Hierdie oorsig bied aanbevelings vir die veilige ontwerp van pypstelsels vir waterstofverspreiding.
Waterstof is 'n hoogs vlugtige vloeistof met 'n hoë neiging om te lek. Dit is 'n baie gevaarlike en dodelike kombinasie van neigings, 'n vlugtige vloeistof wat moeilik is om te beheer. Dit is tendense om te oorweeg wanneer materiale, pakkings en seëls gekies word, sowel as die ontwerpkenmerke van sulke stelsels. Hierdie onderwerpe oor die verspreiding van gasvormige H2 is die fokus van hierdie bespreking, nie die produksie van H2, vloeibare H2 of vloeibare H2 nie (sien regterkantse sybalk).
Hier is 'n paar sleutelpunte om jou te help om die mengsel van waterstof en H2-lug te verstaan. Waterstof brand op twee maniere: deflagrasie en ontploffing.
deflagrasie. Deflagrasie is 'n algemene verbrandingsmodus waarin vlamme teen subsoniese snelhede deur die mengsel beweeg. Dit gebeur byvoorbeeld wanneer 'n vrye wolk van waterstof-lugmengsel deur 'n klein ontstekingsbron aangesteek word. In hierdie geval sal die vlam teen 'n spoed van tien tot 'n paar honderd voet per sekonde beweeg. Die vinnige uitbreiding van warm gas skep drukgolwe waarvan die sterkte eweredig is aan die grootte van die wolk. In sommige gevalle kan die krag van die skokgolf genoeg wees om boustrukture en ander voorwerpe in sy pad te beskadig en beserings te veroorsaak.
ontplof. Toe dit ontplof het, het vlamme en skokgolwe teen supersoniese snelhede deur die mengsel beweeg. Die drukverhouding in 'n detonasiegolf is baie groter as in 'n detonasie. As gevolg van die verhoogde krag is die ontploffing gevaarliker vir mense, geboue en nabygeleë voorwerpe. Normale deflagrasie veroorsaak 'n ontploffing wanneer dit in 'n beperkte ruimte ontsteek word. In so 'n nou area kan ontsteking veroorsaak word deur die minste hoeveelheid energie. Maar vir die detonasie van 'n waterstof-lugmengsel in 'n onbeperkte ruimte is 'n kragtiger ontstekingsbron nodig.
Die drukverhouding oor die detonasiegolf in 'n waterstof-lugmengsel is ongeveer 20. By atmosferiese druk is 'n verhouding van 20 300 psi. Wanneer hierdie drukgolf met 'n stilstaande voorwerp bots, neem die drukverhouding toe tot 40-60. Dit is as gevolg van die weerkaatsing van 'n drukgolf vanaf 'n stilstaande obstruksie.
Neiging tot lekkasie. As gevolg van sy lae viskositeit en lae molekulêre gewig, het H2-gas 'n hoë neiging om te lek en selfs verskeie materiale te deurdring of te penetreer.
Waterstof is 8 keer ligter as natuurlike gas, 14 keer ligter as lug, 22 keer ligter as propaan en 57 keer ligter as petroldamp. Dit beteken dat wanneer dit buite geïnstalleer word, die H2-gas vinnig sal styg en verdwyn, wat enige tekens van selfs lekkasies verminder. Maar dit kan 'n tweesnydende swaard wees. 'n Ontploffing kan voorkom as sweiswerk op 'n buiteluginstallasie bo of afwaarts van 'n H2-lek uitgevoer moet word sonder 'n lekopsporingsstudie voor sweiswerk. In 'n geslote ruimte kan H2-gas styg en van die plafon af ondertoe ophoop, 'n toestand wat dit toelaat om tot groot volumes op te bou voordat dit meer geneig is om in aanraking te kom met ontstekingsbronne naby die grond.
Toevallige brand. Selfontbranding is 'n verskynsel waarin 'n mengsel van gasse of dampe spontaan ontbrand sonder 'n eksterne ontstekingsbron. Dit staan ​​ook bekend as "spontane verbranding" of "spontane verbranding". Selfontbranding hang af van temperatuur, nie druk nie.
Die selfontbrandingstemperatuur is die minimum temperatuur waarby 'n brandstof spontaan sal ontbrand voor ontbranding in die afwesigheid van 'n eksterne ontstekingsbron na kontak met lug of 'n oksideermiddel. Die selfontbrandingstemperatuur van 'n enkele poeier is die temperatuur waarby dit spontaan ontbrand in die afwesigheid van 'n oksideermiddel. Die selfontbrandingstemperatuur van gasvormige H2 in lug is 585°C.
Die ontstekingsenergie is die energie wat benodig word om die voortplanting van 'n vlam deur 'n brandbare mengsel te begin. Minimum ontstekingsenergie is die minimum energie wat benodig word om 'n spesifieke brandbare mengsel by 'n spesifieke temperatuur en druk aan te steek. Minimum vonkontstekingsenergie vir gasvormige H2 in 1 atm lug = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Ontploffingslimiete is die maksimum en minimum konsentrasies van dampe, mis of stof in lug of suurstof waarby 'n ontploffing plaasvind. Die grootte en geometrie van die omgewing, sowel as die konsentrasie van die brandstof, beheer die limiete. "Ontploffingslimiet" word soms as 'n sinoniem vir "ontploffingslimiet" gebruik.
Die plofbare limiete vir H2-mengsels in lug is 18.3 vol.% (ondergrens) en 59 vol.% (boonste grens).
Wanneer pypstelsels ontwerp word (Figuur 1), is die eerste stap om die boumateriaal te bepaal wat vir elke tipe vloeistof benodig word. En elke vloeistof sal geklassifiseer word in ooreenstemming met ASME B31.3 paragraaf. 300(b)(1) bepaal: "Die eienaar is ook verantwoordelik vir die bepaling van klas D, M, hoëdruk en hoë suiwerheid pype, en om te bepaal of 'n spesifieke kwaliteitstelsel gebruik moet word."
Vloeistofkategorisering definieer die graad van toetsing en die tipe toetsing wat benodig word, sowel as baie ander vereistes gebaseer op die vloeistofkategorie. Die verantwoordelikheid van die eienaar hiervoor val gewoonlik op die ingenieursafdeling van die eienaar of 'n uitkontrakteerde ingenieur.
Alhoewel die B31.3 Prosespypkode nie vir die eienaar sê watter materiaal om vir 'n spesifieke vloeistof te gebruik nie, verskaf dit wel leiding oor sterkte, dikte en materiaalverbindingsvereistes. Daar is ook twee stellings in die inleiding tot die kode wat duidelik stel:
En brei uit op die eerste paragraaf hierbo, paragraaf B31.3. 300(b)(1) bepaal ook: “Die eienaar van 'n pypleidinginstallasie is alleen verantwoordelik vir die nakoming van hierdie Kode en vir die vasstelling van die ontwerp-, konstruksie-, inspeksie-, inspeksie- en toetsvereistes wat alle vloeistofhantering of -prosesse waarvan die pypleiding deel is, beheer. Installasie.” Dus, nadat ons 'n paar grondreëls vir aanspreeklikheid en vereistes vir die definiëring van vloeistofdienskategorieë neergelê het, kom ons kyk waar waterstofgas inpas.
Omdat waterstofgas as 'n vlugtige vloeistof met lekkasies optree, kan waterstofgas as 'n normale vloeistof of 'n Klas M-vloeistof onder kategorie B31.3 vir vloeistofdiens beskou word. Soos hierbo genoem, is die klassifikasie van vloeistofhantering 'n vereiste van die eienaar, mits dit voldoen aan die riglyne vir die gekose kategorieë wat in B31.3, paragraaf 3, beskryf word. 300.2 Definisies in die afdeling "Hidrouliese dienste". Die volgende is definisies vir normale vloeistofdiens en Klas M-vloeistofdiens:
"Normale vloeistofdiens: Vloeistofdiens van toepassing op die meeste pype wat onder hierdie kode val, d.w.s. nie onderhewig aan regulasies vir klasse D, M, hoë temperatuur, hoë druk of hoë vloeistofreinheid nie."
(1) Die toksisiteit van die vloeistof is so groot dat 'n enkele blootstelling aan 'n baie klein hoeveelheid van die vloeistof wat deur 'n lek veroorsaak word, ernstige permanente besering kan veroorsaak aan diegene wat dit inasem of daarmee in aanraking kom, selfs al word onmiddellike herstelmaatreëls getref.
(2) Na oorweging van pyplynontwerp, ervaring, bedryfstoestande en ligging, bepaal die eienaar dat die vereistes vir normale gebruik van die vloeistof nie voldoende is om die nodige digtheid te bied om personeel teen blootstelling te beskerm nie.
In die bogenoemde definisie van M voldoen waterstofgas nie aan die kriteria van paragraaf (1) nie, omdat dit nie as 'n giftige vloeistof beskou word nie. Deur subartikel (2) toe te pas, laat die Kode egter die klassifikasie van hidrouliese stelsels in klas M toe na behoorlike oorweging van "...pypontwerp, ervaring, bedryfstoestande en ligging..." Die eienaar laat die bepaling van normale vloeistofhantering toe. Die vereistes is onvoldoende om te voldoen aan die behoefte aan 'n hoër vlak van integriteit in die ontwerp, konstruksie, inspeksie, inspeksie en toetsing van waterstofgaspypstelsels.
Verwys asseblief na Tabel 1 voordat u Hoëtemperatuurwaterstofkorrosie (HTHA) bespreek. Kodes, standaarde en regulasies word in hierdie tabel gelys, wat ses dokumente oor die onderwerp van waterstofverbrosheid (HE) insluit, 'n algemene korrosie-anomalie wat HTHA insluit. OH kan by lae en hoë temperature voorkom. Dit word as 'n vorm van korrosie beskou en kan op verskeie maniere begin en ook 'n wye reeks materiale beïnvloed.
HE het verskeie vorme, wat verdeel kan word in waterstofkraking (HAC), waterstofspanningskraking (HSC), spanningskorrosiekraking (SCC), waterstofkorrosiekraking (HACC), waterstofborreling (HB), waterstofkraking (HIC), spanningsgeoriënteerde waterstofkraking (SOHIC), progressiewe kraking (SWC), sulfiedspanningskraking (SSC), sagte sonekraking (SZC), en hoëtemperatuurwaterstofkorrosie (HTHA).
In sy eenvoudigste vorm is waterstofverbrosheid 'n meganisme vir die vernietiging van metaalkorrelgrense, wat lei tot verminderde rekbaarheid as gevolg van die penetrasie van atomiese waterstof. Die maniere waarop dit plaasvind, is uiteenlopend en word gedeeltelik gedefinieer deur hul onderskeie name, soos HTHA, waar gelyktydige hoë temperatuur en hoë druk waterstof nodig is vir verbrosheid, en SSC, waar atomiese waterstof as geslote gasse geproduseer word en waterstof. As gevolg van suurkorrosie sypel hulle in metaalomhulsels in, wat tot brosheid kan lei. Maar die algehele resultaat is dieselfde as vir alle gevalle van waterstofverbrosheid wat hierbo beskryf word, waar die sterkte van die metaal verminder word deur verbrosheid onder sy toelaatbare spanningsbereik, wat weer die weg baan vir 'n potensieel katastrofiese gebeurtenis gegewe die vlugtigheid van die vloeistof.
Benewens wanddikte en meganiese lasprestasie, is daar twee hooffaktore om te oorweeg wanneer materiale vir H2-gasdiens gekies word: 1. Blootstelling aan hoëtemperatuurwaterstof (HTHA) en 2. Ernstige kommer oor potensiële lekkasie. Beide onderwerpe word tans bespreek.
Anders as molekulêre waterstof, kan atomiese waterstof uitbrei, wat die waterstof aan hoë temperature en druk blootstel, wat die basis skep vir potensiële HTHA. Onder hierdie toestande kan atomiese waterstof in koolstofstaalpypmateriale of -toerusting diffundeer, waar dit met koolstof in metaaloplossing reageer om metaangas by korrelgrense te vorm. Omdat dit nie kan ontsnap nie, brei die gas uit, wat krake en skeure in die wande van pype of vate skep – dit is HTGA. Jy kan die HTHA-resultate duidelik in Figuur 2 sien waar krake en skeure in die 8″-wand sigbaar is. Die gedeelte van die nominale grootte (NPS) pyp wat onder hierdie toestande faal.
Koolstofstaal kan vir waterstofdiens gebruik word wanneer die bedryfstemperatuur onder 500°F gehou word. Soos hierbo genoem, vind HTHA plaas wanneer waterstofgas teen hoë parsiële druk en hoë temperatuur gehou word. Koolstofstaal word nie aanbeveel wanneer die waterstofparsiële druk na verwagting ongeveer 3000 psi sal wees en die temperatuur bo ongeveer 450°F is nie (wat die ongelukstoestand in Figuur 2 is).
Soos gesien kan word uit die gewysigde Nelson-grafiek in Figuur 3, gedeeltelik geneem uit API 941, het hoë temperatuur die grootste effek op waterstofforsering. Waterstofgas se gedeeltelike druk kan 1000 psi oorskry wanneer dit gebruik word met koolstofstaal wat werk teen temperature tot 500°F.
Figuur 3. Hierdie gewysigde Nelson-kaart (aangepas vanaf API 941) kan gebruik word om geskikte materiale vir waterstofdiens by verskillende temperature te kies.
Fig. 3 toon die keuse van staalsoorte wat gewaarborg is om waterstofaanval te vermy, afhangende van die bedryfstemperatuur en parsiële druk van waterstof. Austenitiese vlekvrye staalsoorte is ongevoelig vir HTHA en is bevredigende materiale by alle temperature en druk.
Austenitiese 316/316L vlekvrye staal is die mees praktiese materiaal vir waterstoftoepassings en het 'n bewese rekord. Terwyl hittebehandeling na sweising (PWHT) aanbeveel word vir koolstofstaal om oorblywende waterstof tydens sweising te kalsineer en die hardheid van die hitte-geaffekteerde sone (HAZ) na sweising te verminder, is dit nie nodig vir austenitiese vlekvrye staal nie.
Termotermiese effekte wat veroorsaak word deur hittebehandeling en sweiswerk het min effek op die meganiese eienskappe van austenitiese vlekvrye staal. Koue bewerking kan egter die meganiese eienskappe van austenitiese vlekvrye staal verbeter, soos sterkte en hardheid. Wanneer pype van austenitiese vlekvrye staal gebuig en gevorm word, verander hul meganiese eienskappe, insluitend die afname in die plastisiteit van die materiaal.
Indien austenitiese vlekvrye staal koudvorming benodig, sal oplossingsgloeiing (verhitting tot ongeveer 1045°C gevolg deur blus of vinnige afkoeling) die meganiese eienskappe van die materiaal na hul oorspronklike waardes herstel. Dit sal ook die legeringsegregasie, sensitisering en sigma-fase wat na koue bewerking bereik word, uitskakel. Wees bewus daarvan dat vinnige afkoeling residuele spanning terug in die materiaal kan plaas wanneer dit nie behoorlik hanteer word nie.
Verwys na tabelle GR-2.1.1-1 Pyp- en Buismonteringsmateriaalspesifikasie-indeks en GR-2.1.1-2 Pypmateriaalspesifikasie-indeks in ASME B31 vir aanvaarbare materiaalkeuses vir H2-diens. Pype is 'n goeie plek om te begin.
Met 'n standaard atoomgewig van 1.008 atoommassa-eenhede (amu), is waterstof die ligste en kleinste element op die periodieke tabel, en het dus 'n hoë geneigdheid om te lek, met potensieel verwoestende gevolge, moet ek byvoeg. Daarom moet die gaspyplynstelsel so ontwerp word dat meganiese tipe verbindings beperk word en die verbindings wat werklik nodig is, verbeter word.
Wanneer potensiële lekpunte beperk word, moet die stelsel volledig gesweis word, behalwe vir flensverbindings op toerusting, pypelemente en toebehore. Skroefdraadverbindings moet sover moontlik vermy word, indien nie heeltemal nie. Indien skroefdraadverbindings om enige rede nie vermy kan word nie, word dit aanbeveel om hulle volledig sonder skroefdraadseëlaar in te skakel en dan die las te verseël. Wanneer koolstofstaalpype gebruik word, moet die pypverbindings stompgesweis en na-sweishittebehandeld (PWHT) word. Na sweising word pype in die hitte-geaffekteerde sone (HAZ) blootgestel aan waterstofaanval, selfs by omgewingstemperatuur. Terwyl waterstofaanval hoofsaaklik by hoë temperature plaasvind, sal die PWHT-stadium hierdie moontlikheid heeltemal verminder, indien nie uitskakel nie, selfs onder omgewingstoestande.
Die swakpunt van die volledig gelaste stelsel is die flensverbinding. Om 'n hoë mate van digtheid in flensverbindings te verseker, moet Kammprofile-pakkings (fig. 4) of 'n ander vorm van pakkings gebruik word. Hierdie pakking, wat op byna dieselfde manier deur verskeie vervaardigers vervaardig word, is baie vergewensgesind. Dit bestaan ​​uit getande metaalringe wat tussen sagte, vervormbare seëlmateriaal vasgeklem is. Die tande konsentreer die las van die bout in 'n kleiner area om 'n stywe passing met minder spanning te bied. Dit is so ontwerp dat dit kan kompenseer vir ongelyke flensoppervlaktes sowel as wisselende bedryfstoestande.
Figuur 4. Kammprofiel-pakkings het 'n metaalkern wat aan beide kante met 'n sagte vulstof gebind is.
Nog 'n belangrike faktor in die integriteit van die stelsel is die klep. Lekkasies rondom die stingelseël en liggaamsflense is 'n werklike probleem. Om dit te voorkom, word dit aanbeveel om 'n klep met 'n blaasbalgseël te kies.
Gebruik 1 duim. Skool 80 koolstofstaalpyp, in ons voorbeeld hieronder, gegewe vervaardigingstoleransies, korrosie- en meganiese toleransies in ooreenstemming met ASTM A106 Gr B, kan die maksimum toelaatbare werkdruk (MAWP) in twee stappe bereken word by temperature tot 300°F (Let wel: Die rede vir "...vir temperature tot 300ºF..." is omdat die toelaatbare spanning (S) van ASTM A106 Gr B-materiaal begin versleg wanneer die temperatuur 300ºF (S) oorskry, dus vereis vergelyking (1) aanpassing by temperature bo 300ºF.)
Met verwysing na formule (1), is die eerste stap om die teoretiese barsdruk van die pyplyn te bereken.
T = pypwanddikte minus meganiese, korrosie- en vervaardigingstoleransies, in duim.
Die tweede deel van die proses is om die maksimum toelaatbare werkdruk Pa van die pyplyn te bereken deur die veiligheidsfaktor S f op die resultaat P toe te pas volgens vergelyking (2):
Dus, wanneer 1″ skool 80 materiaal gebruik word, word die barsdruk soos volg bereken:
'n Veiligheids-Sf van 4 word dan toegepas in ooreenstemming met die ASME Drukvat-aanbevelings, Artikel VIII-1 2019, Paragraaf 8. UG-101 word soos volg bereken:
Die gevolglike MAWP-waarde is 810 psi. 'n Duim verwys slegs na die pyp. Die flensverbinding of komponent met die laagste gradering in die stelsel sal die bepalende faktor wees in die bepaling van die toelaatbare druk in die stelsel.
Volgens ASME B16.5 is die maksimum toelaatbare werkdruk vir 150 koolstofstaal flensfittings 285 psi. duim by -20°F tot 100°F. Klas 300 het 'n maksimum toelaatbare werkdruk van 740 psi. Dit sal die druklimietfaktor van die stelsel wees volgens die materiaalspesifikasievoorbeeld hieronder. Ook, slegs in hidrostatiese toetse, kan hierdie waardes 1.5 keer oorskry.
As 'n voorbeeld van 'n basiese koolstofstaalmateriaalspesifikasie, kan 'n H2-gasdienslynspesifikasie wat werk by 'n omgewingstemperatuur onder 'n ontwerpdruk van 740 psi. duim, die materiaalvereistes bevat wat in Tabel 2 getoon word. Die volgende is tipes wat moontlik aandag moet geniet om in die spesifikasie ingesluit te word:
Afgesien van die pypwerk self, is daar baie elemente wat die pypstelsel uitmaak, soos toebehore, kleppe, lyntoerusting, ens. Terwyl baie van hierdie elemente in 'n pyplyn saamgevoeg sal word om dit in detail te bespreek, sal dit meer bladsye verg as wat geakkommodeer kan word. Hierdie artikel.