Цей огляд містить рекомендації щодо безпечного проектування систем трубопроводів для розподілу водню.
Водень є дуже летючою рідиною з високою тенденцією до витоку.Це дуже небезпечна і смертельна комбінація схильностей, летюча рідина, яку важко контролювати.Це тенденції, які слід враховувати при виборі матеріалів, прокладок і ущільнень, а також конструктивних характеристик таких систем.Ці теми щодо розподілу газоподібного H2 є центром цієї дискусії, а не виробництво H2, рідкого H2 або рідкого H2 (див. праву бічну панель).
Ось кілька ключових моментів, які допоможуть вам зрозуміти суміш водню та H2-повітря.Водень горить двома способами: горінням і вибухом.
дефлаграція.Дефлаграція - це звичайний режим горіння, при якому полум'я поширюється крізь суміш із дозвуковою швидкістю.Це відбувається, наприклад, коли вільна хмара воднево-повітряної суміші запалюється невеликим джерелом запалювання.У цьому випадку полум'я рухатиметься зі швидкістю від десяти до кількох сотень футів за секунду.Швидке розширення гарячого газу створює хвилі тиску, сила яких пропорційна розміру хмари.У деяких випадках сила ударної хвилі може бути достатньою, щоб пошкодити будівельні конструкції та інші об’єкти на своєму шляху та спричинити травми.
вибухнути.Коли він вибухнув, полум'я та ударні хвилі поширилися крізь суміш із надзвуковою швидкістю.Відношення тиску в детонаційній хвилі значно більше, ніж у детонаційній.Завдяки підвищеній силі вибух більш небезпечний для людей, будівель і прилеглих об'єктів.Звичайна дефлаграція викликає вибух при займанні в замкнутому просторі.У такій вузькій зоні займання може бути викликано найменшою кількістю енергії.Але для детонації воднево-повітряної суміші в необмеженому просторі потрібен більш потужний джерело запалювання.
Коефіцієнт тиску на хвилі детонації в воднево-повітряній суміші становить приблизно 20. При атмосферному тиску коефіцієнт 20 становить 300 psi.Коли ця хвиля тиску стикається з нерухомим об'єктом, коефіцієнт тиску збільшується до 40-60.Це пов'язано з відображенням хвилі тиску від нерухомої перешкоди.
Схильність до протікання.Завдяки своїй низькій в'язкості та низькій молекулярній масі газ H2 має високу тенденцію до витоку та навіть просочування чи проникнення через різні матеріали.
Водень у 8 разів легший за природний газ, у 14 разів легший за повітря, у 22 рази легший за пропан і в 57 разів легший за пари бензину.Це означає, що при встановленні на відкритому повітрі газ H2 швидко підніматиметься та розсіюватиметься, зменшуючи будь-які ознаки навіть витоків.Але це може бути палицею з двома кінцями.Вибух може статися, якщо зварювання буде виконуватися на зовнішній установці вище або за вітром від витоку H2 без дослідження виявлення витоку перед зварюванням.У замкнутому просторі газ H2 може підніматися та накопичуватися зі стелі вниз, що дозволяє йому накопичуватися у великих обсягах, перш ніж він, швидше за все, вступить у контакт із джерелами запалювання поблизу землі.
Випадкова пожежа.Самозаймання — це явище, при якому відбувається самозаймання суміші газів або парів без зовнішнього джерела займання.Він також відомий як «самозаймання» або «самозаймання».Самозаймання залежить від температури, а не від тиску.
Температура самозаймання - це мінімальна температура, при якій паливо самозаймається перед займанням за відсутності зовнішнього джерела запалювання при контакті з повітрям або окислювачем.Температура самозаймання окремого порошку - це температура, при якій він самозаймається за відсутності окислювача.Температура самозаймання газоподібного Н2 в повітрі становить 585°С.
Енергія запалювання - це енергія, необхідна для ініціювання поширення полум'я крізь горючу суміш.Мінімальна енергія запалювання - це мінімальна енергія, необхідна для займання конкретної горючої суміші при певній температурі та тиску.Мінімальна енергія запалювання іскри для газоподібного H2 в 1 атм повітря = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 мДж).
Межі вибуховості - це максимальна і мінімальна концентрації парів, туманів або пилу в повітрі або кисні, при яких відбувається вибух.Розмір і геометрія середовища, а також концентрація палива контролюють межі.«Межа вибуховості» іноді використовується як синонім «межі вибуховості».
Межі вибуховості для суміші H2 у повітрі становлять 18,3 об.% (нижня межа) і 59 об.% (верхня межа).
При проектуванні систем трубопроводів (рис. 1) першим кроком є ​​визначення будівельних матеріалів, необхідних для кожного типу рідини.І кожна рідина буде класифікована відповідно до пункту ASME B31.3.300(b)(1) стверджує: «Власник також несе відповідальність за визначення класу D, M, високого тиску та високої чистоти трубопроводів, а також визначення того, чи слід використовувати певну систему якості».
Категорія рідини визначає ступінь перевірки та тип необхідної перевірки, а також багато інших вимог на основі категорії рідини.Відповідальність власника за це зазвичай лягає на інженерний відділ власника або стороннього інженера.
Хоча B31.3 Кодекс технологічного трубопроводу не повідомляє власнику, який матеріал використовувати для конкретної рідини, він надає вказівки щодо міцності, товщини та вимог до з’єднання матеріалу.У вступі до кодексу також є два твердження, які чітко стверджують:
І розгорніть перший абзац вище, параграф B31.3.300(b)(1) також зазначає: «Власник трубопровідної установки несе виключну відповідальність за дотримання цього Кодексу та за встановлення вимог до проектування, будівництва, перевірки, перевірки та випробувань, які регулюють усі процеси поводження з рідинами або процеси, частиною яких є трубопровід.Встановлення».Отже, після встановлення деяких основних правил щодо відповідальності та вимог щодо визначення категорій рідинних послуг, давайте подивимося, куди вписується водень.
Оскільки газоподібний водень діє як летка рідина з витоками, газоподібний водень можна вважати звичайною рідиною або рідиною класу M за категорією B31.3 для використання рідин.Як зазначено вище, класифікація транспортування рідин є вимогою власника за умови, що вона відповідає вказівкам для вибраних категорій, описаним у B31.3, пункт 3. 300.2 Визначення в розділі «Гідравлічні послуги».Нижче наведено визначення стандартної рідинної служби та рідинної служби класу M:
«Нормальна експлуатація рідини: експлуатація рідини, застосовна до більшості трубопроводів, які підпадають під дію цього кодексу, тобто не підпадають під дію правил для класів D, M, високої температури, високого тиску або високої чистоти рідини.
(1) Токсичність рідини настільки велика, що одноразовий вплив дуже невеликої кількості рідини, спричиненої витоком, може призвести до серйозних постійних травм для тих, хто вдихає або контактує з нею, навіть якщо вжити негайних заходів для відновлення.взято
(2) Після розгляду конструкції трубопроводу, досвіду, умов експлуатації та розташування власник визначає, що вимоги до нормального використання рідини недостатні для забезпечення герметичності, необхідної для захисту персоналу від впливу.»
У наведеному вище визначенні M газоподібний водень не відповідає критеріям пункту (1), оскільки він не вважається токсичною рідиною.Проте, застосовуючи підрозділ (2), Кодекс дозволяє класифікувати гідравлічні системи до класу M після належного розгляду «…проекту трубопроводу, досвіду, умов експлуатації та розташування…». Власник дозволяє визначати нормальне поводження з рідиною.Вимог недостатньо, щоб задовольнити потребу у вищому рівні цілісності при проектуванні, будівництві, перевірці, перевірці та випробуванні систем трубопроводів водню.
Перш ніж обговорювати високотемпературну водневу корозію (HTHA), зверніться до таблиці 1.Коди, стандарти та правила перераховані в цій таблиці, яка включає шість документів на тему водневої крихкості (HE), поширеної корозійної аномалії, яка включає HTHA.ОН може виникати при низьких і високих температурах.Вважаючись формою корозії, вона може виникати декількома способами, а також впливати на широкий спектр матеріалів.
HE має різні форми, які можна розділити на водневе розтріскування (HAC), водневе розтріскування під напругою (HSC), корозійне розтріскування під напругою (SCC), водневе корозійне розтріскування (HACC), водневе розтріскування (HB), водневе розтріскування (HIC).)), водневе розтріскування, орієнтоване на напругу (SOHIC), прогресуюче розтріскування (SWC), сульфідне розтріскування під напругою (SSC), розтріскування м’якої зони (SZC) і високотемпературна воднева корозія (HTHA).
У своїй найпростішій формі водневе окрихчення є механізмом руйнування меж металевих зерен, що призводить до зниження пластичності внаслідок проникнення атомарного водню.Способи, якими це відбувається, різноманітні й частково визначаються відповідними назвами, наприклад HTHA, де водень під високою температурою та високим тиском необхідний для окрихчення, і SSC, де атомарний водень утворюється у вигляді закритих газів і водню.через кислотну корозію вони просочуються в металеві корпуси, що може призвести до крихкості.Але загальний результат такий самий, як і для всіх випадків водневої крихкості, описаних вище, коли міцність металу знижується через крихкість нижче допустимого діапазону напруги, що, у свою чергу, створює основу для потенційно катастрофічної події, враховуючи леткість рідини.
Окрім товщини стінки та механічних характеристик з’єднання, є два основні чинники, які слід враховувати при виборі матеріалів для роботи з газом H2: 1. Вплив високотемпературного водню (HTHA) і 2. Серйозне занепокоєння щодо можливого витоку.Обидві теми зараз обговорюються.
На відміну від молекулярного водню, атомарний водень може розширюватися, піддаючи водень дії високих температур і тиску, створюючи основу для потенційного HTHA.За цих умов атомарний водень здатний дифундувати в трубопровідні матеріали або обладнання з вуглецевої сталі, де він реагує з вуглецем у металевому розчині з утворенням метану на границях зерен.Не маючи можливості вийти, газ розширюється, утворюючи тріщини та щілини в стінках труб або посудин – це HTGA.Ви можете чітко побачити результати HTHA на малюнку 2, де тріщини та тріщини очевидні на стіні 8 дюймів.Частина труби номінального розміру (NPS), яка виходить з ладу за цих умов.
Вуглецеву сталь можна використовувати для водневої роботи, якщо робоча температура підтримується нижче 500°F.Як згадувалося вище, HTHA виникає, коли водень утримується при високому парціальному тиску та високій температурі.Не рекомендується використовувати вуглецеву сталь, якщо очікується, що парціальний тиск водню становитиме близько 3000 фунтів на кв.
Як видно з модифікованого графіка Нельсона на малюнку 3, частково взятого з API 941, висока температура має найбільший вплив на прискорення водню.Парціальний тиск водню може перевищувати 1000 фунтів на квадратний дюйм при використанні з вуглецевими сталями, що працюють при температурах до 500°F.
Малюнок 3. Цю модифіковану діаграму Нельсона (адаптовану з API 941) можна використовувати для вибору відповідних матеріалів для використання водню при різних температурах.
На рис.3 показує вибір сталей, які гарантовано уникають водневого впливу, залежно від робочої температури та парціального тиску водню.Аустенітні нержавіючі сталі нечутливі до HTHA і є задовільними матеріалами за будь-яких температур і тисків.
Аустенітна нержавіюча сталь 316/316L є найбільш практичним матеріалом для водневих застосувань і має перевірену історію.У той час як термічна обробка після зварювання (PWHT) рекомендована для вуглецевих сталей, щоб кальцинувати залишковий водень під час зварювання та зменшити твердість зони термічного впливу (HAZ) після зварювання, вона не потрібна для аустенітних нержавіючих сталей.
Термічні ефекти, викликані термічною обробкою і зварюванням, мало впливають на механічні властивості аустенітних нержавіючих сталей.Проте холодна обробка може покращити механічні властивості аустенітної нержавіючої сталі, такі як міцність і твердість.При згинанні і формуванні труб з аустенітної нержавіючої сталі змінюються їх механічні властивості, в тому числі знижується пластичність матеріалу.
Якщо аустенітна нержавіюча сталь потребує холодного формування, відпал у розчині (нагрівання приблизно до 1045°C з подальшим гартуванням або швидким охолодженням) відновить механічні властивості матеріалу до початкових значень.Це також усуне сегрегацію сплаву, сенсибілізацію та сигма-фазу, досягнуту після холодної обробки.Виконуючи відпал розчину, майте на увазі, що швидке охолодження може повернути залишкову напругу в матеріал, якщо з ним не поводитися належним чином.
Зверніться до таблиць GR-2.1.1-1 Індекс специфікацій матеріалів для трубопроводів і вузлів труб та GR-2.1.1-2 Індекс специфікацій матеріалів для трубопроводів в ASME B31 для вибору прийнятних матеріалів для експлуатації H2.труби є хорошим місцем для початку.
Зі стандартною атомною вагою 1,008 атомних одиниць маси (а.е.м.) водень є найлегшим і найменшим елементом у таблиці Менделєєва, і тому має високу схильність до витоку з потенційно руйнівними наслідками, я можу додати.Тому система газопроводу повинна бути спроектована таким чином, щоб обмежити з'єднання механічного типу і вдосконалити ті з'єднання, які дійсно необхідні.
При обмеженні потенційних точок витоку система повинна бути повністю звареною, за винятком фланцевих з’єднань обладнання, елементів трубопроводу та арматури.Наскільки це можливо, якщо не повністю, слід уникати різьбових з’єднань.Якщо з будь-яких причин неможливо уникнути різьбових з’єднань, рекомендується повністю закріпити їх без різьбового герметика, а потім загерметизувати зварний шов.При використанні труб з вуглецевої сталі з’єднання труб повинні бути зварені встик і піддані термічній обробці (PWHT).Після зварювання труби в зоні теплового впливу (ЗТВ) піддаються водневому впливу навіть при температурі навколишнього середовища.У той час як воднева атака відбувається в основному при високих температурах, стадія PWHT повністю зменшить, якщо не усуне, цю можливість навіть за умов навколишнього середовища.
Слабке місце суцільнозварної системи - фланцеве з'єднання.Для забезпечення високого ступеня герметичності у фланцевих з'єднаннях слід використовувати прокладки Kammprofile (рис. 4) або іншу форму прокладок.Виготовлена ​​кількома виробниками майже однаково, ця накладка дуже прощає.Він складається із зубчастих суцільнометалевих кілець, затиснутих між м’якими ущільнювальними матеріалами, що деформуються.Зубці зосереджують навантаження болта на меншій площі, щоб забезпечити щільне прилягання з меншим навантаженням.Він розроблений таким чином, що може компенсувати нерівні поверхні фланців, а також коливання умов експлуатації.
Малюнок 4. Прокладки Kammprofile мають металевий сердечник, скріплений з двох сторін м'яким наповнювачем.
Ще одним важливим фактором цілісності системи є клапан.Витоки навколо ущільнення штока та фланців корпусу є справжньою проблемою.Щоб запобігти цьому, рекомендується вибирати клапан із сильфонним ущільненням.
Використовуйте 1 дюйм.Труба з вуглецевої сталі School 80, у нашому прикладі нижче, враховуючи виробничі допуски, корозійні та механічні допуски відповідно до ASTM A106 Gr B, максимально допустимий робочий тиск (MAWP) можна розрахувати в два етапи при температурах до 300°F (Примітка: причина «…для температур до 300°F…» полягає в тому, що допустиме напруження (S) матеріалу ASTM A106 Gr B починається s погіршується, коли температура перевищує 300ºF.(S), тому рівняння (1) вимагає налаштування до температур вище 300ºF.)
Посилаючись на формулу (1), першим кроком є ​​розрахунок теоретичного тиску розриву трубопроводу.
T = товщина стінки труби без механічних, корозійних і виробничих допусків, у дюймах.
Друга частина процесу полягає в обчисленні максимально допустимого робочого тиску Pa трубопроводу шляхом застосування коефіцієнта міцності S f до результату P відповідно до рівняння (2):
Таким чином, при використанні 1″ матеріалу School 80 тиск розриву розраховується наступним чином:
Потім застосовується Sf безпеки 4 відповідно до розділу VIII-1 Рекомендацій ASME щодо посудин під тиском 2019, параграф 8. UG-101 розраховується наступним чином:
Отримане значення MAWP становить 810 psi.дюйм відноситься лише до труби.Фланцеве з'єднання або компонент з найнижчим показником у системі буде визначальним фактором при визначенні допустимого тиску в системі.
Відповідно до ASME B16.5, максимально допустимий робочий тиск для фланцевих фітингів із вуглецевої сталі 150 становить 285 psi.дюйм при -20°F до 100°F.Клас 300 має максимально допустимий робочий тиск 740 psi.Це буде коефіцієнт обмеження тиску системи відповідно до прикладу специфікації матеріалу нижче.Також тільки при гідростатичних випробуваннях ці значення можуть перевищувати 1,5 рази.
Як приклад основної специфікації матеріалу з вуглецевої сталі, специфікація лінії обслуговування газу H2, що працює при температурі навколишнього середовища нижче розрахункового тиску 740 psi.дюймів, може містити вимоги до матеріалів, наведені в таблиці 2. Нижче наведено типи, які можуть потребувати уваги, щоб включити їх до специфікації:
Окрім самого трубопроводу, існує багато елементів, які утворюють систему трубопроводу, наприклад фітинги, клапани, обладнання для ліній тощо. Хоча багато з цих елементів буде об’єднано в конвеєр, щоб обговорити їх у деталях, для цього знадобиться більше сторінок, ніж можна вмістити.Ця стаття.