Denna översikt ger rekommendationer för säker konstruktion av rörsystem för vätgasdistribution.
Väte är en mycket flyktig vätska med en hög tendens att läcka.Det är en mycket farlig och dödlig kombination av tendenser, en flyktig vätska som är svår att kontrollera.Detta är trender att ta hänsyn till när man väljer material, packningar och tätningar, såväl som designegenskaperna hos sådana system.Dessa ämnen om distributionen av gasformigt H2 är fokus för denna diskussion, inte produktionen av H2, flytande H2 eller flytande H2 (se höger sidofält).
Här är några viktiga punkter som hjälper dig att förstå blandningen av väte och H2-luft.Väte brinner på två sätt: deflagration och explosion.
deflagration.Deflagration är ett vanligt förbränningsläge där lågor färdas genom blandningen med subsoniska hastigheter.Detta inträffar till exempel när ett fritt moln av väte-luftblandning antänds av en liten antändningskälla.I det här fallet kommer lågan att röra sig med en hastighet av tio till flera hundra fot per sekund.Den snabba expansionen av het gas skapar tryckvågor vars styrka är proportionell mot molnets storlek.I vissa fall kan stötvågens kraft vara tillräcklig för att skada byggnadskonstruktioner och andra föremål i dess väg och orsaka skada.
explodera.När den exploderade gick lågor och stötvågor genom blandningen i överljudshastigheter.Tryckförhållandet i en detonationsvåg är mycket större än i en detonation.På grund av den ökade kraften är explosionen farligare för människor, byggnader och närliggande föremål.Normal deflagration orsakar en explosion när den antänds i ett begränsat utrymme.I ett så smalt område kan antändning orsakas av minsta mängd energi.Men för att detonera en väte-luftblandning i ett obegränsat utrymme krävs en kraftfullare antändningskälla.
Tryckförhållandet över detonationsvågen i en väte-luftblandning är cirka 20. Vid atmosfärstryck är förhållandet 20 300 psi.När denna tryckvåg kolliderar med ett stationärt föremål ökar tryckförhållandet till 40-60.Detta beror på reflektionen av en tryckvåg från ett stationärt hinder.
Tendens att läcka.På grund av sin låga viskositet och låga molekylvikt har H2-gas en hög tendens att läcka och till och med tränga igenom eller penetrera olika material.
Väte är 8 gånger lättare än naturgas, 14 gånger lättare än luft, 22 gånger lättare än propan och 57 gånger lättare än bensinånga.Detta innebär att när den installeras utomhus kommer H2-gasen snabbt att stiga och försvinna, vilket minskar eventuella tecken på jämna läckor.Men det kan vara ett tveeggat svärd.En explosion kan inträffa om svetsning ska utföras på en utomhusinstallation ovanför eller i motvind av en H2-läcka utan en läckagedetekteringsstudie före svetsning.I ett slutet utrymme kan H2-gas stiga upp och ackumuleras från taket och ner, ett tillstånd som gör att den kan byggas upp till stora volymer innan den är mer benägen att komma i kontakt med antändningskällor nära marken.
Oavsiktlig brand.Självantändning är ett fenomen där en blandning av gaser eller ångor antänds spontant utan någon yttre antändningskälla.Det är också känt som "spontan förbränning" eller "spontan förbränning".Självantändning beror på temperatur, inte tryck.
Självantändningstemperaturen är den lägsta temperatur vid vilken ett bränsle spontant kommer att antändas före antändning i frånvaro av en extern antändningskälla vid kontakt med luft eller ett oxidationsmedel.Självantändningstemperaturen för ett enstaka pulver är den temperatur vid vilken det spontant antänds i frånvaro av ett oxidationsmedel.Självantändningstemperaturen för gasformig H2 i luft är 585°C.
Tändenergin är den energi som krävs för att initiera utbredningen av en låga genom en brännbar blandning.Minsta antändningsenergi är den minsta energi som krävs för att antända en viss brännbar blandning vid en viss temperatur och tryck.Minsta gnisttändningsenergi för gasformig H2 i 1 atm luft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Explosionsgränser är de högsta och lägsta koncentrationerna av ångor, dimma eller damm i luft eller syre vid vilka en explosion inträffar.Miljöns storlek och geometri, samt koncentrationen av bränslet, styr gränserna."Explosionsgräns" används ibland som en synonym för "explosionsgräns".
Explosionsgränserna för H2-blandningar i luft är 18,3 vol.% (nedre gräns) och 59 vol.% (övre gräns).
Vid design av rörsystem (Figur 1) är det första steget att bestämma de byggmaterial som behövs för varje typ av vätska.Och varje vätska kommer att klassificeras i enlighet med ASME B31.3 paragraf.300(b)(1) säger, "Ägaren är också ansvarig för att bestämma klass D, M, högtrycks- och högrenhetsrörledningar och bestämma om ett visst kvalitetssystem ska användas."
Vätskekategorisering definierar graden av testning och vilken typ av testning som krävs, liksom många andra krav baserade på vätskekategorin.Ägarens ansvar för detta faller vanligtvis på ägarens ingenjörsavdelning eller en utlagd ingenjör.
Även om B31.3 Process Piping Code inte talar om för ägaren vilket material som ska användas för en viss vätska, ger den vägledning om hållfasthet, tjocklek och materialanslutningskrav.Det finns också två påståenden i inledningen till koden som tydligt anger:
Och utöka det första stycket ovan, stycke B31.3.300(b)(1) säger också: "Ägaren av en rörledningsinstallation är ensam ansvarig för att följa denna kod och för att fastställa konstruktions-, konstruktions-, inspektions-, inspektions- och provningskrav som styr all vätskehantering eller process som rörledningen är en del av.Installation."Så, efter att ha fastställt några grundregler för ansvar och krav för att definiera vätskeservicekategorier, låt oss se var vätgas passar in.
Eftersom vätgas fungerar som en flyktig vätska med läckor, kan vätgas betraktas som en normal vätska eller en klass M-vätska under kategori B31.3 för flytande service.Som nämnts ovan är klassificeringen av vätskehantering ett ägarkrav, förutsatt att den uppfyller riktlinjerna för de utvalda kategorierna som beskrivs i B31.3, punkt 3. 300.2 Definitioner i avsnittet "Hydrauliska tjänster".Följande är definitioner för normal vätskeservice och klass M vätskeservice:
"Normal vätskeservice: Vätskeservice som är tillämplig på de flesta rör som omfattas av denna kod, dvs inte omfattas av reglerna för klasser D, M, hög temperatur, högt tryck eller hög vätskerenhet.
(1) Vätskans toxicitet är så stor att en enda exponering för en mycket liten mängd av vätskan orsakad av ett läckage kan orsaka allvarlig permanent skada på dem som andas in eller kommer i kontakt med den, även om omedelbara återhämtningsåtgärder vidtas.tagen
(2) Efter att ha övervägt rörledningsdesign, erfarenhet, driftsförhållanden och placering, fastställer ägaren att kraven för normal användning av vätskan inte är tillräckliga för att ge den täthet som krävs för att skydda personal från exponering.”
I ovanstående definition av M uppfyller vätgas inte kriterierna i punkt (1) eftersom den inte anses vara en giftig vätska.Genom att tillämpa mom. (2) tillåter dock koden klassificering av hydrauliska system i klass M efter vederbörlig hänsyn till "...rörkonstruktion, erfarenhet, driftförhållanden och plats..." Ägaren tillåter fastställande av normal vätskehantering.Kraven är otillräckliga för att möta behovet av en högre integritetsnivå vid konstruktion, konstruktion, inspektion, besiktning och provning av vätgasledningssystem.
Se tabell 1 innan du diskuterar högtemperaturvätekorrosion (HTHA).Koder, standarder och föreskrifter listas i den här tabellen, som innehåller sex dokument om ämnet väteförsprödning (HE), en vanlig korrosionsavvikelse som inkluderar HTHA.OH kan förekomma vid låga och höga temperaturer.Betraktad som en form av korrosion kan den initieras på flera sätt och även påverka en lång rad material.
HE har olika former, som kan delas in i vätesprickning (HAC), vätespänningssprickning (HSC), spänningskorrosionssprickning (SCC), vätekorrosionssprickning (HACC), vätebubbling (HB), vätesprickning (HIC).)), spänningsorienterad vätesprickning (SOHIC), progressiv sprickbildning (SWC), sulfidspänningssprickning (SSC), mjukzonssprickning (SZC) och högtemperaturvätekorrosion (HTHA).
I sin enklaste form är väteförsprödning en mekanism för att förstöra metallkorngränser, vilket resulterar i minskad duktilitet på grund av penetration av atomärt väte.Sätten på vilket detta sker varierar och definieras delvis av sina respektive namn, såsom HTHA, där väte med hög temperatur och högt tryck krävs samtidigt för sprödhet, och SSC, där atomärt väte produceras som slutna gaser och väte.på grund av sur korrosion sipprar de in i metallhöljen, vilket kan leda till sprödhet.Men det övergripande resultatet är detsamma som för alla fall av väteförsprödning som beskrivs ovan, där metallens hållfasthet reduceras genom försprödning under dess tillåtna spänningsområde, vilket i sin tur sätter scenen för en potentiellt katastrofal händelse med tanke på vätskans flyktighet.
Förutom väggtjocklek och mekanisk fogprestanda finns det två huvudfaktorer att ta hänsyn till när man väljer material för H2-gasservice: 1. Exponering för högtemperaturväte (HTHA) och 2. Allvarlig oro för potentiellt läckage.Båda ämnena är för närvarande under diskussion.
Till skillnad från molekylärt väte kan atomärt väte expandera och utsätta vätet för höga temperaturer och tryck, vilket skapar grunden för potentiell HTHA.Under dessa förhållanden kan atomärt väte diffundera in i rörmaterial eller utrustning av kolstål, där det reagerar med kol i metallisk lösning för att bilda metangas vid korngränserna.Om det inte går att fly, expanderar gasen och skapar sprickor och sprickor i väggarna på rör eller kärl – det här är HTGA.Du kan tydligt se HTHA-resultaten i figur 2 där sprickor och sprickor är uppenbara i 8-tumsväggen.Den del av röret med nominell storlek (NPS) som går sönder under dessa förhållanden.
Kolstål kan användas för väteservice när driftstemperaturen hålls under 500°F.Som nämnts ovan uppstår HTHA när vätgas hålls vid högt partialtryck och hög temperatur.Kolstål rekommenderas inte när vätgaspartialtrycket förväntas vara runt 3000 psi och temperaturen är över cirka 450°F (vilket är olyckssituationen i figur 2).
Som framgår av det modifierade Nelson-diagrammet i figur 3, delvis hämtat från API 941, har hög temperatur störst effekt på vätekraften.Vätgasens partialtryck kan överstiga 1000 psi när det används med kolstål som arbetar vid temperaturer upp till 500°F.
Figur 3. Detta modifierade Nelson-diagram (anpassat från API 941) kan användas för att välja lämpliga material för väteservice vid olika temperaturer.
På fig.3 visar valet av stål som garanterat undviker väteangrepp, beroende på vätgas driftstemperatur och partialtryck.Austenitiska rostfria stål är okänsliga för HTHA och är tillfredsställande material vid alla temperaturer och tryck.
Austenitic 316/316L rostfritt stål är det mest praktiska materialet för väteapplikationer och har en bevisad meritlista.Även om värmebehandling efter svetsning (PWHT) rekommenderas för kolstål för att kalcinera kvarvarande väte under svetsning och minska hårdheten i värmepåverkad zon (HAZ) efter svetsning, krävs det inte för austenitiska rostfria stål.
Termoeffekter orsakade av värmebehandling och svetsning har liten effekt på de mekaniska egenskaperna hos austenitiska rostfria stål.Men kallbearbetning kan förbättra de mekaniska egenskaperna hos austenitiska rostfria stål, såsom styrka och hårdhet.Vid böjning och formning av rör från austenitiskt rostfritt stål förändras deras mekaniska egenskaper, inklusive minskningen av materialets plasticitet.
Om austenitiskt rostfritt stål kräver kallformning kommer lösningsglödgning (uppvärmning till cirka 1045°C följt av härdning eller snabb kylning) att återställa materialets mekaniska egenskaper till sina ursprungliga värden.Det kommer också att eliminera legeringssegregeringen, sensibiliseringen och sigmafasen som uppnås efter kallbearbetning.När du utför lösningsglödgning, var medveten om att snabb nedkylning kan sätta kvarvarande spänningar tillbaka i materialet om det inte hanteras på rätt sätt.
Se tabellerna GR-2.1.1-1 Materialspecifikationsindex för rör och rörmontering och GR-2.1.1-2 Specifikationsindex för rörmaterial i ASME B31 för acceptabla materialval för H2-service.rör är ett bra ställe att börja.
Med en standard atomvikt på 1,008 atommassaenheter (amu) är väte det lättaste och minsta grundämnet i det periodiska systemet, och har därför en hög benägenhet att läcka, med potentiellt förödande konsekvenser, kan jag tillägga.Därför måste gasledningssystemet utformas på ett sådant sätt att det begränsar anslutningar av mekanisk typ och förbättrar de anslutningar som verkligen behövs.
Vid begränsning av potentiella läckagepunkter bör systemet vara helsvetsat, förutom flänsanslutningar på utrustning, rörelement och kopplingar.Gängade anslutningar bör undvikas så långt det är möjligt, om inte helt.Om gängade anslutningar av någon anledning inte kan undvikas, rekommenderas att de kopplas helt utan gängtätningsmedel och sedan täta svetsen.Vid användning av kolstålrör ska rörskarvarna stumsvetsas och eftersvetsvärmas (PWHT).Efter svetsning utsätts rör i den värmepåverkade zonen (HAZ) för väteangrepp även vid omgivningstemperatur.Medan väteangrepp sker främst vid höga temperaturer, kommer PWHT-steget att helt reducera, om inte eliminera, denna möjlighet även under omgivande förhållanden.
Den svaga punkten med det helsvetsade systemet är flänsanslutningen.För att säkerställa en hög grad av täthet i flänsanslutningar bör Kammprofile packningar (fig. 4) eller annan form av packningar användas.Tillverkad på nästan samma sätt av flera tillverkare är denna pad mycket förlåtande.Den består av tandade helmetallringar inklämda mellan mjuka, deformerbara tätningsmaterial.Tänderna koncentrerar bultens belastning till ett mindre område för att ge en tät passform med mindre belastning.Den är konstruerad på ett sådant sätt att den kan kompensera för ojämna flänsytor samt fluktuerande driftsförhållanden.
Figur 4. Kammprofilpackningar har en metallkärna bunden på båda sidor med ett mjukt fyllmedel.
En annan viktig faktor för systemets integritet är ventilen.Läckor runt spindeltätningen och kroppsflänsarna är ett verkligt problem.För att förhindra detta rekommenderas det att välja en ventil med bälgtätning.
Använd 1 tum.Skol 80 kolstålrör, i vårt exempel nedan, givet tillverkningstoleranser, korrosion och mekaniska toleranser i enlighet med ASTM A106 Gr B, kan det maximalt tillåtna arbetstrycket (MAWP) beräknas i två steg vid temperaturer upp till 300°F (Obs: Anledningen till "...för temperaturer upp till 300°F är spänningen på grund av GrºF 6) eftersom B 300 är startspänningen på 300°C. s försämras när temperaturen överstiger 300ºF.(S), så ekvation (1) kräver justering till temperaturer över 300ºF.)
Med hänvisning till formel (1) är det första steget att beräkna rörledningens teoretiska sprängtryck.
T = rörets väggtjocklek minus mekaniska toleranser, korrosions- och tillverkningstoleranser, i tum.
Den andra delen av processen är att beräkna det maximalt tillåtna arbetstrycket Pa för rörledningen genom att tillämpa säkerhetsfaktorn Sf på resultatet P enligt ekvation (2):
Sålunda, när man använder 1″ skola 80-material, beräknas sprängtrycket enligt följande:
En säkerhets-Sf på 4 tillämpas sedan i enlighet med ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 beräknas enligt följande:
Det resulterande MAWP-värdet är 810 psi.tum avser endast rör.Flänsanslutningen eller komponenten med lägst klassificering i systemet kommer att vara den avgörande faktorn för att bestämma det tillåtna trycket i systemet.
Enligt ASME B16.5 är det maximalt tillåtna arbetstrycket för 150 kolstålflänskopplingar 285 psi.tum vid -20°F till 100°F.Klass 300 har ett maximalt tillåtet arbetstryck på 740 psi.Detta kommer att vara systemets tryckgränsfaktor enligt materialspecifikationsexemplet nedan.Endast i hydrostatiska tester kan dessa värden överstiga 1,5 gånger.
Som ett exempel på en grundläggande kolstålmaterialspecifikation, en H2-gasserviceledningsspecifikation som arbetar vid en omgivningstemperatur under ett designtryck på 740 psi.tum, kan innehålla materialkraven som visas i tabell 2. Följande är typer som kan kräva uppmärksamhet för att inkluderas i specifikationen:
Förutom själva rördragningen finns det många element som utgör rörsystemet såsom kopplingar, ventiler, ledningsutrustning etc. Även om många av dessa element kommer att sättas ihop i en rörledning för att diskutera dem i detalj, kommer detta att kräva fler sidor än vad som kan rymmas.Denna artikel.