Tổng quan này đưa ra các khuyến nghị về thiết kế an toàn cho hệ thống đường ống phân phối hydro.
Hydro là một chất lỏng dễ bay hơi với khả năng rò rỉ cao. Đó là sự kết hợp rất nguy hiểm và chết người của các đặc tính, một chất lỏng dễ bay hơi khó kiểm soát. Đây là những xu hướng cần xem xét khi lựa chọn vật liệu, gioăng và vòng đệm, cũng như các đặc điểm thiết kế của các hệ thống như vậy. Các chủ đề về sự phân bố khí H2 là trọng tâm của cuộc thảo luận này, chứ không phải việc sản xuất H2, H2 lỏng, hoặc H2 dạng lỏng (xem thanh bên phải).
Dưới đây là một vài điểm chính giúp bạn hiểu về hỗn hợp hydro và H2-không khí. Hydro cháy theo hai cách: cháy lan và cháy nổ.
Sự bùng cháy lan. Bùng cháy lan là một phương thức cháy phổ biến trong đó ngọn lửa di chuyển qua hỗn hợp với tốc độ dưới âm thanh. Điều này xảy ra, ví dụ, 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 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 mạnh để làm hư hại các công trình xây dựng và các vật thể khác trên đường đi của nó và gây thương tích.
Khi phát nổ, ngọn lửa và sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp với tốc độ siêu âm. Tỷ lệ áp suất trong sóng nổ lớn hơn nhiều so với trong vụ nổ thông thường. Do lực tăng lên, vụ nổ nguy hiểm hơn đối với con người, các công trình và các vật thể xung quanh. Sự cháy lan thông thường gây ra vụ nổ khi được đốt cháy trong không gian kín. Trong khu vực hẹp như vậy, sự bắt lửa có thể được gây ra bởi lượng năng lượng nhỏ nhất. Nhưng để hỗn hợp hydro-không khí phát nổ trong không gian vô hạn, cần một nguồn bắt lửa mạnh hơn.
Tỷ số áp suất trên sóng nổ trong hỗn hợp hydro-không khí xấp xỉ 20. Ở áp suất khí quyển, tỷ số 20 tương đương với 300 psi. Khi sóng áp suất này va chạm với một vật thể đứng yên, tỷ số áp suất tăng lên 40-60. Điều này là do sự phản xạ của sóng áp suất từ ​​vật cản đứng yên.
Có 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 có thể thẩm thấu hoặc xuyên qua nhiều vật liệu khác nhau.
Hydro (H2) 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 bốc lên và phân tán, làm giảm thiểu mọi dấu hiệu rò rỉ. Nhưng nó cũng có thể là con dao hai lưỡi. Một vụ nổ có thể xảy ra nếu việc hàn được thực hiện trên một thiết bị lắp đặt ngoài trời phía trên hoặc phía dưới hướng gió của một điểm rò rỉ H2 mà không tiến hành nghiên cứu phát hiện rò rỉ trước khi hàn. Trong không gian kín, khí H2 có thể bốc lên và tích tụ từ trần nhà xuống, điều kiện này cho phép nó tích tụ thành khối lượng lớn trước khi có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguồn gây cháy gần mặt đất.
Hỏa hoạn do tai nạn. Tự bốc cháy là hiện tượng trong đó hỗn hợp khí hoặc hơi tự bốc cháy mà không cần nguồn đánh lửa bên ngoài. Nó còn được gọi là "tự cháy" hoặc "tự bốc cháy". Tự bốc cháy 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 điều kiện không có nguồn đánh lửa bên ngoài khi tiếp xúc với không khí hoặc chất oxy hóa. Nhiệt độ tự bốc cháy của một loại bột duy nhất là nhiệt độ mà tại đó nó tự bốc cháy trong điều kiện không có chất 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 khởi phát sự lan truyền của ngọn lửa trong 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 một nhiệt độ và áp suất cụ thể. Năng lượng đánh lửa tối thiểu bằng tia lửa điện 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 mà tại đó xảy ra vụ nổ. Kích thước và hình dạng của môi trường, cũng như nồng độ của nhiên liệu, kiểm soát các giới hạn này. "Giới hạn nổ" đôi khi được sử dụng như một từ đồng nghĩa với "giới hạn nổ".
Giới hạn nổ của 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 các vật liệu xây dựng cần thiết cho từng loại chất lỏng. Và mỗi chất lỏng sẽ được phân loại theo đoạn 300(b)(1) của ASME B31.3. “Chủ sở hữu cũng chịu trách nhiệm xác định loại đường ống D, M, áp suất cao và độ tinh khiết cao, và xác định xem có nên sử dụng hệ thống chất lượng cụ thể nào hay không.”
Phân loại chất lỏng xác định mức độ và loại thử nghiệm cần thiết, cũng như nhiều yêu cầu khác dựa trên loại chất lỏng đó. Trách nhiệm này thường thuộc về bộ phận kỹ thuật của chủ sở hữu hoặc một kỹ sư bên ngoài.
Mặc dù Quy chuẩn đường ống công nghiệp B31.3 không chỉ rõ chủ đầu tư nên sử dụng vật liệu nào cho từng loại chất lỏng cụ thể, nhưng nó cung cấp hướng dẫn về độ bền, độ dày và yêu cầu về vật liệu kết nối. Ngoài ra, có hai tuyên bố trong phần giới thiệu của quy chuẩn này nêu rõ:
Và mở rộng đoạn đầu tiên ở trên, đoạn B31.3. 300(b)(1) cũng nêu rõ: “Chủ sở hữu của một công trình đường ống chịu trách nhiệm duy nhất về việc tuân thủ Bộ luật này và thiết lập các yêu cầu về thiết kế, xây dựng, kiểm tra, giám sát và thử nghiệm chi phối tất cả các hoạt động xử lý chất lỏng hoặc quy trình mà đường ống là một phần. Công trình.” Vì vậy, sau khi đặt ra một số quy tắc cơ bản về trách nhiệm pháp lý và các yêu cầu để xác định các loại dịch vụ chất lỏng, hãy xem khí hydro phù hợp ở đâu.
Do khí hydro hoạt động như một chất lỏng dễ bay hơi và có rò rỉ, khí hydro có thể được coi là chất lỏng thông thường hoặc chất lỏng Loại M theo mục B31.3 dành cho 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 đáp ứng các hướng dẫn cho các loại được 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 Loại M:
“Dịch vụ chất lỏng thông thường: Dịch vụ chất lỏng áp dụng cho hầu hết các đường ống thuộc phạm vi điều chỉnh của quy chuẩn này, tức là không thuộc các quy định dành cho các loại D, M, nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc độ sạch chất lỏng cao.”
(1) Độ độc của chất lỏng rất cao đến mức chỉ cần tiếp xúc một lần với một lượng rất nhỏ chất lỏng do rò rỉ cũng có thể gây ra tổn thương vĩnh viễn nghiêm trọng cho những người hít phải hoặc tiếp xúc với nó, ngay cả khi đã thực hiện các biện pháp phục hồi ngay lập tức.
(2) Sau khi xem xét thiết kế đường ống, kinh nghiệm, điều kiện vận hành và vị trí, chủ sở hữu xác định rằng các yêu cầu sử dụng bình thường của chất lỏng không đủ để đảm bảo độ kín cần thiết nhằm bảo vệ nhân viên khỏi bị phơi nhiễm. ”
Trong định nghĩa M nêu trên, khí hydro 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 hệ thống thủy lực vào loại M sau khi xem xét kỹ lưỡng “…thiết kế đường ống, kinh nghiệm, điều kiện vận hành và vị trí…”. Chủ sở hữu cho phép xác định việc xử lý chất lỏng thông thường. Các yêu cầu này không đủ để đáp ứng nhu cầu về mức độ toàn vẹn cao hơn trong thiết kế, xây dựng, 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). Bảng này liệt kê các quy chuẩn, tiêu chuẩn và quy định, bao gồm sáu tài liệu về chủ đề giòn hydro (HE), một hiện tượng ăn mòn bất thường 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 được khởi phát theo nhiều cách và cũng ảnh hưởng đến nhiều loại vật liệu.
Hiện tượng ăn mòn do hydro (HE) có nhiều dạng khác nhau, có thể được chia thành nứt do hydro (HAC), nứt do ứng suất hydro (HSC), nứt do ăn mòn ứng suất (SCC), nứt do ăn mòn hydro (HACC), sủi bọt hydro (HB), nứt do hydro (HIC), nứt do hydro định hướng ứng suất (SOHIC), nứt tiến triển (SWC), nứt do ứng suất sunfua (SSC), nứt vùng mềm (SZC) và ăn mòn hydro ở nhiệt độ cao (HTHA).
Ở dạng đơn giản nhất, hiện tượng giòn hydro là một cơ chế phá hủy các ranh giới hạt kim loại, dẫn đến giảm độ dẻo do sự xâm nhập của hydro nguyên tử. Các cách thức xảy ra hiện tượng này rất đa dạng và được định nghĩa một phần bởi tên gọi của chúng, chẳng hạn như HTHA, trong đó cần hydro ở nhiệt độ cao và áp suất cao đồng thời để gây giòn, và SSC, trong đó hydro nguyên tử được tạo ra dưới dạng khí kín và do ăn mòn axit, chúng thấm vào vỏ kim loại, có thể dẫn đến hiện tượng giòn. Nhưng kết quả tổng thể là giống nhau 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, điều này tạo tiền đề cho một sự kiện có khả năng gây thảm họa do tính dễ bay hơi của chất lỏng.
Ngoài độ dày thành ống và hiệu suất mối nối cơ khí, có hai yếu tố chính cần xem xét khi lựa chọn vật liệu cho ứng dụng 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 vấn đề này 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 hiện tượng HTHA tiềm tàng. Trong điều kiện này, hydro nguyên tử có thể khuếch tán vào vật liệu đường ống hoặc thiết bị bằng thép carbon, nơi nó phản ứng với carbon trong dung dịch kim loại để tạo thành khí metan tại các ranh giới hạt. Không thể thoát ra ngoài, khí giãn nở, tạo ra các vết nứt và kẽ hở trên thành ống hoặc bình chứa – đây chính là HTGA. Bạn có thể thấy rõ kết quả HTHA trong Hình 2, nơi các vết nứt và kẽ hở hiện rõ trên thành ống 8″. Phần ống có kích thước danh nghĩa (NPS) bị hỏng trong điều kiện này.
Thép cacbon có thể được sử dụng cho môi trường hydro khi nhiệt độ hoạt động 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. Không nên sử dụng thép cacbon khi dự kiến ​​áp suất riêng phần của hydro vào khoảng 3000 psi và nhiệt độ trên khoảng 450°F (đây là điều kiện xảy ra sự cố trong Hình 2).
Như có thể thấy từ biểu đồ Nelson đã được sửa đổi trong Hình 3, một phần được lấy từ API 941, nhiệt độ cao có ảnh hưởng lớn nhất đến hiện tượng ép khí hydro. Áp suất riêng phần của khí hydro có thể vượt quá 1000 psi khi sử dụng với thép cacbon hoạt động ở nhiệt độ lên đến 500°F.
Hình 3. Biểu đồ Nelson đã được sửa đổi này (phỏng theo API 941) có thể được sử dụng để lựa chọn vật liệu phù hợp cho ứng dụng hydro ở các nhiệt độ khác nhau.
Hình 3 minh họa sự lựa chọn các loại thép được đảm bảo không bị ăn mòn do hydro, tùy thuộc vào nhiệt độ hoạt động và áp suất riêng phần của hydro. Thép không gỉ Austenit không bị ảnh hưởng bởi HTHA và là vật liệu phù hợp ở mọi nhiệt độ và áp suất.
Thép không gỉ Austenit 316/316L là vật liệu thực tế nhất cho các ứng dụng hydro và đã được chứng minh hiệu quả. Trong khi xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) được khuyến cáo đối với thép cacbon để nung chảy lượng hydro còn sót lại trong quá trình hàn và giảm độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sau khi hàn, thì điều này không bắt buộc đối với thép không gỉ Austenit.
Các hiệu ứng nhiệt sinh do xử lý nhiệt và hàn gây ra 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 sự giảm độ dẻo của vật liệu.
Nếu thép không gỉ Austenit cần gia công nguội, quá trình ủ dung dịch (nung nóng đến khoảng 1045°C sau đó làm nguội nhanh hoặc làm nguội đột ngột) sẽ khôi phục các tính chất cơ học của vật liệu về giá trị ban đầu. Quá trình này cũng sẽ loại bỏ sự phân tách hợp kim, hiện tượng nhạy cảm và pha sigma hình thành sau khi gia công nguội. Khi thực hiện quá trình ủ dung dịch, cần lưu ý rằng việc làm nguội nhanh có thể tạo ra ứng suất dư trong vật liệu nếu không được xử lý đúng cách.
Tham khảo bảng GR-2.1.1-1 Chỉ mục đặc tả vật liệu lắp ráp đường ống và GR-2.1.1-2 Chỉ mục đặc tả vật liệu đường ống trong tiêu chuẩn ASME B31 để lựa chọn vật liệu phù hợp cho môi trường H2. Ống là một điểm khởi đầu tốt.
Với khối 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, và do đó có khả năng rò rỉ cao, với những hậu quả tiềm tàng nghiêm trọng. Vì vậy, hệ thống đường ống dẫn khí phải được thiết kế sao cho hạn chế tối đa các mối nối cơ khí và chỉ cải thiện những mối nối thực sự cần thiết.
Để hạn chế các điểm rò rỉ tiềm tàng, hệ thống cần được hàn kín hoàn toàn, ngoại trừ các mối nối mặt bích trên thiết bị, các chi tiết đường ống và phụ kiện. Nên tránh các mối nối ren càng nhiều càng tốt, nếu không muốn nói là hoàn toàn. Nếu vì bất kỳ lý do gì mà không thể tránh được các mối nối ren, thì nên siết chặt chúng hoàn toàn mà không cần chất làm kín ren, sau đó hàn kín mối hàn. Khi sử dụng ống thép carbon, các mối nối ống phải được hàn đối đầu và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). Sau khi hàn, các ống trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sẽ bị tấn công bởi hydro ngay cả ở nhiệt độ môi trường. Mặc dù sự tấn công của hydro chủ yếu xảy ra ở nhiệt độ cao, nhưng giai đoạn PWHT sẽ làm giảm hoàn toàn, nếu không loại bỏ, khả năng này ngay cả trong điều kiện môi trường.
Điểm yếu của hệ thống hàn toàn phần là mối nối mặt bích. Để đảm bảo độ kín cao cho các mối nối mặt bích, cần sử dụng gioăng Kammprofile (hình 4) hoặc một loại gioăng khác. Được sản xuất gần như giống hệt nhau bởi nhiều nhà sản xuất, loại gioăng này rất dễ sử dụng. Nó bao gồm các vòng kim loại có răng được kẹp giữa các vật liệu làm kín mềm, dễ biến dạng. Các răng tập trung tải trọng của bu lông vào một diện tích nhỏ hơn để tạo ra sự khít chặt với ít ứng suất hơn. Nó được thiết kế theo cách có thể bù đắp cho bề mặt mặt bích không đều cũng như các điều kiện hoạt động dao động.
Hình 4. Gioăng Kammprofile có lõi kim loại được liên kết ở cả hai mặt với chất độn mềm.
Một yếu tố quan trọng khác đối với tính toàn vẹn của hệ thống là van. Rò rỉ xung quanh gioăng trục và mặt bích thân van là một vấn đề thực sự nghiêm trọng. Để ngăn ngừa điều này, nên chọn loại van có gioăng dạng ống xếp.
Sử dụng ống thép carbon 80 đường kính 1 inch, trong ví dụ dưới đây, với dung sai sản xuất, dung sai ăn mòn và dung sai cơ học theo ASTM A106 Gr B, áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP) có thể được tính toán trong hai bước ở nhiệt độ lên đến 300°F (Lưu ý: Lý do của “…ở nhiệt độ lên đến 300ºF…” là vì ứng suất cho phép (S) của vật liệu ASTM A106 Gr B bắt đầu giảm khi nhiệt độ vượt quá 300ºF (S), do đó Phương trình (1) cần được điều chỉnh cho 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 học, 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 vào kết quả P theo phương trình (2):
Do đó, khi sử dụng vật liệu 1″ school 80, áp suất nổ được tính như sau:
Sau đó, hệ số an toàn Sf là 4 được áp dụng theo Khuyến nghị về bình áp lực ASME Mục VIII-1 2019, Đoạn 8. UG-101 được tính như sau:
Giá trị MAWP thu được là 810 psi. inch chỉ áp dụng cho đường ống. Mối nối mặt bích hoặc bộ phận có định mức thấp nhất trong hệ thống sẽ là yếu tố quyết định áp suất cho phép trong hệ thống.
Theo tiêu chuẩn ASME B16.5, áp suất làm việc tối đa cho phép đối với phụ kiện mặt bích thép carbon 150 là 285 psi. inch ở nhiệt độ từ -20°F đến 100°F. Loại 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 về đặc tính vật liệu bên dưới. Ngoài ra, chỉ trong các thử nghiệm thủy tĩnh, các giá trị này có thể vượt quá 1,5 lần.
Ví dụ về đặc điểm kỹ thuật vật liệu thép cacbon cơ bản, đặc điểm kỹ thuật đường ống dẫn khí H2 hoạt động ở nhiệt độ môi trường dưới áp suất thiết kế 740 psi. inch có thể bao gồm các yêu cầu vật liệu được thể hiện trong Bảng 2. Sau đây là các loại có thể cần được chú ý để được đưa vào đặc điểm kỹ thuật:
Ngoài bản thân đường ống, hệ thống đường ống còn bao gồm nhiều yếu tố khác như phụ kiện, van, thiết bị đường ống, v.v. Mặc dù nhiều yếu tố này sẽ được lắp ráp lại với nhau trong một đường ống để thảo luận chi tiết, nhưng điều đó sẽ cần nhiều trang hơn mức có thể trình bày trong bài viết này.