ภาพรวมนี้ให้คำแนะนำสำหรับการออกแบบระบบท่อส่งไฮโดรเจนอย่างปลอดภัย
ไฮโดรเจนเป็นของเหลวที่ระเหยง่ายและมีแนวโน้มที่จะรั่วไหลสูง การรวมกันของคุณสมบัติเหล่านี้เป็นอันตรายและอาจถึงแก่ชีวิตได้ เป็นของเหลวที่ระเหยง่ายและควบคุมได้ยาก นี่คือแนวโน้มที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุ ปะเก็น และซีล รวมถึงลักษณะการออกแบบของระบบดังกล่าว หัวข้อเกี่ยวกับการกระจายตัวของก๊าซไฮโดรเจนเป็นจุดสนใจของการอภิปรายนี้ ไม่ใช่การผลิตไฮโดรเจน ไฮโดรเจนเหลว หรือไฮโดรเจนเหลว (ดูที่แถบด้านข้างขวา)
ต่อไปนี้เป็นประเด็นสำคัญบางประการที่จะช่วยให้คุณเข้าใจส่วนผสมของไฮโดรเจนและ H2-อากาศ ไฮโดรเจนเผาไหม้ได้สองวิธี คือ การเผาไหม้แบบไม่ลุกไหม้และการระเบิด
การเผาไหม้แบบไม่รุนแรง (Deflagration) เป็นรูปแบบการเผาไหม้ที่พบได้ทั่วไป โดยเปลวไฟจะเคลื่อนที่ผ่านส่วนผสมด้วยความเร็วต่ำกว่าเสียง ตัวอย่างเช่น เมื่อกลุ่มก้อนของส่วนผสมไฮโดรเจน-อากาศถูกจุดติดโดยแหล่งกำเนิดประกายไฟขนาดเล็ก ในกรณีนี้ เปลวไฟจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสิบถึงหลายร้อยฟุตต่อวินาที การขยายตัวอย่างรวดเร็วของก๊าซร้อนทำให้เกิดคลื่นความดันซึ่งความแรงแปรผันตรงกับขนาดของกลุ่มก้อน ในบางกรณี แรงของคลื่นกระแทกอาจรุนแรงพอที่จะสร้างความเสียหายให้กับโครงสร้างอาคารและวัตถุอื่น ๆ ที่อยู่ในเส้นทาง และก่อให้เกิดการบาดเจ็บได้
ระเบิด เมื่อมันระเบิด เปลวไฟและคลื่นกระแทกจะเคลื่อนที่ผ่านส่วนผสมด้วยความเร็วเหนือเสียง อัตราส่วนความดันในคลื่นระเบิดนั้นมากกว่าในการระเบิดปกติมาก เนื่องจากแรงที่เพิ่มขึ้น การระเบิดจึงอันตรายกว่าต่อผู้คน อาคาร และวัตถุใกล้เคียง การเผาไหม้ปกติจะทำให้เกิดการระเบิดเมื่อจุดติดในพื้นที่จำกัด ในพื้นที่แคบเช่นนั้น การจุดติดสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยพลังงานเพียงเล็กน้อย แต่สำหรับการระเบิดของส่วนผสมไฮโดรเจน-อากาศในพื้นที่ไม่จำกัด จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดประกายไฟที่ทรงพลังกว่า
อัตราส่วนความดันของคลื่นระเบิดในส่วนผสมไฮโดรเจน-อากาศอยู่ที่ประมาณ 20 ที่ความดันบรรยากาศ อัตราส่วน 20 เท่ากับ 300 psi เมื่อคลื่นความดันนี้ชนกับวัตถุที่อยู่นิ่ง อัตราส่วนความดันจะเพิ่มขึ้นเป็น 40-60 เนื่องจากการสะท้อนของคลื่นความดันจากสิ่งกีดขวางที่อยู่นิ่ง
มีแนวโน้มที่จะรั่วไหล เนื่องจากความหนืดต่ำและน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ก๊าซไฮโดรเจนจึงมีแนวโน้มสูงที่จะรั่วไหลและอาจซึมผ่านหรือแทรกซึมเข้าไปในวัสดุต่างๆ ได้
ไฮโดรเจนเบากว่าก๊าซธรรมชาติ 8 เท่า เบากว่าอากาศ 14 เท่า เบากว่าโพรเพน 22 เท่า และเบากว่าไอระเหยของน้ำมันเบนซิน 57 เท่า หมายความว่าเมื่อติดตั้งกลางแจ้ง ก๊าซไฮโดรเจนจะลอยขึ้นและกระจายตัวอย่างรวดเร็ว ลดสัญญาณการรั่วไหลได้ แต่ก็เป็นดาบสองคมเช่นกัน อาจเกิดการระเบิดได้หากทำการเชื่อมโลหะในที่โล่งแจ้งเหนือหรือใต้ลมของการรั่วไหลของไฮโดรเจนโดยไม่ทำการตรวจสอบการรั่วไหลก่อนการเชื่อม ในพื้นที่ปิด ก๊าซไฮโดรเจนสามารถลอยขึ้นและสะสมจากเพดานลงมา ซึ่งจะทำให้มีปริมาณมากก่อนที่จะสัมผัสกับแหล่งกำเนิดประกายไฟใกล้พื้นดินได้ง่ายขึ้น
ไฟไหม้โดยอุบัติเหตุ การติดไฟเองเป็นปรากฏการณ์ที่ส่วนผสมของก๊าซหรือไอระเหยลุกไหม้ขึ้นเองโดยธรรมชาติโดยไม่มีแหล่งกำเนิดประกายไฟภายนอก เรียกอีกอย่างว่า "การเผาไหม้โดยธรรมชาติ" หรือ "การลุกไหม้เอง" การติดไฟเองขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ไม่ใช่ความดัน
อุณหภูมิการติดไฟเอง คือ อุณหภูมิต่ำสุดที่เชื้อเพลิงจะติดไฟได้เองโดยปราศจากแหล่งกำเนิดประกายไฟภายนอก เมื่อสัมผัสกับอากาศหรือสารออกซิไดซ์ อุณหภูมิการติดไฟเองของผงเชื้อเพลิงชนิดเดียว คือ อุณหภูมิที่ผงเชื้อเพลิงนั้นติดไฟได้เองโดยปราศจากสารออกซิไดซ์ อุณหภูมิการติดไฟเองของก๊าซไฮโดรเจนในอากาศคือ 585 องศาเซลเซียส
พลังงานจุดติดไฟ คือพลังงานที่จำเป็นในการเริ่มต้นการลุกลามของเปลวไฟผ่านส่วนผสมที่ติดไฟได้ พลังงานจุดติดไฟขั้นต่ำ คือพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการจุดส่วนผสมที่ติดไฟได้ชนิดหนึ่งๆ ที่อุณหภูมิและความดันหนึ่งๆ พลังงานจุดติดไฟขั้นต่ำสำหรับก๊าซไฮโดรเจนในอากาศ 1 บรรยากาศ = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 มิลลิจูล)
ขีดจำกัดการระเบิด คือความเข้มข้นสูงสุดและต่ำสุดของไอระเหย หมอก หรือฝุ่นละอองในอากาศหรือออกซิเจนที่ทำให้เกิดการระเบิด ขนาดและรูปทรงของสภาพแวดล้อม รวมถึงความเข้มข้นของเชื้อเพลิง เป็นปัจจัยควบคุมขีดจำกัดเหล่านี้ บางครั้งคำว่า "ขีดจำกัดการระเบิด" ก็ถูกใช้เป็นคำพ้องความหมายกับ "ขีดจำกัดการระเบิด"
ขีดจำกัดการระเบิดของส่วนผสม H2 ในอากาศคือ 18.3% โดยปริมาตร (ขีดจำกัดล่าง) และ 59% โดยปริมาตร (ขีดจำกัดบน)
เมื่อออกแบบระบบท่อ (รูปที่ 1) ขั้นตอนแรกคือการกำหนดวัสดุก่อสร้างที่จำเป็นสำหรับของเหลวแต่ละประเภท และของเหลวแต่ละประเภทจะถูกจำแนกตามวรรค 300(b)(1) ของ ASME B31.3 ซึ่งระบุว่า “เจ้าของมีหน้าที่รับผิดชอบในการกำหนดท่อประเภท D, M, แรงดันสูง และความบริสุทธิ์สูง และกำหนดว่าควรใช้ระบบคุณภาพเฉพาะหรือไม่”
การจำแนกประเภทของของเหลวจะกำหนดระดับการทดสอบและประเภทของการทดสอบที่จำเป็น รวมถึงข้อกำหนดอื่นๆ อีกมากมายตามประเภทของของเหลว โดยปกติแล้ว ความรับผิดชอบในส่วนนี้จะตกอยู่กับฝ่ายวิศวกรรมของเจ้าของโครงการหรือวิศวกรที่ได้รับการว่าจ้างจากภายนอก
แม้ว่ามาตรฐาน B31.3 Process Piping Code จะไม่ได้ระบุอย่างชัดเจนว่าควรใช้วัสดุชนิดใดสำหรับของเหลวชนิดใด แต่ก็ให้คำแนะนำเกี่ยวกับความแข็งแรง ความหนา และข้อกำหนดในการเชื่อมต่อวัสดุ นอกจากนี้ยังมีข้อความสองข้อในบทนำของมาตรฐานที่ระบุไว้อย่างชัดเจนว่า:
และขยายความจากย่อหน้าแรกข้างต้น ย่อหน้า B31.3. 300(b)(1) ยังระบุอีกว่า: “เจ้าของการติดตั้งท่อส่งมีหน้าที่รับผิดชอบแต่เพียงผู้เดียวในการปฏิบัติตามประมวลกฎหมายนี้ และในการกำหนดข้อกำหนดด้านการออกแบบ การก่อสร้าง การตรวจสอบ การตรวจการณ์ และการทดสอบที่ควบคุมการจัดการของเหลวหรือกระบวนการทั้งหมดที่ท่อส่งเป็นส่วนหนึ่งของการติดตั้ง” ดังนั้น หลังจากวางกฎเกณฑ์พื้นฐานบางประการสำหรับความรับผิดและข้อกำหนดสำหรับการกำหนดประเภทบริการของเหลวแล้ว มาดูกันว่าก๊าซไฮโดรเจนจะจัดอยู่ในประเภทใด
เนื่องจากก๊าซไฮโดรเจนมีคุณสมบัติเป็นของเหลวระเหยง่ายและอาจเกิดการรั่วไหลได้ จึงสามารถจัดเป็นของเหลวปกติหรือของเหลวประเภท M ภายใต้หมวด B31.3 สำหรับการใช้งานกับของเหลว ดังที่กล่าวมาข้างต้น การจำแนกประเภทการจัดการของเหลวเป็นข้อกำหนดของผู้เป็นเจ้าของ โดยต้องเป็นไปตามแนวทางสำหรับประเภทที่เลือกตามที่อธิบายไว้ใน B31.3 วรรค 3 300.2 คำจำกัดความในส่วน “บริการไฮดรอลิก” ต่อไปนี้เป็นคำจำกัดความสำหรับบริการของเหลวปกติและบริการของเหลวประเภท M:
“การใช้งานกับของเหลวทั่วไป: การใช้งานกับของเหลวที่ใช้ได้กับท่อส่วนใหญ่ที่อยู่ภายใต้ข้อกำหนดนี้ กล่าวคือ ไม่ต้องอยู่ภายใต้ข้อบังคับสำหรับท่อประเภท D, M, อุณหภูมิสูง, ความดันสูง หรือความสะอาดของของเหลวสูง”
(1) ของเหลวดังกล่าวมีพิษร้ายแรงมาก แม้แต่การสัมผัสกับของเหลวปริมาณเล็กน้อยเพียงครั้งเดียวจากการรั่วไหลก็อาจก่อให้เกิดอันตรายร้ายแรงถาวรแก่ผู้ที่สูดดมหรือสัมผัสกับของเหลวนั้นได้ แม้ว่าจะมีการดำเนินการรักษาทันทีก็ตาม
(2) หลังจากพิจารณาการออกแบบท่อ ประสบการณ์ สภาพการใช้งาน และสถานที่ตั้งแล้ว เจ้าของกำหนดว่าข้อกำหนดสำหรับการใช้งานของเหลวตามปกติไม่เพียงพอที่จะให้ความแน่นหนาที่จำเป็นในการปกป้องบุคลากรจากการสัมผัส”
ในคำจำกัดความของ M ข้างต้น ก๊าซไฮโดรเจนไม่ตรงตามเกณฑ์ของวรรค (1) เนื่องจากไม่ถือว่าเป็นของเหลวที่เป็นพิษ อย่างไรก็ตาม โดยการใช้มาตรา (2) ประมวลกฎหมายอนุญาตให้จัดประเภทระบบไฮดรอลิกเป็นชั้น M หลังจากพิจารณาอย่างรอบคอบถึง “…การออกแบบท่อ ประสบการณ์ สภาพการใช้งาน และสถานที่ตั้ง…” เจ้าของอนุญาตให้กำหนดการจัดการของเหลวตามปกติ ข้อกำหนดไม่เพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการระดับความสมบูรณ์ที่สูงขึ้นในการออกแบบ การก่อสร้าง การตรวจสอบ และการทดสอบระบบท่อก๊าซไฮโดรเจน
โปรดดูตารางที่ 1 ก่อนที่จะกล่าวถึงการกัดกร่อนจากไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง (HTHA) ตารางนี้แสดงรายการรหัส มาตรฐาน และข้อบังคับต่างๆ รวมถึงเอกสาร 6 ฉบับเกี่ยวกับหัวข้อการเปราะตัวจากไฮโดรเจน (HE) ซึ่งเป็นความผิดปกติของการกัดกร่อนที่พบได้ทั่วไปและรวมถึง HTHA ด้วย ปฏิกิริยาไฮโดรเจน (OH) สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในอุณหภูมิต่ำและสูง ถือเป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อน สามารถเริ่มต้นได้หลายวิธีและส่งผลกระทบต่อวัสดุหลากหลายชนิด
การแตกร้าวจากไฮโดรเจนมีหลายรูปแบบ ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็น การแตกร้าวจากไฮโดรเจน (HAC), การแตกร้าวจากความเค้นของไฮโดรเจน (HSC), การแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น (SCC), การแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากไฮโดรเจน (HACC), การเกิดฟองไฮโดรเจน (HB), การแตกร้าวจากไฮโดรเจน (HIC), การแตกร้าวจากไฮโดรเจนที่เน้นความเค้น (SOHIC), การแตกร้าวแบบก้าวหน้า (SWC), การแตกร้าวจากความเค้นของซัลไฟด์ (SSC), การแตกร้าวในเขตอ่อน (SZC) และการกัดกร่อนจากไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง (HTHA)
โดยพื้นฐานแล้ว การเปราะตัวเนื่องจากไฮโดรเจนเป็นกลไกการทำลายขอบเกรนของโลหะ ส่งผลให้ความยืดหยุ่นลดลงเนื่องจากการแทรกซึมของไฮโดรเจนอะตอม วิธีการที่เกิดปรากฏการณ์นี้มีความหลากหลายและถูกกำหนดบางส่วนโดยชื่อที่เกี่ยวข้อง เช่น HTHA ซึ่งต้องใช้ไฮโดรเจนที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูงพร้อมกันจึงจะเกิดการเปราะตัว และ SSC ซึ่งไฮโดรเจนอะตอมถูกผลิตขึ้นในรูปของก๊าซปิด และไฮโดรเจนเนื่องจากการกัดกร่อนของกรดจะซึมเข้าไปในชั้นโลหะ ซึ่งอาจนำไปสู่ความเปราะตัวได้ แต่ผลลัพธ์โดยรวมจะเหมือนกันในทุกกรณีของการเปราะตัวเนื่องจากไฮโดรเจนที่กล่าวมาข้างต้น คือ ความแข็งแรงของโลหะลดลงเนื่องจากการเปราะตัวต่ำกว่าช่วงความเค้นที่ยอมรับได้ ซึ่งจะนำไปสู่เหตุการณ์ที่อาจร้ายแรงได้เนื่องจากความผันผวนของของเหลว
นอกเหนือจากความหนาของผนังและประสิทธิภาพการเชื่อมต่อทางกลแล้ว ยังมีปัจจัยหลักสองประการที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุสำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับก๊าซไฮโดรเจน ได้แก่ 1. การสัมผัสกับไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง (HTHA) และ 2. ข้อกังวลอย่างจริงจังเกี่ยวกับการรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้น ทั้งสองหัวข้อนี้อยู่ระหว่างการพิจารณาในปัจจุบัน
แตกต่างจากไฮโดรเจนโมเลกุล ไฮโดรเจนอะตอมสามารถขยายตัวได้ ทำให้ไฮโดรเจนสัมผัสกับอุณหภูมิและความดันสูง ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับปรากฏการณ์ HTHA (High Temperature Alternating Throttle) ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ไฮโดรเจนอะตอมสามารถแพร่เข้าไปในวัสดุท่อหรืออุปกรณ์เหล็กกล้าคาร์บอน ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนในสารละลายโลหะเพื่อสร้างก๊าซมีเทนที่ขอบเกรน เนื่องจากไม่สามารถระบายออกได้ ก๊าซจึงขยายตัว ทำให้เกิดรอยแตกและรอยแยกในผนังท่อหรือภาชนะ – นี่คือปรากฏการณ์ HTHA คุณสามารถเห็นผลลัพธ์ของ HTHA ได้อย่างชัดเจนในรูปที่ 2 ซึ่งแสดงให้เห็นรอยแตกและรอยแยกในผนังขนาด 8 นิ้ว ส่วนของท่อขนาดระบุ (NPS) ที่เสียหายภายใต้สภาวะเหล่านี้
เหล็กกล้าคาร์บอนสามารถใช้กับงานที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนได้เมื่ออุณหภูมิในการทำงานต่ำกว่า 500°F ดังที่กล่าวมาข้างต้น HTHA เกิดขึ้นเมื่อก๊าซไฮโดรเจนถูกกักเก็บไว้ที่ความดันย่อยสูงและอุณหภูมิสูง จึงไม่แนะนำให้ใช้เหล็กกล้าคาร์บอนเมื่อคาดว่าความดันย่อยของไฮโดรเจนจะอยู่ที่ประมาณ 3000 psi และอุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 450°F (ซึ่งเป็นสภาวะอุบัติเหตุในรูปที่ 2)
จากกราฟเนลสันที่ปรับปรุงแล้วในรูปที่ 3 ซึ่งนำมาจากมาตรฐาน API 941 บางส่วน จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิสูงมีผลกระทบมากที่สุดต่อแรงดันไฮโดรเจน ความดันย่อยของก๊าซไฮโดรเจนอาจสูงเกิน 1000 psi เมื่อใช้กับเหล็กกล้าคาร์บอนที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 500°F
รูปที่ 3 แผนภูมิเนลสันที่ปรับปรุงแล้วนี้ (ดัดแปลงจาก API 941) สามารถใช้ในการเลือกวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานกับไฮโดรเจนที่อุณหภูมิต่างๆ ได้
ภาพที่ 3 แสดงตัวเลือกของเหล็กกล้าที่รับประกันว่าจะทนต่อการกัดกร่อนของไฮโดรเจน โดยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการใช้งานและความดันย่อยของไฮโดรเจน เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกไม่ไวต่อการกัดกร่อนจากอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ และเป็นวัสดุที่เหมาะสมในทุกอุณหภูมิและความดัน
เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก 316/316L เป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานกับไฮโดรเจนและมีประวัติการใช้งานที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ในขณะที่แนะนำให้ทำการอบชุบความร้อนหลังการเชื่อม (PWHT) สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนเพื่อเผาไฮโดรเจนที่ตกค้างระหว่างการเชื่อมและลดความแข็งของบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) หลังการเชื่อม แต่ไม่จำเป็นสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก
ผลกระทบจากความร้อนที่เกิดจากการอบชุบและการเชื่อมมีผลต่อคุณสมบัติทางกลของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปเย็นสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกได้ เช่น ความแข็งแรงและความแข็ง เมื่อดัดและขึ้นรูปท่อจากเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก คุณสมบัติทางกลของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงไป รวมถึงการลดลงของความยืดหยุ่นของวัสดุด้วย
หากเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกต้องการการขึ้นรูปเย็น การอบอ่อนแบบละลาย (การให้ความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 1045°C แล้วตามด้วยการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว) จะช่วยฟื้นฟูคุณสมบัติทางกลของวัสดุให้กลับคืนสู่ค่าเดิม นอกจากนี้ยังช่วยขจัดปัญหาการแยกตัวของโลหะผสม การเกิดความไวต่อปฏิกิริยา และเฟสซิกมาที่เกิดขึ้นหลังจากการขึ้นรูปเย็น เมื่อทำการอบอ่อนแบบละลาย ควรระวังว่าการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วอาจทำให้เกิดความเค้นตกค้างกลับเข้าไปในวัสดุได้หากไม่ดำเนินการอย่างถูกต้อง
โปรดดูตาราง GR-2.1.1-1 ดัชนีข้อกำหนดวัสดุสำหรับการประกอบท่อและท่อ และ GR-2.1.1-2 ดัชนีข้อกำหนดวัสดุสำหรับท่อ ใน ASME B31 สำหรับการเลือกวัสดุที่ยอมรับได้สำหรับการใช้งานกับไฮโดรเจน (H2) ท่อเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี
ด้วยน้ำหนักอะตอมมาตรฐาน 1.008 หน่วยมวลอะตอม (amu) ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดและเล็กที่สุดในตารางธาตุ ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะรั่วไหลสูง ซึ่งอาจส่งผลร้ายแรงได้ ด้วยเหตุนี้ ระบบท่อส่งก๊าซจึงต้องได้รับการออกแบบในลักษณะที่จำกัดการเชื่อมต่อแบบกลไก และปรับปรุงการเชื่อมต่อที่จำเป็นจริงๆ เท่านั้น
ในการจำกัดจุดรั่วซึมที่อาจเกิดขึ้น ระบบควรเชื่อมให้สมบูรณ์ ยกเว้นข้อต่อหน้าแปลนบนอุปกรณ์ ท่อ และข้อต่อต่างๆ ควรหลีกเลี่ยงข้อต่อแบบเกลียวให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงข้อต่อแบบเกลียวได้ด้วยเหตุผลใดๆ ก็ตาม ขอแนะนำให้ขันเกลียวให้แน่นสนิทโดยไม่ต้องใช้สารกันรั่วซึม แล้วจึงปิดผนึกรอยเชื่อม เมื่อใช้ท่อเหล็กกล้าคาร์บอน ข้อต่อท่อต้องเชื่อมแบบชนกันและอบชุบความร้อนหลังการเชื่อม (PWHT) หลังจากการเชื่อม ท่อในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) จะสัมผัสกับการกัดกร่อนของไฮโดรเจนแม้ในอุณหภูมิห้อง แม้ว่าการกัดกร่อนของไฮโดรเจนจะเกิดขึ้นเป็นหลักที่อุณหภูมิสูง แต่ขั้นตอน PWHT จะช่วยลดหรือกำจัดความเป็นไปได้นี้ได้อย่างสมบูรณ์แม้ในสภาวะอุณหภูมิห้อง
จุดอ่อนของระบบเชื่อมทั้งหมดคือการเชื่อมต่อหน้าแปลน เพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อหน้าแปลนมีความแน่นหนาในระดับสูง ควรใช้ปะเก็น Kammprofile (รูปที่ 4) หรือปะเก็นชนิดอื่น ปะเก็นชนิดนี้ผลิตขึ้นในลักษณะเดียวกันโดยผู้ผลิตหลายราย และมีความยืดหยุ่นสูง ประกอบด้วยวงแหวนโลหะทั้งหมดที่มีฟันประกบอยู่ระหว่างวัสดุปิดผนึกที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นได้ ฟันจะกระจายแรงของสลักเกลียวไปยังพื้นที่เล็ก ๆ เพื่อให้เกิดการยึดแน่นโดยมีแรงเค้นน้อยลง ออกแบบมาเพื่อชดเชยพื้นผิวหน้าแปลนที่ไม่เรียบ รวมถึงสภาวะการทำงานที่ผันผวน
รูปที่ 4. ปะเก็นแบบ Kammprofile มีแกนโลหะที่ยึดติดทั้งสองด้านด้วยวัสดุอุดที่อ่อนนุ่ม
อีกปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อความสมบูรณ์ของระบบคือวาล์ว การรั่วซึมบริเวณซีลแกนวาล์วและหน้าแปลนตัววาล์วเป็นปัญหาใหญ่ เพื่อป้องกันปัญหานี้ ขอแนะนำให้เลือกใช้วาล์วที่มีซีลแบบลูกสูบ
ใช้ท่อเหล็กกล้าคาร์บอน School 80 ขนาด 1 นิ้ว ในตัวอย่างด้านล่าง โดยกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนในการผลิต ค่าความคลาดเคลื่อนจากการกัดกร่อน และค่าความคลาดเคลื่อนทางกลตามมาตรฐาน ASTM A106 Gr B แรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาต (MAWP) สามารถคำนวณได้สองขั้นตอนที่อุณหภูมิสูงถึง 300°F (หมายเหตุ: เหตุผลที่ใช้คำว่า "...สำหรับอุณหภูมิสูงถึง 300ºF..." นั้นเป็นเพราะค่าความเค้นที่อนุญาต (S) ของวัสดุ ASTM A106 Gr B จะเริ่มลดลงเมื่ออุณหภูมิเกิน 300ºF ดังนั้นสมการ (1) จึงต้องปรับให้เข้ากับอุณหภูมิที่สูงกว่า 300ºF)
เมื่ออ้างอิงถึงสูตร (1) ขั้นตอนแรกคือการคำนวณแรงดันแตกตามทฤษฎีของท่อส่ง
T = ความหนาของผนังท่อ ลบด้วยค่าความคลาดเคลื่อนทางกล การกัดกร่อน และการผลิต หน่วยเป็นนิ้ว
ส่วนที่สองของกระบวนการคือการคำนวณแรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาต Pa ของท่อส่งโดยใช้ปัจจัยความปลอดภัย S f กับผลลัพธ์ P ตามสมการ (2):
ดังนั้น เมื่อใช้วัสดุขนาด 1 นิ้วสำหรับโรงเรียนรุ่น 80 แรงดันแตกจะคำนวณได้ดังนี้:
จากนั้นจึงใช้ค่าความปลอดภัย Sf เท่ากับ 4 ตามข้อแนะนำของ ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8 โดย UG-101 คำนวณดังนี้:
ค่า MAWP ที่ได้คือ 810 psi โดยหน่วยนิ้วหมายถึงเฉพาะท่อเท่านั้น การเชื่อมต่อหน้าแปลนหรือส่วนประกอบที่มีพิกัดต่ำที่สุดในระบบจะเป็นปัจจัยกำหนดแรงดันที่อนุญาตได้ในระบบ
ตามมาตรฐาน ASME B16.5 แรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาตสำหรับข้อต่อหน้าแปลนเหล็กกล้าคาร์บอน 150 คือ 285 psi/นิ้ว ที่อุณหภูมิ -20°F ถึง 100°F ส่วนเหล็กกล้าคลาส 300 มีแรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาตคือ 740 psi ค่านี้จะเป็นปัจจัยจำกัดแรงดันของระบบตามตัวอย่างข้อกำหนดวัสดุด้านล่าง นอกจากนี้ เฉพาะในการทดสอบด้วยแรงดันน้ำเท่านั้น ค่าเหล่านี้สามารถเกินได้ 1.5 เท่า
ตัวอย่างเช่น ข้อกำหนดวัสดุเหล็กกล้าคาร์บอนพื้นฐาน เช่น ข้อกำหนดท่อส่งก๊าซไฮโดรเจนที่ทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อมต่ำกว่าความดันออกแบบ 740 psi/นิ้ว อาจมีข้อกำหนดวัสดุดังแสดงในตารางที่ 2 ต่อไปนี้เป็นประเภทที่อาจต้องให้ความสนใจและรวมไว้ในข้อกำหนด:
นอกเหนือจากท่อแล้ว ระบบท่อยังประกอบด้วยองค์ประกอบอื่นๆ อีกมากมาย เช่น ข้อต่อ วาล์ว อุปกรณ์ภายในท่อ เป็นต้น แม้ว่าเราจะนำองค์ประกอบเหล่านี้มารวมกันในท่อเพื่ออธิบายรายละเอียด แต่ก็ต้องใช้จำนวนหน้ามากกว่าที่บทความนี้จะรองรับได้