Ta pregled podaja priporočila za varno načrtovanje cevnih sistemov za distribucijo vodika.
Vodik je zelo hlapna tekočina z veliko nagnjenostjo k uhajanju.Je zelo nevarna in smrtonosna kombinacija nagnjenj, hlapljiva tekočina, ki jo je težko nadzorovati.To so trendi, ki jih je treba upoštevati pri izbiri materialov, tesnil in tesnil ter oblikovnih značilnosti takih sistemov.Te teme o porazdelitvi plinastega H2 so v središču te razprave, ne 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: deflagracija in eksplozija.
deflagracija.Deflagracija je običajen način zgorevanja, pri katerem plameni potujejo skozi zmes s podzvočno hitrostjo.To se zgodi na primer, ko se prosti oblak mešanice vodika in zraka vžge z majhnim virom vžiga.V tem primeru se bo plamen premikal s hitrostjo od deset do nekaj sto metrov na sekundo.Hitro širjenje vročega plina ustvarja tlačne valove, katerih moč je sorazmerna z velikostjo oblaka.V nekaterih primerih je moč udarnega vala lahko dovolj velika, da poškoduje zgradbe in druge predmete na svoji poti ter povzroči poškodbe.
eksplodirati.Ko je eksplodiral, so plameni in udarni valovi potovali skozi zmes z nadzvočno hitrostjo.Razmerje tlakov pri detonacijskem valu je veliko večje kot pri detonaciji.Zaradi povečane moči je pok bolj nevaren za ljudi, zgradbe in predmete v bližini.Običajna deflagracija povzroči eksplozijo, ko se vžge v zaprtem prostoru.V tako ozkem območju lahko povzroči vžig najmanj energije.Toda za detonacijo mešanice vodika in zraka v neomejenem prostoru je potreben močnejši vir vžiga.
Razmerje tlaka v detonacijskem valu v mešanici vodika in zraka je približno 20. Pri atmosferskem tlaku je razmerje 20 300 psi.Ko ta tlačni val trči v mirujoči predmet, se razmerje tlaka poveča na 40-60.To je posledica odboja tlačnega vala od mirujoče ovire.
Nagnjenost k puščanju.Zaradi svoje nizke viskoznosti in nizke molekulske mase je plin H2 zelo nagnjen k puščanju in celo pronicanju ali prodiranju skozi 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 pri namestitvi na prostem plin H2 hitro dvignil in razpršil, kar zmanjša vse znake enakomernega puščanja.Lahko pa je dvorezen meč.Do eksplozije lahko pride, če bo varjenje izvedeno na zunanji namestitvi nad ali za vetrom od puščanja H2 brez študije odkrivanja puščanja pred varjenjem.V zaprtem prostoru se lahko plin H2 dvigne in kopiči od stropa navzdol, kar omogoča, da se kopiči v velikih količinah, preden je večja verjetnost, da pride v stik z viri vžiga pri tleh.
Nenamerni požar.Samovžig je pojav, pri katerem se mešanica plinov ali hlapov spontano vname brez zunanjega vira vžiga.Znano je tudi kot "spontano zgorevanje" ali "spontano zgorevanje".Samovžig je odvisen od temperature, ne od tlaka.
Temperatura samovžiga je najnižja temperatura, pri kateri se gorivo spontano vname pred vžigom v odsotnosti zunanjega vira vžiga ob stiku z zrakom ali oksidantom.Temperatura samovžiga posameznega prahu je temperatura, pri kateri se spontano vname v odsotnosti oksidanta.Temperatura samovžiga plinastega H2 v zraku je 585 °C.
Energija vžiga je energija, ki je potrebna za sprožitev širjenja plamena skozi vnetljivo mešanico.Minimalna energija vžiga je najmanjša energija, ki je potrebna za vžig določene gorljive zmesi pri določeni temperaturi in tlaku.Najmanjša energija vžiga iskre za plinasti H2 v 1 atm zraka = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Meje eksplozivnosti so največje in najmanjše koncentracije hlapov, meglic ali prahu v zraku ali kisiku, pri katerih pride do eksplozije.Velikost in geometrija okolja ter koncentracija goriva nadzirajo meje."Meja eksplozije" 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 cevnih sistemov (slika 1) je prvi korak določitev gradbenih materialov, potrebnih za vsako vrsto tekočine.In vsaka tekočina bo razvrščena v skladu z odstavkom ASME B31.3.300(b)(1) navaja: "Lastnik je odgovoren tudi za določanje razreda D, M, visokotlačnih in visoko čistih cevi ter določanje, ali je treba uporabiti določen sistem kakovosti."
Kategorizacija tekočine določa stopnjo testiranja in vrsto zahtevanega testiranja ter številne druge zahteve glede na kategorijo tekočine.Odgovornost lastnika za to običajno pade na inženirski oddelek lastnika ali zunanjega inženirja.
Medtem ko B31.3 Kodeks procesnih cevi lastniku ne pove, kateri material naj uporabi za določeno tekočino, ponuja smernice glede trdnosti, debeline in zahtev za povezavo materiala.V uvodu kodeksa sta tudi dve izjavi, ki jasno navajata:
In razširite prvi odstavek zgoraj, odstavek B31.3.300(b)(1) tudi navaja: »Lastnik cevovodne instalacije je izključno odgovoren za izpolnjevanje tega kodeksa in za določitev projektiranja, konstrukcije, inšpekcijskih pregledov, inšpekcijskih in preskusnih zahtev, ki urejajo celotno ravnanje s tekočino ali proces, katerega del je cevovod.Namestitev.”Torej, potem ko smo določili nekaj temeljnih pravil za odgovornost in zahteve za opredelitev kategorij tekočih storitev, poglejmo, kam spada vodikov plin.
Ker vodikov plin deluje kot hlapna tekočina s puščanjem, se lahko vodikov plin obravnava kot običajna tekočina ali tekočina razreda M pod kategorijo B31.3 za tekoče storitve.Kot je navedeno zgoraj, je klasifikacija ravnanja s tekočino zahteva lastnika, pod pogojem, da izpolnjuje smernice za izbrane kategorije, opisane v B31.3, odstavek 3. 300.2 Definicije v razdelku »Hidravlične storitve«.Sledijo definicije za normalno tekočinsko storitev in tekočinsko storitev razreda M:
»Običajna tekočinska storitev: tekočinska storitev, ki velja za večino cevovodov, za katere velja ta koda, tj. niso predmet predpisov za razrede D, M, visoko temperaturo, visok tlak ali visoko čistočo tekočine.
(1) Strupenost tekočine je tako velika, da lahko enkratna izpostavljenost zelo majhni količini tekočine, ki jo povzroči puščanje, povzroči resne trajne poškodbe tistih, ki jo vdihnejo ali pridejo v stik z njo, tudi če se sprejmejo takojšnji obnovitveni ukrepi.sprejeti
(2) Po preučitvi načrta cevovoda, izkušenj, delovnih pogojev in lokacije lastnik ugotovi, da zahteve za normalno uporabo tekočine ne zadostujejo za zagotavljanje 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 pododdelka (2) dovoljuje razvrstitev hidravličnih sistemov v razred M po ustreznem upoštevanju "... načrtovanja cevi, izkušenj, pogojev delovanja in lokacije ..." Lastnik dovoljuje določitev običajnega ravnanja s tekočino.Zahteve ne zadoščajo za izpolnitev potrebe po višji stopnji celovitosti pri načrtovanju, konstrukciji, inšpekciji, inšpekciji in testiranju cevovodnih sistemov za vodikov plin.
Prosimo, glejte tabelo 1, preden razpravljate o visokotemperaturni vodikovi koroziji (HTHA).Kodeksi, standardi in predpisi so navedeni v tej tabeli, ki vključuje šest dokumentov na temo vodikove krhkosti (HE), pogoste korozijske anomalije, ki vključuje HTHA.OH se lahko pojavi pri nizkih in visokih temperaturah.Velja za obliko korozije, ki se lahko sproži na več načinov in prizadene širok spekter materialov.
HE ima različne oblike, ki jih lahko razdelimo na vodikove razpoke (HAC), vodikove napetostne razpoke (HSC), napetostno korozijske razpoke (SCC), vodikove korozijske razpoke (HACC), vodikove mehurčke (HB), vodikove razpoke (HIC).)), napetostno usmerjeno vodikovo razpokanje (SOHIC), progresivno razpokanje (SWC), sulfidno napetostno razpokanje (SSC), razpokanje mehke cone (SZC) in visokotemperaturna vodikova korozija (HTHA).
V najpreprostejši obliki je vodikova krhkost mehanizem za uničenje meja kovinskih zrn, kar ima za posledico zmanjšano duktilnost zaradi prodiranja atomskega vodika.Načini, na katere se to zgodi, so različni in so delno opredeljeni z njihovimi imeni, kot je HTHA, kjer sta za krhkost potrebna hkratna visoka temperatura in visok tlak vodika, in SSC, kjer se atomski vodik proizvaja kot zaprti plini in vodik.zaradi kislinske korozije pronicajo v kovinska ohišja, kar lahko povzroči krhkost.Toda skupni rezultat je enak kot pri vseh zgoraj opisanih primerih vodikove krhkosti, kjer se trdnost kovine zaradi krhkosti zmanjša pod dovoljeno napetostno območje, kar posledično pripravi temelje za potencialno katastrofalen dogodek glede na hlapnost tekočine.
Poleg debeline stene in delovanja mehanskega spoja je pri izbiri materialov za plin H2 treba upoštevati dva glavna dejavnika: 1. Izpostavljenost vodiku pri visoki temperaturi (HTHA) in 2. Resni pomisleki glede morebitnega puščanja.O obeh temah se trenutno razpravlja.
Za razliko od molekularnega vodika se lahko atomski vodik razširi, pri čemer je vodik izpostavljen visokim temperaturam in tlakom, kar ustvari osnovo za potencialno HTHA.Pod temi pogoji lahko atomski vodik difundira v cevne materiale ali opremo iz ogljikovega jekla, kjer reagira z ogljikom v kovinski raztopini, da nastane metan na mejah zrn.Ker plin ne more uiti, se širi in ustvarja razpoke v stenah cevi ali posod – to je HTGA.Rezultate HTHA lahko jasno vidite na sliki 2, kjer so vidne razpoke in razpoke v steni 8″.Del cevi nominalne velikosti (NPS), ki odpove pod temi pogoji.
Ogljikovo jeklo se lahko uporablja za vodikove storitve, ko se delovna temperatura vzdržuje pod 500 °F.Kot je navedeno zgoraj, se HTHA pojavi, ko vodikov plin zadržujemo pri visokem parcialnem tlaku in visoki temperaturi.Ogljikovo jeklo ni priporočljivo, če se pričakuje, da bo parcialni tlak vodika okoli 3000 psi in je temperatura nad približno 450 °F (kar je stanje nesreče na sliki 2).
Kot je razvidno iz modificiranega Nelsonovega grafa na sliki 3, delno vzetega iz API 941, ima visoka temperatura največji učinek na vodikovo siljenje.Parcialni 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 iz API 941) se lahko uporablja za izbiro primernih materialov za uporabo vodika pri različnih temperaturah.
Na sl.3 prikazuje izbiro jekel, ki zajamčeno preprečujejo napad vodika, odvisno od delovne temperature in parcialnega tlaka vodika.Avstenitna nerjavna jekla so neobčutljiva na HTHA in so zadovoljivi materiali pri vseh temperaturah in tlakih.
Avstenitno nerjaveče jeklo 316/316L je najbolj praktičen material za uporabo vodika in ima dokazane rezultate.Medtem ko je toplotna obdelava po varjenju (PWHT) priporočljiva za ogljikova jekla, da kalcinira ostanke vodika med varjenjem in zmanjša trdoto območja toplotnega vpliva (HAZ) po varjenju, ni potrebna za avstenitna nerjavna jekla.
Toplotni učinki, ki jih povzročata toplotna obdelava in varjenje, malo vplivajo na mehanske lastnosti avstenitnih nerjavnih jekel.Hladna obdelava pa lahko izboljša mehanske lastnosti avstenitnih nerjavnih jekel, kot sta trdnost in trdota.Pri upogibanju in oblikovanju cevi iz avstenitnega nerjavnega jekla se spremenijo njihove mehanske lastnosti, 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 njihove prvotne vrednosti.Odpravil bo tudi segregacijo zlitine, preobčutljivost in sigma fazo, doseženo po hladni obdelavi.Pri izvajanju žarjenja v raztopini se zavedajte, da lahko hitro ohlajanje povzroči preostalo napetost nazaj v material, če z njim ne ravnate pravilno.
Glejte tabele GR-2.1.1-1 Indeks specifikacij materiala za cevni sklop in GR-2.1.1-2 Indeks specifikacij materiala cevi v ASME B31 za izbiro sprejemljivega materiala za storitev H2.cevi so dober začetek.
S standardno atomsko težo 1,008 atomskih masnih enot (amu) je vodik najlažji in najmanjši element v periodnem sistemu in ima zato veliko nagnjenost k uhajanju s potencialno uničujočimi posledicami, bi lahko dodal.Zato mora biti plinovodni sistem projektiran tako, da omeji mehanske povezave in izboljša tiste povezave, ki so resnično potrebne.
Pri omejevanju možnih mest puščanja mora biti sistem v celoti zvarjen, razen prirobničnih povezav na opremi, cevnih elementih in fitingih.Navojnim povezavam se je treba čim bolj izogibati, če ne v celoti.Če se navojnim povezavam iz kakršnega koli razloga ne morete izogniti, je priporočljivo, da jih popolnoma zataknete brez tesnila za navoje in nato zatesnite zvar.Pri uporabi cevi iz ogljikovega jekla morajo biti spoji cevi sočelno varjeni in toplotno obdelani po varjenju (PWHT).Po varjenju so cevi v območju toplotnega vpliva (HAZ) izpostavljene vodikovemu vplivu tudi pri sobni temperaturi.Medtem ko pride do napada vodika predvsem pri visokih temperaturah, bo stopnja PWHT popolnoma zmanjšala, če ne celo odpravila, to možnost tudi v okoljskih pogojih.
Šibka točka popolnoma varjenega sistema je prirobnična povezava.Za zagotovitev visoke stopnje tesnosti v prirobničnih povezavah je treba uporabiti tesnila Kammprofile (slika 4) ali drugo obliko tesnil.Ta blazinica, izdelana na skoraj enak način pri več proizvajalcih, je zelo prizanesljiva.Sestavljen je iz nazobčanih kovinskih obročev, stisnjenih med mehke, deformabilne tesnilne materiale.Zobje koncentrirajo obremenitev vijaka na manjšem območju, da zagotovijo tesno prileganje z manjšo obremenitvijo.Zasnovan je tako, da lahko kompenzira neravne površine prirobnic in nihajoče pogoje delovanja.
Slika 4. Tesnila Kammprofile imajo kovinsko jedro, obojestransko spojeno z mehkim polnilom.
Drug pomemben dejavnik celovitosti sistema je ventil.Puščanje okrog tesnila stebla in prirobnic karoserije je resen problem.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 tolerance pri izdelavi, korozijo in mehanske tolerance v skladu z ASTM A106 Gr B, je največji dovoljeni delovni tlak (MAWP) mogoče izračunati 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 se poslabšajo, ko temperatura preseže 300ºF.(S), zato enačba (1) zahteva prilagoditev temperaturam nad 300ºF.)
Glede na formulo (1) je prvi korak izračun teoretičnega porušitvenega tlaka cevovoda.
T = debelina stene cevi brez mehanskih, korozijskih in proizvodnih toleranc, v palcih.
Drugi del postopka je izračun najvišjega dovoljenega delovnega tlaka Pa cevovoda z uporabo varnostnega faktorja S f na rezultat P v skladu z enačbo (2):
Tako se pri uporabi 1″ materiala School 80 tlak porušitve izračuna na naslednji način:
Nato se uporabi varnostni Sf 4 v skladu s priporočili ASME za tlačne posode, razdelek VIII-1 2019, odstavek 8. UG-101 se izračuna na naslednji način:
Končna vrednost MAWP je 810 psi.palec se nanaša samo na cev.Prirobnični priključek ali komponenta z najnižjo oceno v sistemu bo odločilni dejavnik pri določanju dovoljenega tlaka v sistemu.
V skladu z ASME B16.5 je največji dovoljeni delovni tlak za 150 prirobničnih priključkov iz ogljikovega jekla 285 psi.palcev pri -20°F do 100°F.Razred 300 ima največji dovoljeni delovni tlak 740 psi.To bo mejni faktor tlaka sistema glede na spodnji primer specifikacije materiala.Tudi samo pri hidrostatičnih preskusih lahko te vrednosti presežejo 1,5-krat.
Kot primer osnovne specifikacije materiala iz ogljikovega jekla je specifikacija servisnega voda za plin H2, ki deluje pri temperaturi okolja pod projektnim tlakom 740 psi.palca, lahko vsebuje zahteve glede materiala, prikazane v tabeli 2. Sledijo tipi, ki jih je morda treba vključiti v specifikacijo:
Poleg samega cevovoda obstaja veliko elementov, ki sestavljajo cevovodni sistem, kot so fitingi, ventili, cevna oprema itd. Medtem ko bo veliko teh elementov sestavljenih v cevovodu, da bi o njih podrobno razpravljali, bo to zahtevalo več strani, kot jih je mogoče sprejeti.Ta članek.