Tinjauan ieu nyayogikeun rekomendasi pikeun desain sistem perpipaan anu aman pikeun distribusi hidrogén.
Hidrogén nyaéta cairan anu gampang nguap kalayan kacenderungan bocor anu luhur. Éta mangrupikeun kombinasi kacenderungan anu bahaya pisan sareng fatal, cairan anu gampang nguap anu hésé dikontrol. Ieu mangrupikeun tren anu kedah dipertimbangkeun nalika milih bahan, gasket sareng segel, ogé karakteristik desain sistem sapertos kitu. Topik ngeunaan distribusi gas H2 ieu mangrupikeun fokus diskusi ieu, sanés produksi H2, H2 cair, atanapi H2 cair (tingali bilah sisi katuhu).
Ieu sababaraha poin konci pikeun ngabantosan anjeun ngartos campuran hidrogén sareng hawa H2. Hidrogén kaduruk dina dua cara: deflagrasi sareng ledakan.
deflagrasi. Deflagrasi nyaéta modeu durukan umum dimana seuneu ngaliwat campuran dina kecepatan subsonik. Ieu kajadian, contona, nalika awan campuran hidrogén-hawa bébas dihurungkeun ku sumber panyalaan leutik. Dina hal ieu, seuneu bakal gerak dina kecepatan sapuluh dugi ka sababaraha ratus kaki per detik. Ékspansi gas panas anu gancang nyiptakeun gelombang tekanan anu kakuatanana sabanding sareng ukuran awan. Dina sababaraha kasus, gaya gelombang kejut tiasa cekap pikeun ngaruksak struktur wangunan sareng objék sanés anu aya dina jalurna sareng nyababkeun tatu.
ngabeledug. Nalika ngabeledug, seuneu sareng gelombang kejut ngarambat ngaliwatan campuran dina kecepatan supersonik. Babandingan tekanan dina gelombang detonasi jauh langkung ageung tibatan dina detonasi. Kusabab gaya anu ningkat, ledakan langkung bahaya pikeun jalma, gedong sareng objék caket dieu. Deflagrasi normal nyababkeun ledakan nalika dihurungkeun dina rohangan anu sempit. Dina daérah anu sempit sapertos kitu, panyalaan tiasa disababkeun ku jumlah énergi anu paling saeutik. Tapi pikeun detonasi campuran hidrogén-hawa dina rohangan anu teu terbatas, sumber panyalaan anu langkung kuat diperyogikeun.
Babandingan tekanan dina gelombang detonasi dina campuran hidrogén-hawa nyaéta kira-kira 20. Dina tekenan atmosfir, babandingan 20 nyaéta 300 psi. Nalika gelombang tekanan ieu tabrakan jeung objék anu cicing, babandingan tekanan naék jadi 40-60. Ieu disababkeun ku pantulan gelombang tekanan tina halangan anu cicing.
Kacenderungan bocor. Kusabab viskositasna anu handap sareng beurat molekulna anu handap, gas H2 condong bocor sareng bahkan nembus atanapi nembus rupa-rupa bahan.
Hidrogén 8 kali leuwih hampang tibatan gas alam, 14 kali leuwih hampang tibatan hawa, 22 kali leuwih hampang tibatan propana, jeung 57 kali leuwih hampang tibatan uap bénsin. Ieu ngandung harti yén nalika dipasang di luar ruangan, gas H2 bakal gancang naék jeung leungit, ngurangan tanda-tanda bocor. Tapi éta bisa jadi pedang bermata dua. Ledakan bisa kajadian lamun pangelasan kudu dilakukeun dina pamasangan luar ruangan di luhur atawa ka handap ti bocor H2 tanpa studi deteksi bocor sateuacan dielas. Dina rohangan anu katutup, gas H2 bisa naék jeung akumulasi ti siling ka handap, kaayaan anu ngamungkinkeun éta pikeun ngawangun volume anu ageung sateuacan leuwih gampang kontak jeung sumber panyalaan deukeut taneuh.
Seuneu teu kahaja. Nyala sorangan nyaéta fénoména dimana campuran gas atanapi uap hurung sacara spontan tanpa sumber panyalaan ti luar. Ieu ogé katelah "durukan spontan" atanapi "durukan spontan". Nyala sorangan gumantung kana suhu, sanés tekanan.
Suhu autoignition nyaéta suhu minimum dimana bahan bakar bakal hurung sacara spontan sateuacan dihurungkeun tanpa aya sumber panyalaan éksternal nalika kontak sareng hawa atanapi agén pangoksidasi. Suhu autoignition tina hiji bubuk nyaéta suhu dimana éta hurung sacara spontan tanpa aya agén pangoksidasi. Suhu self-ignition gas H2 dina hawa nyaéta 585°C.
Énergi panyalaan nyaéta énergi anu diperyogikeun pikeun ngamimitian rambatan seuneu ngaliwatan campuran anu gampang kaduruk. Énergi panyalaan minimum nyaéta énergi minimum anu diperyogikeun pikeun ngaduruk campuran anu gampang kaduruk dina suhu sareng tekanan anu khusus. Énergi panyalaan percikan minimum pikeun gas H2 dina 1 atm hawa = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Wates ledakan nyaéta konsentrasi maksimum sareng minimum uap, halimun atanapi lebu dina hawa atanapi oksigén nalika ledakan lumangsung. Ukuran sareng géométri lingkungan, ogé konsentrasi bahan bakar, ngontrol wates éta. "Wates ledakan" kadang dianggo salaku sinonim pikeun "wates ledakan".
Wates ledakan pikeun campuran H2 dina hawa nyaéta 18,3 vol.% (wates handap) sareng 59 vol.% (wates luhur).
Nalika ngarancang sistem perpipaan (Gambar 1), léngkah munggaran nyaéta nangtukeun bahan wangunan anu diperyogikeun pikeun unggal jinis cairan. Sareng unggal cairan bakal diklasifikasikeun saluyu sareng paragraf ASME B31.3. 300(b)(1) nyatakeun, "Pamilik ogé tanggung jawab pikeun nangtukeun kelas D, M, tekanan tinggi, sareng perpipaan kemurnian tinggi, sareng nangtukeun naha sistem kualitas khusus kedah dianggo."
Kategorisasi cairan ngahartikeun tingkat uji coba sareng jinis uji coba anu diperyogikeun, ogé seueur sarat sanés dumasar kana kategori cairan. Tanggung jawab pamilik pikeun ieu biasana aya dina departemén rékayasa pamilik atanapi insinyur outsourcing.
Sanaos Kode Pipa Prosés B31.3 henteu ngawartosan pamilik bahan mana anu kedah dianggo pikeun cairan khusus, éta nyayogikeun pituduh ngeunaan kakuatan, ketebalan, sareng sarat sambungan bahan. Aya ogé dua pernyataan dina bubuka kode anu nyatakeun sacara jelas:
Sareng langkung jentrekeun paragraf kahiji di luhur, paragraf B31.3. 300(b)(1) ogé nyatakeun: "Nu boga pamasangan pipa tanggung jawab pinuh pikeun sasuai sareng Kode ieu sareng pikeun netepkeun sarat desain, konstruksi, pamariksaan, pamariksaan, sareng uji coba anu ngatur sadaya penanganan cairan atanapi prosés anu pipa mangrupikeun bagianna. Pamasangan." Janten, saatos netepkeun sababaraha aturan dasar pikeun tanggung jawab sareng sarat pikeun ngahartikeun kategori layanan cairan, hayu urang tingali dimana gas hidrogén cocog.
Kusabab gas hidrogén bertindak salaku cairan anu gampang nguap anu bocor, gas hidrogén tiasa dianggap cairan normal atanapi cairan Kelas M dina kategori B31.3 pikeun layanan cairan. Sakumaha anu parantos dijelaskeun di luhur, klasifikasi penanganan cairan mangrupikeun sarat pamilik, salami éta nyumponan pedoman pikeun kategori anu dipilih anu dijelaskeun dina B31.3, paragraf 3. 300.2 Définisi dina bagian "Layanan hidrolik". Di handap ieu definisi pikeun layanan cairan normal sareng layanan cairan Kelas M:
"Layanan Cairan Normal: Layanan cairan lumaku pikeun kalolobaan pipa anu tunduk kana kode ieu, nyaéta henteu tunduk kana peraturan pikeun kelas D, M, suhu luhur, tekanan luhur, atanapi kabersihan cairan luhur.
(1) Toksisitas cairan ieu kacida gedéna sahingga sakali kakeunaan saeutik pisan cairan anu disababkeun ku bocor tiasa nyababkeun tatu permanén anu serius ka jalma anu ngambeu atanapi kontak sareng éta, sanaos tindakan pamulihan langsung parantos dilaksanakeun.
(2) Saatos mertimbangkeun desain pipa, pangalaman, kaayaan operasi, sareng lokasi, nu boga nangtukeun yén sarat pikeun panggunaan normal cairan henteu cekap pikeun nyayogikeun kateguhan anu diperyogikeun pikeun ngajagi personil tina paparan.
Dina définisi M di luhur, gas hidrogén henteu nyumponan kriteria paragraf (1) sabab henteu dianggap cairan toksik. Nanging, ku cara nerapkeun subbagian (2), Kode ieu ngawenangkeun klasifikasi sistem hidrolik dina kelas M saatos mertimbangkeun "... desain pipa, pangalaman, kaayaan operasi sareng lokasi..." Nu boga ngawenangkeun nangtukeun penanganan cairan normal. Sarat-saratna henteu cekap pikeun nyumponan kabutuhan tingkat integritas anu langkung luhur dina desain, konstruksi, pamariksaan, pamariksaan sareng uji coba sistem pipa gas hidrogén.
Mangga tingali Tabel 1 sateuacan ngabahas Korosi Hidrogén Suhu Luhur (HTHA). Kodeu, standar, sareng peraturan didaptarkeun dina tabel ieu, anu kalebet genep dokumén ngeunaan topik kerapuhan hidrogén (HE), anomali korosi umum anu kalebet HTHA. OH tiasa kajantenan dina suhu anu handap sareng luhur. Dianggap salaku bentuk korosi, éta tiasa dimimitian ku sababaraha cara sareng ogé mangaruhan rupa-rupa bahan.
HE mibanda rupa-rupa bentuk, anu tiasa dibagi kana retakan hidrogén (HAC), retakan setrés hidrogén (HSC), retakan korosi setrés (SCC), retakan korosi hidrogén (HACC), gelembung hidrogén (HB), retakan hidrogén (HIC). )), retakan hidrogén berorientasi setrés (SOHIC), retakan progresif (SWC), retakan setrés sulfida (SSC), retakan zona lemes (SZC), sareng korosi hidrogén suhu luhur (HTHA).
Dina bentuk anu paling saderhana, kerapuhan hidrogén nyaéta mékanisme pikeun ngancurkeun wates butir logam, anu ngahasilkeun ngurangan daktilitas kusabab penetrasi hidrogén atom. Cara-cara ieu lumangsung rupa-rupa sareng sabagian ditetepkeun ku namina masing-masing, sapertos HTHA, dimana hidrogén suhu luhur sareng tekanan luhur sacara simultan diperyogikeun pikeun kerapuhan, sareng SSC, dimana hidrogén atom dihasilkeun salaku gas katutup sareng hidrogén. Kusabab korosi asam, éta nyerep kana wadah logam, anu tiasa nyababkeun rapuh. Tapi hasil sacara umum sami sareng sadaya kasus kerapuhan hidrogén anu dijelaskeun di luhur, dimana kakuatan logam dikirangan ku kerapuhan di handap rentang setrés anu diidinan, anu antukna nyetél panggung pikeun kajadian anu berpotensi bencana kumargi volatilitas cairan.
Salian ti ketebalan témbok sareng kinerja sambungan mékanis, aya dua faktor utama anu kedah dipertimbangkeun nalika milih bahan pikeun layanan gas H2: 1. Paparan hidrogén suhu luhur (HTHA) sareng 2. Kekhawatiran anu serius ngeunaan poténsi bocor. Duanana topik ayeuna nuju dibahas.
Teu siga hidrogén molekular, hidrogén atom bisa ngembang, ngalaan hidrogén kana suhu jeung tekanan anu luhur, nyiptakeun dasar pikeun poténsi HTHA. Dina kaayaan ieu, hidrogén atom bisa nyebar kana bahan atawa pakakas pipa baja karbon, dimana éta réaksi jeung karbon dina leyuran logam pikeun ngabentuk gas metana dina wates butir. Teu bisa kaluar, gas ngembang, nyiptakeun retakan jeung celah dina témbok pipa atawa wadah – ieu HTGA. Anjeun bisa ningali kalawan jelas hasil HTHA dina Gambar 2 dimana retakan jeung retakan katingali dina témbok 8″. Bagian pipa ukuran nominal (NPS) anu gagal dina kaayaan ieu.
Baja karbon tiasa dianggo pikeun layanan hidrogén nalika suhu operasi dijaga di handap 500°F. Sakumaha anu parantos disebatkeun di luhur, HTHA lumangsung nalika gas hidrogén dijaga dina tekanan parsial anu luhur sareng suhu anu 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).
Sakumaha anu tiasa ditingali tina plot Nelson anu dimodifikasi dina Gambar 3, sabagian dicandak tina API 941, suhu anu luhur gaduh pangaruh panggedéna kana pemaksaan hidrogén. Tekanan parsial gas hidrogén tiasa ngaleuwihan 1000 psi nalika dianggo sareng baja karbon anu beroperasi dina suhu dugi ka 500°F.
Gambar 3. Bagan Nelson anu dimodifikasi ieu (diadaptasi tina API 941) tiasa dianggo pikeun milih bahan anu cocog pikeun layanan hidrogén dina rupa-rupa suhu.
Dina gambar 3 nunjukkeun pilihan baja anu dijamin bakal nyingkahan serangan hidrogén, gumantung kana suhu operasi sareng tekanan parsial hidrogén. Baja tahan karat austenitik henteu sénsitip kana HTHA sareng mangrupikeun bahan anu nyugemakeun dina sadaya suhu sareng tekanan.
Baja tahan karat Austenitik 316/316L mangrupikeun bahan anu paling praktis pikeun aplikasi hidrogén sareng gaduh rekam jejak anu kabuktian. Sanaos perlakuan panas pasca-las (PWHT) disarankeun pikeun baja karbon pikeun ngakalsinasi sésa hidrogén nalika ngelas sareng ngirangan karasana zona anu kapangaruhan panas (HAZ) saatos ngelas, éta henteu diperyogikeun pikeun baja tahan karat austenitik.
Éfék térmotérmal anu disababkeun ku perlakuan panas sareng pangelasan gaduh pangaruh sakedik kana sipat mékanis baja tahan karat austenitik. Nanging, pengerjaan tiis tiasa ningkatkeun sipat mékanis baja tahan karat austenitik, sapertos kakuatan sareng karasana. Nalika ngabengkokkeun sareng ngabentuk pipa tina baja tahan karat austenitik, sipat mékanisna robih, kalebet panurunan plastisitas bahan.
Upami baja tahan karat austenitik meryogikeun pembentukan tiis, annealing larutan (dipanaskeun dugi ka sakitar 1045°C dituturkeun ku quenching atanapi pendinginan gancang) bakal mulangkeun sipat mékanis bahan kana nilai aslina. Éta ogé bakal ngaleungitkeun segregasi alloy, sensitisasi sareng fase sigma anu kahontal saatos pengerjaan tiis. Nalika ngalaksanakeun annealing larutan, émut yén pendinginan gancang tiasa nempatkeun tegangan sésa deui kana bahan upami henteu diurus kalayan leres.
Tingali tabel GR-2.1.1-1 Indéks Spésifikasi Bahan Perakitan Pipa sareng Tubing sareng GR-2.1.1-2 Indéks Spésifikasi Bahan Pipa dina ASME B31 pikeun pilihan bahan anu tiasa ditampi pikeun layanan H2. pipa mangrupikeun tempat anu saé pikeun ngamimitian.
Kalayan beurat atom standar 1,008 unit massa atom (sma), hidrogén mangrupikeun unsur anu paling hampang sareng pangleutikna dina tabel periodik, sareng ku kituna gaduh kacenderungan anu luhur pikeun bocor, kalayan akibat anu berpotensi ngancurkeun, kuring nambihan. Ku alatan éta, sistem pipa gas kedah dirancang sapertos kitu pikeun ngawatesan sambungan tipe mékanis sareng ningkatkeun sambungan anu leres-leres diperyogikeun.
Nalika ngawatesan titik bocor anu poténsial, sistem kedah dilas sapinuhna, kecuali pikeun sambungan flens dina alat, elemen pipa sareng fitting. Sambungan ulir kedah dihindari sabisa-bisa, upami henteu sapinuhna. Upami sambungan ulir teu tiasa dihindari ku alesan naon waé, disarankeun pikeun nyambungkeunana sapinuhna tanpa sealant ulir teras ngégél lasna. Nalika nganggo pipa baja karbon, sambungan pipa kedah dilas butt sareng dirawat panas pasca las (PWHT). Saatos dilas, pipa dina zona anu kapangaruhan panas (HAZ) kakeunaan serangan hidrogén bahkan dina suhu sekitar. Sanaos serangan hidrogén utamina lumangsung dina suhu anu luhur, tahapan PWHT bakal ngirangan sapinuhna, upami henteu ngaleungitkeun, kamungkinan ieu bahkan dina kaayaan sekitar.
Titik lemah tina sistem all-welded nyaéta sambungan flens. Pikeun mastikeun tingkat kateguhan anu luhur dina sambungan flens, gasket Kammprofile (gambar 4) atanapi bentuk gasket anu sanés kedah dianggo. Didamel ampir sami ku sababaraha produsén, bantalan ieu gampang pisan dihampura. Éta diwangun ku cincin logam sadayana anu diapit di antara bahan segel anu lemes sareng tiasa dideformasi. Huntu-huntu éta museurkeun beban baut dina daérah anu langkung alit pikeun nyayogikeun pas anu pageuh kalayan kirang setrés. Éta dirancang ku cara anu tiasa ngimbangan permukaan flens anu henteu rata ogé kaayaan operasi anu fluktuatif.
Gambar 4. Gasket Kammprofile mibanda inti logam anu dihijikeun dina dua sisi ku pangisi lemes.
Faktor penting anu sanés dina integritas sistem nyaéta klep. Bocor di sakitar segel batang sareng flensa awak mangrupikeun masalah anu nyata. Pikeun nyegah ieu, disarankeun pikeun milih klep anu nganggo segel bellow.
Anggo pipa baja karbon Sakola 80 ukuran 1 inci, dina conto di handap ieu, upami dibéré toleransi manufaktur, korosi sareng toleransi mékanis luyu sareng ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum anu diidinan (MAWP) tiasa diitung dina dua léngkah dina suhu dugi ka 300°F (Catetan: Alesan pikeun "...kanggo suhu dugi ka 300ºF..." nyaéta kusabab tegangan anu diidinan (S) tina bahan ASTM A106 Gr B mimiti turun nalika suhu ngaleuwihan 300ºF.(S), janten Persamaan (1) meryogikeun Saluyukeun kana suhu di luhur 300ºF.)
Ngarujuk kana rumus (1), léngkah munggaran nyaéta ngitung tekanan ledakan téoritis pipa.
T = ketebalan témbok pipa dikurangan toleransi mékanis, korosi sareng manufaktur, dina inci.
Bagian kadua tina prosés ieu nyaéta ngitung tekanan kerja maksimum anu diidinan Pa tina pipa ku cara nerapkeun faktor kaamanan S f kana hasil P numutkeun persamaan (2):
Ku kituna, nalika nganggo bahan sakola 80 1″, tekanan ledakan diitung sapertos kieu:
Sf kaamanan 4 teras diterapkeun saluyu sareng Rekomendasi Bejana Tekanan ASME Bagian VIII-1 2019, Paragraf 8. UG-101 diitung sapertos kieu:
Nilai MAWP anu dihasilkeun nyaéta 810 psi. inci nujul kana pipa hungkul. Sambungan flens atanapi komponén anu gaduh rating panghandapna dina sistem bakal janten faktor anu nangtukeun dina nangtukeun tekanan anu diidinan dina sistem.
Numutkeun ASME B16.5, tekanan kerja maksimum anu diidinan pikeun fitting flens baja karbon 150 nyaéta 285 psi. inci dina suhu -20°F dugi ka 100°F. Kelas 300 gaduh tekanan kerja maksimum anu diidinan 740 psi. Ieu bakal janten faktor wates tekanan sistem numutkeun conto spésifikasi bahan di handap. Ogé, ngan ukur dina tés hidrostatik, nilai-nilai ieu tiasa ngaleuwihan 1,5 kali.
Salaku conto spésifikasi bahan baja karbon dasar, spésifikasi jalur layanan gas H2 anu beroperasi dina suhu sekitar di handap tekanan desain 740 psi. inci, tiasa ngandung sarat bahan anu dipidangkeun dina Tabel 2. Ieu di handap mangrupikeun jinis anu panginten peryogi perhatian pikeun dilebetkeun kana spésifikasi:
Salian ti pipa éta sorangan, aya seueur unsur anu ngawangun sistem pipa sapertos fitting, klep, peralatan saluran, jsb. Sanaos seueur unsur ieu bakal digabungkeun dina hiji pipa pikeun ngabahas sacara rinci, ieu bakal meryogikeun langkung seueur halaman tibatan anu tiasa ditampung. Artikel ieu.