Muhtasari huu unatoa mapendekezo kwa ajili ya muundo salama wa mifumo ya mabomba kwa ajili ya usambazaji wa hidrojeni.
Hidrojeni ni kioevu chenye tete sana chenye tabia kubwa ya kuvuja. Ni mchanganyiko hatari sana na hatari wa mielekeo, kioevu chenye tete ambacho ni vigumu kudhibiti. Hizi ni mitindo ya kuzingatia wakati wa kuchagua vifaa, gaskets na mihuri, pamoja na sifa za muundo wa mifumo kama hiyo. Mada hizi kuhusu usambazaji wa H2 ya gesi ndizo zinazoangazia mjadala huu, si uzalishaji wa H2, H2 ya kioevu, au H2 ya kioevu (tazama upau wa pembeni kulia).
Hapa kuna mambo machache muhimu ya kukusaidia kuelewa mchanganyiko wa hidrojeni na H2-hewa. Hidrojeni huwaka kwa njia mbili: kuungua na mlipuko.
Kupungua kwa kasi. Kupungua kwa kasi ni hali ya kawaida ya mwako ambapo miali hupitia mchanganyiko kwa kasi ndogo. Hii hutokea, kwa mfano, wakati wingu huru la mchanganyiko wa hidrojeni-hewa linapowashwa na chanzo kidogo cha kuwasha. Katika hali hii, mwali utasonga kwa kasi ya futi kumi hadi mia kadhaa kwa sekunde. Upanuzi wa haraka wa gesi ya moto huunda mawimbi ya shinikizo ambayo nguvu yake ni sawa na ukubwa wa wingu. Katika baadhi ya matukio, nguvu ya wimbi la mshtuko inaweza kutosha kuharibu miundo ya majengo na vitu vingine katika njia yake na kusababisha majeraha.
Lilipolipuka. Lilipolipuka, miali ya moto na mawimbi ya mshtuko yalipitia mchanganyiko huo kwa kasi ya juu ya sauti. Uwiano wa shinikizo katika wimbi la mlipuko ni mkubwa zaidi kuliko katika mlipuko. Kutokana na nguvu iliyoongezeka, mlipuko huo ni hatari zaidi kwa watu, majengo na vitu vilivyo karibu. Kupungua kwa kiwango cha kawaida husababisha mlipuko unapowashwa katika nafasi finyu. 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 kuwasha chenye nguvu zaidi kinahitajika.
Uwiano wa shinikizo katika wimbi la mlipuko katika mchanganyiko wa hidrojeni-hewa ni takriban 20. Katika shinikizo la angahewa, uwiano wa 20 ni 300 psi. Wakati wimbi hili la shinikizo linapogongana na kitu kisichosimama, uwiano wa shinikizo huongezeka hadi 40-60. Hii ni kutokana na kuakisiwa kwa wimbi la shinikizo kutoka kwa kizuizi kisichosimama.
Mwelekeo wa kuvuja. Kutokana na mnato wake mdogo na uzito mdogo wa molekuli, gesi ya H2 ina mwelekeo mkubwa wa kuvuja na hata kupenya au kupenya kwenye nyenzo mbalimbali.
Hidrojeni ni nyepesi mara 8 kuliko gesi asilia, nyepesi mara 14 kuliko hewa, nyepesi mara 22 kuliko propane na nyepesi mara 57 kuliko mvuke wa petroli. Hii ina maana kwamba inapowekwa nje, gesi ya H2 itainuka na kutoweka haraka, na kupunguza dalili zozote za uvujaji sawa. Lakini inaweza kuwa upanga wenye makali kuwili. Mlipuko unaweza kutokea ikiwa kulehemu kutafanywa kwenye usakinishaji wa nje juu au upepo wa chini wa uvujaji wa H2 bila utafiti wa kugundua uvujaji kabla ya kulehemu. Katika nafasi iliyofungwa, gesi ya H2 inaweza kupanda na kujikusanya kutoka dari hadi chini, hali inayoiruhusu kujikusanya hadi ujazo mkubwa kabla ya kuwa na uwezekano mkubwa wa kugusana na vyanzo vya kuwasha karibu na ardhi.
Moto wa bahati mbaya. Kujiwasha ni jambo ambalo mchanganyiko wa gesi au mvuke huwaka ghafla bila chanzo cha nje cha kuwasha. Pia hujulikana kama "mwako wa ghafla" au "mwako wa ghafla". Kujiwasha hutegemea halijoto, si shinikizo.
Halijoto ya kuwasha kiotomatiki ni halijoto ya chini kabisa ambayo mafuta yatawaka kiotomatiki kabla ya kuwasha bila chanzo cha nje cha kuwasha inapogusana na hewa au wakala wa oksidi. Halijoto ya kuwasha kiotomatiki ya unga mmoja ni halijoto ambayo huwaka kiotomatiki bila wakala wa oksidi. Halijoto ya kujiwasha ya H2 ya gesi hewani ni 585°C.
Nishati ya kuwasha ni nishati inayohitajika kuanzisha uenezaji wa mwali kupitia mchanganyiko unaoweza kuwaka. Nishati ya kuwasha ya chini kabisa ni nishati ya chini kabisa inayohitajika kuwasha mchanganyiko fulani unaoweza kuwaka katika halijoto na shinikizo fulani. Nishati ya kuwasha ya chini kabisa kwa gesi H2 katika atm 1 ya hewa = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Mipaka ya mlipuko ni viwango vya juu na vya chini kabisa vya mvuke, ukungu au vumbi hewani 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".
Mipaka ya kulipuka kwa michanganyiko ya H2 hewani ni 18.3 vol.% (kikomo cha chini) na 59 vol.% (kikomo cha juu).
Wakati wa kubuni mifumo ya mabomba (Mchoro 1), hatua ya kwanza ni kubaini vifaa vya ujenzi vinavyohitajika kwa kila aina ya majimaji. Na kila majimaji yataainishwa kulingana na aya ya ASME B31.3. Kifungu cha 300(b)(1) kinasema, "Mmiliki pia ana jukumu la kubaini aina ya D, M, shinikizo la juu, na mabomba ya usafi wa hali ya juu, na kubaini kama mfumo fulani wa ubora unapaswa kutumika."
Uainishaji wa majimaji hufafanua kiwango cha upimaji na aina ya upimaji unaohitajika, pamoja na mahitaji mengine mengi kulingana na kategoria ya majimaji. Jukumu la mmiliki kwa hili kwa kawaida huwa chini ya idara ya uhandisi ya mmiliki au mhandisi aliyeajiriwa na kampuni ya nje.
Ingawa Msimbo wa Mabomba ya Mchakato wa B31.3 haumwambii mmiliki ni nyenzo gani ya kutumia kwa umajimaji fulani, hutoa mwongozo kuhusu nguvu, unene, na mahitaji ya muunganisho wa nyenzo. Pia kuna kauli mbili katika utangulizi wa msimbo zinazoeleza waziwazi:
Na fafanua aya ya kwanza hapo juu, aya ya B31.3. 300(b)(1) pia inasema: "Mmiliki wa usakinishaji wa bomba anawajibika pekee kwa kuzingatia Kanuni hii na kuanzisha mahitaji ya usanifu, ujenzi, ukaguzi, ukaguzi, na upimaji yanayosimamia utunzaji wote wa majimaji au mchakato ambao bomba ni sehemu yake. Usakinishaji." Kwa hivyo, baada ya kuweka sheria za msingi za dhima na mahitaji ya kufafanua kategoria za huduma ya majimaji, hebu tuone gesi ya hidrojeni inafaa wapi.
Kwa sababu gesi ya hidrojeni hufanya kazi kama kioevu tete chenye uvujaji, gesi ya hidrojeni inaweza kuchukuliwa kuwa kioevu cha kawaida au kioevu cha Daraja M chini ya kategoria B31.3 kwa huduma ya kioevu. Kama ilivyoelezwa hapo juu, uainishaji wa utunzaji wa kioevu ni sharti la mmiliki, mradi tu unakidhi miongozo ya kategoria zilizochaguliwa zilizoelezwa katika B31.3, aya ya 3. 300.2 Ufafanuzi katika sehemu ya "Huduma za majimaji". Zifuatazo ni fasili za huduma ya kawaida ya kioevu na huduma ya kioevu ya Daraja M:
"Huduma ya Kawaida ya Majimaji: Huduma ya Majimaji inayotumika kwa mabomba mengi kulingana na kanuni hii, yaani haifuati kanuni za madarasa D, M, halijoto ya juu, shinikizo la juu, au usafi wa majimaji ya juu."
(1) Sumu ya umajimaji ni kubwa sana kiasi kwamba kuathiriwa mara moja na kiasi kidogo sana cha umajimaji unaosababishwa na uvujaji kunaweza kusababisha madhara makubwa ya kudumu kwa wale wanaovuta pumzi au kugusana nao, hata kama hatua za haraka za kupona zitachukuliwa.
(2) Baada ya kuzingatia muundo wa bomba, uzoefu, hali ya uendeshaji, na eneo, mmiliki anaamua kwamba mahitaji ya matumizi ya kawaida ya umajimaji hayatoshi kutoa ukali unaohitajika ili kuwalinda wafanyakazi kutokana na kuathiriwa.
Katika ufafanuzi hapo juu wa M, gesi ya hidrojeni haifikii vigezo vya aya ya (1) kwa sababu haichukuliwi kuwa kioevu chenye sumu. Hata hivyo, kwa kutumia kifungu kidogo cha (2), Kanuni inaruhusu uainishaji wa mifumo ya majimaji katika darasa la M baada ya kuzingatia ipasavyo "... muundo wa mabomba, uzoefu, hali ya uendeshaji na eneo..." Mmiliki anaruhusu uamuzi wa utunzaji wa kawaida wa majimaji. Mahitaji hayatoshi kukidhi hitaji la kiwango cha juu cha uadilifu katika usanifu, ujenzi, ukaguzi, ukaguzi na upimaji wa mifumo ya mabomba ya gesi ya hidrojeni.
Tafadhali rejelea Jedwali la 1 kabla ya kujadili Utu wa Hidrojeni wa Joto la Juu (HTHA). Misimbo, viwango, na kanuni zimeorodheshwa katika jedwali hili, ambalo linajumuisha hati sita kuhusu mada ya utepetevu wa hidrojeni (HE), tatizo la kawaida la utepetevu linalojumuisha HTHA. OH inaweza kutokea katika halijoto ya chini na ya juu. Ikizingatiwa kama aina ya utepetevu, inaweza kuanzishwa kwa njia kadhaa na pia kuathiri aina mbalimbali za vifaa.
HE ina aina mbalimbali, ambazo zinaweza kugawanywa katika: ufa wa hidrojeni (HAC), ufa wa mkazo wa hidrojeni (HSC), ufa wa mkazo wa kutu (SCC), ufa wa kutu wa hidrojeni (HACC), ufa wa hidrojeni (HB), ufa wa hidrojeni (HIC). )), ufa wa hidrojeni unaozingatia mkazo (SOHIC), ufa unaoendelea (SWC), ufa wa mkazo wa sulfidi (SSC), ufa wa eneo laini (SZC), na ulikaji wa hidrojeni wenye joto la juu (HTHA).
Katika umbo lake rahisi zaidi, kuganda kwa hidrojeni ni utaratibu wa uharibifu wa mipaka ya chembe za chuma, na kusababisha kupungua kwa unyumbufu kutokana na kupenya kwa hidrojeni ya atomiki. Njia ambazo hili hutokea ni tofauti na kwa kiasi fulani hufafanuliwa na majina yao husika, kama vile HTHA, ambapo joto la juu na hidrojeni ya shinikizo la juu inahitajika kwa ajili ya kuganda kwa hidrojeni, na SSC, ambapo hidrojeni ya atomiki huzalishwa kama gesi zilizofungwa na hidrojeni. kutokana na kutu kwa asidi, huingia kwenye visanduku vya chuma, ambavyo vinaweza kusababisha unyumbufu. Lakini matokeo ya jumla ni sawa na ya visa vyote vya kuganda kwa hidrojeni vilivyoelezwa hapo juu, ambapo nguvu ya chuma hupunguzwa kwa kuganda chini ya kiwango chake kinachoruhusiwa cha mkazo, ambacho huweka msingi wa tukio linaloweza kusababisha janga kutokana na tete ya kioevu.
Mbali na unene wa ukuta na utendaji wa viungo vya mitambo, kuna mambo mawili makuu ya kuzingatia wakati wa kuchagua vifaa vya huduma ya gesi ya H2: 1. Kuathiriwa na hidrojeni ya joto kali (HTHA) na 2. Wasiwasi mkubwa kuhusu uvujaji unaowezekana. Mada zote mbili kwa sasa zinajadiliwa.
Tofauti na hidrojeni ya molekuli, hidrojeni ya atomiki inaweza kupanuka, ikiiweka haidrojeni kwenye halijoto na shinikizo la juu, na kuunda msingi wa HTHA inayowezekana. Chini ya hali hizi, hidrojeni ya atomiki inaweza kusambaa kwenye vifaa vya mabomba ya chuma cha kaboni au vifaa, ambapo humenyuka na kaboni katika myeyusho wa metali na kuunda gesi ya methane kwenye mipaka ya nafaka. Ikiwa haiwezi kutoroka, gesi hupanuka, na kuunda nyufa na mianya katika kuta za mabomba au vyombo - hii ni HTGA. Unaweza kuona wazi matokeo ya HTHA katika Mchoro 2 ambapo nyufa na nyufa zinaonekana kwenye ukuta wa inchi 8. Sehemu ya bomba la ukubwa wa kawaida (NPS) linaloshindwa chini ya hali hizi.
Chuma cha kaboni kinaweza kutumika kwa huduma ya hidrojeni wakati halijoto ya uendeshaji inadumishwa chini ya 500°F. Kama ilivyoelezwa hapo juu, HTHA hutokea wakati gesi ya hidrojeni inashikiliwa kwa shinikizo kubwa la sehemu na halijoto ya juu. Chuma cha kaboni haipendekezwi wakati shinikizo la sehemu ya hidrojeni linatarajiwa kuwa karibu 3000 psi na halijoto iko juu ya takriban 450°F (ambayo ni hali ya ajali katika Mchoro 2).
Kama inavyoonekana kutoka kwa mchoro wa Nelson uliorekebishwa katika Mchoro 3, kwa kiasi fulani kutoka kwa API 941, halijoto ya juu ina athari kubwa zaidi katika kulazimisha hidrojeni. Shinikizo la sehemu la gesi ya hidrojeni linaweza kuzidi psi 1000 linapotumiwa na vyuma vya kaboni vinavyofanya kazi katika halijoto hadi 500°F.
Mchoro 3. Chati hii ya Nelson iliyorekebishwa (iliyorekebishwa kutoka API 941) inaweza kutumika kuchagua vifaa vinavyofaa kwa huduma ya hidrojeni katika halijoto mbalimbali.
Kwenye mchoro wa 3 unaonyesha uchaguzi wa vyuma ambavyo vimehakikishwa kuepuka shambulio la hidrojeni, kulingana na halijoto ya uendeshaji na shinikizo la sehemu ya hidrojeni. Vyuma vya pua vya Austenitic haviathiri HTHA na ni nyenzo zinazoridhisha katika halijoto na shinikizo zote.
Chuma cha pua cha Austenitic 316/316L ndicho nyenzo kinachofaa zaidi kwa matumizi ya hidrojeni na kina rekodi iliyothibitishwa. Ingawa matibabu ya joto baada ya kulehemu (PWHT) yanapendekezwa kwa vyuma vya kaboni ili kulainisha hidrojeni iliyobaki wakati wa kulehemu na kupunguza ugumu wa eneo lililoathiriwa na joto (HAZ) baada ya kulehemu, haihitajiki kwa vyuma vya pua vya austenitic.
Athari za jotojoto zinazosababishwa na matibabu ya joto na kulehemu hazina athari kubwa kwenye sifa za mitambo za vyuma vya pua vya austenitic. Hata hivyo, kufanya kazi kwa baridi kunaweza kuboresha sifa za mitambo za vyuma vya pua vya austenitic, kama vile nguvu na ugumu. Wakati wa kupinda na kutengeneza mabomba kutoka kwa chuma cha pua cha austenitic, sifa zao za mitambo hubadilika, ikiwa ni pamoja na kupungua kwa unyumbufu wa nyenzo.
Ikiwa chuma cha pua cha austenitic kinahitaji uundaji wa baridi, uunganishaji wa myeyusho (kupasha joto hadi takriban 1045°C ikifuatiwa na kuzima au kupoeza haraka) kutarejesha sifa za kiufundi za nyenzo kwenye thamani zao za asili. Pia itaondoa mgawanyiko wa aloi, unyeti na awamu ya sigma inayopatikana baada ya kufanya kazi kwa baridi. Unapofanya uunganishaji wa myeyusho, fahamu kwamba upoezaji wa haraka unaweza kurudisha msongo wa mabaki kwenye nyenzo ikiwa hautashughulikiwa vizuri.
Rejelea majedwali GR-2.1.1-1 Kielelezo cha Uainishaji wa Nyenzo za Mabomba na Mirija na Kielelezo cha Uainishaji wa Nyenzo za Mabomba cha GR-2.1.1-2 katika ASME B31 kwa chaguo zinazokubalika za nyenzo kwa huduma ya H2. Mabomba ni mahali pazuri pa kuanzia.
Kwa uzito wa kawaida wa atomiki wa vitengo 1.008 vya uzito wa atomiki (amu), hidrojeni ndiyo elementi nyepesi na ndogo zaidi kwenye jedwali la upimaji, na kwa hivyo ina mwelekeo mkubwa wa kuvuja, na matokeo mabaya, naweza kuongeza. Kwa hivyo, mfumo wa bomba la gesi lazima ubuniwe kwa njia ambayo itapunguza miunganisho ya aina ya mitambo na kuboresha miunganisho hiyo ambayo inahitajika sana.
Wakati wa kupunguza sehemu zinazoweza kuvuja, mfumo unapaswa kuunganishwa kikamilifu, isipokuwa miunganisho yenye flange kwenye vifaa, vipengele vya mabomba na vifaa. Miunganisho yenye nyuzi inapaswa kuepukwa iwezekanavyo, ikiwa si kabisa. Ikiwa miunganisho yenye nyuzi haiwezi kuepukwa kwa sababu yoyote, inashauriwa kuiunganisha kikamilifu bila kifunga uzi na kisha kuifunga kulehemu. Unapotumia bomba la chuma cha kaboni, viungo vya bomba lazima viunganishwe kitako na kutibiwa joto baada ya kulehemu (PWHT). Baada ya kulehemu, mabomba katika eneo lililoathiriwa na joto (HAZ) huwekwa wazi kwa shambulio la hidrojeni hata kwenye halijoto ya kawaida. Ingawa shambulio la hidrojeni hutokea hasa kwenye halijoto ya juu, hatua ya PWHT itapunguza kabisa, ikiwa si kuondoa, uwezekano huu hata chini ya halijoto ya kawaida.
Sehemu dhaifu ya mfumo uliounganishwa kwa kila kitu ni muunganisho wa flange. Ili kuhakikisha kiwango cha juu cha kubana katika miunganisho ya flange, gasket za Kammprofile (mchoro 4) au aina nyingine ya gasket zinapaswa kutumika. Zimetengenezwa kwa karibu njia sawa na watengenezaji kadhaa, pedi hii inasamehe sana. Inajumuisha pete za chuma zenye meno yote zilizowekwa kati ya vifaa laini na vinavyoweza kuharibika vya kuziba. Meno huweka mzigo wa boliti katika eneo dogo ili kutoa umbo zuri na mkazo mdogo. Imeundwa kwa njia ambayo inaweza kufidia nyuso za flange zisizo sawa pamoja na hali ya uendeshaji inayobadilika.
Mchoro 4. Gasket za Kammprofile zina kiini cha chuma kilichounganishwa pande zote mbili na kijaza laini.
Jambo lingine muhimu katika uadilifu wa mfumo ni vali. Uvujaji unaozunguka muhuri wa shina na flange za mwili ni tatizo kubwa. Ili kuzuia hili, inashauriwa kuchagua vali yenye muhuri wa mvukuto.
Tumia inchi 1. Bomba la chuma cha kaboni la Shule 80, katika mfano wetu hapa chini, kutokana na uvumilivu wa utengenezaji, kutu na uvumilivu wa mitambo kulingana na ASTM A106 Gr B, shinikizo la juu linaloruhusiwa la kufanya kazi (MAWP) linaweza kuhesabiwa kwa hatua mbili kwa halijoto hadi 300°F (Kumbuka: Sababu ya "...kwa halijoto hadi 300ºF..." ni kwa sababu mkazo unaoruhusiwa (S) wa nyenzo za ASTM A106 Gr B huanza kuzorota wakati halijoto inapozidi 300ºF. (S), kwa hivyo Mlinganyo (1) unahitaji Rekebisha halijoto zaidi ya 300ºF.)
Kwa kurejelea fomula (1), hatua ya kwanza ni kuhesabu shinikizo la kinadharia la kupasuka kwa bomba.
T = unene wa ukuta wa bomba ukiondoa uvumilivu wa mitambo, kutu na utengenezaji, kwa inchi.
Sehemu ya pili ya mchakato ni kuhesabu shinikizo la juu linaloruhusiwa la kufanya kazi la Pa la bomba kwa kutumia kipengele cha usalama S f kwenye matokeo P kulingana na mlinganyo (2):
Kwa hivyo, unapotumia nyenzo ya shule ya 1″ 80, shinikizo la kupasuka huhesabiwa kama ifuatavyo:
Kisha, Sf ya usalama ya 4 inatumika kwa mujibu wa Kifungu cha Mapendekezo ya Vyombo vya Shinikizo vya ASME VIII-1 2019, Kifungu cha 8. UG-101 imehesabiwa kama ifuatavyo:
Thamani ya MAWP inayotokana ni inchi 810 psi. inarejelea bomba pekee. Muunganisho wa flange au sehemu yenye ukadiriaji wa chini kabisa katika mfumo itakuwa sababu ya kuamua shinikizo linaloruhusiwa katika mfumo.
Kwa kila ASME B16.5, shinikizo la juu linaloruhusiwa la kufanya kazi kwa viunganishi vya flange vya chuma cha kaboni 150 ni inchi 285 psi. kwa -20°F hadi 100°F. Daraja la 300 lina shinikizo la juu linaloruhusiwa la kufanya kazi la 740 psi. Hii itakuwa kigezo cha kikomo cha shinikizo la mfumo kulingana na mfano wa vipimo vya nyenzo hapa chini. Pia, katika majaribio ya hidrostatic pekee, thamani hizi zinaweza 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 vinavyofanya kazi katika halijoto ya kawaida chini ya shinikizo la muundo la inchi 740 psi., vinaweza kuwa na mahitaji ya nyenzo yaliyoonyeshwa katika Jedwali la 2. Zifuatazo ni aina ambazo zinaweza kuhitaji uangalifu ili zijumuishwe katika vipimo:
Mbali na bomba lenyewe, kuna vipengele vingi vinavyounda mfumo wa mabomba kama vile vifaa, vali, vifaa vya mstari, n.k. Ingawa vipengele hivi vingi vitawekwa pamoja ili kuvijadili kwa undani, hii itahitaji kurasa zaidi ya zile zinazoweza kushughulikiwa. Makala haya.