Овај преглед даје препоруке за безбедно пројектовање система цевовода за дистрибуцију водоника.
Водоник је веома испарљива течност са великом тенденцијом цурења.То је веома опасна и смртоносна комбинација тенденција, испарљива течност коју је тешко контролисати.Ово су трендови које треба узети у обзир при избору материјала, заптивки и заптивки, као и карактеристике дизајна таквих система.Ове теме о дистрибуцији гасовитог Х2 су фокус ове дискусије, а не производња Х2, течног Х2 или течног Х2 (погледајте десну бочну траку).
Ево неколико кључних тачака које ће вам помоћи да разумете мешавину водоника и Х2-ваздуха.Водоник гори на два начина: дефлаграцијом и експлозијом.
дефлаграција.Дефлаграција је уобичајен начин сагоревања у коме пламен путује кроз смешу подзвучним брзинама.Ово се дешава, на пример, када се слободни облак мешавине водоника и ваздуха запали малим извором паљења.У овом случају, пламен ће се кретати брзином од десет до неколико стотина стопа у секунди.Брзо ширење врелог гаса ствара таласе притиска чија је снага пропорционална величини облака.У неким случајевима, сила ударног таласа може бити довољна да оштети грађевинске конструкције и друге објекте на свом путу и ​​изазове повреде.
експлодирати.Када је експлодирала, пламен и ударни таласи су путовали кроз смешу суперзвучним брзинама.Однос притиска у детонационом таласу је много већи него у детонационом.Због повећане јачине, експлозија је опаснија за људе, зграде и оближње објекте.Нормална дефлаграција изазива експлозију када се запали у скученом простору.У тако уском подручју, паљење може бити узроковано најмањом количином енергије.Али за детонацију мешавине водоник-ваздух у неограниченом простору потребан је моћнији извор паљења.
Однос притиска преко детонационог таласа у мешавини водоник-ваздух је око 20. На атмосферском притиску, однос од 20 је 300 пси.Када се овај талас притиска судари са стационарним објектом, однос притиска се повећава на 40-60.То је због рефлексије таласа притиска од стационарне препреке.
Склоност цурењу.Због ниског вискозитета и мале молекуларне тежине, гас Х2 има велику тенденцију цурења, па чак и прожимања или продирања у различите материјале.
Водоник је 8 пута лакши од природног гаса, 14 пута лакши од ваздуха, 22 пута лакши од пропана и 57 пута лакши од бензинске паре.То значи да када се инсталира на отвореном, гас Х2 ће се брзо подићи и распршити, смањујући све знаке чак и цурења.Али то може бити мач са две оштрице.Може доћи до експлозије ако се заваривање изводи на спољашњој инсталацији изнад или низ ветар од цурења Х2 без студије детекције цурења пре заваривања.У затвореном простору, гас Х2 може да се подиже и акумулира од плафона надоле, што је услов који му омогућава да се повећа до великих количина пре него што је већа вероватноћа да дође у контакт са изворима паљења у близини земље.
Случајни пожар.Самозапаљење је појава у којој се мешавина гасова или пара спонтано запали без спољашњег извора паљења.Такође је познато као "спонтано сагоревање" или "спонтано сагоревање".Самозапаљење зависи од температуре, а не притиска.
Температура самозапаљења је минимална температура на којој ће се гориво спонтано запалити пре паљења у одсуству спољашњег извора паљења након контакта са ваздухом или оксидационим агенсом.Температура самозапаљења једног праха је температура на којој се он спонтано запали у одсуству оксидационог агенса.Температура самозапаљења гасовитог Х2 у ваздуху је 585°Ц.
Енергија паљења је енергија потребна за покретање ширења пламена кроз запаљиву смешу.Минимална енергија паљења је минимална енергија потребна за паљење одређене запаљиве смеше на одређеној температури и притиску.Минимална енергија паљења варницом за гасовиту Х2 у 1 атм ваздуха = 1,9 × 10–8 БТУ (0,02 мЈ).
Границе експлозивности су максималне и минималне концентрације пара, магле или прашине у ваздуху или кисеонику при којима долази до експлозије.Величина и геометрија околине, као и концентрација горива, контролишу границе.„Граница експлозије“ се понекад користи као синоним за „границу експлозије“.
Границе експлозивности за смеше Х2 у ваздуху су 18,3 вол.% (доња граница) и 59 вол.% (горња граница).
Приликом пројектовања система цевовода (слика 1), први корак је одређивање грађевинских материјала потребних за сваку врсту течности.И свака течност ће бити класификована у складу са ставом АСМЕ Б31.3.300(б)(1) каже: „Власник је такође одговоран за одређивање класе Д, М, цевовода високог притиска и високе чистоће и одређивање да ли треба користити одређени систем квалитета.“
Категоризација течности дефинише степен тестирања и врсту потребног тестирања, као и многе друге захтеве на основу категорије течности.Одговорност власника за ово обично пада на инжењерско одељење власника или спољни инжењер.
Иако Б31.3 Кодекс за процесне цевоводе не говори власнику који материјал да користи за одређени флуид, он пружа смернице о чврстоћи, дебљини и захтевима за повезивање материјала.Такође постоје две изјаве у уводу кода које јасно наводе:
И проширите први пасус изнад, параграф Б31.3.300(б)(1) такође каже: „Власник инсталације цевовода искључиво је одговоран за поштовање овог Кодекса и за успостављање захтева за пројектовање, конструкцију, инспекцију, инспекцију и тестирање који регулишу руковање свим флуидима или процесе чији је цевовод део.Инсталација.”Дакле, након што смо поставили нека основна правила за одговорност и захтеве за дефинисање категорија услуга флуида, хајде да видимо где се уклапа водоник.
Пошто гас водоник делује као испарљива течност са цурењем, водоник се може сматрати нормалном течношћу или течношћу класе М под категоријом Б31.3 за течне услуге.Као што је горе наведено, класификација руковања течностима је захтев власника, под условом да испуњава смернице за изабране категорије описане у Б31.3, параграф 3. 300.2 Дефиниције у одељку „Хидрауличне услуге“.Следе дефиниције за нормалан сервис течности и сервис течности класе М:
„Нормални сервис течности: Сервис течности који се примењује на већину цевовода који подлежу овом коду, тј. не подлежу прописима за класе Д, М, високе температуре, високог притиска или високе чистоће течности.
(1) Токсичност течности је толико велика да једнократно излагање веома малој количини течности изазвано цурењем може изазвати озбиљне трајне повреде код оних који је удишу или долазе у контакт са њом, чак и ако се предузму хитне мере опоравка.узети
(2) Након разматрања дизајна цевовода, искуства, услова рада и локације, власник утврђује да захтеви за нормално коришћење течности нису довољни да обезбеде непропусност неопходну за заштиту особља од излагања.”
У горњој дефиницији М, гас водоник не испуњава критеријуме из става (1) јер се не сматра токсичном течношћу.Међутим, применом пододељка (2), Кодекс дозвољава класификацију хидрауличних система у класу М након дужног разматрања „…дизајна цеви, искуства, услова рада и локације…” Власник дозвољава одређивање нормалног руковања флуидима.Захтеви су недовољни да задовоље потребу за вишим нивоом интегритета у пројектовању, изградњи, инспекцији, инспекцији и испитивању система цевовода за водоник.
Молимо погледајте табелу 1 пре него што разговарате о високотемпературној водоничној корозији (ХТХА).Кодекси, стандарди и прописи наведени су у овој табели, која укључује шест докумената на тему кртости водоником (ХЕ), уобичајене аномалије корозије која укључује ХТХА.ОХ се може јавити на ниским и високим температурама.Сматра се обликом корозије, може се покренути на неколико начина и такође утицати на широк спектар материјала.
ХЕ има различите облике, који се могу поделити на пуцање водоником (ХАЦ), пуцање водоничним стресом (ХСЦ), пуцање од корозије под напоном (СЦЦ), пуцање од корозије водоника (ХАЦЦ), пуцање водоника (ХБ), пуцање водоника (ХИЦ).)), пуцање водоника усмерено на напрезање (СОХИЦ), прогресивно пуцање (СВЦ), пуцање под напоном сулфида (ССЦ), пуцање меке зоне (СЗЦ) и корозија водоника на високим температурама (ХТХА).
У свом најједноставнијем облику, водонично крхкост је механизам за уништавање граница зрна метала, што резултира смањеном дуктилношћу услед продирања атомског водоника.Начини на које се то дешава су различити и делимично су дефинисани њиховим одговарајућим називима, као што су ХТХА, где је истовремено потребан водоник високе температуре и високог притиска за кртост, и ССЦ, где се атомски водоник производи као затворени гасови и водоник.због киселе корозије, продиру у метална кућишта, што може довести до ломљивости.Али укупан резултат је исти као и за све горе описане случајеве водоничне кртости, где је чврстоћа метала смањена кртошћу испод дозвољеног опсега напона, што заузврат поставља сцену за потенцијално катастрофалан догађај с обзиром на испарљивост течности.
Поред дебљине зида и перформанси механичких спојева, постоје два главна фактора која треба узети у обзир при одабиру материјала за Х2 гас: 1. Изложеност водонику на високој температури (ХТХА) и 2. Озбиљна забринутост због потенцијалног цурења.Обе теме су тренутно у дискусији.
За разлику од молекуларног водоника, атомски водоник може да се шири, излажући водоник високим температурама и притисцима, стварајући основу за потенцијални ХТХА.Под овим условима, атомски водоник је у стању да дифундује у материјале или опрему за цеви од угљеничног челика, где реагује са угљеником у металном раствору и формира гас метан на границама зрна.Не може да побегне, гас се шири, стварајући пукотине и пукотине у зидовима цеви или посуда – ово је ХТГА.Можете јасно видети резултате ХТХА на слици 2 где су пукотине и пукотине очигледне у зиду од 8 инча.Део цеви номиналне величине (НПС) који поквари под овим условима.
Угљенични челик се може користити за сервис водоника када се радна температура одржава испод 500°Ф.Као што је горе поменуто, ХТХА се јавља када се гас водоник држи под високим парцијалним притиском и високом температуром.Угљенични челик се не препоручује када се очекује да ће парцијални притисак водоника бити око 3000 пси и температура изнад око 450°Ф (што је услов несреће на слици 2).
Као што се може видети из модификованог Нелсоновог дијаграма на слици 3, делимично преузетог из АПИ 941, висока температура има највећи утицај на форсирање водоника.Парцијални притисак водоника може премашити 1000 пси када се користи са угљеничним челицима који раде на температурама до 500°Ф.
Слика 3. Ова модификована Нелсонова табела (прилагођена из АПИ 941) може се користити за одабир одговарајућих материјала за употребу водоника на различитим температурама.
На сл.3 приказује избор челика који гарантовано избегавају напад водоника, у зависности од радне температуре и парцијалног притиска водоника.Аустенитни нерђајући челици су неосетљиви на ХТХА и задовољавајући су материјали на свим температурама и притисцима.
Аустенитни нерђајући челик 316/316Л је најпрактичнији материјал за примену водоника и има доказано искуство.Док се топлотна обрада после заваривања (ПВХТ) препоручује за угљеничне челике за калцинацију заосталог водоника током заваривања и смањење тврдоће зоне под утицајем топлоте (ХАЗ) након заваривања, то није потребно за аустенитне нерђајуће челике.
Термотермички ефекти изазвани топлотном обрадом и заваривањем имају мали утицај на механичка својства аустенитних нерђајућих челика.Међутим, хладна обрада може побољшати механичка својства аустенитних нерђајућих челика, као што су чврстоћа и тврдоћа.Приликом савијања и формирања цеви од аустенитног нерђајућег челика, њихова механичка својства се мењају, укључујући смањење пластичности материјала.
Ако аустенитни нерђајући челик захтева хладно обликовање, жарење раствора (загревање на приближно 1045°Ц праћено гашењем или брзим хлађењем) ће вратити механичка својства материјала на њихове оригиналне вредности.Такође ће елиминисати сегрегацију легуре, сензибилизацију и сигма фазу постигнуту након хладног рада.Када вршите жарење раствором, имајте на уму да брзо хлађење може вратити заостало напрезање у материјал ако се њиме не рукује правилно.
Погледајте табеле ГР-2.1.1-1 Индекс спецификације материјала за склоп цеви и цеви и ГР-2.1.1-2 Индекс спецификације материјала за цевовод у АСМЕ Б31 за прихватљиве изборе материјала за Х2 сервис.цеви су добро место за почетак.
Са стандардном атомском тежином од 1.008 јединица атомске масе (аму), водоник је најлакши и најмањи елемент у периодичној табели, и стога има велику склоност цурењу, са потенцијално разорним последицама, могао бих да додам.Због тога систем гасовода мора бити пројектован тако да ограничи прикључке механичког типа и побољша оне везе које су заиста потребне.
Приликом ограничавања потенцијалних места цурења, систем треба да буде потпуно заварен, осим прирубничких прикључака на опреми, елементима цевовода и фитингима.Навојне везе треба избегавати колико год је то могуће, ако не и потпуно.Ако се навојни спојеви не могу избећи из било ког разлога, препоручује се да их потпуно закачите без заптивача навоја, а затим заварите завар.Када користите цев од угљеничног челика, спојеви цеви морају бити сучеоно заварени и термички обрађени након заваривања (ПВХТ).Након заваривања, цеви у зони утицаја топлоте (ХАЗ) су изложене нападу водоника чак и на температури околине.Док се напад водоника дешава првенствено на високим температурама, фаза ПВХТ ће у потпуности смањити, ако не и елиминисати, ову могућност чак и под условима околине.
Слаба тачка потпуно завареног система је прирубнички спој.Да би се обезбедио висок степен непропусности у прирубничким спојевима, треба користити Каммпрофиле заптивке (сл. 4) или неки други облик заптивача.Направљен на скоро исти начин од стране неколико произвођача, овај јастучић је веома праштајући.Састоји се од зупчастих потпуно металних прстенова у сендвичу између меких, деформабилних заптивних материјала.Зуби концентришу оптерећење завртња на мањој површини да би обезбедили чврсто пријањање уз мање напрезања.Дизајниран је на такав начин да може да компензује неравне површине прирубница као и променљиве услове рада.
Слика 4. Каммпрофилне заптивке имају метално језгро спојено са обе стране меким пунилом.
Још један важан фактор у интегритету система је вентил.Цурење око заптивке вретена и прирубница тела је прави проблем.Да бисте то спречили, препоручује се одабир вентила са мехом.
Користите 1 инч.Сцхоол 80 цеви од угљеничног челика, у нашем примеру испод, имајући у виду толеранције производње, корозије и механичке толеранције у складу са АСТМ А106 Гр Б, максимални дозвољени радни притисак (МАВП) се може израчунати у два корака на температурама до 300°Ф (Напомена: Разлог за „…за температуре до 300ºФ…” је зато што температура материјала за почетак АСТМ А10 премашује до 10 дозвољеног стреса). с 300ºФ.(С), тако да једначина (1) захтева подешавање на температуре изнад 300ºФ.)
Позивајући се на формулу (1), први корак је израчунавање теоријског притиска пуцања цевовода.
Т = дебљина зида цеви минус механичке, корозивне и производне толеранције, у инчима.
Други део процеса је израчунавање максималног дозвољеног радног притиска Па цевовода применом фактора сигурности С ф на резултат П према једначини (2):
Дакле, када се користи 1″ сцхоол 80 материјал, притисак пуцања се израчунава на следећи начин:
Сигурносни Сф од 4 се тада примењује у складу са АСМЕ препорукама за посуде под притиском, одељак ВИИИ-1 2019, параграф 8. УГ-101 се израчунава на следећи начин:
Добијена МАВП вредност је 810 пси.инч се односи само на цев.Прирубнички прикључак или компонента са најнижом оценом у систему биће одлучујући фактор у одређивању дозвољеног притиска у систему.
Према АСМЕ Б16.5, максимални дозвољени радни притисак за прирубничке арматуре од 150 угљеничног челика је 285 пси.инча на -20°Ф до 100°Ф.Класа 300 има максимални дозвољени радни притисак од 740 пси.Ово ће бити фактор ограничења притиска система према примеру спецификације материјала у наставку.Такође, само у хидростатичким испитивањима ове вредности могу премашити 1,5 пута.
Као пример основне спецификације материјала од угљеничног челика, спецификација Х2 гасне линије која ради на температури околине испод пројектованог притиска од 740 пси.инча, може садржати захтеве материјала приказане у табели 2. Следећи типови могу захтевати пажњу да буду укључени у спецификацију:
Осим самог цевовода, постоји много елемената који чине систем цевовода, као што су фитинзи, вентили, опрема за линију итд. Иако ће многи од ових елемената бити спојени у цевовод да би се о њима детаљно расправљало, ово ће захтевати више страница него што се може сместити.Овај чланак.