Bu genel bakış, hidrojen dağıtımı için boru sistemlerinin güvenli tasarımı konusunda öneriler sunmaktadır.
Hidrojen, sızıntı eğilimi yüksek olan, oldukça uçucu bir sıvıdır. Bu, kontrol edilmesi zor, uçucu bir sıvının çok tehlikeli ve ölümcül bir kombinasyonudur. Malzeme, conta ve sızdırmazlık elemanlarının yanı sıra bu tür sistemlerin tasarım özelliklerini seçerken bu eğilimleri göz önünde bulundurmak gerekir. Bu tartışmanın odak noktası, H2 üretimi, sıvı H2 veya sıvı H2 değil, gaz halindeki H2'nin dağılımıdır (sağ kenar çubuğuna bakınız).
Hidrojen ve H2-hava karışımını anlamanıza yardımcı olacak birkaç önemli nokta şunlardır: Hidrojen iki şekilde yanar: alevlenme ve patlama.
Alevlenme. Alevlenme, alevlerin karışım içinde ses altı hızlarda ilerlediği yaygın bir yanma biçimidir. Bu, örneğin, serbest bir hidrojen-hava karışımı bulutunun küçük bir ateşleme kaynağı tarafından tutuşturulması durumunda meydana gelir. Bu durumda, alev saniyede on ila birkaç yüz fit hızla hareket edecektir. Sıcak gazın hızlı genleşmesi, bulutun büyüklüğüyle orantılı bir kuvvete sahip basınç dalgaları oluşturur. Bazı durumlarda, şok dalgasının kuvveti, yolundaki bina yapılarına ve diğer nesnelere zarar verecek ve yaralanmalara neden olacak kadar güçlü olabilir.
Patlama. Patlama gerçekleştiğinde, alevler ve şok dalgaları süpersonik hızlarda karışım boyunca yayıldı. Patlama dalgasındaki basınç oranı, normal bir patlamadakinden çok daha büyüktür. Artan kuvvet nedeniyle, patlama insanlar, binalar ve yakındaki nesneler için daha tehlikelidir. Normal bir alevlenme, kapalı bir alanda tutuştuğunda patlamaya neden olur. Bu kadar dar bir alanda, tutuşma en az enerjiyle bile gerçekleşebilir. Ancak sınırsız bir alanda hidrojen-hava karışımının patlaması için daha güçlü bir tutuşma kaynağı gereklidir.
Hidrojen-hava karışımındaki patlama dalgası boyunca basınç oranı yaklaşık 20'dir. Atmosfer basıncında, 20 oranı 300 psi'ye karşılık gelir. Bu basınç dalgası sabit bir cisimle çarpıştığında, basınç oranı 40-60'a yükselir. Bu, basınç dalgasının sabit bir engelden yansımasından kaynaklanır.
Sızıntı eğilimi. Düşük viskozitesi ve düşük moleküler ağırlığı nedeniyle, H2 gazının sızıntı yapma ve hatta çeşitli malzemelere nüfuz etme veya içine işleme eğilimi yüksektir.
Hidrojen, doğal gazdan 8 kat, havadan 14 kat, propandan 22 kat ve benzin buharından 57 kat daha hafiftir. Bu, dış mekanlarda kullanıldığında H2 gazının hızla yükselip dağılacağı ve sızıntı belirtilerini bile azaltacağı anlamına gelir. Ancak bu durum iki ucu keskin bir kılıç gibidir. Kaynak işlemi, H2 sızıntısının üstünde veya rüzgar yönünde, kaynak öncesinde sızıntı tespit çalışması yapılmadan dış mekan kurulumunda gerçekleştirilecekse patlama meydana gelebilir. Kapalı bir alanda ise H2 gazı tavandan aşağıya doğru yükselip birikebilir; bu durum, yere yakın ateşleme kaynaklarıyla temas etme olasılığı artmadan önce büyük hacimlere ulaşmasına olanak tanır.
Kazara çıkan yangın. Kendiliğinden tutuşma, gaz veya buhar karışımının dışarıdan bir tutuşturma kaynağı olmaksızın kendiliğinden tutuşması olayıdır. Buna "kendiliğinden yanma" veya "kendiliğinden tutuşma" da denir. Kendiliğinden tutuşma basınca değil, sıcaklığa bağlıdır.
Kendiliğinden tutuşma sıcaklığı, bir yakıtın hava veya oksitleyici bir maddeyle temas ettiğinde, harici bir tutuşma kaynağı olmaksızın kendiliğinden tutuşacağı minimum sıcaklıktır. Tek bir tozun kendiliğinden tutuşma sıcaklığı, oksitleyici bir madde olmaksızın kendiliğinden tutuştuğu sıcaklıktır. Havada gaz halindeki H2'nin kendiliğinden tutuşma sıcaklığı 585°C'dir.
Tutuşma enerjisi, yanıcı bir karışımda alevin yayılmasını başlatmak için gereken enerjidir. Minimum tutuşma enerjisi, belirli bir sıcaklık ve basınçta belirli bir yanıcı karışımı tutuşturmak için gereken minimum enerjidir. 1 atm hava basıncında gaz halindeki H2 için minimum kıvılcım tutuşma enerjisi = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Patlama limitleri, havada veya oksijende bulunan buharların, sislerin veya tozların patlamaya neden olabilecek maksimum ve minimum konsantrasyonlarıdır. Ortamın boyutu ve geometrisi ile yakıtın konsantrasyonu, limitleri belirler. "Patlama limiti" bazen "patlama sınırı"nın eş anlamlısı olarak kullanılır.
Havada bulunan H2 karışımları için patlama limitleri %18,3 (alt sınır) ve %59 (üst sınır) hacim oranındadır.
Borulama sistemlerini tasarlarken (Şekil 1), ilk adım her bir akışkan türü için gerekli yapı malzemelerini belirlemektir. Ve her akışkan, ASME B31.3 paragrafı 300(b)(1) uyarınca sınıflandırılacaktır, “Sahip ayrıca D, M sınıfı, yüksek basınçlı ve yüksek saflıkta borulamanın belirlenmesinden ve belirli bir kalite sisteminin kullanılıp kullanılmayacağına karar vermekten de sorumludur.”
Akışkan sınıflandırması, gerekli test derecesini ve test türünü, ayrıca akışkan kategorisine bağlı olarak birçok diğer gereksinimi tanımlar. Bu sorumluluk genellikle işletme sahibinin mühendislik departmanına veya dışarıdan hizmet alan bir mühendise düşer.
B31.3 Proses Boru Tesisatı Kodu, işletme sahibine belirli bir akışkan için hangi malzemenin kullanılacağını söylemese de, mukavemet, kalınlık ve malzeme bağlantı gereksinimleri konusunda rehberlik sağlar. Kodun giriş bölümünde ayrıca şu iki ifade açıkça belirtilmiştir:
Yukarıdaki ilk paragrafı, B31.3.300(b)(1) paragrafını da genişletelim: “Bir boru hattı tesisatının sahibi, bu Kod'a uymaktan ve boru hattının bir parçası olduğu tüm sıvı taşıma veya prosesi yöneten tasarım, yapım, denetim, inceleme ve test gereksinimlerini belirlemekten tamamen sorumludur.” Dolayısıyla, sorumluluk ve sıvı hizmet kategorilerini tanımlamaya yönelik bazı temel kuralları belirledikten sonra, hidrojen gazının nerede yer aldığına bakalım.
Hidrojen gazı, sızıntı yapabilen uçucu bir sıvı olduğundan, sıvı hizmetleri için B31.3 kategorisi altında normal bir sıvı veya M Sınıfı sıvı olarak kabul edilebilir. Yukarıda belirtildiği gibi, sıvı taşıma sınıflandırması, B31.3, paragraf 3.300.2 “Hidrolik hizmetler” bölümünde açıklanan seçilen kategoriler için yönergeleri karşılaması koşuluyla, işletme sahibinin bir gerekliliğidir. Aşağıda normal sıvı hizmeti ve M Sınıfı sıvı hizmeti için tanımlar verilmiştir:
“Normal Akışkan Servisi: Bu yönetmeliğe tabi olan çoğu boru hattı için geçerli olan akışkan servisi; yani D, M sınıfları, yüksek sıcaklık, yüksek basınç veya yüksek akışkan temizliği düzenlemelerine tabi olmayan akışkan servisi.”
(1) Sıvının toksisitesi o kadar yüksektir ki, bir sızıntıdan kaynaklanan çok küçük bir miktardaki sıvıya tek bir maruz kalma, derhal iyileştirme önlemleri alınsa bile, onu soluyan veya onunla temas edenlerde ciddi kalıcı yaralanmalara neden olabilir.
(2) Boru hattı tasarımı, deneyim, işletme koşulları ve konum dikkate alındıktan sonra, mal sahibi, sıvının normal kullanımı için gerekenlerin, personeli maruz kalmaktan korumak için gerekli sızdırmazlığı sağlamaya yetmediğine karar verir. ”
Yukarıdaki M tanımında, hidrojen gazı zehirli bir sıvı olarak kabul edilmediğinden, paragraf (1)'in kriterlerini karşılamamaktadır. Bununla birlikte, alt bölüm (2) uygulanarak, Kod, “…boru hattı tasarımı, deneyim, işletme koşulları ve konum…” dikkate alındıktan sonra hidrolik sistemlerin M sınıfına sınıflandırılmasına izin vermektedir. Sahip, normal sıvı taşımasının belirlenmesine izin vermektedir. Gereksinimler, hidrojen gazı boru sistemlerinin tasarımında, yapımında, muayenesinde, denetiminde ve testinde daha yüksek bir bütünlük düzeyine duyulan ihtiyacı karşılamak için yetersizdir.
Yüksek Sıcaklık Hidrojen Korozyonu (HTHA) konusunu ele almadan önce lütfen Tablo 1'e bakınız. Bu tabloda, HTHA'yı da içeren yaygın bir korozyon anomalisi olan hidrojen gevrekliği (HE) konusuna ilişkin altı belgeyi içeren kodlar, standartlar ve yönetmelikler listelenmiştir. OH, düşük ve yüksek sıcaklıklarda meydana gelebilir. Bir korozyon türü olarak kabul edilen OH, çeşitli şekillerde başlatılabilir ve çok çeşitli malzemeleri etkileyebilir.
Hidrojen çatlaması (HE), hidrojen gerilme çatlaması (HSC), gerilme korozyonu çatlaması (SCC), hidrojen korozyonu çatlaması (HACC), hidrojen kabarcıklanması (HB), hidrojen çatlaması (HIC), gerilme yönelimli hidrojen çatlaması (SOHIC), ilerleyici çatlama (SWC), sülfür gerilme çatlaması (SSC), yumuşak bölge çatlaması (SZC) ve yüksek sıcaklık hidrojen korozyonu (HTHA) gibi çeşitli biçimlere ayrılabilir.
En basit haliyle, hidrojen gevrekliği, atomik hidrojenin nüfuz etmesi nedeniyle metal tane sınırlarının tahrip olmasına ve sünekliğin azalmasına yol açan bir mekanizmadır. Bunun gerçekleşme biçimleri çeşitlidir ve kısmen isimleriyle tanımlanır; örneğin, gevrekleşme için eş zamanlı yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı hidrojenin gerekli olduğu HTHA ve atomik hidrojenin kapalı gazlar halinde üretildiği ve asit korozyonu nedeniyle hidrojenin metal kılıflara sızarak gevrekliğe yol açabildiği SSC gibi. Ancak genel sonuç, yukarıda açıklanan tüm hidrojen gevrekliği durumlarında olduğu gibi aynıdır; metalin mukavemeti, izin verilen gerilme aralığının altına düşerek gevrekleşmeye neden olur ve bu da sıvının uçuculuğu göz önüne alındığında potansiyel olarak felaketle sonuçlanabilecek bir olaya zemin hazırlar.
Duvar kalınlığı ve mekanik bağlantı performansına ek olarak, H2 gazı hizmeti için malzeme seçerken dikkate alınması gereken iki ana faktör vardır: 1. Yüksek sıcaklıkta hidrojene maruz kalma (HTHA) ve 2. Potansiyel sızıntı ile ilgili ciddi endişeler. Her iki konu da şu anda tartışılmaktadır.
Moleküler hidrojenden farklı olarak, atomik hidrojen genleşebilir ve hidrojeni yüksek sıcaklık ve basınçlara maruz bırakarak potansiyel HTHA'nın (Yüksek Sıcaklıkta Hidrojen Hasarı) temelini oluşturabilir. Bu koşullar altında, atomik hidrojen karbon çelik boru malzemelerine veya ekipmanına yayılabilir ve burada metalik çözeltideki karbonla reaksiyona girerek tane sınırlarında metan gazı oluşturabilir. Dışarı çıkamayan gaz genleşerek boru veya kapların duvarlarında çatlaklar ve yarıklar oluşturur – bu da HTGA'dır (Yüksek Sıcaklıkta Gaz Hasarı). Şekil 2'de 8 inçlik duvarda çatlakların ve yarıkların açıkça görüldüğü HTHA sonuçlarını görebilirsiniz. Bu koşullar altında hasar gören nominal boyutlu (NPS) borunun bir kısmı.
Çalışma sıcaklığı 500°F'nin altında tutulduğunda karbon çeliği hidrojen hizmetinde kullanılabilir. Yukarıda belirtildiği gibi, HTHA (Hidrojen Gazı Yüksek Kısmi Basınç ve Yüksek Sıcaklıkta Tutulduğunda Hidrojen Gazı Kazası) meydana gelir. Hidrojen kısmi basıncının yaklaşık 3000 psi ve sıcaklığın yaklaşık 450°F'nin üzerinde olması bekleniyorsa (Şekil 2'deki kaza koşulu), karbon çeliği önerilmez.
Şekil 3'teki değiştirilmiş Nelson grafiğinden (kısmen API 941'den alınmıştır) görülebileceği gibi, yüksek sıcaklık hidrojen zorlaması üzerinde en büyük etkiye sahiptir. Karbon çeliklerinde 500°F'ye kadar sıcaklıklarda kullanıldığında hidrojen gazının kısmi basıncı 1000 psi'yi aşabilir.
Şekil 3. Bu değiştirilmiş Nelson diyagramı (API 941'den uyarlanmıştır), çeşitli sıcaklıklarda hidrojen hizmeti için uygun malzemelerin seçilmesinde kullanılabilir.
Şekil 3'te, çalışma sıcaklığına ve hidrojenin kısmi basıncına bağlı olarak hidrojen saldırısından kaçınmayı garanti eden çeliklerin seçimi gösterilmektedir. Östenitik paslanmaz çelikler, yüksek sıcaklık ve basınçta hidrojen saldırısına karşı duyarsızdır ve tüm sıcaklık ve basınçlarda tatmin edici malzemelerdir.
Östenitik 316/316L paslanmaz çelik, hidrojen uygulamaları için en pratik malzemedir ve kanıtlanmış bir geçmişe sahiptir. Kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT), kaynak sırasında kalan hidrojeni kalsine etmek ve kaynak sonrası ısıdan etkilenen bölgenin (HAZ) sertliğini azaltmak için karbon çelikleri için önerilirken, östenitik paslanmaz çelikler için gerekli değildir.
Isıl işlem ve kaynaklamanın neden olduğu termotermal etkiler, östenitik paslanmaz çeliklerin mekanik özelliklerini çok az etkiler. Bununla birlikte, soğuk işlem, mukavemet ve sertlik gibi östenitik paslanmaz çeliklerin mekanik özelliklerini iyileştirebilir. Östenitik paslanmaz çelikten boru bükme ve şekillendirme işlemleri sırasında, malzemenin plastisitesinin azalması da dahil olmak üzere mekanik özellikleri değişir.
Östenitik paslanmaz çelik soğuk şekillendirme gerektiriyorsa, çözelti tavlaması (yaklaşık 1045°C'ye ısıtma ve ardından su verme veya hızlı soğutma) malzemenin mekanik özelliklerini orijinal değerlerine geri döndürecektir. Ayrıca, soğuk işlemden sonra oluşan alaşım ayrışmasını, duyarlılığı ve sigma fazını da ortadan kaldıracaktır. Çözelti tavlaması yapılırken, hızlı soğutmanın doğru şekilde yapılmadığı takdirde malzemeye artık gerilim kazandırabileceğini unutmayın.
H2 hizmeti için kabul edilebilir malzeme seçimleri için ASME B31'deki GR-2.1.1-1 Boru ve Boru Montaj Malzeme Spesifikasyon İndeksi ve GR-2.1.1-2 Boru Malzeme Spesifikasyon İndeksi tablolarına bakınız. Borular iyi bir başlangıç ​​noktasıdır.
1,008 atom kütle birimi (amu) standart atom ağırlığına sahip olan hidrojen, periyodik tablodaki en hafif ve en küçük elementtir ve bu nedenle sızıntı yapma eğilimi yüksektir; bu da potansiyel olarak yıkıcı sonuçlara yol açabilir. Bu nedenle, gaz boru hattı sistemi, mekanik bağlantıları sınırlayacak ve gerçekten gerekli olan bağlantıları iyileştirecek şekilde tasarlanmalıdır.
Olası sızıntı noktalarını sınırlarken, ekipman, boru elemanları ve bağlantı parçalarındaki flanşlı bağlantılar hariç, sistem tamamen kaynaklanmalıdır. Dişli bağlantılardan mümkün olduğunca, hatta tamamen kaçınılmalıdır. Herhangi bir nedenle dişli bağlantılardan kaçınılamıyorsa, dişli sızdırmazlık malzemesi kullanılmadan tamamen geçirilmesi ve ardından kaynağın kapatılması önerilir. Karbon çelik boru kullanıldığında, boru bağlantıları alın kaynağı ile kaynaklanmalı ve kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT) uygulanmalıdır. Kaynak işleminden sonra, ısıdan etkilenen bölgedeki (HAZ) borular, ortam sıcaklığında bile hidrojen saldırısına maruz kalır. Hidrojen saldırısı esas olarak yüksek sıcaklıklarda meydana gelirken, PWHT aşaması, ortam koşullarında bile bu olasılığı tamamen ortadan kaldırsa bile azaltacaktır.
Tamamen kaynaklı sistemin zayıf noktası flanş bağlantısıdır. Flanş bağlantılarında yüksek derecede sızdırmazlık sağlamak için Kammprofile contalar (şekil 4) veya başka bir conta türü kullanılmalıdır. Birçok üretici tarafından neredeyse aynı şekilde üretilen bu conta, oldukça esnektir. Yumuşak, deforme olabilen sızdırmazlık malzemeleri arasına sıkıştırılmış dişli metal halkalardan oluşur. Dişler, cıvatanın yükünü daha küçük bir alanda yoğunlaştırarak daha az gerilimle sıkı bir bağlantı sağlar. Düzensiz flanş yüzeylerini ve değişken çalışma koşullarını telafi edebilecek şekilde tasarlanmıştır.
Şekil 4. Kammprofil contalar, her iki tarafında yumuşak bir dolgu malzemesiyle yapıştırılmış metal bir çekirdeğe sahiptir.
Sistem bütünlüğünde önemli bir diğer faktör de vanadır. Mil contası ve gövde flanşları çevresindeki sızıntılar gerçek bir sorundur. Bunu önlemek için körüklü contaya sahip bir vana seçilmesi önerilir.
Aşağıdaki örneğimizde, ASTM A106 Gr B standardına uygun üretim toleransları, korozyon ve mekanik toleranslar göz önüne alındığında, 1 inçlik School 80 karbon çelik boru kullanıldığında, izin verilen maksimum çalışma basıncı (MAWP), 300°F'ye kadar olan sıcaklıklarda iki adımda hesaplanabilir (Not: "...300ºF'ye kadar olan sıcaklıklar için..." ifadesinin nedeni, ASTM A106 Gr B malzemesinin izin verilen gerilmesinin (S) sıcaklık 300ºF'yi aştığında bozulmaya başlamasıdır, bu nedenle Denklem (1), 300ºF'nin üzerindeki sıcaklıklara göre ayarlanmalıdır.)
Formül (1)'e atıfta bulunarak, ilk adım boru hattının teorik patlama basıncını hesaplamaktır.
T = boru duvar kalınlığı eksi mekanik, korozyon ve üretim toleransları, inç cinsinden.
Sürecin ikinci kısmı, denklem (2)'ye göre güvenlik faktörü S f'yi sonuç P'ye uygulayarak boru hattının izin verilen maksimum çalışma basıncı Pa'yı hesaplamaktır:
Dolayısıyla, 1 inç kalınlığında okul 80 malzemesi kullanıldığında, patlama basıncı aşağıdaki gibi hesaplanır:
ASME Basınçlı Kaplar Tavsiyeleri Bölüm VIII-1 2019, Paragraf 8'e uygun olarak 4'lük bir güvenlik Sf değeri uygulanır. UG-101 aşağıdaki gibi hesaplanır:
Elde edilen MAWP değeri 810 psi'dir. İnç yalnızca boruyu ifade eder. Sistemdeki en düşük değere sahip flanş bağlantısı veya bileşen, sistemdeki izin verilen basıncı belirlemede belirleyici faktör olacaktır.
ASME B16.5'e göre, 150 karbon çelik flanş bağlantı parçaları için izin verilen maksimum çalışma basıncı -20°F ila 100°F arasında 285 psi'dir. Sınıf 300'ün izin verilen maksimum çalışma basıncı 740 psi'dir. Bu, aşağıdaki malzeme spesifikasyon örneğine göre sistemin basınç limit faktörü olacaktır. Ayrıca, yalnızca hidrostatik testlerde bu değerler 1,5 katını aşabilir.
Temel bir karbon çelik malzeme spesifikasyonuna örnek olarak, 740 psi inç tasarım basıncının altında ortam sıcaklığında çalışan bir H2 gaz servis hattı spesifikasyonu, Tablo 2'de gösterilen malzeme gereksinimlerini içerebilir. Spesifikasyona dahil edilmesi gereken ve dikkat edilmesi gereken türler şunlardır:
Boruların kendisi bir yana, boru sistemini oluşturan birçok unsur vardır; bunlar arasında bağlantı parçaları, vanalar, hat ekipmanları vb. bulunur. Bu unsurların birçoğunu ayrıntılı olarak ele almak için bir boru hattında bir araya getirmek gerekir, ancak bu, bu makalenin kapsayabileceğinden daha fazla sayfa gerektirir. Bu nedenle, bu makale bu konuyu ele almaktadır.