Phần tổng quan này cung cấp các khuyến nghị về thiết kế an toàn của hệ thống đường ống để phân phối hydro.
Hydrogen là một chất lỏng rất dễ bay hơi với xu hướng rò rỉ cao.Đó là một sự kết hợp rất nguy hiểm và chết người của các khuynh hướng, một chất lỏng dễ bay hơi khó kiểm soát.Đây là những xu hướng cần xem xét khi lựa chọn vật liệu, miếng đệm và vòng đệm kín, cũng như các đặc điểm thiết kế của các hệ thống đó.Các chủ đề về phân phối khí H2 là trọng tâm của cuộc thảo luận này, không phải là sản xuất H2, H2 lỏng hoặc H2 lỏng (xem thanh bên phải).
Dưới đây là một số điểm chính để giúp bạn hiểu hỗn hợp hydro và H2-không khí.Hydro cháy theo hai cách: xì hơi và nổ.
xì hơi.Xả hơi là một chế độ đốt phổ biến trong đó ngọn lửa di chuyển qua hỗn hợp ở tốc độ cận âm.Ví dụ, điều này xảy ra khi một đám mây hỗn hợp hydro-không khí tự do được đốt cháy bởi một nguồn đánh lửa nhỏ.Trong trường hợp này, ngọn lửa sẽ di chuyển với tốc độ từ mười đến vài trăm feet mỗi giây.Sự giãn nở nhanh chóng của khí nóng tạo ra các sóng áp suất có cường độ tỷ lệ thuận với kích thước của đám mây.Trong một số trường hợp, lực của sóng xung kích có thể đủ để làm hỏng cấu trúc tòa nhà và các vật thể khác trên đường đi của nó và gây thương tích.
nổ tung.Khi nó phát nổ, ngọn lửa và sóng xung kích truyền qua hỗn hợp với tốc độ siêu thanh.Tỷ lệ áp suất trong một đợt kích nổ lớn hơn nhiều so với trong một vụ nổ.Do lực tăng lên, vụ nổ nguy hiểm hơn đối với người, tòa nhà và các vật thể gần đó.Sự xì hơi thông thường gây ra vụ nổ khi bắt lửa trong không gian hạn chế.Trong một khu vực hẹp như vậy, sự đánh lửa có thể được gây ra bởi lượng năng lượng ít nhất.Nhưng để kích nổ hỗn hợp hydro-không khí trong không gian không giới hạn, cần có nguồn đánh lửa mạnh hơn.
Tỷ lệ áp suất trên sóng kích nổ trong hỗn hợp hydro-không khí là khoảng 20. Ở áp suất khí quyển, tỷ lệ 20 là 300 psi.Khi sóng áp suất này va chạm với một vật thể đứng yên, tỷ lệ áp suất tăng lên 40-60.Điều này là do sự phản xạ của sóng áp suất từ ​​một chướng ngại vật cố định.
Xu hướng rò rỉ.Do độ nhớt thấp và trọng lượng phân tử thấp, khí H2 có xu hướng rò rỉ cao và thậm chí thấm hoặc xuyên qua các vật liệu khác nhau.
Hydro nhẹ hơn khí tự nhiên 8 lần, nhẹ hơn không khí 14 lần, nhẹ hơn propan 22 lần và nhẹ hơn hơi xăng 57 lần.Điều này có nghĩa là khi được lắp đặt ngoài trời, khí H2 sẽ nhanh chóng tăng lên và tiêu tan, làm giảm mọi dấu hiệu rò rỉ.Nhưng nó có thể là con dao hai lưỡi.Vụ nổ có thể xảy ra nếu việc hàn được thực hiện trên hệ thống lắp đặt ngoài trời ở phía trên hoặc hướng gió của nơi rò rỉ H2 mà không có nghiên cứu phát hiện rò rỉ trước khi hàn.Trong một không gian kín, khí H2 có thể bốc lên và tích tụ từ trần nhà xuống, một điều kiện cho phép nó tích tụ với khối lượng lớn trước khi có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguồn gây cháy gần mặt đất.
Tai nạn hỏa hoạn.Tự bốc cháy là hiện tượng hỗn hợp khí hoặc hơi tự bốc cháy mà không cần nguồn đánh lửa bên ngoài.Nó còn được gọi là "đốt cháy tự phát" hoặc "đốt cháy tự phát".Tự đánh lửa phụ thuộc vào nhiệt độ, không phải áp suất.
Nhiệt độ tự bốc cháy là nhiệt độ tối thiểu mà tại đó nhiên liệu sẽ tự bốc cháy trước khi bắt lửa trong trường hợp không có nguồn đánh lửa bên ngoài khi tiếp xúc với không khí hoặc tác nhân oxy hóa.Nhiệt độ tự bốc cháy của một loại bột đơn lẻ là nhiệt độ tại đó nó tự bốc cháy khi không có tác nhân oxy hóa.Nhiệt độ tự bốc cháy của khí H2 trong không khí là 585°C.
Năng lượng đánh lửa là năng lượng cần thiết để bắt đầu lan truyền ngọn lửa qua hỗn hợp dễ cháy.Năng lượng đánh lửa tối thiểu là năng lượng tối thiểu cần thiết để đốt cháy một hỗn hợp dễ cháy cụ thể ở nhiệt độ và áp suất cụ thể.Năng lượng đánh lửa tối thiểu đối với khí H2 trong 1 atm không khí = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Giới hạn nổ là nồng độ tối đa và tối thiểu của hơi, sương mù hoặc bụi trong không khí hoặc oxy tại đó xảy ra vụ nổ.Kích thước và dạng hình học của môi trường, cũng như nồng độ của nhiên liệu, kiểm soát các giới hạn."Giới hạn nổ" đôi khi được sử dụng như một từ đồng nghĩa với "giới hạn nổ".
Giới hạn nổ đối với hỗn hợp H2 trong không khí là 18,3 thể tích% (giới hạn dưới) và 59 thể tích% (giới hạn trên).
Khi thiết kế hệ thống đường ống (Hình 1), bước đầu tiên là xác định vật liệu xây dựng cần thiết cho từng loại chất lỏng.Và mỗi chất lỏng sẽ được phân loại theo đoạn ASME B31.3.300(b)(1) nêu rõ, “Chủ sở hữu cũng chịu trách nhiệm xác định loại đường ống D, M, áp suất cao và độ tinh khiết cao, đồng thời xác định xem có nên sử dụng một hệ thống chất lượng cụ thể hay không.”
Phân loại chất lỏng xác định mức độ thử nghiệm và loại thử nghiệm cần thiết, cũng như nhiều yêu cầu khác dựa trên loại chất lỏng.Trách nhiệm của chủ sở hữu đối với việc này thường thuộc về bộ phận kỹ thuật của chủ sở hữu hoặc kỹ sư thuê ngoài.
Mặc dù Quy tắc đường ống quy trình B31.3 không cho chủ sở hữu biết nên sử dụng vật liệu nào cho một chất lỏng cụ thể, nhưng nó cung cấp hướng dẫn về độ bền, độ dày và các yêu cầu kết nối vật liệu.Ngoài ra còn có hai tuyên bố trong phần giới thiệu về mã nêu rõ:
Và mở rộng đoạn đầu tiên ở trên, đoạn B31.3.300(b)(1) cũng nêu rõ: “Chủ sở hữu hệ thống lắp đặt đường ống hoàn toàn chịu trách nhiệm tuân thủ Bộ quy tắc này và thiết lập các yêu cầu thiết kế, xây dựng, kiểm tra, giám định và thử nghiệm chi phối tất cả quá trình xử lý hoặc xử lý chất lỏng mà đường ống là một phần.Cài đặt."Vì vậy, sau khi đặt ra một số quy tắc cơ bản về trách nhiệm pháp lý và các yêu cầu để xác định danh mục dịch vụ chất lỏng, hãy xem khí hydro phù hợp ở đâu.
Vì khí hydro hoạt động như một chất lỏng dễ bay hơi có rò rỉ nên khí hydro có thể được coi là chất lỏng thông thường hoặc chất lỏng loại M thuộc danh mục B31.3 đối với dịch vụ chất lỏng.Như đã nêu ở trên, việc phân loại xử lý chất lỏng là yêu cầu của chủ sở hữu, miễn là nó đáp ứng các nguyên tắc cho các loại đã chọn được mô tả trong B31.3, đoạn 3. 300.2 Định nghĩa trong phần “Dịch vụ thủy lực”.Sau đây là các định nghĩa cho dịch vụ chất lỏng thông thường và dịch vụ chất lỏng Class M:
“Dịch vụ Chất lỏng Thông thường: Dịch vụ chất lỏng áp dụng cho hầu hết các đường ống tuân theo quy tắc này, nghĩa là không tuân theo các quy định đối với loại D, M, nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc độ sạch của chất lỏng cao.
(1) Độc tính của chất lỏng lớn đến mức chỉ cần tiếp xúc với một lượng rất nhỏ chất lỏng do rò rỉ có thể gây thương tích vĩnh viễn nghiêm trọng cho những người hít phải hoặc tiếp xúc với nó, ngay cả khi các biện pháp phục hồi ngay lập tức được thực hiện.lấy
(2) Sau khi xem xét thiết kế, kinh nghiệm, điều kiện vận hành và vị trí đường ống, chủ sở hữu xác định rằng các yêu cầu đối với việc sử dụng chất lỏng bình thường là không đủ để cung cấp độ kín cần thiết để bảo vệ nhân viên khỏi bị phơi nhiễm.”
Trong định nghĩa M ở trên, khí hiđro không đáp ứng tiêu chí của đoạn (1) vì nó không được coi là chất lỏng độc hại.Tuy nhiên, bằng cách áp dụng tiểu mục (2), Bộ luật cho phép phân loại các hệ thống thủy lực ở loại M sau khi xem xét kỹ “…thiết kế đường ống, kinh nghiệm, điều kiện vận hành và vị trí…” Chủ sở hữu cho phép xác định khả năng xử lý chất lỏng bình thường.Các yêu cầu không đủ để đáp ứng nhu cầu về mức độ toàn vẹn cao hơn trong thiết kế, xây dựng, kiểm tra, kiểm tra và thử nghiệm hệ thống đường ống khí hydro.
Vui lòng tham khảo Bảng 1 trước khi thảo luận về Ăn mòn Hydro ở Nhiệt độ Cao (HTHA).Các mã, tiêu chuẩn và quy định được liệt kê trong bảng này, bao gồm sáu tài liệu về chủ đề giòn hydro (HE), một dị thường ăn mòn phổ biến bao gồm HTHA.OH có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp và cao.Được coi là một dạng ăn mòn, nó có thể bắt đầu bằng nhiều cách và cũng ảnh hưởng đến nhiều loại vật liệu.
HE có nhiều dạng khác nhau, có thể được chia thành nứt hydro (HAC), nứt ứng suất hydro (HSC), nứt ăn mòn ứng suất (SCC), nứt ăn mòn hydro (HACC), tạo bọt khí hydro (HB), nứt hydro (HIC).)), nứt hydro định hướng ứng suất (SOHIC), nứt lũy tiến (SWC), nứt ứng suất sunfua (SSC), nứt vùng mềm (SZC) và ăn mòn hydro ở nhiệt độ cao (HTHA).
Ở dạng đơn giản nhất, tính giòn hydro là một cơ chế phá hủy ranh giới hạt kim loại, dẫn đến giảm độ dẻo do sự xâm nhập của hydro nguyên tử.Các cách thức mà điều này xảy ra rất đa dạng và được xác định một phần theo tên tương ứng của chúng, chẳng hạn như HTHA, nơi cần có đồng thời hydro ở nhiệt độ cao và áp suất cao để tạo giòn và SSC, nơi hydro nguyên tử được tạo ra ở dạng khí kín và hydro.do axit ăn mòn, chúng thấm vào vỏ kim loại, có thể dẫn đến giòn.Nhưng kết quả tổng thể giống như đối với tất cả các trường hợp giòn hydro được mô tả ở trên, trong đó độ bền của kim loại bị giảm do giòn dưới phạm vi ứng suất cho phép của nó, từ đó tạo tiền đề cho một sự kiện thảm khốc tiềm ẩn do tính dễ bay hơi của chất lỏng.
Ngoài độ dày thành và hiệu suất cơ học của mối nối, có hai yếu tố chính cần xem xét khi lựa chọn vật liệu cho dịch vụ khí H2: 1. Tiếp xúc với hydro ở nhiệt độ cao (HTHA) và 2. Mối lo ngại nghiêm trọng về khả năng rò rỉ.Cả hai chủ đề hiện đang được thảo luận.
Không giống như hydro phân tử, hydro nguyên tử có thể giãn nở, khiến hydro tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất cao, tạo cơ sở cho HTHA tiềm năng.Trong những điều kiện này, hydro nguyên tử có thể khuếch tán vào vật liệu hoặc thiết bị đường ống bằng thép cacbon, tại đó nó phản ứng với cacbon trong dung dịch kim loại để tạo thành khí mêtan ở ranh giới hạt.Không thể thoát ra ngoài, khí sẽ nở ra, tạo ra các vết nứt và kẽ hở trên thành ống hoặc bình chứa – đây là HTGA.Bạn có thể thấy rõ kết quả HTHA trong Hình 2 nơi các vết nứt và vết nứt hiện rõ trên bức tường 8″.Phần đường ống có kích thước danh nghĩa (NPS) bị lỗi trong các điều kiện này.
Thép carbon có thể được sử dụng cho dịch vụ hydro khi nhiệt độ vận hành được duy trì dưới 500°F.Như đã đề cập ở trên, HTHA xảy ra khi khí hydro được giữ ở áp suất riêng phần cao và nhiệt độ cao.Thép carbon không được khuyến nghị khi áp suất riêng phần hydro được dự đoán là khoảng 3000 psi và nhiệt độ trên khoảng 450°F (là điều kiện tai nạn trong Hình 2).
Như có thể thấy từ biểu đồ Nelson đã sửa đổi trong Hình 3, một phần được lấy từ API 941, nhiệt độ cao có ảnh hưởng lớn nhất đến việc cưỡng bức hydro.Áp suất riêng phần của khí hydro có thể vượt quá 1000 psi khi được sử dụng với thép carbon hoạt động ở nhiệt độ lên tới 500°F.
Hình 3. Biểu đồ Nelson đã sửa đổi này (được điều chỉnh từ API 941) có thể được sử dụng để chọn vật liệu phù hợp cho dịch vụ hydro ở các nhiệt độ khác nhau.
Trên hình.Hình 3 cho thấy sự lựa chọn thép đảm bảo tránh được sự tấn công của hydro, tùy thuộc vào nhiệt độ vận hành và áp suất riêng phần của hydro.Thép không gỉ Austenitic không nhạy cảm với HTHA và là vật liệu phù hợp ở mọi nhiệt độ và áp suất.
Thép không gỉ Austenitic 316/316L là vật liệu thiết thực nhất cho các ứng dụng hydro và có thành tích đã được chứng minh.Mặc dù xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) được khuyến nghị đối với thép carbon để nung hydro dư trong quá trình hàn và giảm độ cứng của vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sau khi hàn, nhưng không cần thiết đối với thép không gỉ austenit.
Hiệu ứng nhiệt do xử lý nhiệt và hàn ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học của thép không gỉ austenit.Tuy nhiên, gia công nguội có thể cải thiện các tính chất cơ học của thép không gỉ austenit, chẳng hạn như độ bền và độ cứng.Khi uốn và tạo hình ống từ thép không gỉ austenit, các tính chất cơ học của chúng thay đổi, bao gồm cả việc giảm độ dẻo của vật liệu.
Nếu thép không gỉ austenit yêu cầu tạo hình nguội, ủ dung dịch (làm nóng đến khoảng 1045°C sau đó làm nguội hoặc làm lạnh nhanh) sẽ khôi phục các tính chất cơ học của vật liệu về giá trị ban đầu.Nó cũng sẽ loại bỏ sự phân tách hợp kim, độ nhạy và pha sigma đạt được sau khi gia công nguội.Khi thực hiện ủ dung dịch, hãy lưu ý rằng việc làm mát nhanh có thể tạo lại ứng suất dư cho vật liệu nếu không được xử lý đúng cách.
Tham khảo các bảng GR-2.1.1-1 Chỉ số đặc điểm kỹ thuật vật liệu lắp ráp đường ống và ống và GR-2.1.1-2 Chỉ số đặc điểm kỹ thuật vật liệu đường ống trong ASME B31 để biết các lựa chọn vật liệu chấp nhận được cho dịch vụ H2.đường ống là một nơi tốt để bắt đầu.
Tôi có thể nói thêm rằng với trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn là 1,008 đơn vị khối lượng nguyên tử (amu), hydro là nguyên tố nhẹ nhất và nhỏ nhất trong bảng tuần hoàn, do đó có xu hướng rò rỉ cao, với những hậu quả nghiêm trọng có thể xảy ra.Vì vậy, hệ thống đường ống dẫn khí phải được thiết kế sao cho hạn chế các mối nối kiểu cơ khí và cải thiện những mối nối thực sự cần thiết.
Khi hạn chế các điểm rò rỉ tiềm ẩn, hệ thống phải được hàn hoàn toàn, ngoại trừ các kết nối mặt bích trên thiết bị, các bộ phận đường ống và phụ kiện.Nên tránh kết nối ren càng nhiều càng tốt, nếu không muốn nói là hoàn toàn.Nếu không thể tránh được các mối nối có ren vì bất kỳ lý do gì, thì nên gài chúng hoàn toàn mà không có chất bịt kín ren và sau đó hàn kín mối hàn.Khi sử dụng ống thép carbon, các mối nối ống phải được hàn giáp mép và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT).Sau khi hàn, các đường ống trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) tiếp xúc với sự tấn công của hydro ngay cả ở nhiệt độ môi trường.Trong khi tấn công hydro xảy ra chủ yếu ở nhiệt độ cao, thì giai đoạn PWHT sẽ giảm hoàn toàn, nếu không muốn nói là loại bỏ, khả năng này ngay cả trong điều kiện môi trường xung quanh.
Điểm yếu của hệ thống hàn toàn bộ là kết nối mặt bích.Để đảm bảo độ kín cao trong các kết nối mặt bích, nên sử dụng miếng đệm Kammprofile (hình 4) hoặc một dạng miếng đệm khác.Được làm theo cách gần như giống nhau bởi một số nhà sản xuất, miếng đệm này rất dễ sử dụng.Nó bao gồm các vòng hoàn toàn bằng kim loại có răng được kẹp giữa các vật liệu bịt kín mềm, có thể biến dạng.Các răng tập trung tải trọng của bu-lông trong một khu vực nhỏ hơn để mang lại sự khít chặt với ít lực hơn.Nó được thiết kế theo cách có thể bù đắp cho các bề mặt mặt bích không bằng phẳng cũng như các điều kiện vận hành dao động.
Hình 4. Các miếng đệm Kammprofile có lõi kim loại được liên kết ở cả hai mặt bằng chất độn mềm.
Một yếu tố quan trọng khác trong tính toàn vẹn của hệ thống là van.Rò rỉ xung quanh phốt trục và mặt bích thân xe là một vấn đề thực sự.Để ngăn chặn điều này, nên chọn một van có vòng đệm ống thổi.
Sử dụng 1 inch.Ống thép carbon School 80, trong ví dụ dưới đây của chúng tôi, với dung sai sản xuất, dung sai ăn mòn và cơ học theo tiêu chuẩn ASTM A106 Gr B, áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP) có thể được tính theo hai bước ở nhiệt độ lên tới 300°F (Lưu ý: Lý do cho “…đối với nhiệt độ lên tới 300ºF…” là do ứng suất cho phép (S) của vật liệu ASTM A106 Gr B bắt đầu xuống cấp khi nhiệt độ vượt quá 300ºF.(S), vì vậy Phương trình ( 1) yêu cầu Điều chỉnh theo nhiệt độ trên 300ºF.)
Tham khảo công thức (1), bước đầu tiên là tính toán áp suất nổ lý thuyết của đường ống.
T = độ dày thành ống trừ đi dung sai cơ khí, ăn mòn và sản xuất, tính bằng inch.
Phần thứ hai của quy trình là tính toán áp suất làm việc tối đa cho phép Pa của đường ống bằng cách áp dụng hệ số an toàn S f cho kết quả P theo phương trình (2):
Như vậy khi sử dụng vật liệu 1″ school 80 thì áp suất nổ được tính như sau:
Sau đó, Sf an toàn là 4 được áp dụng theo Khuyến nghị về bình chịu áp lực của ASME Phần VIII-1 2019, Đoạn 8. UG-101 được tính toán như sau:
Giá trị MAWP thu được là 810 psi.inch chỉ đề cập đến đường ống.Kết nối mặt bích hoặc thành phần có xếp hạng thấp nhất trong hệ thống sẽ là yếu tố quyết định trong việc xác định áp suất cho phép trong hệ thống.
Theo ASME B16.5, áp suất làm việc tối đa cho phép đối với 150 phụ kiện mặt bích bằng thép cacbon là 285 psi.inch ở -20°F đến 100°F.Class 300 có áp suất làm việc tối đa cho phép là 740 psi.Đây sẽ là hệ số giới hạn áp suất của hệ thống theo ví dụ đặc tả vật liệu bên dưới.Ngoài ra, chỉ trong các thử nghiệm thủy tĩnh, các giá trị này có thể vượt quá 1,5 lần.
Như một ví dụ về thông số kỹ thuật cơ bản của vật liệu thép cacbon, thông số kỹ thuật đường ống dẫn khí H2 hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh dưới áp suất thiết kế là 740 psi.inch, có thể chứa các yêu cầu về vật liệu được nêu trong Bảng 2. Sau đây là các loại có thể cần chú ý để đưa vào thông số kỹ thuật:
Ngoài bản thân đường ống, còn có nhiều yếu tố tạo nên hệ thống đường ống như phụ kiện, van, thiết bị đường ống, v.v. Mặc dù nhiều yếu tố trong số này sẽ được tập hợp lại với nhau trong một đường ống để thảo luận chi tiết về chúng, nhưng điều này sẽ cần nhiều trang hơn mức có thể đáp ứng được.Bài viết này.