Ang pangkalahatang-ideya na ito ay nagbibigay ng mga rekomendasyon para sa ligtas na disenyo ng mga sistema ng piping para sa pamamahagi ng hydrogen.
Ang hydrogen ay isang mataas na pabagu-bago ng isip na likido na may mataas na posibilidad na tumagas.Ito ay isang napaka-mapanganib at nakamamatay na kumbinasyon ng mga tendensya, isang pabagu-bago ng isip na likido na mahirap kontrolin.Ito ang mga uso na dapat isaalang-alang kapag pumipili ng mga materyales, gasket at seal, pati na rin ang mga katangian ng disenyo ng naturang mga sistema.Ang mga paksang ito tungkol sa pamamahagi ng gaseous na H2 ang pinagtutuunan ng pansin ng talakayang ito, hindi ang paggawa 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.Nasusunog ang hydrogen sa dalawang paraan: deflagration at pagsabog.
deflagration.Ang deflagration ay isang karaniwang combustion mode kung saan ang apoy ay dumadaan sa pinaghalong sa subsonic na bilis.Ito ay nangyayari, halimbawa, kapag ang isang libreng ulap ng hydrogen-air mixture ay sinindihan ng isang maliit na pinagmumulan ng ignisyon.Sa kasong ito, ang apoy ay lilipat 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 lakas 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 ito ay sumabog, ang mga apoy at shock wave ay dumaan sa pinaghalong sa supersonic na bilis.Ang ratio ng presyon sa isang detonation wave ay mas malaki kaysa sa isang detonation.Dahil sa tumaas na puwersa, ang pagsabog ay mas mapanganib para sa mga tao, mga gusali at mga kalapit na bagay.Ang normal na deflagration ay nagdudulot ng pagsabog kapag nag-apoy sa isang nakakulong na espasyo.Sa ganitong makitid na lugar, ang pag-aapoy ay maaaring sanhi ng hindi bababa sa dami ng enerhiya.Ngunit para sa pagpapasabog ng pinaghalong hydrogen-air sa isang walang limitasyong espasyo, kinakailangan ang isang mas malakas na mapagkukunan ng pag-aapoy.
Ang ratio ng presyon sa buong detonation wave sa isang hydrogen-air mixture ay humigit-kumulang 20. Sa atmospheric pressure, ang ratio na 20 ay 300 psi.Kapag ang pressure wave na ito ay bumangga sa isang nakatigil na bagay, ang ratio ng presyon ay tumataas sa 40-60.Ito ay dahil sa pagmuni-muni ng isang pressure wave mula sa isang nakatigil na balakid.
Pagkahilig sa pagtagas.Dahil sa mababang lagkit nito at mababang molekular na timbang, ang H2 gas ay may mataas na posibilidad na tumagas at kahit na tumagos o tumagos sa iba't ibang mga materyales.
Ang hydrogen ay 8 beses na mas magaan kaysa natural gas, 14 beses na mas magaan kaysa sa hangin, 22 beses na mas magaan kaysa sa propane at 57 beses na mas magaan kaysa sa gasoline vapor.Nangangahulugan ito na kapag naka-install sa labas, ang H2 gas ay mabilis na tataas at mawawala, na binabawasan ang anumang mga palatandaan ng kahit na pagtagas.Ngunit maaari itong maging isang tabak na may dalawang talim.Ang pagsabog ay maaaring mangyari kung ang welding ay isasagawa sa isang panlabas na pag-install sa itaas o sa ilalim ng hangin ng isang H2 leak na walang pag-aaral ng leak detection bago ang welding.Sa isang nakapaloob na espasyo, ang H2 gas ay maaaring tumaas at maipon mula sa kisame pababa, isang kondisyon na nagbibigay-daan dito upang mabuo ang hanggang sa malalaking volume bago ito maging mas malamang na makipag-ugnayan sa mga pinagmumulan ng ignition malapit sa lupa.
Aksidenteng sunog.Ang pag-aapoy sa sarili ay isang kababalaghan kung saan ang pinaghalong mga gas o singaw ay kusang nag-aapoy nang walang panlabas na pinagmumulan ng pag-aapoy.Ito ay kilala rin bilang "spontaneous combustion" o "spontaneous combustion".Ang pag-aapoy sa sarili ay nakasalalay sa temperatura, hindi sa presyon.
Ang temperatura ng autoignition ay ang pinakamababang temperatura kung saan ang isang gasolina ay kusang mag-aapoy bago mag-apoy sa kawalan ng panlabas na pinagmumulan ng pag-aapoy kapag nadikit sa hangin o isang ahente ng oxidizing.Ang temperatura ng autoignition ng isang solong pulbos ay ang temperatura kung saan ito ay kusang nag-aapoy sa kawalan ng isang oxidizing agent.Ang self-ignition temperature ng gaseous H2 sa hangin ay 585°C.
Ang enerhiya ng pag-aapoy ay ang enerhiya na kinakailangan upang simulan ang pagpapalaganap ng apoy sa pamamagitan ng nasusunog na halo.Ang pinakamababang enerhiya ng pag-aapoy ay ang pinakamababang enerhiya na kinakailangan upang mag-apoy ng isang partikular na pinaghalong nasusunog sa isang partikular na temperatura at presyon.Minimum na spark ignition energy para sa gaseous H2 sa 1 atm ng hangin = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Ang mga limitasyon sa pagsabog ay ang pinakamataas at pinakamababang konsentrasyon ng mga singaw, ambon, o alikabok sa hangin o oxygen kung saan naganap ang pagsabog.Ang laki at geometry ng kapaligiran, pati na rin ang konsentrasyon ng gasolina, ay kumokontrol sa mga limitasyon.Minsan ginagamit ang "limitasyon ng pagsabog" bilang kasingkahulugan para sa "limitasyon ng pagsabog."
Ang mga limitasyon ng paputok para sa H2 mixtures sa hangin ay 18.3 vol.% (lower limit) at 59 vol.% (itaas na limitasyon).
Kapag nagdidisenyo ng mga sistema ng tubo (Figure 1), ang unang hakbang ay upang matukoy ang mga materyales sa gusali na kailangan para sa bawat uri ng likido.At ang bawat likido ay mauuri alinsunod sa ASME B31.3 na talata.Ang 300(b)(1) ay nagsasaad, "Ang may-ari ay responsable din sa pagtukoy ng klase D, M, mataas na presyon, at mataas na kadalisayan ng mga tubo, at pagtukoy kung ang isang partikular na sistema ng kalidad ay dapat gamitin."
Tinutukoy ng fluid categorization ang antas ng pagsubok at ang uri ng pagsubok na kinakailangan, pati na rin ang maraming iba pang mga kinakailangan batay sa kategorya ng likido.Ang responsibilidad ng may-ari para dito ay kadalasang nasa departamento ng engineering 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 likido, nagbibigay ito ng gabay sa lakas, kapal, at mga kinakailangan sa koneksyon ng materyal.Mayroon ding dalawang pahayag sa panimula sa code na malinaw na nagsasaad:
At palawakin ang unang talata sa itaas, talata B31.3.300(b)(1) ay nagsasaad din: “Ang may-ari ng isang pipeline installation ay tanging responsable para sa pagsunod sa Code na ito at para sa pagtatatag ng disenyo, konstruksiyon, inspeksyon, inspeksyon, at mga kinakailangan sa pagsubok na namamahala sa lahat ng fluid handling o proseso kung saan ang pipeline ay bahagi.Pag-install.”Kaya, pagkatapos na ilatag ang ilang mga pangunahing panuntunan para sa pananagutan at mga kinakailangan para sa pagtukoy ng mga kategorya ng serbisyo ng likido, tingnan natin kung saan nababagay ang hydrogen gas.
Dahil ang hydrogen gas ay gumaganap bilang isang pabagu-bago ng isip na 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 pag-uuri ng fluid handling ay isang kinakailangan ng may-ari, sa kondisyon na ito ay nakakatugon sa mga alituntunin para sa mga napiling kategorya na inilarawan sa B31.3, talata 3. 300.2 Mga Depinisyon sa seksyong “Hydraulic services”.Ang mga sumusunod ay mga kahulugan para sa normal na serbisyo ng likido at serbisyo ng likido ng Class M:
“Normal Fluid Service: Fluid service na naaangkop sa karamihan ng piping na napapailalim sa code na 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 likido.
(1) Ang toxicity ng fluid ay napakalaki na ang isang pagkakalantad sa isang napakaliit na dami ng fluid na dulot ng pagtagas ay maaaring magdulot ng malubhang permanenteng pinsala sa mga humihinga o nakipag-ugnayan dito, kahit na ang mga agarang hakbang sa pagbawi ay ginawa.kinuha
(2) Matapos isaalang-alang ang disenyo ng pipeline, karanasan, kundisyon ng pagpapatakbo, at lokasyon, tinutukoy ng may-ari na ang mga kinakailangan para sa normal na paggamit ng likido ay hindi sapat upang magbigay ng higpit na kinakailangan upang maprotektahan ang mga tauhan mula sa pagkakalantad.”
Sa kahulugan sa itaas ng M, ang hydrogen gas ay hindi nakakatugon sa pamantayan ng talata (1) dahil hindi ito itinuturing na isang nakakalason na 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 ng “…disenyo ng piping, karanasan, kundisyon 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 isang mas mataas na antas ng integridad sa disenyo, konstruksyon, inspeksyon, inspeksyon at pagsubok ng mga sistema ng tubo ng hydrogen gas.
Mangyaring sumangguni sa Talahanayan 1 bago talakayin ang High Temperature Hydrogen Corrosion (HTHA).Ang mga code, pamantayan, at regulasyon ay nakalista sa talahanayang ito, na kinabibilangan ng anim na dokumento sa paksa ng hydrogen embrittlement (HE), isang karaniwang corrosion anomalya na kinabibilangan ng HTHA.Maaaring mangyari ang OH sa mababa at mataas na temperatura.Itinuturing na isang anyo ng kaagnasan, maaari itong simulan sa maraming paraan at makakaapekto rin sa malawak na hanay ng mga materyales.
Ang HE ay may iba't ibang anyo, na maaaring nahahati 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 pagbawas ng ductility dahil sa pagtagos ng atomic hydrogen.Ang mga paraan kung saan ito nangyayari ay iba-iba at bahagyang tinukoy 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 ginawa bilang closed-gases at hydrogen.dahil sa acid corrosion, tumagos sila sa mga kaso ng metal, na maaaring humantong sa brittleness.Ngunit ang pangkalahatang resulta ay kapareho ng para sa lahat ng 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 kung saan ay nagtatakda ng yugto para sa isang potensyal na sakuna na kaganapan dahil sa pagkasumpungin ng likido.
Bilang karagdagan sa kapal ng pader at pagganap ng mekanikal na joint, may dalawang pangunahing salik na dapat isaalang-alang kapag pumipili ng mga materyales para sa serbisyo ng H2 gas: 1. Exposure sa high temperature hydrogen (HTHA) at 2. Mga seryosong alalahanin tungkol sa posibleng pagtagas.Ang parehong mga paksa ay kasalukuyang pinag-uusapan.
Hindi tulad ng molecular hydrogen, ang atomic hydrogen ay maaaring lumawak, na inilalantad ang hydrogen sa mataas na temperatura at presyon, na lumilikha ng batayan para sa potensyal na HTHA.Sa ilalim ng mga kundisyong ito, ang atomic hydrogen ay makakapag-diffuse sa carbon steel piping materials o equipment, kung saan ito ay tumutugon sa carbon sa metal na solusyon upang bumuo ng methane gas sa mga hangganan ng butil.Hindi makatakas, lumalawak ang gas, na lumilikha ng mga bitak at mga siwang sa mga dingding ng mga tubo o sisidlan - ito ay HTGA.Malinaw mong makikita ang mga resulta ng HTHA sa Figure 2 kung saan makikita ang mga bitak at bitak sa 8″ na dingding.Ang bahagi ng nominal size (NPS) pipe na nabigo sa ilalim ng mga kundisyong ito.
Maaaring gamitin ang carbon steel para sa serbisyo ng hydrogen kapag ang operating temperature ay pinananatili sa ibaba 500°F.Tulad ng nabanggit sa itaas, ang HTHA ay nangyayari kapag ang hydrogen gas ay hawak sa mataas na bahagyang presyon at mataas na temperatura.Ang carbon steel ay hindi inirerekomenda kapag ang hydrogen partial pressure ay inaasahang nasa paligid ng 3000 psi at ang temperatura ay nasa itaas ng humigit-kumulang 450°F (na ang kundisyon ng aksidente sa Figure 2).
Tulad ng makikita mula sa binagong plot ng Nelson sa Figure 3, na bahagyang kinuha mula sa API 941, ang mataas na temperatura ay may pinakamalaking epekto sa pagpilit ng hydrogen.Ang bahagyang presyon ng hydrogen gas ay maaaring lumampas sa 1000 psi kapag ginamit sa mga carbon steel na tumatakbo sa temperatura hanggang 500°F.
Figure 3. Ang binagong Nelson chart na ito (na 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.Ipinapakita ng 3 ang pagpili ng mga bakal na garantisadong maiwasan ang pag-atake ng hydrogen, depende sa operating temperatura at bahagyang presyon ng hydrogen.Ang Austenitic stainless steel ay hindi sensitibo sa HTHA at mga kasiya-siyang materyales sa lahat ng temperatura at pressure.
Ang Austenitic 316/316L na hindi kinakalawang na asero ay ang pinakapraktikal na materyal para sa mga aplikasyon ng hydrogen at may napatunayang track record.Bagama't inirerekomenda ang post-weld heat treatment (PWHT) para sa mga carbon steel na mag-calcinate ng natitirang hydrogen sa panahon ng welding at mabawasan ang hardness ng heat affected zone (HAZ) pagkatapos ng welding, hindi ito kinakailangan para sa austenitic stainless steel.
Ang mga thermal effect na dulot ng heat treatment at welding ay may maliit na epekto sa mga mekanikal na katangian ng austenitic stainless steels.Gayunpaman, ang malamig na pagtatrabaho ay maaaring mapabuti ang mga mekanikal na katangian ng austenitic na hindi kinakalawang na asero, tulad ng lakas at tigas.Kapag baluktot at bumubuo ng mga tubo mula sa austenitic na hindi kinakalawang na asero, nagbabago ang kanilang mga mekanikal na katangian, kabilang ang pagbaba sa plasticity ng materyal.
Kung ang austenitic na hindi kinakalawang na asero ay nangangailangan ng malamig na pagbuo, ang solusyon na pagsusubo (pag-init sa humigit-kumulang 1045°C na sinusundan ng pagsusubo o mabilis na paglamig) ay ibabalik ang 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 malamig na pagtatrabaho.Kapag nagsasagawa ng solution annealing, magkaroon ng kamalayan na ang mabilis na paglamig ay maaaring maglagay ng natitirang stress pabalik sa materyal kung hindi mahawakan nang maayos.
Sumangguni sa mga talahanayan 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 pagpili ng materyal para sa serbisyo ng H2.ang mga tubo ay isang magandang lugar upang magsimula.
Sa karaniwang atomic weight na 1.008 atomic mass units (amu), ang hydrogen ay ang pinakamagaan at pinakamaliit na elemento sa periodic table, at samakatuwid ay may mataas na posibilidad na tumagas, na may potensyal na mapangwasak na mga kahihinatnan, maaari kong idagdag.Samakatuwid, ang sistema ng pipeline ng gas ay dapat na idinisenyo sa paraang limitahan ang mga mekanikal na uri ng koneksyon at pagbutihin ang mga koneksyon na talagang kailangan.
Kapag nililimitahan ang mga potensyal na punto ng pagtagas, ang sistema ay dapat na ganap na hinangin, maliban sa mga flanged na koneksyon sa kagamitan, mga elemento ng piping at mga kabit.Ang mga sinulid na koneksyon ay dapat na iwasan hangga't maaari, kung hindi man ganap.Kung ang mga sinulid na koneksyon ay hindi maiiwasan sa anumang kadahilanan, inirerekumenda 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 pipe joints ay dapat na butt welded at post weld heat treated (PWHT).Pagkatapos ng hinang, ang mga tubo sa heat-affected zone (HAZ) ay nakalantad sa pag-atake ng hydrogen kahit na sa ambient temperature.Habang ang pag-atake ng hydrogen ay nangyayari pangunahin sa mataas na temperatura, ang yugto ng PWHT ay ganap na magbabawas, kung hindi man maalis, ang posibilidad na ito kahit na sa ilalim ng mga kondisyon ng kapaligiran.
Ang mahinang punto ng all-welded system ay ang flange connection.Upang matiyak ang isang mataas na antas ng higpit sa mga koneksyon ng flange, dapat gamitin ang mga Kammprofile gasket (fig. 4) o ibang anyo ng mga gasket.Ginawa sa halos parehong paraan ng ilang mga tagagawa, ang pad na ito ay napaka mapagpatawad.Binubuo ito ng mga may ngipin na all-metal na singsing na nasa pagitan ng malambot at nababagong sealing na materyales.Ang mga ngipin ay tumutuon sa pagkarga ng bolt sa isang mas maliit na lugar upang magbigay ng isang mahigpit na akma na may mas kaunting stress.Dinisenyo ito sa paraang makakabawi ito sa hindi pantay na flange surface pati na rin ang pabagu-bagong kondisyon ng pagpapatakbo.
Figure 4. Ang mga gasket ng Kammprofile ay may metal na core na nakagapos sa magkabilang panig na may malambot na tagapuno.
Ang isa pang mahalagang kadahilanan sa integridad ng system ay ang balbula.Ang mga paglabas sa paligid ng stem seal at body flanges ay isang tunay na problema.Upang maiwasan ito, inirerekumenda na pumili ng balbula na may bellows seal.
Gumamit ng 1 pulgada.School 80 carbon steel pipe, sa aming halimbawa sa ibaba, na binigyan ng manufacturing tolerances, corrosion at mechanical tolerances alinsunod sa ASTM A106 Gr B, ang maximum allowable working pressure (MAWP) ay maaaring kalkulahin sa dalawang hakbang sa temperatura hanggang 300°F (Tandaan : Ang dahilan para sa “…para sa mga temperatura hanggang 300ºF…” ay dahil ang pinapayagang temperatura ng materyal na ATM ay lumampas sa B1S (S) 300ºF.(S), kaya ang Equation (1) ay nangangailangan ng Isaayos sa mga temperaturang higit sa 300ºF.)
Ang pagtukoy sa formula (1), ang unang hakbang ay upang kalkulahin ang pipeline theoretical burst pressure.
T = kapal ng pader ng tubo na binawasan ang mekanikal, kaagnasan at mga pagpapaubaya sa pagmamanupaktura, sa pulgada.
Ang ikalawang bahagi ng proseso ay upang kalkulahin ang maximum na pinapahintulutang working pressure Pa ng pipeline sa pamamagitan ng paglalapat ng safety factor S f sa resulta P ayon sa equation (2):
Kaya, kapag gumagamit ng 1″ school 80 na materyal, ang burst pressure ay kinakalkula bilang mga sumusunod:
Ang isang kaligtasan na Sf ng 4 ay inilapat alinsunod sa ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. Ang UG-101 ay kinakalkula bilang sumusunod:
Ang resultang halaga ng MAWP ay 810 psi.ang pulgada ay tumutukoy sa tubo lamang.Ang flange connection o component na may pinakamababang rating sa system ang magiging determinadong factor sa pagtukoy ng pinapayagang pressure sa system.
Bawat ASME B16.5, ang maximum na pinapahintulutang working pressure para sa 150 carbon steel flange fitting ay 285 psi.pulgada sa -20°F hanggang 100°F.Ang Class 300 ay may pinakamataas na pinapahintulutang working pressure na 740 psi.Ito ang magiging pressure limit factor ng system ayon sa halimbawa ng detalye ng materyal sa ibaba.Gayundin, sa mga pagsubok na hydrostatic lamang, ang mga halagang ito ay maaaring lumampas sa 1.5 beses.
Bilang isang halimbawa ng isang pangunahing detalye ng materyal na carbon steel, isang detalye ng linya ng serbisyo ng gas na H2 na tumatakbo sa temperatura ng kapaligiran 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 upang maisama sa detalye:
Bukod sa mismong piping, maraming elemento ang bumubuo sa piping system tulad ng mga fitting, valve, line equipment, atbp. Bagama't marami sa mga elementong ito ang pagsasama-samahin sa isang pipeline upang talakayin ang mga ito nang detalyado, mangangailangan ito ng higit pang mga pahina kaysa sa maaaring tanggapin.Ang artikulong ito.