Muhtasari huu hutoa mapendekezo ya muundo salama wa mifumo ya mabomba kwa usambazaji wa hidrojeni.
Hydrojeni ni kioevu chenye tete sana na tabia ya juu ya kuvuja.Ni mchanganyiko hatari sana na wa mauti wa mielekeo, kioevu tete ambacho ni vigumu kudhibiti.Hizi ni mwelekeo wa kuzingatia wakati wa kuchagua vifaa, gaskets na mihuri, pamoja na sifa za kubuni za mifumo hiyo.Mada hizi kuhusu usambazaji wa gesi H2 ndizo zinazolengwa katika mjadala huu, si uundaji wa H2, kioevu H2, au kioevu H2 (angalia utepe wa kulia).
Hapa kuna mambo machache muhimu ya kukusaidia kuelewa mchanganyiko wa hidrojeni na H2-hewa.Hidrojeni huwaka kwa njia mbili: deflagration na mlipuko.
deflagration.Deflagration ni hali ya kawaida ya mwako ambayo miali ya moto husafiri kupitia mchanganyiko kwa kasi ndogo.Hii hutokea, kwa mfano, wakati wingu la bure la mchanganyiko wa hidrojeni-hewa linawashwa na chanzo kidogo cha moto.Katika kesi hii, moto utaenda kwa kasi ya futi kumi hadi mia kadhaa kwa sekunde.Upanuzi wa haraka wa gesi ya moto hutengeneza mawimbi ya shinikizo ambayo nguvu zake ni sawia na saizi ya wingu.Katika baadhi ya matukio, nguvu ya wimbi la mshtuko inaweza kutosha kuharibu miundo ya jengo na vitu vingine katika njia yake na kusababisha kuumia.
kulipuka.Ilipolipuka, miali ya moto na mawimbi ya mshtuko yalisafiri kupitia mchanganyiko huo kwa kasi ya ajabu.Uwiano wa shinikizo katika wimbi la detonation ni kubwa zaidi kuliko katika detonation.Kwa sababu ya nguvu iliyoongezeka, mlipuko huo ni hatari zaidi kwa watu, majengo na vitu vya karibu.Upunguzaji wa moto wa kawaida husababisha mlipuko unapowashwa katika nafasi fupi.Katika eneo nyembamba kama hilo, kuwasha kunaweza kusababishwa na kiwango kidogo cha nishati.Lakini kwa mlipuko wa mchanganyiko wa hidrojeni-hewa katika nafasi isiyo na kikomo, chanzo cha moto chenye nguvu zaidi kinahitajika.
Uwiano wa shinikizo kwenye wimbi la detonation katika mchanganyiko wa hidrojeni-hewa ni karibu 20. Kwa shinikizo la anga, uwiano wa 20 ni 300 psi.Wakati wimbi hili la shinikizo linapogongana na kitu kilichosimama, uwiano wa shinikizo huongezeka hadi 40-60.Hii ni kutokana na kutafakari kwa wimbi la shinikizo kutoka kwa kizuizi cha stationary.
Tabia ya kuvuja.Kutokana na mnato wake wa chini na uzito mdogo wa Masi, gesi ya H2 ina tabia ya juu ya kuvuja na hata kupenya au kupenya vifaa mbalimbali.
Hidrojeni ni nyepesi mara 8 kuliko gesi asilia, mara 14 nyepesi kuliko hewa, mara 22 nyepesi kuliko propani na mara 57 nyepesi kuliko mvuke wa petroli.Hii ina maana kwamba wakati imewekwa nje, gesi ya H2 itainuka haraka na kuharibika, kupunguza dalili zozote za uvujaji hata.Lakini inaweza kuwa upanga wenye makali kuwili.Mlipuko unaweza kutokea ikiwa kulehemu kutafanywa kwenye usakinishaji wa nje juu au chini ya uvujaji wa H2 bila utafiti wa kugundua uvujaji kabla ya kulehemu.Katika nafasi iliyozingirwa, gesi ya H2 inaweza kupanda na kujilimbikiza kutoka dari kwenda chini, hali inayoiruhusu kujikusanya hadi kiasi kikubwa kabla ya kuwa na uwezekano mkubwa wa kugusana na vyanzo vya kuwasha karibu na ardhi.
Moto wa ajali.Kujiwasha ni jambo ambalo mchanganyiko wa gesi au mvuke huwaka moja kwa moja bila chanzo cha nje cha kuwaka.Pia inajulikana kama "mwako wa papo hapo" au "mwako wa moja kwa moja".Kujiwasha kunategemea joto, sio shinikizo.
Halijoto ya kujiwasha ni kiwango cha chini cha halijoto ambapo mafuta yatawaka yenyewe kabla ya kuwashwa bila chanzo cha nje cha kuwaka inapogusana na hewa au wakala wa vioksidishaji.Joto la kujiwasha la poda moja ni joto ambalo huwaka kwa hiari bila kukosekana kwa wakala wa oksidi.Joto la kujiwasha la gesi H2 hewani ni 585°C.
Nishati ya kuwasha ni nishati inayohitajika ili kuanzisha uenezi wa mwali kupitia mchanganyiko unaoweza kuwaka.Nishati ya chini kabisa ya kuwasha ni nishati ya chini inayohitajika kuwasha mchanganyiko fulani unaoweza kuwaka kwa joto na shinikizo fulani.Kiwango cha chini cha nishati ya kuwasha kwa H2 ya gesi katika atm 1 ya hewa = 1.9 × 10-8 BTU (0.02 mJ).
Vikomo vya mlipuko ni viwango vya juu na vya chini vya mvuke, ukungu au vumbi katika hewa au oksijeni ambapo mlipuko hutokea.Ukubwa na jiometri ya mazingira, pamoja na mkusanyiko wa mafuta, hudhibiti mipaka."Kikomo cha mlipuko" wakati mwingine hutumika kama kisawe cha "kikomo cha mlipuko".
Vikomo vya mlipuko kwa mchanganyiko wa H2 hewani ni ujazo 18.3% (kikomo cha chini) na 59 ujazo% (kikomo cha juu).
Wakati wa kuunda mifumo ya mabomba (Mchoro 1), hatua ya kwanza ni kuamua vifaa vya ujenzi vinavyohitajika kwa kila aina ya maji.Na kila umajimaji utaainishwa kwa mujibu wa aya ya ASME B31.3.300(b)(1) inasema, "Mmiliki pia ana jukumu la kubainisha kiwango cha D, M, shinikizo la juu, na upitishaji wa mabomba ya ubora wa juu, na kubaini iwapo mfumo mahususi wa ubora unapaswa kutumika."
Uainishaji wa maji hufafanua kiwango cha majaribio na aina ya upimaji unaohitajika, pamoja na mahitaji mengine mengi kulingana na kitengo cha giligili.Wajibu wa mmiliki kwa hili kwa kawaida huangukia kwa idara ya uhandisi ya mmiliki au mhandisi aliyetolewa nje.
Ingawa Msimbo wa Bomba wa Mchakato wa B31.3 hauambii mmiliki ni nyenzo gani atumie kwa giligili fulani, inatoa mwongozo kuhusu nguvu, unene na mahitaji ya muunganisho wa nyenzo.Pia kuna kauli mbili katika utangulizi wa kanuni ambazo zinaeleza wazi:
Na panua aya ya kwanza hapo juu, aya B31.3.300(b)(1) pia inasema: “Mmiliki wa uwekaji wa bomba anawajibika kikamilifu kwa kuzingatia Kanuni hii na kuanzisha usanifu, ujenzi, ukaguzi, ukaguzi, na mahitaji ya kupima yanayosimamia ushughulikiaji au mchakato wa kiowevu ambacho bomba hilo ni sehemu yake.Ufungaji."Kwa hivyo, baada ya kuweka sheria za msingi za dhima na mahitaji ya kufafanua kategoria za huduma ya maji, hebu tuone ni wapi gesi ya hidrojeni inafaa.
Kwa sababu gesi ya hidrojeni hufanya kama kioevu tete na uvujaji, gesi ya hidrojeni inaweza kuchukuliwa kuwa kioevu cha kawaida au kioevu cha Hatari M chini ya aina B31.3 kwa huduma ya kioevu.Kama ilivyoelezwa hapo juu, uainishaji wa utunzaji wa kiowevu ni hitaji la mmiliki, mradi unakidhi miongozo ya kategoria zilizochaguliwa zilizofafanuliwa katika B31.3, aya ya 3. 300.2 Ufafanuzi katika sehemu ya "Huduma za Hydraulic".Zifuatazo ni ufafanuzi wa huduma ya maji ya kawaida na huduma ya maji ya Hatari M:
“Huduma ya Maji ya Kawaida: Huduma ya maji inayotumika kwa mabomba mengi chini ya kanuni hii, yaani, haizingatii kanuni za madarasa D, M, halijoto ya juu, shinikizo la juu, au usafi wa juu wa maji.
(1) Sumu ya umajimaji huo ni kubwa sana hivi kwamba mfiduo mmoja kwa kiwango kidogo sana cha umajimaji unaosababishwa na uvujaji unaweza kusababisha jeraha kubwa la kudumu kwa wale wanaovuta pumzi au kugusa, hata ikiwa hatua za haraka za kurejesha zinachukuliwa.kuchukuliwa
(2) Baada ya kuzingatia muundo wa bomba, uzoefu, hali ya uendeshaji, na eneo, mmiliki anaamua kuwa mahitaji ya matumizi ya kawaida ya kiowevu hayatoshi kutoa mkazo unaohitajika ili kulinda wafanyakazi dhidi ya kufichuliwa.”
Katika ufafanuzi hapo juu wa M, gesi ya hidrojeni haifikii vigezo vya aya ya (1) kwa sababu haizingatiwi kuwa kioevu chenye sumu.Hata hivyo, kwa kutumia kifungu kidogo cha (2), Kanuni hiyo inaruhusu uainishaji wa mifumo ya majimaji katika darasa la M baada ya kuzingatia ipasavyo “…muundo wa bomba, uzoefu, hali ya uendeshaji na eneo…” Mmiliki anaruhusu kubainishwa kwa utunzaji wa kawaida wa kiowevu.Mahitaji hayatoshi kukidhi haja ya kiwango cha juu cha uadilifu katika kubuni, ujenzi, ukaguzi, ukaguzi na upimaji wa mifumo ya mabomba ya gesi ya hidrojeni.
Tafadhali rejelea Jedwali 1 kabla ya kujadili Kukauka kwa Hydrojeni kwa Joto la Juu (HTHA).Kanuni, viwango, na kanuni zimeorodheshwa katika jedwali hili, ambalo linajumuisha hati sita juu ya mada ya uwekaji wa hidrojeni (HE), ukiukwaji wa kawaida wa kutu unaojumuisha HTHA.OH inaweza kutokea kwa joto la chini na la juu.Inachukuliwa kuwa aina ya kutu, inaweza kuanzishwa kwa njia kadhaa na pia kuathiri anuwai ya vifaa.
HE ina aina mbalimbali, ambayo inaweza kugawanywa katika ngozi hidrojeni (HAC), hidrojeni stress ngozi (HSC), stress ulikaji ngozi (SCC), hidrojeni kutu ngozi (HACC), bubbling hidrojeni (HB), ngozi hidrojeni (HIC).)), mpasuko wa hidrojeni unaolengwa na mkazo (SOHIC), mpasuko unaoendelea (SWC), mpasuko wa mkazo wa salfidi (SSC), mpasuko wa eneo laini (SZC), na ulikaji wa hidrojeni (HTHA) wa joto la juu.
Kwa fomu yake rahisi, embrittlement ya hidrojeni ni utaratibu wa uharibifu wa mipaka ya nafaka ya chuma, na kusababisha kupunguzwa kwa ductility kutokana na kupenya kwa hidrojeni ya atomiki.Njia ambazo hili hutokea ni tofauti na kwa kiasi fulani hufafanuliwa kwa majina husika, kama vile HTHA, ambapo joto la juu kwa wakati mmoja na hidrojeni ya shinikizo la juu inahitajika kwa embrittlement, na SSC, ambapo hidrojeni ya atomiki hutolewa kama gesi-funge na hidrojeni.kutokana na kutu ya asidi, huingia kwenye kesi za chuma, ambazo zinaweza kusababisha brittleness.Lakini matokeo ya jumla ni sawa na kwa kesi zote za embrittlement hidrojeni ilivyoelezwa hapo juu, ambapo nguvu ya chuma ni kupunguzwa kwa embrittlement chini ya kiwango chake halali stress, ambayo kwa upande kuweka hatua kwa ajili ya tukio uwezekano wa janga kutokana na tete ya kioevu.
Mbali na unene wa ukuta na utendaji wa viungo vya mitambo, kuna mambo mawili kuu ya kuzingatia wakati wa kuchagua vifaa kwa ajili ya huduma ya gesi ya H2: 1. Mfiduo wa hidrojeni ya joto la juu (HTHA) na 2. Wasiwasi mkubwa kuhusu uwezekano wa kuvuja.Mada zote mbili kwa sasa zinajadiliwa.
Tofauti na hidrojeni ya molekuli, hidrojeni ya atomiki inaweza kupanuka, ikiweka hidrojeni kwenye joto la juu na shinikizo, na kuunda msingi wa HTHA inayowezekana.Chini ya hali hizi, hidrojeni ya atomiki inaweza kueneza katika nyenzo au vifaa vya kusambaza chuma vya kaboni, ambapo humenyuka pamoja na kaboni katika myeyusho wa metali kuunda gesi ya methane kwenye mipaka ya nafaka.Haiwezi kutoroka, gesi hupanua, na kuunda nyufa na nyufa kwenye kuta za mabomba au vyombo - hii ni HTGA.Unaweza kuona matokeo ya HTHA katika Mchoro 2 ambapo nyufa na nyufa zinaonekana katika ukuta wa 8″.Sehemu ya bomba la ukubwa wa kawaida (NPS) ambayo inashindwa chini ya hali hizi.
Chuma cha kaboni kinaweza kutumika kwa huduma ya hidrojeni halijoto ya uendeshaji inapodumishwa chini ya 500°F.Kama ilivyoelezwa hapo juu, HTHA hutokea wakati gesi ya hidrojeni inashikiliwa kwa shinikizo la juu la sehemu na joto la juu.Chuma cha kaboni hakipendekezwi wakati shinikizo la sehemu ya hidrojeni linatarajiwa kuwa karibu psi 3000 na halijoto iko juu ya takriban 450°F (ambayo ndiyo hali ya ajali kwenye Mchoro 2).
Kama inavyoweza kuonekana kutoka kwa njama ya Nelson iliyorekebishwa kwenye Mchoro 3, iliyochukuliwa kwa sehemu kutoka API 941, halijoto ya juu ina athari kubwa zaidi kwa kulazimisha hidrojeni.Shinikizo la sehemu ya gesi ya hidrojeni linaweza kuzidi psi 1000 inapotumiwa na vyuma vya kaboni vinavyofanya kazi kwenye halijoto ya hadi 500°F.
Mchoro 3. Chati hii ya Nelson iliyorekebishwa (iliyochukuliwa kutoka API 941) inaweza kutumika kuteua nyenzo zinazofaa kwa huduma ya hidrojeni katika halijoto mbalimbali.
Kwenye mtini.3 inaonyesha uchaguzi wa vyuma ambavyo vimehakikishiwa kuepuka mashambulizi ya hidrojeni, kulingana na joto la uendeshaji na shinikizo la sehemu ya hidrojeni.Vyuma vya pua vya Austenitic havijali HTHA na ni nyenzo za kuridhisha katika viwango vyote vya joto na shinikizo.
Chuma cha pua cha Austenitic 316/316L ndicho nyenzo inayotumika zaidi kwa matumizi ya hidrojeni na ina rekodi iliyothibitishwa.Ingawa matibabu ya joto baada ya kulehemu (PWHT) inapendekezwa kwa vyuma vya kaboni ili kukomesha hidrojeni iliyobaki wakati wa kulehemu na kupunguza ugumu wa eneo lililoathiriwa na joto (HAZ) baada ya kulehemu, haihitajiki kwa vyuma vya austenitic vya pua.
Athari za joto zinazosababishwa na matibabu ya joto na kulehemu zina athari kidogo juu ya mali ya mitambo ya chuma cha pua cha austenitic.Walakini, kufanya kazi kwa baridi kunaweza kuboresha sifa za mitambo za chuma cha pua cha austenitic, kama vile nguvu na ugumu.Wakati wa kupiga na kutengeneza mabomba kutoka kwa chuma cha pua cha austenitic, mali zao za mitambo hubadilika, ikiwa ni pamoja na kupungua kwa plastiki ya nyenzo.
Ikiwa chuma cha pua cha austenitic kinahitaji uundaji wa baridi, annealing ya suluhisho (inapokanzwa hadi takriban 1045 ° C ikifuatiwa na kuzima au baridi ya haraka) itarejesha sifa za mitambo ya nyenzo kwa maadili yao ya awali.Pia itaondoa utengano wa aloi, uhamasishaji na awamu ya sigma iliyopatikana baada ya kufanya kazi kwa baridi.Wakati wa kusuluhisha annealing, fahamu kuwa kupoeza haraka kunaweza kurudisha mkazo uliosalia kwenye nyenzo ikiwa haitashughulikiwa ipasavyo.
Rejelea majedwali ya GR-2.1.1-1 Fahirisi ya Uainishaji wa Nyenzo ya Kuunganisha Mabomba na Mirija na GR-2.1.1-2 Fahirisi ya Uainishaji wa Nyenzo ya Piping katika ASME B31 kwa uteuzi wa nyenzo zinazokubalika kwa huduma ya H2.mabomba ni mahali pazuri pa kuanzia.
Ikiwa na uzito wa kawaida wa atomiki wa vitengo 1.008 vya molekuli ya atomiki (amu), hidrojeni ndicho kipengele chepesi na kidogo zaidi kwenye jedwali la upimaji, na kwa hiyo ina mvuto wa juu, na matokeo yanayoweza kuharibu, naweza kuongeza.Kwa hiyo, mfumo wa bomba la gesi lazima utengenezwe kwa njia ya kupunguza uunganisho wa aina ya mitambo na kuboresha uhusiano huo ambao unahitajika kweli.
Wakati wa kupunguza pointi zinazoweza kuvuja, mfumo unapaswa kuunganishwa kikamilifu, isipokuwa kwa viunganisho vya flanged kwenye vifaa, vipengele vya mabomba na fittings.Viunganisho vya nyuzi vinapaswa kuepukwa iwezekanavyo, ikiwa sio kabisa.Ikiwa viunganisho vya nyuzi haziwezi kuepukwa kwa sababu yoyote, inashauriwa kuwashirikisha kikamilifu bila sealant ya thread na kisha kuziba weld.Wakati wa kutumia bomba la chuma cha kaboni, viungo vya bomba lazima viwe na kitako na kutibiwa joto la weld (PWHT).Baada ya kulehemu, mabomba katika ukanda unaoathiriwa na joto (HAZ) yanakabiliwa na mashambulizi ya hidrojeni hata kwa joto la kawaida.Wakati mashambulizi ya hidrojeni hutokea hasa kwa joto la juu, hatua ya PWHT itapunguza kabisa, ikiwa haitaondoa, uwezekano huu hata chini ya hali ya mazingira.
Hatua dhaifu ya mfumo wote wa svetsade ni uhusiano wa flange.Ili kuhakikisha kiwango cha juu cha mshikamano katika viunganisho vya flange, gaskets za Kammprofile (mtini 4) au aina nyingine ya gaskets inapaswa kutumika.Imefanywa kwa karibu kwa njia sawa na wazalishaji kadhaa, pedi hii inasamehe sana.Inajumuisha pete za metali zenye meno zote zilizowekwa kati ya nyenzo laini za kuziba zinazoweza kuharibika.Meno huzingatia mzigo wa bolt katika eneo ndogo ili kutoa kufaa kwa mkazo mdogo.Imeundwa kwa namna ambayo inaweza kulipa fidia kwa nyuso zisizo sawa za flange pamoja na hali ya uendeshaji inayobadilika.
Mchoro 4. Gaskets za Kammprofile zina msingi wa chuma unaounganishwa pande zote mbili na kujaza laini.
Sababu nyingine muhimu katika uadilifu wa mfumo ni valve.Uvujaji karibu na muhuri wa shina na flanges ya mwili ni tatizo la kweli.Ili kuzuia hili, inashauriwa kuchagua valve iliyo na muhuri wa mvuto.
Tumia inchi 1.Bomba la chuma cha kaboni la Shule 80, kwa mfano wetu hapa chini, kutokana na kuhimili utengenezaji, kutu na ustahimilivu wa mitambo kwa mujibu wa ASTM A106 Gr B, kiwango cha juu kinachoruhusiwa cha shinikizo la kufanya kazi (MAWP) kinaweza kuhesabiwa kwa hatua mbili kwa halijoto ya hadi 300°F (Kumbuka : Sababu ya "...kwa halijoto ya hadi 300º00) kwa sababu nyenzo zinazoruhusiwa kuanza hadi 300º60F ni kwa sababu mkazo wa kuanzia wa ASS unaoruhusiwa na ASS ni ASS kiwango wakati halijoto inapozidi 300ºF.(S), kwa hivyo Mlingano (1) unahitaji Rekebisha hadi halijoto iliyo zaidi ya 300ºF.)
Ukirejelea fomula (1), hatua ya kwanza ni kukokotoa shinikizo la mlipuko wa kinadharia wa bomba.
T = unene wa ukuta wa bomba ukiondoa uvumilivu wa mitambo, kutu na utengenezaji, kwa inchi.
Sehemu ya pili ya mchakato ni kuhesabu kiwango cha juu kinachoruhusiwa cha shinikizo la kufanya kazi Pa la bomba kwa kutumia sababu ya usalama S f kwa matokeo P kulingana na equation (2):
Kwa hivyo, wakati wa kutumia nyenzo 1″ shule 80, shinikizo la kupasuka huhesabiwa kama ifuatavyo:
Kisha Sf ya 4 ya usalama itatumika kwa mujibu wa Mapendekezo ya Chombo cha Shinikizo cha ASME Sehemu ya VIII-1 2019, Aya ya 8. UG-101 ikikokotolewa kama ifuatavyo:
Thamani ya MAWP inayotokana ni 810 psi.inchi inarejelea bomba pekee.Muunganisho wa flange au sehemu iliyo na ukadiriaji wa chini kabisa katika mfumo itakuwa sababu ya kuamua katika kuamua shinikizo linaloruhusiwa katika mfumo.
Kwa ASME B16.5, shinikizo la juu linalokubalika la kufanya kazi kwa vifaa vya kuweka flange vya chuma cha kaboni 150 ni psi 285.inchi kwa -20°F hadi 100°F.Darasa la 300 lina shinikizo la juu la kuruhusiwa la kufanya kazi la 740 psi.Hii itakuwa kikomo cha shinikizo la mfumo kulingana na mfano wa uainishaji wa nyenzo hapa chini.Pia, tu katika vipimo vya hydrostatic, maadili haya yanaweza kuzidi mara 1.5.
Kama mfano wa vipimo vya msingi vya nyenzo za chuma cha kaboni, vipimo vya laini ya huduma ya gesi ya H2 inayofanya kazi katika halijoto iliyoko chini ya shinikizo la muundo la 740 psi.inchi, inaweza kuwa na mahitaji ya nyenzo yaliyoonyeshwa katika Jedwali la 2. Zifuatazo ni aina ambazo zinaweza kuhitaji umakini ili kujumuishwa katika vipimo:
Kando na bomba lenyewe, kuna vipengele vingi vinavyounda mfumo wa mabomba kama vile fittings, vali, vifaa vya laini, n.k. Ingawa vipengele hivi vingi vitawekwa pamoja ili kujadili kwa kina, hii itahitaji kurasa nyingi zaidi kuliko zinazoweza kushughulikiwa.Makala hii.