Tento prehľad poskytuje odporúčania pre bezpečný návrh potrubných systémov na rozvod vodíka.
Vodík je vysoko prchavá kvapalina s vysokou tendenciou k úniku.Je to veľmi nebezpečná a smrteľná kombinácia tendencií, prchavá kvapalina, ktorú je ťažké ovládať.Toto sú trendy, ktoré treba zvážiť pri výbere materiálov, tesnení a tesnení, ako aj konštrukčných charakteristík takýchto systémov.Tieto témy o distribúcii plynného H2 sú stredobodom tejto diskusie, nie výroba H2, kvapalného H2 alebo kvapalného H2 (pozri pravý bočný panel).
Tu je niekoľko kľúčových bodov, ktoré vám pomôžu pochopiť zmes vodíka a H2-vzduchu.Vodík horí dvoma spôsobmi: deflagráciou a výbuchom.
deflagrácia.Deflagrácia je bežný režim spaľovania, pri ktorom plamene prechádzajú zmesou podzvukovou rýchlosťou.K tomu dochádza napríklad vtedy, keď sa voľný oblak zmesi vodíka a vzduchu zapáli malým zdrojom vznietenia.V tomto prípade sa plameň bude pohybovať rýchlosťou desať až niekoľko stoviek stôp za sekundu.Rýchla expanzia horúceho plynu vytvára tlakové vlny, ktorých sila je úmerná veľkosti oblaku.V niektorých prípadoch môže sila rázovej vlny stačiť na poškodenie stavebných konštrukcií a iných predmetov v jej ceste a spôsobiť zranenie.
vybuchnúť.Keď explodovala, plamene a rázové vlny sa šírili cez zmes nadzvukovou rýchlosťou.Tlakový pomer v detonačnej vlne je oveľa väčší ako pri detonácii.V dôsledku zvýšenej sily je výbuch nebezpečnejší pre ľudí, budovy a blízke objekty.Normálna deflagrácia spôsobí výbuch pri zapálení v uzavretom priestore.V takejto úzkej oblasti môže vznietenie spôsobiť najmenšie množstvo energie.Ale na detonáciu zmesi vodíka a vzduchu v neobmedzenom priestore je potrebný výkonnejší zdroj vznietenia.
Tlakový pomer naprieč detonačnou vlnou v zmesi vodík-vzduch je asi 20. Pri atmosférickom tlaku je pomer 20 300 psi.Keď sa táto tlaková vlna zrazí so stacionárnym objektom, pomer tlaku sa zvýši na 40-60.Je to spôsobené odrazom tlakovej vlny od stacionárnej prekážky.
Sklon k úniku.Vďaka svojej nízkej viskozite a nízkej molekulovej hmotnosti má plyn H2 vysokú tendenciu presakovať a dokonca prenikať alebo prenikať do rôznych materiálov.
Vodík je 8-krát ľahší ako zemný plyn, 14-krát ľahší ako vzduch, 22-krát ľahší ako propán a 57-krát ľahší ako benzínové výpary.To znamená, že pri inštalácii vonku bude plyn H2 rýchlo stúpať a rozptýliť sa, čím sa znížia akékoľvek známky rovnomerného úniku.Ale môže to byť dvojsečná zbraň.K výbuchu môže dôjsť, ak sa má zváranie vykonať na vonkajšej inštalácii nad alebo po vetre od úniku H2 bez štúdie detekcie úniku pred zváraním.V uzavretom priestore môže plyn H2 stúpať a hromadiť sa od stropu nadol, čo je stav, ktorý mu umožňuje nahromadiť veľké objemy predtým, než sa s väčšou pravdepodobnosťou dostane do kontaktu so zdrojmi vznietenia v blízkosti zeme.
Náhodný požiar.Samovznietenie je jav, pri ktorom sa zmes plynov alebo pár samovoľne zapáli bez vonkajšieho zdroja vznietenia.Je tiež známy ako „spontánne spaľovanie“ alebo „samovoľné spaľovanie“.Samovznietenie závisí od teploty, nie tlaku.
Teplota samovznietenia je minimálna teplota, pri ktorej sa palivo spontánne vznieti pred zapálením v neprítomnosti vonkajšieho zdroja vznietenia pri kontakte so vzduchom alebo oxidačným činidlom.Teplota samovznietenia jednotlivého prášku je teplota, pri ktorej sa spontánne vznieti v neprítomnosti oxidačného činidla.Teplota samovznietenia plynného H2 vo vzduchu je 585°C.
Energia vznietenia je energia potrebná na spustenie šírenia plameňa cez horľavú zmes.Minimálna energia vznietenia je minimálna energia potrebná na zapálenie určitej horľavej zmesi pri určitej teplote a tlaku.Minimálna energia iskrového vznietenia pre plynný H2 v 1 atm vzduchu = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Limity výbušnosti sú maximálne a minimálne koncentrácie pár, hmly alebo prachu vo vzduchu alebo kyslíku, pri ktorých dochádza k výbuchu.Veľkosť a geometria prostredia, ako aj koncentrácia paliva riadi limity.„Limit výbušnosti“ sa niekedy používa ako synonymum pre „medzu výbušnosti“.
Limity výbušnosti pre zmesi H2 vo vzduchu sú 18,3 obj. % (dolná hranica) a 59 obj. % (horná hranica).
Pri navrhovaní potrubných systémov (obrázok 1) je prvým krokom určenie stavebných materiálov potrebných pre každý typ kvapaliny.A každá kvapalina bude klasifikovaná v súlade s odsekom ASME B31.3.300(b)(1) uvádza: „Vlastník je tiež zodpovedný za určenie triedy D, M, vysokotlakového potrubia a potrubia s vysokou čistotou a za určenie, či by sa mal použiť konkrétny systém kvality.
Kategorizácia kvapalín definuje stupeň testovania a typ požadovaného testovania, ako aj mnohé ďalšie požiadavky na základe kategórie kvapalín.Zodpovednosť vlastníka za to zvyčajne pripadá na inžinierske oddelenie vlastníka alebo externého inžiniera.
Hoci B31.3 Kódex procesného potrubia nehovorí vlastníkovi, ktorý materiál má použiť pre konkrétnu kvapalinu, poskytuje návod na pevnosť, hrúbku a požiadavky na spojenie materiálu.V úvode kódu sú tiež dva výroky, ktoré jasne uvádzajú:
A rozviňte prvý odsek vyššie, odsek B31.3.300(b)(1) tiež uvádza: „Vlastník potrubného zariadenia je výlučne zodpovedný za dodržiavanie tohto Kódexu a za stanovenie požiadaviek na návrh, konštrukciu, inšpekciu, inšpekciu a testovanie, ktorými sa riadi všetka manipulácia s kvapalinami alebo proces, ktorého je potrubie súčasťou.Inštalácia.”Takže po stanovení niektorých základných pravidiel pre zodpovednosť a požiadaviek na definovanie kategórií fluidných služieb sa pozrime, kam patrí vodíkový plyn.
Pretože plynný vodík pôsobí ako prchavá kvapalina s netesnosťami, plynný vodík možno považovať za normálnu kvapalinu alebo kvapalinu triedy M v kategórii B31.3 pre prevádzku v kvapaline.Ako je uvedené vyššie, klasifikácia manipulácie s kvapalinou je požiadavka vlastníka za predpokladu, že spĺňa smernice pre vybrané kategórie opísané v B31.3, odsek 3. 300.2 Definície v časti „Hydraulické služby“.Nasledujú definície pre normálnu prevádzku kvapalín a prevádzku kvapalín triedy M:
„Normálny servis kvapalín: Servis kvapalín použiteľný pre väčšinu potrubí podliehajúcich tomuto kódexu, tj nepodliehajúci predpisom pre triedy D, M, vysoké teploty, vysoký tlak alebo vysokú čistotu kvapalín.
(1) Toxicita tekutiny je taká veľká, že jednorazové vystavenie veľmi malému množstvu tekutiny spôsobenému únikom môže spôsobiť vážne trvalé zranenie tým, ktorí ju vdýchnu alebo prídu do kontaktu s ňou, aj keď sa okamžite prijmú opatrenia na zotavenie.prijaté
(2) Po zvážení konštrukcie potrubia, skúseností, prevádzkových podmienok a umiestnenia vlastník určí, že požiadavky na bežné používanie kvapaliny nie sú dostatočné na zabezpečenie tesnosti potrebnej na ochranu personálu pred vystavením.“
Vo vyššie uvedenej definícii M nespĺňa vodíkový plyn kritériá odseku (1), pretože sa nepovažuje za toxickú kvapalinu.Uplatnením pododdielu (2) však kódex povoľuje klasifikáciu hydraulických systémov do triedy M po náležitom zvážení „...konštrukcie potrubia, skúseností, prevádzkových podmienok a umiestnenia...“ Vlastník povoľuje určenie bežnej manipulácie s kvapalinou.Požiadavky nie sú dostatočné na splnenie potreby vyššej úrovne integrity pri navrhovaní, konštrukcii, kontrole, kontrole a testovaní vodíkových plynových potrubných systémov.
Pred diskusiou o vysokoteplotnej vodíkovej korózii (HTHA) si pozrite tabuľku 1.Kódexy, normy a predpisy sú uvedené v tejto tabuľke, ktorá obsahuje šesť dokumentov na tému vodíkového krehnutia (HE), bežnej koróznej anomálie, ktorá zahŕňa HTHA.OH sa môže vyskytnúť pri nízkych a vysokých teplotách.Korózia, ktorá sa považuje za formu korózie, môže byť iniciovaná niekoľkými spôsobmi a môže tiež ovplyvniť širokú škálu materiálov.
HE má rôzne formy, ktoré možno rozdeliť na vodíkové praskanie (HAC), vodíkové praskanie pod napätím (HSC), korózne praskanie pod napätím (SCC), vodíkové korózne praskanie (HACC), prebublávanie vodíka (HB), vodíkové praskanie (HIC).)), vodíkové praskanie orientované na napätie (SOHIC), progresívne praskanie (SWC), praskanie sulfidovým napätím (SSC), praskanie v mäkkých zónach (SZC) a korózia pri vysokej teplote (HTHA).
Vo svojej najjednoduchšej forme je vodíkové skrehnutie mechanizmom na deštrukciu hraníc kovových zŕn, čo vedie k zníženiu ťažnosti v dôsledku prenikania atómového vodíka.Spôsoby, akými k tomu dochádza, sú rôzne a sú čiastočne definované ich príslušnými názvami, ako napríklad HTHA, kde je na skrehnutie potrebný vodík pri vysokej teplote a vysokom tlaku, a SSC, kde sa atómový vodík vyrába ako uzavreté plyny a vodík.v dôsledku kyslej korózie presakujú do kovových puzdier, čo môže viesť k krehkosti.Celkový výsledok je však rovnaký ako vo všetkých vyššie opísaných prípadoch vodíkového skrehnutia, kde je pevnosť kovu znížená skrehnutím pod jeho prípustný rozsah napätia, čo zase pripraví pôdu pre potenciálne katastrofickú udalosť vzhľadom na prchavosť kvapaliny.
Okrem hrúbky steny a výkonu mechanického spoja sú pri výbere materiálov pre plyn H2 potrebné zvážiť dva hlavné faktory: 1. Vystavenie vysokoteplotnému vodíku (HTHA) a 2. Vážne obavy z možného úniku.O oboch témach sa momentálne diskutuje.
Na rozdiel od molekulárneho vodíka môže atómový vodík expandovať, vystavovať vodík vysokým teplotám a tlakom, čím vytvára základ pre potenciálne HTHA.Za týchto podmienok je atómový vodík schopný difundovať do materiálov alebo zariadení z uhlíkovej ocele, kde reaguje s uhlíkom v kovovom roztoku za vzniku metánového plynu na hraniciach zŕn.Plyn nemôže uniknúť, expanduje a vytvára trhliny a štrbiny v stenách potrubí alebo nádob – to je HTGA.Výsledky HTHA môžete jasne vidieť na obrázku 2, kde sú na 8″ stene zrejmé trhliny a praskliny.Časť potrubia nominálnej veľkosti (NPS), ktorá za týchto podmienok zlyhá.
Uhlíková oceľ sa môže použiť na vodíkový servis, keď sa prevádzková teplota udržiava pod 500 °F.Ako je uvedené vyššie, HTHA nastáva, keď je plynný vodík udržiavaný pri vysokom parciálnom tlaku a vysokej teplote.Uhlíková oceľ sa neodporúča, keď sa očakáva, že parciálny tlak vodíka bude okolo 3000 psi a teplota je vyššia ako okolo 450 °F (čo je nehodový stav na obrázku 2).
Ako je možné vidieť z upraveného Nelsonovho grafu na obrázku 3, čiastočne prevzatého z API 941, vysoká teplota má najväčší vplyv na pôsobenie vodíka.Parciálny tlak vodíkového plynu môže presiahnuť 1000 psi pri použití s ​​uhlíkovými oceľami pracujúcimi pri teplotách do 500 °F.
Obrázok 3. Táto upravená Nelsonova tabuľka (prispôsobená podľa API 941) sa môže použiť na výber vhodných materiálov pre vodíkovú prevádzku pri rôznych teplotách.
Na obr.3 znázorňuje výber ocelí, ktoré zaručene zabránia ataku vodíka v závislosti od prevádzkovej teploty a parciálneho tlaku vodíka.Austenitické nehrdzavejúce ocele sú necitlivé na HTHA a sú vyhovujúce materiály pri všetkých teplotách a tlakoch.
Austenitická nehrdzavejúca oceľ 316/316L je najpraktickejším materiálom pre vodíkové aplikácie a má osvedčené výsledky.Zatiaľ čo tepelné spracovanie po zváraní (PWHT) sa odporúča pre uhlíkové ocele na kalcináciu zvyškového vodíka počas zvárania a zníženie tvrdosti tepelne ovplyvnenej zóny (HAZ) po zváraní, pre austenitické nehrdzavejúce ocele sa to nevyžaduje.
Teplotné účinky spôsobené tepelným spracovaním a zváraním majú malý vplyv na mechanické vlastnosti austenitických nehrdzavejúcich ocelí.Spracovanie za studena však môže zlepšiť mechanické vlastnosti austenitických nehrdzavejúcich ocelí, ako je pevnosť a tvrdosť.Pri ohýbaní a tvárnení rúr z austenitickej nehrdzavejúcej ocele sa menia ich mechanické vlastnosti, vrátane poklesu plasticity materiálu.
Ak austenitická nehrdzavejúca oceľ vyžaduje tvárnenie za studena, rozpúšťacie žíhanie (zahriatie na približne 1045 °C s následným kalením alebo rýchlym ochladením) obnoví mechanické vlastnosti materiálu na pôvodné hodnoty.Tiež eliminuje segregáciu zliatin, senzibilizáciu a sigma fázu dosiahnutú po spracovaní za studena.Pri vykonávaní rozpúšťacieho žíhania si uvedomte, že rýchle ochladenie môže vrátiť zvyškové napätie do materiálu, ak sa s ním nesprávne zaobchádza.
Pozrite si tabuľky GR-2.1.1-1 Index špecifikácie materiálu zostavy potrubia a hadíc a GR-2.1.1-2 Index špecifikácie materiálu potrubia v ASME B31, kde nájdete prijateľné výbery materiálu pre službu H2.potrubia sú dobrým miestom, kde začať.
So štandardnou atómovou hmotnosťou 1,008 atómových hmotnostných jednotiek (amu) je vodík najľahším a najmenším prvkom v periodickej tabuľke, a preto má vysoký sklon k úniku s potenciálne ničivými následkami, dodal by som.Preto musí byť systém plynovodov navrhnutý tak, aby obmedzil mechanické spojenia a zlepšil tie spojenia, ktoré sú skutočne potrebné.
Pri obmedzovaní potenciálnych miest úniku by mal byť systém úplne zvarený, s výnimkou prírubových spojov na zariadení, potrubných prvkoch a armatúrach.Pokiaľ je to možné, je potrebné sa vyhnúť závitovým spojeniam, ak nie úplne.Ak sa z akéhokoľvek dôvodu nedá vyhnúť závitovým spojeniam, odporúča sa ich úplne zatiahnuť bez tesniaceho prostriedku na závity a potom utesniť zvar.Pri použití rúr z uhlíkovej ocele musia byť spoje rúr zvarené na tupo a po zváraní tepelne ošetrené (PWHT).Po zváraní sú rúry v tepelne ovplyvnenej zóne (HAZ) vystavené pôsobeniu vodíka aj pri teplote okolia.Zatiaľ čo k útoku vodíka dochádza predovšetkým pri vysokých teplotách, stupeň PWHT túto možnosť úplne zníži, ak nie úplne odstráni, dokonca aj pri okolitých podmienkach.
Slabým miestom celozváraného systému je prírubový spoj.Na zabezpečenie vysokého stupňa tesnosti prírubových spojov by sa mali použiť tesnenia Kammprofile (obr. 4) alebo iná forma tesnení.Táto podložka vyrobená takmer rovnakým spôsobom od niekoľkých výrobcov je veľmi zhovievavá.Pozostáva z ozubených celokovových krúžkov vložených medzi mäkké, deformovateľné tesniace materiály.Zuby sústreďujú zaťaženie skrutky na menšiu plochu, aby zabezpečili tesné uloženie s menším namáhaním.Je skonštruovaný tak, že dokáže vyrovnať nerovné povrchy prírub, ako aj kolísavé prevádzkové podmienky.
Obrázok 4. Tesnenia Kammprofile majú kovové jadro spojené na oboch stranách mäkkou výplňou.
Ďalším dôležitým faktorom integrity systému je ventil.Netesnosti okolo tesnenia vretena a prírub tela sú skutočným problémom.Aby ste tomu zabránili, odporúča sa vybrať ventil s vlnovcovým tesnením.
Použite 1 palec.Potrubie z uhlíkovej ocele School 80, v našom príklade nižšie, s danými výrobnými toleranciami, koróziou a mechanickými toleranciami v súlade s ASTM A106 Gr B, maximálny povolený pracovný tlak (MAWP) možno vypočítať v dvoch krokoch pri teplotách do 300 °F (Poznámka: Dôvodom pre „…pre teploty do 300 °F…“ je to, že prípustné napätie (S) pri spustení teploty materiálu ASTM 06 °F prekračuje prípustné napätie A10 Gr BF .(S), takže rovnica (1) vyžaduje Prispôsobenie teplotám nad 300ºF.)
Podľa vzorca (1) je prvým krokom výpočet teoretického tlaku pri roztrhnutí potrubia.
T = hrúbka steny rúry mínus mechanické, korózne a výrobné tolerancie v palcoch.
Druhou časťou procesu je výpočet maximálneho povoleného pracovného tlaku Pa potrubia použitím bezpečnostného faktora Sf na výsledok P podľa rovnice (2):
Pri použití 1″ materiálu school 80 sa teda tlak pri roztrhnutí vypočíta takto:
Potom sa použije bezpečnosť Sf 4 v súlade s odsekom 8 oddielu VIII-1 2019 odporúčaní pre tlakové nádoby ASME. UG-101 sa vypočíta takto:
Výsledná hodnota MAWP je 810 psi.palec sa vzťahuje len na potrubie.Prírubové spojenie alebo komponent s najnižším menovitým výkonom v systéme bude určujúcim faktorom pri určovaní prípustného tlaku v systéme.
Podľa ASME B16.5 je maximálny povolený pracovný tlak pre prírubové fitingy z uhlíkovej ocele 150 285 psi.palca pri -20 °F až 100 °F.Trieda 300 má maximálny povolený pracovný tlak 740 psi.Toto bude tlakový limitný faktor systému podľa nižšie uvedeného príkladu špecifikácie materiálu.Tiež len pri hydrostatických testoch môžu tieto hodnoty prekročiť 1,5-násobok.
Ako príklad základnej špecifikácie materiálu uhlíkovej ocele, špecifikácie plynového potrubia H2 pracujúceho pri okolitej teplote pod návrhovým tlakom 740 psi.palcov, môže obsahovať požiadavky na materiál uvedené v tabuľke 2. Nasledujúce typy môžu vyžadovať zahrnutie do špecifikácie:
Okrem samotného potrubia existuje mnoho prvkov, ktoré tvoria potrubný systém, ako sú armatúry, ventily, vybavenie potrubia atď. Aj keď mnohé z týchto prvkov budú zostavené do potrubia, aby sa o nich podrobne diskutovalo, bude to vyžadovať viac strán, ako je možné umiestniť.Tento článok.