажатых между мягкими, деформируемыми уплотнительными материалами. Зубья концентрируют нагрузку болта на меньшей площади, чтобы обеспечить плотную посадку с меньшим напряжением. Она спроектирована таким образом, что может компенсировать неровности фланцевых поверхностей, а также изменяющиеся условия эксплуатации.
Рисунок 4. Прокладки Kammprofile имеют металлический сердечник, скрепленный с обеих сторон мягким наполнителем.
Другим важным фактором целостности системы является клапан. Утечки вокруг уплотнения штока и фланцев корпуса являются реальной проблемой. Чтобы предотвратить это, рекомендуется выбирать клапан с сильфонным уплотнением.
Используйте трубу из углеродистой стали School 80 диаметром 1 дюйм, в нашем примере ниже, учитывая производственные допуски, коррозионные и механические допуски в соответствии с ASTM A106 Gr B, максимально допустимое рабочее давление (MAWP) можно рассчитать в два этапа при температурах до 300 °F (Примечание: причина «…для температур до 300 ºF…» заключается в том, что допустимое напряжение (S) материала ASTM A106 Gr B начинает ухудшаться, когда температура превышает 300 ºF.(S), поэтому уравнение (1) требует корректировки для температур выше 300 ºF.)
Используя 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 прочности S f к результату P согласно уравнению (2):
Таким образом, при использовании материала School 80 толщиной 1 дюйм давление разрыва рассчитывается следующим образом:
Затем применяется коэффициент безопасности Sf 4 в соответствии с Рекомендациями ASME по сосудам под давлением, раздел VIII-1 2019, пункт 8. UG-101 рассчитывается следующим образом:
Полученное значение MAWP составляет 810 фунтов на кв. дюйм. дюйм относится только к трубе. Фланцевое соединение или компонент с самым низким номиналом в системе будет определяющим фактором при определении допустимого давления в системе.
Согласно ASME B16.5, максимально допустимое рабочее давление для фланцевых фитингов из углеродистой стали 150 составляет 285 фунтов на кв. дюйм при температуре от -20°F до 100°F. Класс 300 имеет максимально допустимое рабочее давление 740 фунтов на кв. дюйм. Это будет предельным коэффициентом давления системы в соответствии с примером спецификации материала ниже. Кроме того, только при гидростатических испытаниях эти значения могут превышать 1,5 раза.
В качестве примера базовой спецификации материала из углеродистой стали спецификация трубопровода подачи газа H2, работающего при температуре окружающей среды ниже расчетного давления 740 фунтов на кв. дюйм, может содержать требования к материалам, показанные в Таблице 2. Ниже приведены типы, которые могут потребовать внимания для включения в спецификацию:
Помимо самого трубопровода, есть много элементов, которые составляют систему трубопроводов, таких как фитинги, клапаны, линейное оборудование и т. д. Хотя многие из этих элементов будут объединены в трубопровод для их подробного обсуждения, это потребует больше страниц, чем можно вместить. Эта статья.