Ang pangkalahatang-ideya na ito ay nagbibigay ng mga rekomendasyon para sa ligtas na disenyo ng mga sistema ng tubo para sa pamamahagi ng hydrogen.
Ang hydrogen ay isang likidong madaling sumingaw na may mataas na posibilidad na tumagas. Ito ay isang mapanganib at nakamamatay na kombinasyon ng mga tendensiya, isang likidong madaling sumingaw na mahirap kontrolin. Ito ang mga usong dapat isaalang-alang kapag pumipili ng mga materyales, gasket at seal, pati na rin ang mga katangian ng disenyo ng mga naturang sistema. Ang mga paksang ito tungkol sa distribusyon ng gas na H2 ang pokus ng talakayang ito, hindi ang produksyon ng H2, likidong H2, o likidong H2 (tingnan ang kanang sidebar).
Narito ang ilang mahahalagang punto upang matulungan kang maunawaan ang pinaghalong hydrogen at H2-air. Ang hydrogen ay nasusunog sa dalawang paraan: deflagration at pagsabog.
deflagration. Ang deflagration ay isang karaniwang paraan ng pagkasunog kung saan ang mga apoy ay naglalakbay sa pinaghalong apoy sa bilis na subsonic. Nangyayari ito, halimbawa, kapag ang isang libreng ulap ng pinaghalong hydrogen-air ay sinindihan ng isang maliit na pinagmumulan ng ignisyon. Sa kasong ito, ang apoy ay kikilos sa bilis na sampu hanggang ilang daang talampakan bawat segundo. Ang mabilis na paglawak ng mainit na gas ay lumilikha ng mga pressure wave na ang lakas ay proporsyonal sa laki ng ulap. Sa ilang mga kaso, ang puwersa ng shock wave ay maaaring sapat upang makapinsala sa mga istruktura ng gusali at iba pang mga bagay sa landas nito at magdulot ng pinsala.
sumabog. Nang sumabog ito, ang mga apoy at shock wave ay dumaan sa pinaghalong bomba sa bilis na supersonic. Ang pressure ratio sa isang detonation wave ay mas mataas kaysa sa isang detonation. Dahil sa mas mataas na puwersa, ang pagsabog ay mas mapanganib para sa mga tao, gusali, at mga kalapit na bagay. Ang normal na deflagration ay nagdudulot ng pagsabog kapag sinindihan sa isang masikip na espasyo. Sa ganitong makitid na lugar, ang ignisyon ay maaaring sanhi ng pinakamaliit na dami ng enerhiya. Ngunit para sa pagsabog ng pinaghalong hydrogen-air sa isang walang limitasyong espasyo, kinakailangan ang isang mas malakas na pinagmumulan ng ignisyon.
Ang ratio ng presyon sa buong detonation wave sa isang pinaghalong hydrogen-air ay humigit-kumulang 20. Sa presyon ng atmospera, ang ratio na 20 ay 300 psi. Kapag ang pressure wave na ito ay bumangga sa isang nakapirming bagay, ang pressure ratio ay tataas sa 40-60. Ito ay dahil sa repleksyon ng isang pressure wave mula sa isang nakapirming balakid.
May tendensiyang tumagas. Dahil sa mababang lagkit at mababang molekular na timbang nito, ang H2 gas ay may mataas na tendensiyang tumagas at tumagos pa nga sa iba't ibang materyales.
Ang hydrogen ay 8 beses na mas magaan kaysa sa natural gas, 14 na beses na mas magaan kaysa sa hangin, 22 beses na mas magaan kaysa sa propane at 57 beses na mas magaan kaysa sa singaw ng gasolina. Nangangahulugan ito na kapag naka-install sa labas, ang H2 gas ay mabilis na tataas at maglalaho, na binabawasan ang anumang senyales ng pantay na tagas. Ngunit maaari itong maging isang tabak na may dalawang talim. Maaaring mangyari ang pagsabog kung ang welding ay isasagawa sa isang panlabas na instalasyon sa itaas o pababa ng hangin ng isang tagas ng H2 nang walang pag-aaral sa pagtuklas ng tagas bago ang welding. Sa isang nakasarang espasyo, ang H2 gas ay maaaring tumaas at maipon mula sa kisame pababa, isang kondisyon na nagpapahintulot dito na maipon nang malaki bago mas malamang na madikit sa mga pinagmumulan ng ignisyon malapit sa lupa.
Aksidenteng sunog. Ang self-ignition ay isang penomeno kung saan ang isang halo ng mga gas o singaw ay kusang nagliliyab nang walang panlabas na pinagmumulan ng ignisyon. Kilala rin ito bilang "spontaneous combustion" o "spontaneous combustion". Ang self-ignition ay nakadepende sa temperatura, hindi sa presyon.
Ang temperatura ng awtomatikong pagsiklab ay ang pinakamababang temperatura kung saan ang isang panggatong ay kusang magliliyab bago ang pagsiklab nang walang panlabas na pinagmumulan ng pagsiklab kapag nadikit sa hangin o isang oxidizing agent. Ang temperatura ng awtomatikong pagsiklab ng isang pulbos ay ang temperatura kung saan ito kusang nagliliyab nang walang oxidizing agent. Ang temperatura ng awtomatikong pagsiklab ng gas na H2 sa hangin ay 585°C.
Ang enerhiya ng pagsiklab ay ang enerhiyang kinakailangan upang simulan ang paglaganap ng apoy sa pamamagitan ng isang nasusunog na halo. Ang pinakamababang enerhiya ng pagsiklab ay ang pinakamababang enerhiyang kinakailangan upang sindihan ang isang partikular na nasusunog na halo sa isang partikular na temperatura at presyon. Ang pinakamababang enerhiya ng pagsiklab ng kislap para sa gas na H2 sa 1 atm ng hangin = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Ang mga limitasyon ng pagsabog ay ang pinakamataas at pinakamababang konsentrasyon ng mga singaw, ambon, o alikabok sa hangin o oksiheno kung saan nagaganap ang pagsabog. Ang laki at heometriya ng kapaligiran, pati na rin ang konsentrasyon ng panggatong, ang kumokontrol sa mga limitasyon. Ang "limitasyon ng pagsabog" ay minsang ginagamit bilang kasingkahulugan ng "limitasyon ng pagsabog".
Ang mga limitasyon ng pagsabog para sa mga pinaghalong H2 sa hangin ay 18.3 vol.% (ibabang limitasyon) at 59 vol.% (itaas na limitasyon).
Kapag nagdidisenyo ng mga sistema ng tubo (Larawan 1), ang unang hakbang ay ang pagtukoy sa mga materyales sa pagtatayo na kailangan para sa bawat uri ng pluwido. At ang bawat pluwido ay uuriin alinsunod sa talata ng ASME B31.3. Nakasaad sa 300(b)(1), “Ang may-ari ay responsable rin sa pagtukoy ng mga tubo na may klase D, M, mataas na presyon, at mataas na kadalisayan, at pagtukoy kung dapat gamitin ang isang partikular na sistema ng kalidad.”
Tinutukoy ng kategorya ng pluido ang antas ng pagsusuri at ang uri ng pagsusuring kinakailangan, pati na rin ang maraming iba pang mga kinakailangan batay sa kategorya ng pluido. Ang responsibilidad ng may-ari para dito ay karaniwang nasa departamento ng inhinyeriya ng may-ari o isang outsourced engineer.
Bagama't hindi sinasabi ng B31.3 Process Piping Code sa may-ari kung aling materyal ang gagamitin para sa isang partikular na pluwido, nagbibigay ito ng gabay sa lakas, kapal, at mga kinakailangan sa koneksyon ng materyal. Mayroon ding dalawang pahayag sa introduksyon ng code na malinaw na nagsasaad:
At palawakin ang unang talata sa itaas, ang talata B31.3. 300(b)(1) ay nagsasaad din: “Ang may-ari ng isang instalasyon ng pipeline ay tanging responsable sa pagsunod sa Kodigong ito at sa pagtatatag ng mga kinakailangan sa disenyo, konstruksyon, inspeksyon, inspeksyon, at pagsubok na namamahala sa lahat ng paghawak ng pluwido o proseso kung saan bahagi ang pipeline. Pag-install.” Kaya, pagkatapos ilatag ang ilang mga pangunahing tuntunin para sa pananagutan at mga kinakailangan para sa pagtukoy ng mga kategorya ng serbisyo ng pluwido, tingnan natin kung saan nababagay ang hydrogen gas.
Dahil ang hydrogen gas ay gumaganap bilang isang pabagu-bagong likido na may mga tagas, ang hydrogen gas ay maaaring ituring na isang normal na likido o isang Class M na likido sa ilalim ng kategoryang B31.3 para sa serbisyo ng likido. Gaya ng nakasaad sa itaas, ang klasipikasyon ng paghawak ng likido ay isang kinakailangan ng may-ari, basta't natutugunan nito ang mga alituntunin para sa mga napiling kategorya na inilarawan sa B31.3, talata 3. 300.2 Mga Kahulugan sa seksyong "Mga serbisyong haydroliko". Ang mga sumusunod ay mga kahulugan para sa normal na serbisyo ng likido at serbisyo ng likidong Class M:
“Karaniwang Serbisyo ng Fluid: Ang serbisyo ng fluid ay naaangkop sa karamihan ng mga tubo na napapailalim sa kodigong ito, ibig sabihin, hindi napapailalim sa mga regulasyon para sa mga klase D, M, mataas na temperatura, mataas na presyon, o mataas na kalinisan ng fluid.”
(1) Napakalaki ng toxicity ng fluid kaya ang isang beses na pagkakalantad sa napakaliit na dami ng fluid na dulot ng tagas ay maaaring magdulot ng malubhang permanenteng pinsala sa mga taong nakakalanghap o nakakadikit dito, kahit na gumawa ng agarang mga hakbang sa pagbawi.
(2) Matapos isaalang-alang ang disenyo, karanasan, mga kondisyon ng pagpapatakbo, at lokasyon ng tubo, tinutukoy ng may-ari na ang mga kinakailangan para sa normal na paggamit ng likido ay hindi sapat upang magbigay ng kinakailangang higpit upang protektahan ang mga tauhan mula sa pagkakalantad.
Sa nabanggit na kahulugan ng M, ang hydrogen gas ay hindi nakakatugon sa pamantayan ng talata (1) dahil hindi ito itinuturing na isang nakalalasong likido. Gayunpaman, sa pamamagitan ng paglalapat ng subsection (2), pinahihintulutan ng Kodigo ang pag-uuri ng mga hydraulic system sa klase M pagkatapos ng angkop na pagsasaalang-alang sa "...disenyo ng tubo, karanasan, kondisyon ng pagpapatakbo at lokasyon..." Pinahihintulutan ng may-ari ang pagtukoy ng normal na paghawak ng likido. Ang mga kinakailangan ay hindi sapat upang matugunan ang pangangailangan para sa mas mataas na antas ng integridad sa disenyo, konstruksyon, inspeksyon, inspeksyon at pagsubok ng mga hydrogen gas piping system.
Mangyaring sumangguni sa Talahanayan 1 bago talakayin ang High Temperature Hydrogen Corrosion (HTHA). Ang mga kodigo, pamantayan, at regulasyon ay nakalista sa talahanayang ito, na kinabibilangan ng anim na dokumento tungkol sa paksa ng hydrogen embrittlement (HE), isang karaniwang anomalya ng corrosion na kinabibilangan ng HTHA. Ang OH ay maaaring mangyari sa mababa at mataas na temperatura. Itinuturing na isang uri ng corrosion, maaari itong simulan sa ilang paraan at nakakaapekto rin sa malawak na hanay ng mga materyales.
Ang HE ay may iba't ibang anyo, na maaaring hatiin sa hydrogen cracking (HAC), hydrogen stress cracking (HSC), stress corrosion cracking (SCC), hydrogen corrosion cracking (HACC), hydrogen bubbling (HB), hydrogen cracking (HIC). )), stress oriented hydrogen cracking (SOHIC), progressive cracking (SWC), sulfide stress cracking (SSC), soft zone cracking (SZC), at high temperature hydrogen corrosion (HTHA).
Sa pinakasimpleng anyo nito, ang hydrogen embrittlement ay isang mekanismo para sa pagkasira ng mga hangganan ng butil ng metal, na nagreresulta sa nabawasang ductility dahil sa pagtagos ng atomic hydrogen. Ang mga paraan kung paano ito nangyayari ay iba-iba at bahagyang binibigyang kahulugan ng kani-kanilang mga pangalan, tulad ng HTHA, kung saan ang sabay-sabay na mataas na temperatura at mataas na presyon ng hydrogen ay kinakailangan para sa embrittlement, at SSC, kung saan ang atomic hydrogen ay nalilikha bilang closed-gas at hydrogen. Dahil sa acid corrosion, tumatagos ang mga ito sa mga metal casing, na maaaring humantong sa brittleness. Ngunit ang pangkalahatang resulta ay pareho sa lahat ng mga kaso ng hydrogen embrittlement na inilarawan sa itaas, kung saan ang lakas ng metal ay nababawasan ng embrittlement sa ibaba ng pinapayagang hanay ng stress nito, na siya namang naghahanda para sa isang potensyal na sakuna na kaganapan dahil sa pabagu-bago ng likido.
Bukod sa kapal ng dingding at mekanikal na pagganap ng dugtungan, may dalawang pangunahing salik na dapat isaalang-alang kapag pumipili ng mga materyales para sa serbisyo ng H2 gas: 1. Pagkalantad sa mataas na temperaturang hydrogen (HTHA) at 2. Malubhang pag-aalala tungkol sa potensyal na tagas. Ang parehong paksa ay kasalukuyang pinag-uusapan.
Hindi tulad ng molekular na hydrogen, ang atomic hydrogen ay maaaring lumawak, na naglalantad sa hydrogen sa mataas na temperatura at presyon, na lumilikha ng batayan para sa potensyal na HTHA. Sa ilalim ng mga kondisyong ito, ang atomic hydrogen ay nakakapag-diffuse sa mga materyales o kagamitan sa tubo na gawa sa carbon steel, kung saan ito ay tumutugon sa carbon sa metalikong solusyon upang bumuo ng methane gas sa mga hangganan ng butil. Dahil hindi makatakas, ang gas ay lumalawak, na lumilikha ng mga bitak at siwang sa mga dingding ng mga tubo o sisidlan – ito ang HTGA. Malinaw mong makikita ang mga resulta ng HTHA sa Figure 2 kung saan ang mga bitak at bitak ay kitang-kita sa 8″ na dingding. Ang bahagi ng nominal size (NPS) na tubo na nasisira sa ilalim ng mga kondisyong ito.
Maaaring gamitin ang carbon steel para sa serbisyo ng hydrogen kapag ang temperatura ng pagpapatakbo ay pinananatili sa ibaba ng 500°F. Gaya ng nabanggit sa itaas, nangyayari ang HTHA kapag ang hydrogen gas ay pinananatili sa mataas na partial pressure at mataas na temperatura. Hindi inirerekomenda ang carbon steel kapag ang partial pressure ng hydrogen ay inaasahang nasa humigit-kumulang 3000 psi at ang temperatura ay higit sa humigit-kumulang 450°F (na siyang kondisyon ng aksidente sa Figure 2).
Gaya ng makikita mula sa binagong Nelson plot sa Figure 3, na bahagyang kinuha mula sa API 941, ang mataas na temperatura ang may pinakamalaking epekto sa hydrogen forcing. Ang partial pressure ng hydrogen gas ay maaaring lumagpas sa 1000 psi kapag ginamit sa mga carbon steel na tumatakbo sa temperaturang hanggang 500°F.
Pigura 3. Ang binagong tsart na Nelson na ito (hinango mula sa API 941) ay maaaring gamitin upang pumili ng mga angkop na materyales para sa serbisyo ng hydrogen sa iba't ibang temperatura.
Sa fig. 3 ay ipinapakita ang pagpili ng mga bakal na garantisadong maiiwasan ang pag-atake ng hydrogen, depende sa temperatura ng pagpapatakbo at bahagyang presyon ng hydrogen. Ang mga austenitic stainless steel ay hindi sensitibo sa HTHA at kasiya-siyang materyales sa lahat ng temperatura at presyon.
Ang Austenitic 316/316L stainless steel ang pinaka-praktikal na materyal para sa mga aplikasyon ng hydrogen at may napatunayan nang track record. Bagama't inirerekomenda ang post-weld heat treatment (PWHT) para sa mga carbon steel upang i-calcinate ang natitirang hydrogen habang hinang at mabawasan ang heat affected zone (HAZ) hardness pagkatapos ng hinang, hindi ito kinakailangan para sa mga austenitic stainless steel.
Ang mga epekto ng thermal na dulot ng heat treatment at welding ay may kaunting epekto sa mga mekanikal na katangian ng austenitic stainless steels. Gayunpaman, ang cold working ay maaaring mapabuti ang mga mekanikal na katangian ng austenitic stainless steels, tulad ng lakas at katigasan. Kapag binabaluktot at binubuo ang mga tubo mula sa austenitic stainless steel, nagbabago ang kanilang mga mekanikal na katangian, kabilang ang pagbaba ng plasticity ng materyal.
Kung ang austenitic stainless steel ay nangangailangan ng cold forming, ang solution annealing (pagpapainit sa humigit-kumulang 1045°C na susundan ng quenching o mabilis na paglamig) ay magpapanumbalik sa mga mekanikal na katangian ng materyal sa kanilang orihinal na mga halaga. Aalisin din nito ang alloy segregation, sensitization at sigma phase na nakamit pagkatapos ng cold working. Kapag nagsasagawa ng solution annealing, tandaan na ang mabilis na paglamig ay maaaring magbalik ng residual stress sa materyal kung hindi maayos na hawakan.
Sumangguni sa mga talahanayan na GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index at GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index sa ASME B31 para sa mga katanggap-tanggap na pagpipilian ng materyal para sa serbisyong H2. Ang mga tubo ay isang magandang panimula.
Sa karaniwang bigat ng atomo na 1.008 atomic mass units (amu), ang hydrogen ang pinakamagaan at pinakamaliit na elemento sa periodic table, at samakatuwid ay may mataas na posibilidad na tumagas, na may potensyal na mapaminsalang mga kahihinatnan, dagdag ko pa. Samakatuwid, ang sistema ng pipeline ng gas ay dapat idisenyo sa paraang limitahan ang mga mekanikal na koneksyon at mapabuti ang mga koneksyon na talagang kinakailangan.
Kapag nililimitahan ang mga posibleng tagas, dapat na ganap na i-weld ang sistema, maliban sa mga flanged connection sa mga kagamitan, mga elemento ng tubo, at mga fitting. Dapat iwasan ang mga threaded connection hangga't maaari, kung hindi man ganap. Kung hindi maiiwasan ang mga threaded connection sa anumang kadahilanan, inirerekomenda na ganap na ikonekta ang mga ito nang walang thread sealant at pagkatapos ay i-seal ang weld. Kapag gumagamit ng carbon steel pipe, ang mga joint ng pipe ay dapat na butt welded at post weld heat treated (PWHT). Pagkatapos ng welding, ang mga tubo sa heat-affected zone (HAZ) ay nalalantad sa hydrogen attack kahit na sa ambient temperature. Bagama't ang hydrogen attack ay pangunahing nangyayari sa mataas na temperatura, ang PWHT stage ay ganap na magbabawas, kung hindi man mag-aalis, sa posibilidad na ito kahit na sa ilalim ng ambient conditions.
Ang kahinaan ng all-welded system ay ang koneksyon ng flange. Upang matiyak ang mataas na antas ng higpit sa mga koneksyon ng flange, dapat gamitin ang mga gasket na Kammprofile (fig. 4) o iba pang uri ng gasket. Halos kapareho ng ginawa ng ilang tagagawa, ang pad na ito ay napaka-mapagpatawad. Binubuo ito ng mga singsing na all-metal na may ngipin na nakapatong sa pagitan ng malambot at nababagong mga materyales sa pagbubuklod. Ang mga ngipin ay nagtutuon ng bigat ng bolt sa isang mas maliit na lugar upang magbigay ng masikip na pagkakasya na may mas kaunting stress. Ito ay dinisenyo sa paraang maaari nitong mabawi ang hindi pantay na mga ibabaw ng flange pati na rin ang pabago-bagong mga kondisyon ng pagpapatakbo.
Pigura 4. Ang mga gasket ng Kammprofile ay may metal na core na nakakabit sa magkabilang panig gamit ang isang malambot na tagapuno.
Ang isa pang mahalagang salik sa integridad ng sistema ay ang balbula. Ang mga tagas sa paligid ng stem seal at body flanges ay isang tunay na problema. Upang maiwasan ito, inirerekomenda na pumili ng balbula na may bellows seal.
Gumamit ng 1 pulgada. School 80 carbon steel pipe, sa aming halimbawa sa ibaba, batay sa mga tolerance sa pagmamanupaktura, kalawang at mekanikal na tolerance alinsunod sa ASTM A106 Gr B, ang pinakamataas na pinapayagang presyon ng pagtatrabaho (MAWP) ay maaaring kalkulahin sa dalawang hakbang sa temperaturang hanggang 300°F (Paalala: Ang dahilan para sa "...para sa mga temperaturang hanggang 300ºF..." ay dahil ang pinapayagang stress (S) ng materyal na ASTM A106 Gr B ay nagsisimulang lumala kapag ang temperatura ay lumampas sa 300ºF.(S), kaya ang Equation (1) ay nangangailangan ng Pagsasaayos sa mga temperaturang higit sa 300ºF.)
Sa pagtukoy sa pormula (1), ang unang hakbang ay kalkulahin ang teoretikal na presyon ng pagsabog ng pipeline.
T = kapal ng dingding ng tubo na binawasan ng mekanikal, kalawang, at mga tolerasyon sa paggawa, sa pulgada.
Ang ikalawang bahagi ng proseso ay ang pagkalkula ng pinakamataas na pinapayagang presyon ng pagtatrabaho na Pa ng pipeline sa pamamagitan ng paglalapat ng safety factor na S f sa resultang P ayon sa equation (2):
Kaya, kapag gumagamit ng 1″ school 80 na materyal, ang burst pressure ay kinakalkula gaya ng sumusunod:
Ang safety Sf na 4 ay inilalapat alinsunod sa ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. Ang UG-101 ay kinakalkula tulad ng sumusunod:
Ang resultang halaga ng MAWP ay 810 psi. Ang pulgada ay tumutukoy lamang sa tubo. Ang koneksyon o bahagi ng flange na may pinakamababang rating sa sistema ang magiging salik na tumutukoy sa pagtukoy ng pinapayagang presyon sa sistema.
Alinsunod sa ASME B16.5, ang pinakamataas na pinapayagang presyon ng pagtatrabaho para sa 150 carbon steel flange fittings ay 285 psi. pulgada sa -20°F hanggang 100°F. Ang Class 300 ay may pinakamataas na pinapayagang presyon ng pagtatrabaho na 740 psi. Ito ang magiging pressure limit factor ng sistema ayon sa halimbawa ng detalye ng materyal sa ibaba. Gayundin, sa mga hydrostatic test lamang, ang mga halagang ito ay maaaring lumagpas sa 1.5 beses.
Bilang halimbawa ng isang pangunahing ispesipikasyon ng materyal na carbon steel, ang isang ispesipikasyon ng linya ng serbisyo ng H2 gas na tumatakbo sa temperaturang nakapaligid na mas mababa sa presyon ng disenyo na 740 psi. pulgada, ay maaaring maglaman ng mga kinakailangan sa materyal na ipinapakita sa Talahanayan 2. Ang mga sumusunod ay mga uri na maaaring mangailangan ng pansin na maisama sa ispesipikasyon:
Bukod sa mismong tubo, maraming elemento ang bumubuo sa sistema ng tubo tulad ng mga fitting, balbula, kagamitan sa linya, atbp. Bagama't marami sa mga elementong ito ay pagsasama-samahin sa isang pipeline upang talakayin ang mga ito nang detalyado, mangangailangan ito ng mas maraming pahina kaysa sa kayang ilaan. Ang artikulong ito.