Ta pregled vsebuje priporočila za varno načrtovanje cevovodnih sistemov za distribucijo vodika.
Vodik je zelo hlapna tekočina z veliko nagnjenostjo k puščanju. Je zelo nevarna in smrtonosna kombinacija nagnjenj, hlapna tekočina, ki jo je težko nadzorovati. To so trendi, ki jih je treba upoštevati pri izbiri materialov, tesnil in tesnilnih obročev, pa tudi pri konstrukcijskih značilnostih takšnih sistemov. Te teme o distribuciji plinastega H2 so v središču te razprave, ne pa proizvodnja H2, tekočega H2 ali tekočega H2 (glejte desno stransko vrstico).
Tukaj je nekaj ključnih točk, ki vam bodo pomagale razumeti mešanico vodika in H2-zraka. Vodik gori na dva načina: z deflagracijo in eksplozijo.
Deflagracija. Deflagracija je pogost način zgorevanja, pri katerem plameni potujejo skozi mešanico s podzvočno hitrostjo. To se zgodi na primer, ko majhen vir vžiga vžge prosti oblak mešanice vodika in zraka. V tem primeru se plamen premika s hitrostjo od deset do nekaj sto čevljev na sekundo. Hitro širjenje vročega plina ustvarja tlačne valove, katerih moč je sorazmerna z velikostjo oblaka. V nekaterih primerih je lahko sila udarnega vala dovolj velika, da poškoduje gradbene konstrukcije in druge predmete na svoji poti ter povzroči poškodbe.
eksplodira. Ko je eksplodiralo, so plameni in udarni valovi potovali skozi mešanico z nadzvočno hitrostjo. Razmerje tlakov v detonacijskem valu je veliko večje kot pri detonaciji. Zaradi povečane sile je eksplozija bolj nevarna za ljudi, zgradbe in bližnje predmete. Običajna deflagracija povzroči eksplozijo, ko se vžge v omejenem prostoru. V tako ozkem območju lahko vžig povzroči najmanjša količina energije. Toda za detonacijo mešanice vodika in zraka v neomejenem prostoru je potreben močnejši vir vžiga.
Razmerje tlakov čez detonacijski val v mešanici vodika in zraka je približno 20. Pri atmosferskem tlaku je razmerje 20 enako 300 psi. Ko ta tlačni val trči v mirujoč predmet, se razmerje tlakov poveča na 40–60. To je posledica odboja tlačnega vala od mirujoče ovire.
Nagnjenost k puščanju. Zaradi nizke viskoznosti in nizke molekulske mase ima plin H2 veliko nagnjenost k puščanju in celo prepustnosti ali prodiranju v različne materiale.
Vodik je 8-krat lažji od zemeljskega plina, 14-krat lažji od zraka, 22-krat lažji od propana in 57-krat lažji od bencinskih hlapov. To pomeni, da se bo plin H2 pri namestitvi na prostem hitro dvignil in razpršil, kar bo zmanjšalo morebitne znake puščanja. Vendar je to lahko dvorezen meč. Če se varjenje izvaja na zunanji namestitvi nad ali v smeri vetra od puščanja H2 brez predhodne študije odkrivanja puščanja, lahko pride do eksplozije. V zaprtem prostoru se lahko plin H2 dvigne in kopiči od stropa navzdol, kar omogoča, da se kopiči v velikih količinah, preden je bolj verjetno, da pride v stik z viri vžiga v bližini tal.
Nenamerni požar. Samovžig je pojav, pri katerem se mešanica plinov ali hlapov spontano vžge brez zunanjega vira vžiga. Znan je tudi kot »spontano zgorevanje« ali »samovžig«. Samovžig je odvisen od temperature, ne od tlaka.
Temperatura samovžiga je najnižja temperatura, pri kateri se gorivo spontano vžge, preden se vžge v odsotnosti zunanjega vira vžiga ob stiku z zrakom ali oksidantom. Temperatura samovžiga posameznega prahu je temperatura, pri kateri se spontano vžge v odsotnosti oksidanta. Temperatura samovžiga plinastega H2 v zraku je 585 °C.
Energija vžiga je energija, potrebna za začetek širjenja plamena skozi gorljivo zmes. Minimalna energija vžiga je minimalna energija, potrebna za vžig določene gorljive zmesi pri določeni temperaturi in tlaku. Minimalna energija vžiga iskre za plinasti H2 v 1 atm zraka = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Meje eksplozivnosti so najvišje in najnižje koncentracije hlapov, meglic ali prahu v zraku ali kisiku, pri katerih pride do eksplozije. Velikost in geometrija okolja ter koncentracija goriva določajo meje. Izraz »meja eksplozivnosti« se včasih uporablja kot sinonim za »mejo eksplozije«.
Meje eksplozivnosti za mešanice H2 v zraku so 18,3 vol. % (spodnja meja) in 59 vol. % (zgornja meja).
Pri načrtovanju cevovodnih sistemov (slika 1) je prvi korak določitev gradbenih materialov, potrebnih za vsako vrsto tekočine. Vsaka tekočina bo razvrščena v skladu z odstavkom ASME B31.3. 300(b)(1) določa: »Lastnik je odgovoren tudi za določitev cevovodov razreda D, M, visokega tlaka in visoke čistosti ter za določitev, ali je treba uporabiti določen sistem kakovosti.«
Kategorizacija tekočin določa stopnjo testiranja in vrsto zahtevanega testiranja, pa tudi številne druge zahteve glede na kategorijo tekočine. Odgovornost lastnika za to je običajno v rokah inženirskega oddelka lastnika ali zunanjega inženirja.
Čeprav predpisi o procesnih cevovodih B31.3 lastniku ne navajajo, kateri material naj uporabi za določeno tekočino, pa dajejo smernice glede zahtev glede trdnosti, debeline in priključkov materialov. V uvodu predpisov sta tudi dve izjavi, ki jasno določata:
In razširite prvi odstavek zgoraj, odstavek B31.3. 300(b)(1) tudi navaja: »Lastnik cevovodne napeljave je izključno odgovoren za skladnost s tem kodeksom in za določitev zahtev glede načrtovanja, gradnje, inšpekcijskih pregledov, pregledov in testiranja, ki urejajo vse ravnanje s tekočinami ali postopke, katerih del je cevovod. Napeljava.« Torej, po določitvi nekaterih osnovnih pravil o odgovornosti in zahtev za opredelitev kategorij tekočinskih storitev si poglejmo, kje se v to umesti vodikov plin.
Ker vodikov plin deluje kot hlapna tekočina s puščanjem, se lahko vodikov plin šteje za normalno tekočino ali tekočino razreda M v skladu s kategorijo B31.3 za tekočinsko delovanje. Kot je navedeno zgoraj, je klasifikacija ravnanja s tekočinami zahteva lastnika, če izpolnjuje smernice za izbrane kategorije, opisane v B31.3, odstavek 3. 300.2 Definicije v razdelku »Hidravlične storitve«. Sledijo definicije za normalno tekočinsko delovanje in tekočinsko delovanje razreda M:
„Običajna tekočinska oskrba: tekočinska oskrba, ki se uporablja za večino cevovodov, za katere velja ta kodeks, tj. za katere ne veljajo predpisi za razrede D, M, visoke temperature, visok tlak ali visoko čistočo tekočin.“
(1) Toksičnost tekočine je tako velika, da lahko že enkratna izpostavljenost zelo majhni količini tekočine, ki jo povzroči puščanje, povzroči resne trajne poškodbe tistim, ki jo vdihnejo ali pridejo v stik z njo, tudi če se sprejmejo takojšnji ukrepi za reševanje.
(2) Po preučitvi zasnove cevovoda, izkušenj, obratovalnih pogojev in lokacije lastnik ugotovi, da zahteve za normalno uporabo tekočine niso zadostne za zagotovitev tesnosti, potrebne za zaščito osebja pred izpostavljenostjo.
V zgornji definiciji M vodikov plin ne izpolnjuje meril iz odstavka (1), ker se ne šteje za strupeno tekočino. Vendar pa Kodeks z uporabo pododstavka (2) dovoljuje razvrstitev hidravličnih sistemov v razred M po ustreznem upoštevanju "... zasnove cevovodov, izkušenj, obratovalnih pogojev in lokacije ...". Lastnik dovoljuje določitev normalnega ravnanja s tekočino. Zahteve ne zadostujejo za izpolnitev potrebe po višji ravni integritete pri načrtovanju, gradnji, pregledu, inšpekcijskem pregledu in preskušanju cevovodnih sistemov za vodikov plin.
Preden se lotimo razprave o vodikovi koroziji pri visokih temperaturah (HTHA), si oglejte tabelo 1. V tej tabeli so navedeni predpisi, standardi in predpisi, ki vključujejo šest dokumentov na temo vodikove krhkosti (HE), pogoste korozijske anomalije, ki vključuje HTHA. OH se lahko pojavi pri nizkih in visokih temperaturah. Kot oblika korozije se lahko sproži na več načinov in vpliva na širok spekter materialov.
HE ima različne oblike, ki jih lahko razdelimo na vodikovo razpokanje (HAC), vodikovo napetostno razpokanje (HSC), napetostno korozijsko razpokanje (SCC), vodikovo korozijsko razpokanje (HACC), mehurčkanje vodika (HB), vodikovo razpokanje (HIC). )), napetostno usmerjeno vodikovo razpokanje (SOHIC), progresivno razpokanje (SWC), sulfidno napetostno razpokanje (SSC), mehko consko razpokanje (SZC) in visokotemperaturno vodikovo korozijo (HTHA).
V svoji najpreprostejši obliki je vodikova krhkost mehanizem za uničenje meja kovinskih zrn, kar povzroči zmanjšano duktilnost zaradi prodiranja atomskega vodika. Načini, kako se to zgodi, so različni in so delno opredeljeni z njihovimi imeni, kot sta HTHA, kjer je za krhkost potreben sočasni vodik pri visoki temperaturi in visokem tlaku, in SSC, kjer se atomski vodik proizvaja kot zaprti plini in vodik, ki zaradi kislinske korozije pronicajo v kovinske ovitke, kar lahko povzroči krhkost. Vendar je skupni rezultat enak kot pri vseh zgoraj opisanih primerih vodikove krhkosti, kjer se trdnost kovine zmanjša zaradi krhkosti pod dovoljenim območjem napetosti, kar posledično glede na hlapnost tekočine pripravi teren za potencialno katastrofalen dogodek.
Poleg debeline stene in mehanskih lastnosti spoja je treba pri izbiri materialov za uporabo s plinom H2 upoštevati dva glavna dejavnika: 1. izpostavljenost visokotemperaturnemu vodiku (HTHA) in 2. resne pomisleke glede morebitnega puščanja. Obe temi sta trenutno v razpravi.
Za razliko od molekularnega vodika se atomski vodik lahko širi, pri čemer je izpostavljen visokim temperaturam in tlakom, kar ustvarja osnovo za potencialno HTHA (temperaturno lomljenje z visoko temperaturo). V teh pogojih lahko atomski vodik difundira v cevne materiale ali opremo iz ogljikovega jekla, kjer reagira z ogljikom v kovinski raztopini in tvori metan na mejah zrn. Ker plin ne more uiti, se širi in ustvarja razpoke in špranje v stenah cevi ali posod – to je HTGA. Rezultate HTHA lahko jasno vidite na sliki 2, kjer so razpoke in špranje očitne v steni 8″. Del cevi z nominalno velikostjo (NPS), ki v teh pogojih odpove.
Ogljikovo jeklo se lahko uporablja za delo z vodikom, če se obratovalna temperatura vzdržuje pod 500 °F. Kot je navedeno zgoraj, do visoke temperature vročine (HTHA) pride, ko se vodikov plin zadržuje pri visokem parcialnem tlaku in visoki temperaturi. Ogljikovo jeklo ni priporočljivo, če se pričakuje, da bo parcialni tlak vodika okoli 3000 psi in temperatura nad približno 450 °F (kar je pogoj nesreče na sliki 2).
Kot je razvidno iz spremenjenega Nelsonovega diagrama na sliki 3, ki je delno vzet iz API 941, ima visoka temperatura največji vpliv na silo vodika. Delni tlak vodikovega plina lahko preseže 1000 psi, če se uporablja z ogljikovimi jekli, ki delujejo pri temperaturah do 500 °F.
Slika 3. Ta spremenjeni Nelsonov diagram (prirejen po API 941) se lahko uporabi za izbiro primernih materialov za delovanje z vodikom pri različnih temperaturah.
Na sliki 3 je prikazana izbira jekel, ki zagotavljajo odpornost proti vodiku, odvisno od delovne temperature in parcialnega tlaka vodika. Avstenitna nerjavna jekla so neobčutljiva na visokotlačno torzijsko reakcijo (HTHA) in so zadovoljivi materiali pri vseh temperaturah in tlakih.
Avstenitno nerjavno jeklo 316/316L je najbolj praktičen material za uporabo z vodikom in ima dokazane rezultate. Medtem ko je toplotna obdelava po varjenju (PWHT) priporočljiva za ogljikova jekla za kalcinacijo preostalega vodika med varjenjem in zmanjšanje trdote območja vpliva toplote (HAZ) po varjenju, za avstenitna nerjavna jekla ni potrebna.
Termotermični učinki, ki jih povzročata toplotna obdelava in varjenje, imajo le majhen vpliv na mehanske lastnosti avstenitnih nerjavnih jekel. Vendar pa lahko hladno obdelavo izboljša mehanske lastnosti avstenitnih nerjavnih jekel, kot sta trdnost in trdota. Pri upogibanju in oblikovanju cevi iz avstenitnega nerjavnega jekla se njihove mehanske lastnosti spremenijo, vključno z zmanjšanjem plastičnosti materiala.
Če avstenitno nerjavno jeklo zahteva hladno oblikovanje, bo žarjenje v raztopini (segrevanje na približno 1045 °C, ki mu sledi kaljenje ali hitro ohlajanje) povrnilo mehanske lastnosti materiala na prvotne vrednosti. Prav tako bo odpravilo segregacijo zlitine, senzibilizacijo in sigma fazo, ki nastanejo po hladnem oblikovanju. Pri žarjenju v raztopini se zavedajte, da lahko hitro ohlajanje, če se z njim ne ravna pravilno, v material vnese preostale napetosti.
Za sprejemljivo izbiro materialov za uporabo H2 glejte preglednici GR-2.1.1-1 Indeks specifikacij materialov za cevovode in cevne sklope ter GR-2.1.1-2 Indeks specifikacij materialov za cevovode v standardu ASME B31. Cevi so dobro izhodišče.
Vodik je s standardno atomsko maso 1,008 atomskih masnih enot (amu) najlažji in najmanjši element v periodnem sistemu, zato je zelo nagnjen k uhajanju, kar ima lahko uničujoče posledice, dodam. Zato mora biti plinovodni sistem zasnovan tako, da omeji mehanske povezave in izboljša tiste povezave, ki so resnično potrebne.
Pri omejevanju morebitnih mest puščanja je treba sistem v celoti variti, razen prirobničnih povezav na opremi, cevovodih in fitingih. Navojnim povezavam se je treba izogibati, kolikor je le mogoče, če ne že v celoti. Če se navojnim povezavam iz kakršnega koli razloga ni mogoče izogniti, je priporočljivo, da jih v celoti pritrdite brez tesnilne mase za navoje in nato zatesnite var. Pri uporabi cevi iz ogljikovega jekla morajo biti cevni spoji sočelno varjeni in po varjenju toplotno obdelani (PWHT). Po varjenju so cevi v območju toplotnega vpliva (HAZ) izpostavljene vodikovemu napadu že pri sobni temperaturi. Medtem ko do vodikovega napada pride predvsem pri visokih temperaturah, bo faza PWHT to možnost popolnoma zmanjšala, če ne že odpravila, tudi v okoljskih pogojih.
Šibka točka varjenega sistema je prirobnična povezava. Za zagotovitev visoke stopnje tesnosti prirobničnih povezav je treba uporabiti tesnila Kammprofile (slika 4) ali drugo obliko tesnil. Ta blazinica, ki jo na skoraj enak način izdeluje več proizvajalcev, je zelo tolerantna. Sestavljena je iz nazobčanih kovinskih obročev, stisnjenih med mehke, deformabilne tesnilne materiale. Zobje koncentrirajo obremenitev vijaka na manjšem območju, kar zagotavlja tesen prileg z manjšo obremenitvijo. Zasnovana je tako, da lahko kompenzira neravne površine prirobnic in nihajoče obratovalne pogoje.
Slika 4. Tesnila Kammprofile imajo kovinsko jedro, ki je na obeh straneh vezano z mehkim polnilom.
Drug pomemben dejavnik celovitosti sistema je ventil. Puščanje okoli tesnila vretena in prirobnic ohišja je resnična težava. Da bi to preprečili, je priporočljivo izbrati ventil z mehastim tesnilom.
Uporabite 1 palec. Cev iz ogljikovega jekla School 80, v našem spodnjem primeru, glede na proizvodne tolerance, korozijske in mehanske tolerance v skladu z ASTM A106 Gr B, se lahko najvišji dovoljeni delovni tlak (MAWP) izračuna v dveh korakih pri temperaturah do 300 °F (Opomba: Razlog za "... za temperature do 300 °F ..." je, ker se dovoljena napetost (S) materiala ASTM A106 Gr B začne slabšati, ko temperatura preseže 300 °F (S), zato enačba (1) zahteva prilagoditev temperaturam nad 300 °F.)
Glede na formulo (1) je prvi korak izračun teoretičnega tlaka porušitve cevovoda.
T = debelina stene cevi minus mehanske, korozijske in proizvodne tolerance, v palcih.
Drugi del postopka je izračun največjega dovoljenega delovnega tlaka Pa cevovoda z uporabo varnostnega faktorja S f na rezultat P v skladu z enačbo (2):
Pri uporabi materiala šole 80 debeline 1″ se tlak razpoka izračuna na naslednji način:
Nato se v skladu s priporočili ASME za tlačne posode, poglavje VIII-1 2019, odstavek 8, uporabi varnostni Sf 4, izračunan na naslednji način:
Nastala vrednost MAWP je 810 psi. To se nanaša samo na cev. Prirobnični priključek ali komponenta z najnižjo nazivno vrednostjo v sistemu bo odločilni dejavnik pri določanju dovoljenega tlaka v sistemu.
V skladu s standardom ASME B16.5 je najvišji dovoljeni delovni tlak za prirobnične fitinge iz ogljikovega jekla 150 285 psi na palec pri -20 °F do 100 °F. Razred 300 ima najvišji dovoljeni delovni tlak 740 psi. To bo faktor meje tlaka sistema v skladu s spodnjim primerom specifikacije materiala. Prav tako lahko te vrednosti pri hidrostatičnih preskusih presežejo 1,5-kratnik.
Kot primer osnovne specifikacije materiala iz ogljikovega jekla lahko specifikacija plinske napeljave H2, ki deluje pri temperaturi okolice pod projektnim tlakom 740 psi na palec, vsebuje zahteve glede materialov, prikazane v tabeli 2. V specifikacijo je morda treba nameniti pozornost naslednjim vrstam:
Poleg samih cevovodov obstaja veliko elementov, ki sestavljajo cevovodni sistem, kot so fitingi, ventili, oprema za cevovode itd. Čeprav bo veliko teh elementov združenih v cevovodu, da bi jih podrobneje obravnavali, bo to zahtevalo več strani, kot jih je mogoče namestiti. Ta članek.