Bu genel bakış, hidrojen dağıtımına yönelik boru sistemlerinin güvenli tasarımı için öneriler sunar.
Hidrojen, sızma eğilimi yüksek olan oldukça uçucu bir sıvıdır.Bu, çok tehlikeli ve ölümcül bir eğilimler bileşimi, kontrol edilmesi zor olan uçucu bir sıvıdır.Bunlar, malzemeleri, contaları ve keçeleri ve bu tür sistemlerin tasarım özelliklerini seçerken dikkate alınması gereken eğilimlerdir.Gaz halindeki H2'nin dağılımı hakkındaki bu konular, bu tartışmanın odak noktasıdır, H2, sıvı H2 veya sıvı H2 üretimi değildir (sağ kenar çubuğuna bakın).
İşte hidrojen ve H2-hava karışımını anlamanıza yardımcı olacak birkaç önemli nokta.Hidrojen iki şekilde yanar: tutuşma ve patlama.
parlama.Alev alma, alevlerin karışım içinde ses altı hızlarda hareket ettiği yaygın bir yanma modudur.Bu, örneğin, serbest bir hidrojen-hava karışımı bulutu küçük bir ateşleme kaynağı tarafından tutuşturulduğunda meydana gelir.Bu durumda, alev saniyede on ila birkaç yüz fit hızla hareket edecektir.Sıcak gazın hızlı genişlemesi, kuvveti bulutun boyutuyla orantılı olan basınç dalgaları yaratır.Bazı durumlarda, şok dalgasının gücü, bina yapılarına ve yolundaki diğer nesnelere zarar vermeye ve yaralanmaya neden olmaya yetebilir.
patlayabilir.Patladığında, alevler ve şok dalgaları karışımı süpersonik hızlarda dolaştı.Bir patlama dalgasındaki basınç oranı, bir patlamadakinden çok daha fazladır.Artan kuvvet nedeniyle patlama insanlar, binalar ve yakındaki nesneler için daha tehlikelidir.Normal tutuşma, kapalı bir alanda tutuştuğunda bir patlamaya neden olur.Bu kadar dar bir alanda en az miktarda enerji ile tutuşma meydana gelebilir.Ancak bir hidrojen-hava karışımının sınırsız bir alanda patlaması için daha güçlü bir ateşleme kaynağı gereklidir.
Bir hidrojen-hava karışımında patlama dalgası boyunca basınç oranı yaklaşık 20'dir. Atmosfer basıncında, 20'lik bir oran 300 psi'dir.Bu basınç dalgası sabit bir cisme çarptığında basınç oranı 40-60'a çıkar.Bunun nedeni, bir basınç dalgasının sabit bir engelden yansımasıdır.
Sızıntı eğilimi.Düşük viskozitesi ve düşük moleküler ağırlığı nedeniyle, H2 gazının çeşitli malzemelere sızma ve hatta nüfuz etme veya nüfuz etme eğilimi yüksektir.
Hidrojen, doğal gazdan 8 kat, havadan 14 kat, propandan 22 kat ve benzin buharından 57 kat daha hafiftir.Bu, dış mekana monte edildiğinde, H2 gazının hızla yükselip dağılacağı ve eşit sızıntı belirtilerini azaltacağı anlamına gelir.Ama iki ucu keskin bir kılıç olabilir.Kaynaktan önce bir kaçak tespit çalışması yapılmadan bir H2 sızıntısının üzerinde veya rüzgar yönündeki bir dış mekan kurulumunda kaynak yapılacaksa bir patlama meydana gelebilir.Kapalı bir alanda, H2 gazı yükselebilir ve tavandan aşağı doğru birikebilir; bu durum, yere yakın tutuşturucu kaynaklarla temasa geçmeden önce büyük hacimlerde birikmesine izin verir.
Kazara yangın.Kendiliğinden tutuşma, bir gaz veya buhar karışımının, harici bir tutuşturma kaynağı olmaksızın kendiliğinden tutuştuğu bir olgudur."Kendiliğinden yanma" veya "kendiliğinden yanma" olarak da bilinir.Kendiliğinden tutuşma basınca değil sıcaklığa bağlıdır.
Kendi kendine tutuşma sıcaklığı, bir yakıtın hava veya oksitleyici bir madde ile temas ettiğinde harici bir ateşleme kaynağının yokluğunda tutuşmadan önce kendiliğinden tutuşacağı minimum sıcaklıktır.Tek bir tozun kendi kendine tutuşma sıcaklığı, oksitleyici bir maddenin yokluğunda kendiliğinden tutuştuğu sıcaklıktır.Havadaki gaz halindeki H2'nin kendiliğinden tutuşma sıcaklığı 585°C'dir.
Ateşleme enerjisi, yanıcı bir karışımda alevin yayılmasını başlatmak için gereken enerjidir.Minimum ateşleme enerjisi, belirli bir yanıcı karışımı belirli bir sıcaklık ve basınçta tutuşturmak için gereken minimum enerjidir.1 atm havadaki gaz halindeki H2 için minimum kıvılcım ateşleme enerjisi = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Patlayıcı limitler, bir patlamanın meydana geldiği hava veya oksijendeki buhar, sis veya tozların maksimum ve minimum konsantrasyonlarıdır.Çevrenin boyutu ve geometrisi ile yakıtın konsantrasyonu limitleri kontrol eder."Patlama sınırı" bazen "patlama sınırı" ile eşanlamlı olarak kullanılır.
Havadaki H2 karışımları için patlama limitleri hacimce %18,3 (alt sınır) ve hacimce %59'dur (üst sınır).
Boru sistemlerini tasarlarken (Şekil 1), ilk adım, her bir akışkan türü için gerekli yapı malzemelerini belirlemektir.Ve her sıvı ASME B31.3 paragrafına göre sınıflandırılacaktır.300(b)(1), "D, M sınıfı, yüksek basınç ve yüksek saflıktaki boruları belirlemek ve belirli bir kalite sisteminin kullanılması gerekip gerekmediğini belirlemek de mal sahibinin sorumluluğundadır."
Akışkan kategorizasyonu, testin derecesini ve gerekli test türünün yanı sıra sıvı kategorisine dayalı diğer birçok gereksinimi tanımlar.Bunun için mal sahibinin sorumluluğu genellikle mal sahibinin mühendislik departmanına veya dışarıdan temin edilen bir mühendise düşer.
B31.3 Proses Boru Kodu, sahibine belirli bir akışkan için hangi malzemenin kullanılacağını söylemese de, mukavemet, kalınlık ve malzeme bağlantı gereklilikleri konusunda rehberlik sağlar.Kodun girişinde ayrıca açıkça ifade eden iki ifade vardır:
Ve yukarıdaki ilk paragraf olan B31.3 paragrafını genişletin.300(b)(1) ayrıca şunları belirtir: "Bir boru hattı kurulumunun sahibi, bu Kurallara uymaktan ve boru hattının bir parçası olduğu tüm sıvı taşıma veya işlemleri yöneten tasarım, yapım, muayene, muayene ve test gerekliliklerini oluşturmaktan yalnızca sorumludur.Kurulum."Bu nedenle, sıvı servis kategorilerini tanımlamaya yönelik sorumluluk ve gereklilikler için bazı temel kurallar belirledikten sonra, hidrojen gazının nereye uyduğunu görelim.
Hidrojen gazı kaçakları olan uçucu bir sıvı gibi davrandığından, hidrojen gazı normal bir sıvı veya sıvı servisi için B31.3 kategorisi altında M Sınıfı sıvı olarak kabul edilebilir.Yukarıda belirtildiği gibi, sıvı elleçleme sınıflandırması, B31.3, paragraf 3'te açıklanan seçili kategoriler için yönergeleri karşılaması koşuluyla bir mal sahibi gereksinimidir. 300.2 "Hidrolik hizmetler" bölümündeki tanımlar.Aşağıdakiler, normal sıvı hizmeti ve M Sınıfı sıvı hizmeti için tanımlardır:
“Normal Akışkan Servisi: Bu kurala tabi çoğu boru tesisatına uygulanabilir akışkan servisi, yani D, M sınıfları, yüksek sıcaklık, yüksek basınç veya yüksek akışkan temizliği düzenlemelerine tabi değildir.
(1) Sıvının toksisitesi o kadar büyüktür ki, bir sızıntının neden olduğu sıvının çok küçük bir miktarına tek bir kez maruz kalınması, acil kurtarma önlemleri alınsa bile, onu soluyan veya onunla temas eden kişilerde ciddi kalıcı yaralanmalara neden olabilir.alınmış
(2) Boru hattı tasarımı, deneyimi, çalışma koşulları ve konumu dikkate alındıktan sonra mal sahibi, sıvının normal kullanımına yönelik gereksinimlerin, personeli maruz kalmaya karşı korumak için gerekli sızdırmazlığı sağlamak için yeterli olmadığına karar verir.”
M'nin yukarıdaki tanımında, hidrojen gazı zehirli bir sıvı olarak kabul edilmediğinden paragraf (1)'deki kriterleri karşılamaz.Bununla birlikte, Kurallar, alt bölüm (2)'yi uygulayarak, “… boru tesisatı tasarımı, deneyimi, çalışma koşulları ve konumu…” dikkate alındıktan sonra hidrolik sistemlerin M sınıfında sınıflandırılmasına izin verir. Mal sahibi, normal sıvı kullanımının belirlenmesine izin verir.Gereksinimler, hidrojen gazı boru sistemlerinin tasarımında, yapımında, muayenesinde, muayenesinde ve test edilmesinde daha yüksek düzeyde bütünlük ihtiyacını karşılamak için yetersizdir.
Yüksek Sıcaklık Hidrojen Korozyonunu (HTHA) tartışmadan önce lütfen Tablo 1'e bakın.Kodlar, standartlar ve yönetmelikler, HTHA'yı içeren yaygın bir korozyon anomalisi olan hidrojen kırılganlığı (HE) konusunda altı belge içeren bu tabloda listelenmiştir.OH, düşük ve yüksek sıcaklıklarda oluşabilir.Bir korozyon şekli olarak düşünüldüğünde, çeşitli şekillerde başlatılabilir ve ayrıca geniş bir malzeme yelpazesini etkileyebilir.
HE'nin hidrojen çatlaması (HAC), hidrojen gerilim çatlaması (HSC), gerilim korozyon çatlaması (SCC), hidrojen korozyon çatlaması (HACC), hidrojen köpürmesi (HB), hidrojen çatlaması (HIC) olarak ayrılabilen çeşitli formları vardır.)), gerilime yönelik hidrojen çatlaması (SOHIC), aşamalı çatlama (SWC), sülfür gerilimi çatlaması (SSC), yumuşak bölge çatlaması (SZC) ve yüksek sıcaklıkta hidrojen korozyonu (HTHA).
En basit haliyle, hidrojen kırılganlığı, atomik hidrojenin nüfuz etmesi nedeniyle sünekliğin azalmasıyla sonuçlanan, metal tanecik sınırlarının yok edilmesi için bir mekanizmadır.Bunun meydana gelme yolları çeşitlidir ve kısmen gevrekleşme için aynı anda yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı hidrojenin gerekli olduğu HTHA ve atomik hidrojenin kapalı gazlar ve hidrojen olarak üretildiği SSC gibi kendi adlarıyla tanımlanır.asit korozyonu nedeniyle metal kasalara sızarak kırılganlığa neden olabilir.Ancak genel sonuç, yukarıda açıklanan tüm hidrojen kırılganlığı durumlarıyla aynıdır; burada metalin mukavemeti, kırılganlık nedeniyle izin verilen gerilim aralığının altına düşer ve bu da sıvının uçuculuğu göz önüne alındığında potansiyel olarak yıkıcı bir olay için zemin hazırlar.
Duvar kalınlığı ve mekanik bağlantı performansına ek olarak, H2 gazı servisi için malzeme seçerken dikkate alınması gereken iki ana faktör vardır: 1. Yüksek sıcaklıktaki hidrojene (HTHA) maruz kalma ve 2. Potansiyel sızıntıyla ilgili ciddi endişeler.Her iki konu da şu anda tartışılıyor.
Moleküler hidrojenden farklı olarak, atomik hidrojen genişleyebilir, hidrojeni yüksek sıcaklıklara ve basınçlara maruz bırakarak potansiyel HTHA için temel oluşturur.Bu koşullar altında, atomik hidrojen, tanecik sınırlarında metan gazı oluşturmak için metalik çözelti içinde karbon ile reaksiyona girdiği karbon çeliği boru malzemelerine veya ekipmanına yayılabilir.Kaçamayan gaz genişler, boruların veya kapların duvarlarında çatlaklar ve yarıklar oluşturur - bu HTGA'dır.HTHA sonuçlarını Şekil 2'de açıkça görebilirsiniz, burada 8" duvarda çatlaklar ve çatlaklar belirgindir.Bu koşullar altında başarısız olan nominal boyutlu (NPS) boru kısmı.
Çalışma sıcaklığı 500°F'nin altında tutulduğunda karbon çeliği hidrojen servisi için kullanılabilir.Yukarıda bahsedildiği gibi, HTHA, hidrojen gazı yüksek kısmi basınçta ve yüksek sıcaklıkta tutulduğunda oluşur.Hidrojen kısmi basıncının 3000 psi civarında olması beklendiğinde ve sıcaklık yaklaşık 450°F'nin üzerinde olduğunda (Şekil 2'deki kaza durumu budur) karbon çeliği önerilmez.
Kısmen API 941'den alınan Şekil 3'teki değiştirilmiş Nelson çiziminden görülebileceği gibi, yüksek sıcaklık hidrojen zorlaması üzerinde en büyük etkiye sahiptir.Hidrojen gazı kısmi basıncı, 500°F'ye kadar sıcaklıklarda çalışan karbon çelikleri ile birlikte kullanıldığında 1000 psi'yi geçebilir.
Şekil 3. Bu değiştirilmiş Nelson şeması (API 941'den uyarlanmıştır), çeşitli sıcaklıklarda hidrojen hizmeti için uygun malzemeleri seçmek için kullanılabilir.
Şek.Şekil 3, çalışma sıcaklığına ve kısmi hidrojen basıncına bağlı olarak hidrojen saldırısından kaçınması garanti edilen çeliklerin seçimini göstermektedir.Östenitik paslanmaz çelikler HTHA'ya 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), karbon çelikleri için kaynak sırasında kalan hidrojeni kalsine etmek ve kaynak sonrası ısıdan etkilenen bölge (HAZ) sertliğini azaltmak için tavsiye edilirken, östenitik paslanmaz çelikler için gerekli değildir.
Isıl işlem ve kaynaktan kaynaklanan termotermal etkilerin, östenitik paslanmaz çeliklerin mekanik özellikleri üzerinde çok az etkisi vardır.Bununla birlikte, soğuk işlem, östenitik paslanmaz çeliklerin mukavemet ve sertlik gibi mekanik özelliklerini iyileştirebilir.Östenitik paslanmaz çelikten boruları bükerken ve şekillendirirken, malzemenin plastisitesindeki azalma 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 getirecektir.Ayrıca soğuk işlemden sonra elde edilen alaşım ayrışmasını, hassaslaşmayı ve sigma fazını da ortadan kaldıracaktır.Çözelti tavlaması gerçekleştirirken, hızlı soğutmanın, uygun şekilde kullanılmadığı takdirde artık gerilimi malzemeye geri getirebileceğinin farkında olun.
H2 hizmeti için kabul edilebilir malzeme seçimleri için ASME B31'deki GR-2.1.1-1 Boru Tesisatı ve Boru Tertibatı Malzeme Spesifikasyonu İndeksi ve GR-2.1.1-2 Boru Malzemesi Spesifikasyonu İndeksi tablolarına bakın.borular başlamak için iyi bir yerdir.
1.008 atomik kütle birimi (amu) standart atom ağırlığı ile hidrojen, periyodik tablodaki en hafif ve en küçük elementtir ve bu nedenle potansiyel olarak yıkıcı sonuçlara yol açabilecek yüksek bir sızıntı eğilimine sahiptir.Bu nedenle, gaz boru hattı sistemi, mekanik tip bağlantıları sınırlandıracak ve gerçekten ihtiyaç duyulan bağlantıları iyileştirecek şekilde tasarlanmalıdır.
Potansiyel sızıntı noktalarını sınırlandırırken, ekipman, boru elemanları ve bağlantı parçaları üzerindeki flanşlı bağlantılar dışında sistem tamamen kaynaklanmalıdır.Dişli bağlantılardan tamamen değilse bile mümkün olduğunca kaçınılmalıdır.Herhangi bir nedenle dişli bağlantılardan kaçınılamazsa, bunların diş sızdırmazlık maddesi olmadan tamamen geçirilmesi ve ardından kaynağın kapatılması önerilir.Karbon çeliği boru kullanıldığında, boru ek yerleri alın kaynağı yapılmalı ve kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT) yapılmalıdır.Kaynaktan sonra, ısıdan etkilenen bölgedeki (HAZ) borular, ortam sıcaklığında bile hidrojen saldırısına maruz kalır.Hidrojen saldırısı öncelikle yüksek sıcaklıklarda meydana gelirken, PWHT aşaması ortam koşullarında bile bu olasılığı ortadan kaldırmasa da tamamen azaltacaktır.
Tamamen kaynaklı sistemin zayıf noktası flanş bağlantısıdır.Flanş bağlantılarında yüksek derecede sızdırmazlık sağlamak için Kammprofile contalar (şek. 4) veya başka tip contalar kullanılmalıdır.Birkaç üretici tarafından neredeyse aynı şekilde üretilen bu ped çok bağışlayıcıdır.Yumuşak, deforme olabilen sızdırmazlık malzemeleri arasına sıkıştırılmış dişli tamamen metal halkalardan oluşur.Dişler, cıvatanın yükünü daha küçük bir alanda toplayarak daha az stresle sıkı bir uyum sağlar.Pürüzlü flanş yüzeylerinin yanı sıra dalgalı çalışma koşullarını telafi edebilecek şekilde tasarlanmıştır.
Şekil 4. Kammprofile contalar, her iki tarafı yumuşak dolgu ile yapıştırılmış metal bir çekirdeğe sahiptir.
Sistemin bütünlüğünde bir diğer önemli faktör ise vanadır.Gövde contası ve gövde flanşları etrafındaki sızıntılar gerçek bir sorundur.Bunu önlemek için körüklü bir vana seçilmesi önerilir.
1 inç kullanın.Aşağıdaki örneğimizde School 80 karbon çelik boru, ASTM A106 Gr B'ye göre üretim toleransları, korozyon ve mekanik toleranslar verildiğinde, izin verilen maksimum çalışma basıncı (MAWP) 300°F'ye kadar olan sıcaklıklarda iki adımda hesaplanabilir (Not : “…300°F'ye kadar olan sıcaklıklar için…” nedeni, ASTM A106 Gr B malzemesinin izin verilen geriliminin (S) sıcaklık 300°F'yi aştığında bozulmaya başlamasıdır.(S), bu nedenle Denklem (1), 300ºF'nin üzerindeki sıcaklıklara Ayar yapılmasını gerektirir.)
Formül (1)'e istinaden, ilk adım boru hattı teorik patlama basıncını hesaplamaktır.
T = boru et kalınlığı eksi mekanik, korozyon ve imalat toleransları, inç cinsinden.
Sürecin ikinci kısmı, denklem (2)'ye göre sonuç P'ye güvenlik faktörü S f uygulayarak boru hattının izin verilen maksimum çalışma basıncı Pa'yı hesaplamaktır:
Böylece 1” okul 80 malzeme kullanıldığında patlama basıncı şu şekilde hesaplanır:
Daha sonra ASME Basınçlı Kap Önerileri Bölüm VIII-1 2019, Paragraf 8'e uygun olarak 4'lük bir güvenlik Sf'si uygulanır. UG-101 şu şekilde hesaplanır:
Ortaya çıkan MAWP değeri 810 psi'dir.inç yalnızca boruyu ifade eder.Sistemdeki en düşük anma değerine sahip flanş bağlantısı veya bileşen, sistemde izin verilen basıncın belirlenmesinde belirleyici faktör olacaktır.
ASME B16.5 uyarınca, 150 karbon çelik flanş bağlantı parçaları için izin verilen maksimum çalışma basıncı 285 psi'dir.-20°F ila 100°F'de inç.Class 300'ün izin verilen maksimum çalışma basıncı 740 psi'dir.Bu, aşağıdaki malzeme spesifikasyonu örneğine göre sistemin basınç sınır faktörü olacaktır.Ayrıca sadece hidrostatik testlerde bu değerler 1,5 katı geçebilmektedir.
Temel karbon çeliği malzeme spesifikasyonuna örnek olarak, 740 psi tasarım basıncının altındaki bir ortam sıcaklığında çalışan bir H2 gaz servis hattı spesifikasyonu verilebilir.inç, Tablo 2'de gösterilen malzeme gereksinimlerini içerebilir. Aşağıdakiler, spesifikasyona dahil edilmesi dikkat gerektirebilecek tiplerdir:
Boru tesisatının dışında, boru sistemini oluşturan bağlantı parçaları, vanalar, hat ekipmanı vb. birçok unsur vardır. Bu unsurların çoğu, ayrıntılı olarak tartışılması için bir boru hattında bir araya getirilecek olsa da, bu, barındırabileceğinden daha fazla sayfa gerektirecektir.Bu makale.