Tinjauan ieu nyayogikeun saran pikeun desain sistem pipa anu aman pikeun distribusi hidrogén.
Hidrogén nyaéta cairan anu volatil pisan sareng kacenderungan luhur bocor.Ieu mangrupakeun kombinasi pisan bahaya sarta deadly of tendencies, cairan volatile nu hese ngadalikeun.Ieu mangrupikeun tren anu kedah dipertimbangkeun nalika milih bahan, gasket sareng segel, ogé ciri desain sistem sapertos kitu.Topik-topik ngeunaan distribusi gas H2 anu jadi fokus diskusi ieu, lain produksi H2, cair H2, atawa cair H2 (tingali sidebar katuhu).
Ieu sababaraha titik konci pikeun ngabantosan anjeun ngartos campuran hidrogén sareng H2-hawa.Hidrogen kaduruk ku dua cara: deflagration sareng ledakan.
deflagration.Deflagrasi nyaéta mode durukan umum dimana seuneu ngarambat ngaliwatan campuran dina laju subsonik.Ieu lumangsung, contona, nalika awan bébas tina campuran hidrogén-hawa dihurungkeun ku sumber ignition leutik.Dina hal ieu, seuneu bakal gerak dina laju sapuluh nepi ka sababaraha ratus suku per detik.Ékspansi gancang gas panas nyiptakeun gelombang tekanan anu kakuatanana sabanding jeung ukuran awan.Dina sababaraha kasus, gaya gelombang shock bisa cukup pikeun ngaruksak struktur wangunan jeung objék séjén dina jalur sarta ngabalukarkeun tatu.
ngabeledug.Nalika eta ngabeledug, seuneu jeung gelombang shock ngarambat ngaliwatan campuran dina speeds supersonik.Rasio tekanan dina gelombang detonasi langkung ageung tibatan detonasi.Kusabab kakuatan ngaronjat, ngabeledugna leuwih bahaya pikeun jalma, wangunan jeung objék caket dieu.Deflagrasi normal ngabalukarkeun ngabeledug nalika hurung dina rohangan anu terbatas.Di daérah anu sempit sapertos kitu, ignition tiasa disababkeun ku jumlah énergi anu pangsaeutikna.Tapi pikeun detonation tina campuran hidrogén-hawa dina spasi taya, sumber ignition leuwih kuat diperlukeun.
Rasio tekanan dina gelombang detonasi dina campuran hidrogén-hawa kira-kira 20. Dina tekanan atmosfir, rasio 20 nyaéta 300 psi.Nalika gelombang tekanan ieu tabrakan sareng obyék stasioner, rasio tekanan naék kana 40-60.Ieu alatan pantulan gelombang tekanan tina halangan stasioner.
Kacenderungan bocor.Kusabab viskositasna anu rendah sareng beurat molekul anu rendah, gas H2 gaduh kacenderungan anu luhur pikeun bocor bahkan nembus atanapi nembus sababaraha bahan.
Hidrogen 8 kali langkung hampang tibatan gas alam, 14 kali langkung hampang tibatan hawa, 22 kali langkung hampang tibatan propana sareng 57 kali langkung hampang tibatan uap béngsin.Ieu ngandung harti yén nalika dipasang di luar, gas H2 bakal gancang naek sarta dissipate, ngurangan sagala tanda malah leaks.Tapi bisa jadi pedang dua sisi.Ledakan tiasa lumangsung upami las kedah dilakukeun dina pamasangan luar di luhur atanapi ka handap angin tina bocor H2 tanpa kajian deteksi bocor sateuacan las.Dina spasi enclosed, gas H2 bisa naek sarta ngumpulkeun ti siling ka handap, kaayaan anu ngamungkinkeun pikeun ngawangun nepi ka volume badag saméméh jadi leuwih gampang datang kana kontak jeung sumber ignition deukeut taneuh.
Seuneu teu kahaja.Ngahurungkeun diri nyaéta fénoména dimana campuran gas atawa uap hurung sacara spontan tanpa sumber panyalaan éksternal.Éta ogé katelah "durukan spontan" atanapi "durukan spontan".Self-ignition gumantung kana suhu, teu tekanan.
Suhu autoignition nyaéta suhu minimum nalika suluh bakal hurung sacara spontan sateuacan dihurungkeun dina henteuna sumber panyalaan éksternal nalika kontak sareng hawa atanapi agén pangoksidasi.Suhu autoignition tina bubuk tunggal nyaéta suhu dimana éta sacara spontan hurung dina henteuna agén pangoksidasi.Suhu timer ignition gas H2 dina hawa nyaéta 585 ° C.
Énergi ignition nyaéta énergi anu dipikabutuh pikeun ngamimitian rambatan seuneu ngaliwatan campuran anu tiasa kaduruk.Énergi ignition minimum nyaéta énergi minimum anu diperyogikeun pikeun ngahurungkeun campuran anu tiasa kaduruk dina suhu sareng tekanan anu tangtu.Énergi nyala api minimum pikeun gas H2 dina 1 atm hawa = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Watesan ngabeledug nyaéta konséntrasi maksimum jeung minimum tina uap, halimun atawa lebu dina hawa atawa oksigén nalika ledakan lumangsung.Ukuran jeung géométri lingkungan, kitu ogé konsentrasi suluh, ngadalikeun wates."Wates ledakan" kadangkala dipake salaku sinonim pikeun "wates ledakan".
Watesan ngabeledug pikeun campuran H2 dina hawa nyaéta 18,3 vol.% (wates handap) jeung 59 vol.% (wates luhur).
Nalika ngarancang sistem perpipaan (Gambar 1), léngkah munggaran nyaéta pikeun nangtukeun bahan wangunan anu dipikabutuh pikeun unggal jinis cairan.Sarta unggal cairan bakal digolongkeun luyu jeung ASME B31.3 paragraf.300 (b) (1) nyatakeun, "Juragan ogé tanggung jawab pikeun nangtukeun kelas D, M, tekanan tinggi, sareng pipa kemurnian tinggi, sareng nangtoskeun naha sistem kualitas khusus kedah dianggo."
Kategorisasi cairan netepkeun darajat tés sareng jinis tés anu diperyogikeun, ogé seueur syarat sanés dumasar kana kategori cairan.Tanggung jawab nu boga pikeun ieu biasana tumiba ka jurusan rékayasa nu boga atawa insinyur outsourced.
Bari B31.3 Prosés Piping Code teu ngabejaan nu boga bahan mana anu dipaké pikeun cairan husus, éta nyadiakeun hidayah on kakuatan, ketebalan, sarta syarat sambungan bahan.Aya ogé dua pernyataan dina bubuka kode anu jelas nyatakeun:
Sareng dilegakeun paragraf kahiji di luhur, paragraf B31.3.300(b)(1) ogé nyatakeun: "Pamilik instalasi pipa ngan ukur tanggung jawab pikeun patuh kana Kode ieu sareng pikeun netepkeun desain, konstruksi, pamariksaan, pamariksaan, sareng syarat tés anu ngatur sadaya penanganan cairan atanapi prosés dimana pipa mangrupikeun bagian.Pamasangan.”Janten, saatos netepkeun sababaraha aturan dasar pikeun tanggung jawab sareng syarat pikeun nangtukeun kategori jasa cairan, hayu urang tingali dimana gas hidrogén cocog.
Kusabab gas hidrogén tindakan salaku cair volatile kalawan leaks, gas hidrogén bisa dianggap cairan normal atawa cairan Kelas M dina kategori B31.3 pikeun layanan cair.Sakumaha didadarkeun di luhur, klasifikasi penanganan cairan mangrupa sarat boga, disadiakeun eta meets tungtunan pikeun kategori dipilih dijelaskeun dina B31.3, paragraf 3. 300.2 Definisi dina bagian "Jasa hidrolik".Ieu di handap definisi pikeun layanan cairan normal sareng jasa cairan Kelas M:
"Layanan Cairan Normal: Ladenan cairan lumaku pikeun kalolobaan pipa anu tunduk kana kode ieu, nyaéta henteu tunduk kana peraturan pikeun kelas D, M, suhu luhur, tekanan tinggi, atanapi kabersihan cairan anu luhur.
(1) Toksisitas cairan anu ageung pisan sahingga paparan tunggal ka jumlah anu sakedik pisan tina cairan anu disababkeun ku bocor tiasa nyababkeun tatu permanén anu serius pikeun jalma anu nyeuseup atanapi ngahubungan sareng éta, sanaos tindakan pamulihan langsung dilaksanakeun.dicandak
(2) Saatos nimbangkeun desain pipa, pangalaman, kaayaan operasi, sareng lokasi, pamilik nangtukeun yén sarat pikeun panggunaan normal cairan henteu cekap pikeun nyayogikeun ketat anu dipikabutuh pikeun ngajagaan tanaga tina paparan.”
Dina harti M di luhur, gas hidrogén henteu nyumponan kritéria paragraf (1) sabab henteu dianggap cairan beracun.Sanajan kitu, ku nerapkeun subsection (2), Code ngidinan klasifikasi sistem hidrolik di kelas M sanggeus tinimbangan alatan "... desain pipa, pangalaman, kaayaan operasi sarta lokasi ..." Nu boga idin pikeun nangtukeun penanganan cairan normal.Saratna henteu cekap pikeun nyumponan kabutuhan tingkat integritas anu langkung luhur dina desain, konstruksi, pamariksaan, pamariksaan sareng uji sistem pipa gas hidrogén.
Punten tingal Tabél 1 sateuacan ngabahas Korosi Hidrogen Suhu Tinggi (HTHA).Kodeu, standar, sareng peraturan didaptarkeun dina tabel ieu, anu kalebet genep dokumén ngeunaan topik embrittlement hidrogen (HE), anomali korosi umum anu kalebet HTHA.OH bisa lumangsung dina suhu low jeung luhur.Dianggap wangun korosi, éta bisa dimimitian ku sababaraha cara sarta ogé mangaruhan rupa-rupa bahan.
HE boga rupa-rupa wangun, nu bisa dibagi kana hidrogén cracking (HAC), hidrogén stress cracking (HSC), stress korosi cracking (SCC), hidrogén korosi cracking (HACC), hidrogén bubbling (HB), hidrogén cracking (HIC).)), stress oriented hydrogen cracking (SOHIC), progressive cracking (SWC), sulfida stress cracking (SSC), soft zone cracking (SZC), jeung high temperature hydrogen corrosion (HTHA).
Dina bentuk pangbasajanna, embrittlement hidrogén nyaéta mékanisme pikeun ngancurkeun wates sisikian logam, hasilna ngurangan ductility alatan penetrasi hidrogén atom.Cara lumangsungna ieu rupa-rupa sarta sabagean didefinisikeun ku ngaran masing-masing, kayaning HTHA, dimana suhu luhur sakaligus hidrogén tekanan tinggi diperlukeun pikeun embrittlement, sarta SSC, dimana hidrogén atom dihasilkeun salaku gas-tutup sarta hidrogén.alatan korosi asam, aranjeunna seep kana kasus logam, nu bisa ngakibatkeun brittleness.Tapi hasil sakabéh sarua jeung sakabeh kasus embrittlement hidrogén ditétélakeun di luhur, dimana kakuatan logam diréduksi ku embrittlement handap rentang stress allowable na, anu dina gilirannana susunan panggung pikeun acara berpotensi catastrophic dibere volatility cairan.
Salian ketebalan témbok jeung kinerja gabungan mékanis, aya dua faktor utama mertimbangkeun lamun milih bahan pikeun layanan gas H2: 1. Paparan ka hidrogén suhu luhur (HTHA) jeung 2. perhatian serius ngeunaan leakage poténsial.Duanana topik ayeuna nuju dibahas.
Teu kawas hidrogén molekular, hidrogén atom bisa ngalegaan, exposing hidrogén ka suhu jeung tekenan luhur, nyieun dasar pikeun poténsi HTHA.Dina kaayaan ieu, hidrogén atom bisa diffuse kana bahan pipa baja karbon atawa parabot, dimana eta meta jeung karbon dina leyuran logam pikeun ngabentuk gas métana dina wates sisikian.Teu bisa kabur, gas expands, nyieun retakan na crevices dina dinding pipa atawa kapal - ieu HTGA.Anjeun tiasa jelas ningali hasil HTHA dina Gambar 2 dimana retakan sareng retakan dibuktikeun dina témbok 8″.Bagian tina pipa ukuran nominal (NPS) anu gagal dina kaayaan ieu.
Baja karbon bisa dipaké pikeun layanan hidrogén lamun suhu operasi dijaga handap 500 ° F.Sakumaha didadarkeun di luhur, HTHA lumangsung nalika gas hidrogén dicekel dina tekanan parsial luhur jeung suhu luhur.Baja karbon henteu disarankeun nalika tekanan parsial hidrogén diperkirakeun sakitar 3000 psi sareng suhu di luhur sakitar 450 ° F (anu mangrupikeun kaayaan kacilakaan dina Gambar 2).
Salaku bisa ditempo ti plot Nelson dirobah dina Gambar 3, sabagean dicokot tina API 941, hawa tinggi boga pangaruh greatest on hidrogén forcing.Tekanan parsial gas hidrogén tiasa ngaleuwihan 1000 psi nalika dianggo sareng baja karbon anu beroperasi dina suhu dugi ka 500 ° F.
Angka 3. Bagan Nelson anu dirobih ieu (diadaptasi tina API 941) tiasa dianggo pikeun milih bahan anu cocog pikeun jasa hidrogén dina sababaraha suhu.
Dina Gbr.3 nembongkeun pilihan steels nu dijamin ulah serangan hidrogén, gumantung kana suhu operasi sarta tekanan parsial hidrogén.Baja tahan karat Austenitik henteu peka kana HTHA sareng mangrupikeun bahan anu nyugemakeun dina sagala suhu sareng tekanan.
Austenitic 316 / 316L stainless steel mangrupakeun bahan paling praktis pikeun aplikasi hidrogén sarta boga catetan lagu kabuktian.Bari perlakuan panas pos-weld (PWHT) dianjurkeun pikeun steels karbon ka calcinate residual hidrogén salila las sarta ngurangan karasa zone kapangaruhan panas (HAZ) sanggeus las, teu diperlukeun pikeun steels stainless austenitic.
Balukar termothermal disababkeun ku perlakuan panas sareng las gaduh sakedik pangaruh kana sipat mékanis tina stainless steels austenitic.Tapi, kerja tiis tiasa ningkatkeun sipat mékanis tina stainless steels austenitic, sapertos kakuatan sareng karasa.Nalika ngabengkokkeun sareng ngabentuk pipa tina stainless steel austenitic, sipat mékanisna robih, kalebet panurunan plastisitas bahan.
Lamun stainless steel austenitic merlukeun ngabentuk tiis, annealing solusi (pemanasan nepi ka kurang leuwih 1045 ° C dituturkeun ku quenching atawa cooling gancang) bakal mulangkeun sipat mékanis bahan kana nilai aslina.Ogé bakal ngaleungitkeun segregation alloy, sensitization jeung fase sigma kahontal sanggeus digawé tiis.Nalika ngalakukeun annealing solusi, perhatikeun yén cooling gancang tiasa nempatkeun setrés sésa deui kana bahan upami henteu diurus leres.
Tingal tabel GR-2.1.1-1 Piping na Tubing Majelis Bahan Spésifikasi Index na GR-2.1.1-2 Piping Bahan Spésifikasi Index di ASME B31 pikeun pilihan bahan ditarima pikeun layanan H2.pipa mangrupakeun tempat nu sae pikeun ngamimitian.
Kalayan beurat atom standar 1,008 unit massa atom (amu), hidrogén mangrupa unsur pangleutikna sarta pangleutikna dina tabel periodik, sarta ku kituna boga propensity luhur bocor, kalawan konsékuansi berpotensi dahsyat, abdi tiasa nambahkeun.Ku alatan éta, sistem pipa gas kudu dirancang ku cara pikeun ngawatesan sambungan tipe mékanis jeung ningkatkeun sambungan nu bener diperlukeun.
Nalika ngawatesan titik bocor poténsial, sistem kudu pinuh dilas, iwal sambungan flanged on parabot, elemen pipa na fittings.Sambungan threaded kudu dihindari sajauh mungkin, lamun teu lengkep.Lamun sambungan threaded teu bisa dihindari pikeun alesan naon, eta disarankeun pikeun pinuh kalibet aranjeunna tanpa sealant thread lajeng ngégél weld nu.Nalika nganggo pipa baja karbon, sambungan pipa kedah dilas sareng dilas saatos perlakuan panas (PWHT).Saatos las, pipa di zona kapangaruhan panas (HAZ) kakeunaan serangan hidrogén sanajan dina suhu ambient.Bari serangan hidrogén lumangsung utamana dina suhu luhur, tahap PWHT sagemblengna bakal ngurangan, upami teu ngaleungitkeun, kamungkinan ieu malah dina kaayaan ambient.
Titik lemah tina sistem sadaya-las nyaéta sambungan flange.Pikeun mastikeun tingkat luhur tightness dina sambungan flange, gaskets Kammprofile (gbr. 4) atawa formulir sejen tina gaskets kudu dipaké.Dijieun dina cara anu ampir sami ku sababaraha pabrik, pad ieu ngahampura pisan.Ieu diwangun ku cingcin sadaya-logam toothed sandwiched antara lemes, bahan sealing deformable.Huntu konsentrasi beban baud di daérah anu langkung alit pikeun nyayogikeun pas anu ketat sareng sakedik setrés.Éta dirarancang ku cara anu tiasa ngimbangan permukaan flange anu henteu rata ogé kaayaan operasi anu fluktuatif.
angka 4. gaskets Kammprofile boga inti logam kabeungkeut dina dua sisi jeung filler lemes.
Faktor penting séjén dina integritas sistem nyaéta klep.Bocor di sabudeureun segel bobot sareng flanges awak mangrupikeun masalah anu nyata.Pikeun nyegah ieu, disarankeun pikeun milih klep kalayan segel bellows.
Paké 1 inci.Sakola 80 pipa baja karbon, dina conto urang di handap, dibere tolerances manufaktur, korosi jeung tolerances mékanis luyu jeung ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum allowable (MAWP) bisa diitung dina dua hambalan dina suhu nepi ka 300 ° F (Catetan: Alesan pikeun "... pikeun suhu nepi ka 300ºF ..." nyaeta kusabab suhu diijinkeun tina bahan baku ASTM A1 (S) ATM A100 (S) 300ºF.(S), jadi Persamaan (1) merlukeun Saluyukeun suhu luhur 300ºF.)
Ngarujuk kana rumus (1), léngkah munggaran nyaéta ngitung tekanan burst téoritis pipa.
T = ketebalan témbok pipa dikurangan mékanis, korosi jeung manufaktur tolerances, dina inci.
Bagian kadua prosés nyaéta ngitung tekanan kerja maksimum anu diidinan Pa tina pipa ku cara nerapkeun faktor kaamanan S f kana hasil P nurutkeun persamaan (2):
Ku kituna, nalika ngagunakeun 1″ bahan sakola 80, tekanan burst diitung saperti kieu:
Kasalametan Sf tina 4 lajeng diterapkeun luyu jeung ASME Pressure Vessel Rekomendasi Bagian VIII-1 2019, Ayat 8. UG-101 diitung saperti kieu:
Nilai MAWP anu dihasilkeun nyaéta 810 psi.inci nujul kana pipa wungkul.Sambungan flange atawa komponén kalawan rating panghandapna dina sistem bakal faktor nangtukeun dina nangtukeun tekanan allowable dina sistem.
Per ASME B16.5, tekanan kerja maksimum anu diidinan pikeun 150 fittings flange baja karbon nyaéta 285 psi.inci dina -20 ° F nepi ka 100 ° F.Kelas 300 ngagaduhan tekanan kerja anu diidinan maksimal 740 psi.Ieu bakal faktor wates tekanan tina sistem nurutkeun conto spésifikasi bahan handap.Ogé, ngan dina tés hidrostatik, nilai ieu tiasa ngaleuwihan 1,5 kali.
Salaku conto spésifikasi bahan baja karbon dasar, spésifikasi garis layanan gas H2 beroperasi dina suhu ambient handap tekanan desain 740 psi.inci, bisa ngandung sarat bahan ditémbongkeun dina Table 2. Di handap ieu mangrupakeun jenis nu bisa merlukeun perhatian pikeun kaasup kana spésifikasi nu:
Sajaba ti piping sorangan, aya loba elemen anu ngawangun sistem piping kayaning fittings, valves, alat-alat garis, jsb Bari loba elemen ieu bakal nunda babarengan dina pipa pikeun ngabahas aranjeunna di jéntré, ieu bakal merlukeun leuwih kaca ti bisa diakomodir.Artikel ieu.