توفر هذه النظرة العامة توصيات بشأن التصميم الآمن لأنظمة الأنابيب لتوزيع الهيدروجين.
الهيدروجين سائل شديد التطاير، وله قابلية عالية للتسرب. وهو مزيج خطير ومميت من هذه الميول، وهو سائل متطاير يصعب التحكم فيه. هذه هي الاتجاهات التي يجب مراعاتها عند اختيار المواد والحشيات والأختام، بالإضافة إلى خصائص تصميم هذه الأنظمة. هذه المواضيع المتعلقة بتوزيع غاز الهيدروجين هي محور هذه المناقشة، وليس إنتاجه، أو إنتاجه السائل (انظر الشريط الجانبي الأيمن).
فيما يلي بعض النقاط الرئيسية لمساعدتك على فهم خليط الهيدروجين وH2-الهواء. يحترق الهيدروجين بطريقتين: الاشتعال والانفجار.
الاشتعال. الاشتعال هو نمط احتراق شائع، حيث تنتقل النيران عبر الخليط بسرعات دون سرعة الصوت. يحدث هذا، على سبيل المثال، عند اشتعال سحابة حرة من خليط الهيدروجين والهواء بواسطة مصدر اشتعال صغير. في هذه الحالة، يتحرك اللهب بسرعة تتراوح بين 10 إلى 200 متر في الثانية. يُولّد التمدد السريع للغاز الساخن موجات ضغط تتناسب قوتها مع حجم السحابة. في بعض الحالات، قد تكون قوة موجة الصدمة كافية لإتلاف هياكل المباني والأجسام الأخرى في مسارها، مما يُسبب إصابات.
انفجر. عند انفجاره، انتشرت ألسنة اللهب وموجات الصدمة عبر الخليط بسرعات تفوق سرعة الصوت. نسبة الضغط في موجة التفجير أكبر بكثير منها في حالة التفجير. وبسبب زيادة القوة، يكون الانفجار أكثر خطورة على الأشخاص والمباني والأجسام المجاورة. يتسبب الاشتعال الطبيعي في انفجار عند إشعاله في مساحة ضيقة. في مثل هذه المساحة الضيقة، يمكن أن يحدث الاشتعال بأقل قدر من الطاقة. ولكن لتفجير خليط الهيدروجين والهواء في مساحة غير محدودة، يتطلب الأمر مصدر اشتعال أقوى.
تبلغ نسبة الضغط عبر موجة التفجير في خليط الهيدروجين والهواء حوالي ٢٠. عند الضغط الجوي، تساوي هذه النسبة ٣٠٠ رطل/بوصة مربعة. عند اصطدام موجة الضغط هذه بجسم ثابت، تزداد هذه النسبة إلى ٤٠-٦٠. ويعود ذلك إلى انعكاس موجة الضغط عن عائق ثابت.
قابلية التسرب. نظرًا لانخفاض لزوجته ووزنه الجزيئي، يميل غاز الهيدروجين (H2) إلى التسرب، بل وحتى اختراق مواد مختلفة.
الهيدروجين أخف من الغاز الطبيعي بثماني مرات، وأخف من الهواء بأربع عشرة مرة، وأخف من البروبان باثنين وعشرين مرة، وأخف من بخار البنزين بسبعة وخمسين مرة. هذا يعني أنه عند تركيبه في الهواء الطلق، يرتفع غاز الهيدروجين ويتبدد بسرعة، مما يقلل من أي علامات على وجود تسربات متساوية. ولكنه قد يكون سلاحًا ذا حدين. فقد يحدث انفجار إذا أُجري لحام في منشأة خارجية فوق أو في اتجاه الريح من تسرب الهيدروجين دون دراسة كشف التسرب قبل اللحام. في الأماكن المغلقة، يمكن أن يرتفع غاز الهيدروجين ويتراكم من السقف إلى الأسفل، مما يسمح له بالتراكم بكميات كبيرة قبل أن يزداد احتمال ملامسته لمصادر الاشتعال القريبة من الأرض.
حريق عرضي. الاشتعال الذاتي ظاهرة يشتعل فيها خليط من الغازات أو الأبخرة تلقائيًا دون أي مصدر اشتعال خارجي. يُعرف أيضًا باسم "الاحتراق التلقائي". يعتمد الاشتعال الذاتي على درجة الحرارة، لا على الضغط.
درجة حرارة الاشتعال الذاتي هي أدنى درجة حرارة يشتعل عندها الوقود تلقائيًا قبل الاشتعال في غياب مصدر اشتعال خارجي عند ملامسته للهواء أو عامل مؤكسد. درجة حرارة الاشتعال الذاتي لمسحوق واحد هي درجة الحرارة التي يشتعل عندها تلقائيًا في غياب عامل مؤكسد. تبلغ درجة حرارة الاشتعال الذاتي لغاز الهيدروجين (H2) في الهواء 585 درجة مئوية.
طاقة الاشتعال هي الطاقة اللازمة لبدء انتشار اللهب عبر خليط قابل للاشتعال. طاقة الاشتعال الدنيا هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإشعال خليط قابل للاشتعال عند درجة حرارة وضغط محددين. طاقة الاشتعال الدنيا لغاز الهيدروجين (H2) في ضغط جوي واحد من الهواء = 1.9 × 10-8 وحدة حرارية بريطانية (0.02 مللي جول).
حدود الانفجار هي الحد الأقصى والأدنى لتركيزات الأبخرة أو الضباب أو الغبار في الهواء أو الأكسجين التي يحدث عندها انفجار. يتحكم في هذه الحدود حجم البيئة وهندستها، بالإضافة إلى تركيز الوقود. يُستخدم مصطلح "حد الانفجار" أحيانًا كمرادف لـ "حد الانفجار".
الحدود الانفجارية لمخاليط الهيدروجين في الهواء هي 18.3% حجماً (الحد الأدنى) و 59% حجماً (الحد الأعلى).
عند تصميم أنظمة الأنابيب (الشكل 1)، تتمثل الخطوة الأولى في تحديد مواد البناء اللازمة لكل نوع من السوائل. ويُصنّف كل سائل وفقًا لمعيار ASME B31.3. تنص الفقرة 300(b)(1) على أن "المالك مسؤول أيضًا عن تحديد الأنابيب من الفئات D وM وعالي الضغط وعالي النقاء، وتحديد ما إذا كان ينبغي استخدام نظام جودة معين".
يُحدد تصنيف السوائل درجة الاختبار ونوعه المطلوب، بالإضافة إلى العديد من المتطلبات الأخرى بناءً على فئة السائل. تقع مسؤولية هذا عادةً على عاتق قسم الهندسة التابع للمالك أو مهندس مُستعان به.
مع أن قانون أنابيب العمليات B31.3 لا يُحدد للمالك المادة المناسبة لسائل مُحدد، إلا أنه يُقدم إرشادات حول متطلبات المتانة والسمك وتوصيل المواد. كما يتضمن القانون بيانين في مقدمة القانون ينصان بوضوح على:
وتوسعًا في الفقرة الأولى أعلاه، الفقرة B31.3. تنص المادة 300(ب)(1) أيضًا على ما يلي: "يتحمل مالك منشأة خط الأنابيب وحده مسؤولية الامتثال لهذه المدونة، وتحديد متطلبات التصميم والبناء والتفتيش والفحص والاختبار التي تحكم جميع عمليات مناولة السوائل أو العمليات التي يكون خط الأنابيب جزءًا منها". لذا، بعد وضع بعض القواعد الأساسية للمسؤولية ومتطلبات تحديد فئات خدمات السوائل، دعونا نرى أين يقع غاز الهيدروجين.
لأن غاز الهيدروجين يتصرف كسائل متطاير مع وجود تسريبات، يمكن اعتباره سائلاً عادياً أو سائلاً من الفئة M ضمن الفئة B31.3 لخدمات السوائل. وكما ذُكر سابقاً، يُعد تصنيف مناولة السوائل شرطاً من شروط المالك، شريطة أن يستوفي إرشادات الفئات المحددة الموضحة في الفقرة 3 من الفئة B31.3. 300.2 التعريفات في قسم "الخدمات الهيدروليكية". فيما يلي تعريفات لخدمة السوائل العادية وخدمة السوائل من الفئة M:
"خدمة السوائل العادية: خدمة السوائل المطبقة على معظم الأنابيب الخاضعة لهذا القانون، أي غير الخاضعة للوائح الخاصة بالفئات D، M، أو درجات الحرارة العالية، أو الضغط العالي، أو نظافة السوائل العالية.
(1) إن سمية السائل كبيرة لدرجة أن التعرض لمرة واحدة لكمية صغيرة جدًا من السائل الناتج عن تسرب يمكن أن يسبب إصابة دائمة خطيرة لأولئك الذين يستنشقونه أو يتلامسون معه، حتى لو تم اتخاذ تدابير التعافي الفورية.
(2) بعد النظر في تصميم خط الأنابيب والخبرة وظروف التشغيل والموقع، يقرر المالك أن متطلبات الاستخدام العادي للسائل ليست كافية لتوفير الإحكام اللازم لحماية الأفراد من التعرض.
في التعريف المذكور أعلاه لـ M، لا يستوفي غاز الهيدروجين معايير الفقرة (1) لأنه لا يُعتبر سائلاً ساماً. ومع ذلك، بتطبيق الفقرة الفرعية (2)، يسمح القانون بتصنيف الأنظمة الهيدروليكية ضمن الفئة M بعد دراسة "... تصميم الأنابيب، والخبرة، وظروف التشغيل، والموقع...". يسمح المالك بتحديد التعامل الطبيعي مع السوائل. هذه المتطلبات غير كافية لتلبية الحاجة إلى مستوى أعلى من السلامة في تصميم وبناء وفحص واختبار أنظمة أنابيب غاز الهيدروجين.
يرجى الرجوع إلى الجدول 1 قبل مناقشة تآكل الهيدروجين عالي الحرارة (HTHA). يتضمن هذا الجدول، الذي يتضمن ست وثائق حول هشاشة الهيدروجين (HE)، وهي حالة تآكل شائعة تشمل تآكل الهيدروجين عالي الحرارة. يمكن أن يحدث تآكل الهيدروجين في درجات حرارة منخفضة وعالية. ويُعتبر شكلاً من أشكال التآكل، ويمكن أن يبدأ بطرق متعددة، ويؤثر أيضًا على مجموعة واسعة من المواد.
يوجد لـ HE أشكال مختلفة، والتي يمكن تقسيمها إلى تكسير الهيدروجين (HAC)، تكسير إجهاد الهيدروجين (HSC)، تكسير تآكل الإجهاد (SCC)، تكسير تآكل الهيدروجين (HACC)، فقاعات الهيدروجين (HB)، تكسير الهيدروجين (HIC). ))، تكسير الهيدروجين الموجه للإجهاد (SOHIC)، التكسير التدريجي (SWC)، تكسير إجهاد الكبريتيد (SSC)، تكسير المنطقة الناعمة (SZC)، وتآكل الهيدروجين عالي الحرارة (HTHA).
في أبسط صوره، يُعد هشاشة الهيدروجين آليةً لتدمير حدود حبيبات المعدن، مما يؤدي إلى انخفاض قابليته للسحب نتيجةً لاختراق الهيدروجين الذري. تتنوع طرق حدوث ذلك، وتُعرف جزئيًا بأسمائها، مثل HTHA، حيث يلزم الهيدروجين في وقت واحد عند درجة حرارة وضغط مرتفعين لتحقيق الهشاشة، وSSC، حيث يُنتج الهيدروجين الذري كغازات مغلقة، ويتسرب الهيدروجين بسبب التآكل الحمضي إلى أغلفة المعادن، مما قد يؤدي إلى هشاشة. لكن النتيجة الإجمالية هي نفسها كما في جميع حالات هشاشة الهيدروجين الموصوفة أعلاه، حيث تنخفض قوة المعدن بسبب الهشاشة التي تقل عن نطاق الإجهاد المسموح به، مما يُهيئ بدوره الطريق لحدث كارثي محتمل نظرًا لتقلب السائل.
بالإضافة إلى سُمك الجدار والأداء الميكانيكي للوصلات، هناك عاملان رئيسيان يجب مراعاتهما عند اختيار مواد خدمة غاز الهيدروجين: 1. التعرض للهيدروجين عالي الحرارة (HTHA)، و2. المخاوف الجدية بشأن احتمالية التسرب. كلا الموضوعين قيد المناقشة حاليًا.
بخلاف الهيدروجين الجزيئي، يمكن للهيدروجين الذري أن يتمدد، مما يعرضه لدرجات حرارة وضغوط عالية، مما يُشكل أساسًا لـ HTHA المحتمل. في ظل هذه الظروف، ينتشر الهيدروجين الذري في مواد أو معدات أنابيب الفولاذ الكربوني، حيث يتفاعل مع الكربون في محلول معدني لتكوين غاز الميثان عند حدود الحبيبات. يتمدد الغاز، غير قادر على التسرب، مما يُسبب شقوقًا وصدوعًا في جدران الأنابيب أو الأوعية - وهذا هو HTGA. يمكنك رؤية نتائج HTHA بوضوح في الشكل 2 حيث تظهر الشقوق والصدوع في جدار 8 بوصات. وهو جزء من الأنبوب ذي الحجم الاسمي (NPS) الذي ينهار في ظل هذه الظروف.
يمكن استخدام الفولاذ الكربوني لخدمة الهيدروجين عند الحفاظ على درجة حرارة تشغيل أقل من 500 درجة فهرنهايت. وكما ذُكر سابقًا، يحدث HTHA عند إبقاء غاز الهيدروجين تحت ضغط جزئي مرتفع ودرجة حرارة عالية. لا يُنصح باستخدام الفولاذ الكربوني عندما يُتوقع أن يكون الضغط الجزئي للهيدروجين حوالي 3000 رطل/بوصة مربعة ودرجة الحرارة أعلى من 450 درجة فهرنهايت (وهي حالة الحادث الموضحة في الشكل 2).
كما يتضح من مخطط نيلسون المُعدَّل في الشكل 3، والمُقتبس جزئيًا من API 941، فإن درجات الحرارة المرتفعة لها التأثير الأكبر على قوة الهيدروجين. يمكن أن يتجاوز الضغط الجزئي لغاز الهيدروجين 1000 رطل/بوصة مربعة عند استخدامه مع الفولاذ الكربوني الذي يعمل عند درجات حرارة تصل إلى 500 درجة فهرنهايت.
الشكل 3. يمكن استخدام مخطط نيلسون المعدل (المقتبس من API 941) لاختيار المواد المناسبة لخدمة الهيدروجين في درجات حرارة مختلفة.
يوضح الشكل 3 اختيار أنواع الفولاذ المضمونة ضد تأثير الهيدروجين، وذلك اعتمادًا على درجة حرارة التشغيل والضغط الجزئي للهيدروجين. الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي غير حساس لـ HTHA، وهو مواد مناسبة في جميع درجات الحرارة والضغوط.
يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 316/316L المادة الأكثر عمليةً لتطبيقات الهيدروجين، وله سجلّ حافل بالإنجازات. بينما يُوصى بالمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للفولاذ الكربوني لتكليس الهيدروجين المتبقي أثناء اللحام وتقليل صلابة المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، إلا أنها غير مطلوبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي.
التأثيرات الحرارية الناتجة عن المعالجة الحرارية واللحام لا تؤثر إلا قليلاً على الخواص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. ومع ذلك، يُمكن للتشكيل على البارد تحسين الخواص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، مثل المتانة والصلابة. عند ثني وتشكيل الأنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، تتغير خصائصها الميكانيكية، بما في ذلك انخفاض لدونة المادة.
إذا تطلب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي التشكيل البارد، فإن التلدين بالمحلول (التسخين إلى حوالي 1045 درجة مئوية متبوعًا بالتبريد أو التبريد السريع) يُعيد الخواص الميكانيكية للمادة إلى قيمها الأصلية. كما يُزيل فصل السبائك، والتحسس، وطور سيجما الناتج عن التشكيل البارد. عند إجراء التلدين بالمحلول، يُرجى الانتباه إلى أن التبريد السريع قد يُعيد الإجهاد المتبقي إلى المادة إذا لم يُعالج بشكل صحيح.
راجع الجداول GR-2.1.1-1 مؤشر مواصفات مواد تجميع الأنابيب والأنابيب وGR-2.1.1-2 مؤشر مواصفات مواد الأنابيب في ASME B31 لاختيارات المواد المقبولة لخدمة H2. تعتبر الأنابيب مكانًا جيدًا للبدء.
بوزن ذري قياسي يبلغ 1.008 وحدة كتلة ذرية (amu)، يُعد الهيدروجين أخف وأصغر عنصر في الجدول الدوري، ولذلك لديه قابلية عالية للتسرب، مع عواقب وخيمة محتملة. لذلك، يجب تصميم نظام أنابيب الغاز بطريقة تحد من التوصيلات الميكانيكية، وتُحسّن التوصيلات الضرورية.
عند الحد من نقاط التسرب المحتملة، يجب لحام النظام بالكامل، باستثناء الوصلات ذات الحواف في المعدات وعناصر الأنابيب والتجهيزات. يجب تجنب الوصلات الملولبة قدر الإمكان، إن لم يكن تمامًا. إذا تعذر تجنب الوصلات الملولبة لأي سبب، يُنصح بربطها بالكامل بدون مانع تسرب، ثم إحكام اللحام. عند استخدام أنابيب الفولاذ الكربوني، يجب لحام وصلات الأنابيب لحامًا تناكبيًا ومعالجتها حراريًا بعد اللحام (PWHT). بعد اللحام، تتعرض الأنابيب في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) لتأثير الهيدروجين حتى في درجة الحرارة المحيطة. وبينما يحدث تأثير الهيدروجين بشكل رئيسي في درجات الحرارة المرتفعة، فإن مرحلة PWHT ستقلل تمامًا، إن لم تُلغِ، هذا الاحتمال حتى في الظروف المحيطة.
نقطة الضعف في نظام اللحام الكامل هي وصلة الشفة. لضمان إحكام عالي في وصلات الشفة، يجب استخدام حشوات Kammprofile (الشكل 4) أو أي نوع آخر من الحشوات. تُصنع هذه الحشوة بنفس الطريقة تقريبًا من قِبل العديد من المصنّعين، وهي مرنة للغاية. تتكون من حلقات معدنية مسننة محصورة بين مواد مانعة للتسرب ناعمة وقابلة للتشوه. تُركز الأسنان حمل البرغي في مساحة أصغر لتوفير تثبيت محكم مع ضغط أقل. صُممت هذه الحشوة بحيث تُعوّض عن عدم استواء أسطح الشفة وظروف التشغيل المتقلبة.
الشكل 4. تحتوي حشوات Kammprofile على قلب معدني مرتبط على كلا الجانبين بحشو ناعم.
يُعدّ الصمام عاملاً مهماً آخر في سلامة النظام. تُشكّل التسريبات حول مانع تسرب الساق وحواف الجسم مشكلةً حقيقية. ولمنع ذلك، يُنصح باختيار صمام مزود بمانع تسرب منفاخي.
استخدم أنبوبًا من الفولاذ الكربوني من الفئة 80 بقطر بوصة واحدة. في مثالنا أدناه، مع مراعاة تحمّلات التصنيع والتآكل والتحملات الميكانيكية وفقًا لمعيار ASTM A106 Gr B، يُمكن حساب أقصى ضغط عمل مسموح به (MAWP) على خطوتين عند درجات حرارة تصل إلى 300 درجة فهرنهايت (ملاحظة: سبب عبارة "... لدرجات حرارة تصل إلى 300 درجة فهرنهايت..." هو أن الإجهاد المسموح به (S) لمادة ASTM A106 Gr B يبدأ في التدهور عندما تتجاوز درجة الحرارة 300 درجة فهرنهايت، لذا تتطلب المعادلة (1) ضبطًا لدرجات حرارة أعلى من 300 درجة فهرنهايت).
بالرجوع إلى الصيغة (1)، فإن الخطوة الأولى هي حساب الضغط النظري للانفجار في خط الأنابيب.
T = سمك جدار الأنبوب مطروحًا منه التحملات الميكانيكية والتآكل والتصنيع، بالبوصة.
والجزء الثاني من العملية هو حساب أقصى ضغط عمل مسموح به Pa لخط الأنابيب عن طريق تطبيق عامل الأمان S f على النتيجة P وفقًا للمعادلة (2):
وبالتالي، عند استخدام مادة 1″ school 80، يتم حساب ضغط الانفجار على النحو التالي:
يتم بعد ذلك تطبيق معامل أمان Sf بقيمة 4 وفقًا لتوصيات أوعية الضغط ASME القسم VIII-1 2019، الفقرة 8. UG-101 يتم حسابها على النحو التالي:
قيمة الضغط الأقصى المسموح به الناتجة هي 810 رطل/بوصة مربعة. البوصة مخصصة للأنبوب فقط. سيكون وصلة الشفة أو المكون ذو التصنيف الأقل في النظام هو العامل الحاسم في تحديد الضغط المسموح به في النظام.
وفقًا لمعيار ASME B16.5، يبلغ أقصى ضغط تشغيل مسموح به لوصلات شفة الفولاذ الكربوني 150 بوصة 285 رطل/بوصة مربعة عند درجة حرارة تتراوح بين -20 درجة فهرنهايت و100 درجة فهرنهايت. أما الفئة 300، فيبلغ أقصى ضغط تشغيل مسموح به لها 740 رطل/بوصة مربعة. وسيكون هذا هو عامل حد الضغط للنظام وفقًا لمثال مواصفات المواد أدناه. كما أنه في الاختبارات الهيدروستاتيكية فقط، لا يمكن أن تتجاوز هذه القيم 1.5 مرة.
كمثال على مواصفات مادة الفولاذ الكربوني الأساسية، قد تحتوي مواصفات خط خدمة غاز الهيدروجين الذي يعمل عند درجة حرارة محيطة أقل من ضغط تصميمي يبلغ 740 رطل/بوصة مربعة على متطلبات المواد الموضحة في الجدول 2. فيما يلي الأنواع التي قد تتطلب الاهتمام بتضمينها في المواصفات:
إلى جانب الأنابيب نفسها، هناك العديد من العناصر التي تُكوّن نظام الأنابيب، مثل التركيبات والصمامات ومعدات الخطوط، وغيرها. وبينما سيتم تجميع العديد من هذه العناصر في خط أنابيب لمناقشتها بالتفصيل، فإن هذا سيتطلب صفحات أكثر مما يتسع له هذا المقال.