У гэтым аглядзе прадстаўлены рэкамендацыі па бяспечным праектаванні трубаправодных сістэм для размеркавання вадароду.
Вадарод — гэта вельмі лятучая вадкасць з высокай схільнасцю да ўцечак. Гэта вельмі небяспечнае і смяротнае спалучэнне тэндэнцый, лятучая вадкасць, якую цяжка кантраляваць. Гэтыя тэндэнцыі варта ўлічваць пры выбары матэрыялаў, пракладак і ўшчыльняльнікаў, а таксама канструктыўных характарыстык такіх сістэм. Гэтыя тэмы, якія тычацца размеркавання газападобнага H2, з'яўляюцца тэмай гэтага абмеркавання, а не вытворчасць H2, вадкага H2 або вадкага H2 (гл. правую бакавую панэль).
Вось некалькі ключавых момантаў, якія дапамогуць вам зразумець сумесь вадароду і H2-паветра. Вадарод гарыць двума спосабамі: дэфлаграцыяй і выбухам.
Дэфлаграцыя. Дэфлаграцыя — гэта распаўсюджаны рэжым гарэння, пры якім полымя распаўсюджваецца праз сумесь з дагукавымі хуткасцямі. Гэта адбываецца, напрыклад, калі свабоднае воблака сумесі вадароду і паветра запальваецца ад невялікай крыніцы ўзгарання. У гэтым выпадку полымя будзе рухацца з хуткасцю ад дзесяці да некалькіх сотняў футаў у секунду. Хуткае пашырэнне гарачага газу стварае хвалі ціску, сіла якіх прапарцыйная памеру воблака. У некаторых выпадках сіла ўдарнай хвалі можа быць дастатковай, каб пашкодзіць будаўнічыя канструкцыі і іншыя аб'екты на сваім шляху і выклікаць траўмы.
выбухнуць. Калі ён выбухнуў, полымя і ўдарныя хвалі распаўсюджваліся праз сумесь з звышгукавой хуткасцю. Суадносіны ціскаў у дэтанацыйнай хвалі значна большае, чым пры дэтанацыі. З-за павелічэння сілы выбух больш небяспечны для людзей, будынкаў і бліжэйшых аб'ектаў. Звычайная дэфлаграцыя выклікае выбух пры ўзгаранні ў абмежаванай прасторы. У такой вузкай прасторы ўзгаранне можа быць выклікана найменшай колькасцю энергіі. Але для дэтанацыі вадародна-паветранай сумесі ў неабмежаванай прасторы патрабуецца больш магутная крыніца ўзгарання.
Суадносіны ціскаў папярок дэтанацыйнай хвалі ў сумесі вадароду і паветра складае каля 20. Пры атмасферным ціску суадносіны 20 роўна 300 фунтаў на квадратны дюйм. Калі гэтая хваля ціску сутыкаецца з нерухомым аб'ектам, суадносіны ціскаў павялічваюцца да 40-60. Гэта звязана з адлюстраваннем хвалі ціску ад нерухомай перашкоды.
Схільнасць да ўцечак. З-за нізкай глейкасці і нізкай малекулярнай масы газ H2 мае высокую схільнасць да ўцечак і нават пранікнення ў розныя матэрыялы.
Вадарод у 8 разоў лягчэйшы за прыродны газ, у 14 разоў лягчэйшы за паветра, у 22 разы лягчэйшы за прапан і ў 57 разоў лягчэйшы за пары бензіну. Гэта азначае, што пры ўсталёўцы на вуліцы газападобны H2 хутка падымецца і рассейваецца, памяншаючы любыя прыкметы нават уцечак. Але гэта можа быць палкай з двума канцамі. Выбух можа адбыцца, калі зварка будзе праводзіцца на адкрытай устаноўцы над або з падветранага боку ад уцечкі H2 без правядзення даследавання на выяўленне ўцечак перад зваркай. У замкнёнай прасторы газападобны H2 можа падымацца і назапашвацца ад столі ўніз, што дазваляе яму назапашвацца ў вялікіх аб'ёмах, перш чым ён, хутчэй за ўсё, трапіць у кантакт з крыніцамі ўзгарання паблізу зямлі.
Выпадковы пажар. Самаўзгаранне — гэта з'ява, пры якой сумесь газаў або пароў самаадвольна ўзгараецца без знешняй крыніцы ўзгарання. Яна таксама вядомая як «самаўзгаранне» або «спантанае гарэнне». Самаўзгаранне залежыць ад тэмпературы, а не ад ціску.
Тэмпература самазагарання — гэта мінімальная тэмпература, пры якой паліва самазагараецца да ўзгарання пры адсутнасці знешняй крыніцы ўзгарання пры кантакце з паветрам або акісляльнікам. Тэмпература самазагарання асобнага парашка — гэта тэмпература, пры якой ён самазагараецца пры адсутнасці акісляльніка. Тэмпература самазагарання газападобнага H2 у паветры складае 585°C.
Энергія ўзгарання — гэта энергія, неабходная для пачатку распаўсюджвання полымя праз гаручую сумесь. Мінімальная энергія ўзгарання — гэта мінімальная энергія, неабходная для ўзгарання пэўнай гаручай сумесі пры пэўнай тэмпературы і ціску. Мінімальная энергія іскры ўзгарання для газападобнага H2 у 1 атм паветра = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 мДж).
Межы выбуханебяспекі — гэта максімальная і мінімальная канцэнтрацыі пароў, туманаў або пылу ў паветры або кіслародзе, пры якіх адбываецца выбух. Памер і геаметрыя асяроддзя, а таксама канцэнтрацыя паліва кантралююць межы. «Мяжа выбуханебяспекі» часам выкарыстоўваецца як сінонім «мяжа выбуханебяспекі».
Межы выбуховасці для сумесяў H2 у паветры складаюць 18,3 аб'ёмных% (ніжняя мяжа) і 59 аб'ёмных% (верхняя мяжа).
Пры праектаванні трубаправодных сістэм (малюнак 1) першым крокам з'яўляецца вызначэнне будаўнічых матэрыялаў, неабходных для кожнага тыпу вадкасці. Кожная вадкасць будзе класіфікавана ў адпаведнасці з пунктам ASME B31.3. У пункце 300(b)(1) гаворыцца: «Уладальнік таксама нясе адказнасць за вызначэнне трубаправодаў класа D, M, высокага ціску і высокай чысціні, а таксама за вызначэнне таго, ці варта выкарыстоўваць пэўную сістэму якасці».
Класіфікацыя вадкасцей вызначае ступень выпрабаванняў і тып неабходных выпрабаванняў, а таксама многія іншыя патрабаванні ў залежнасці ад катэгорыі вадкасці. Адказнасць уладальніка за гэта звычайна ўскладаецца на інжынерны аддзел уладальніка або нанятага ім інжынера.
Хоць Кодэкс B31.3 па тэхналагічных трубаправодах не паказвае ўладальніку, які матэрыял выкарыстоўваць для пэўнай вадкасці, ён дае рэкамендацыі па патрабаваннях да трываласці, таўшчыні і злучэння матэрыялаў. Ва ўступе да кодэкса таксама ёсць два сцвярджэнні, якія выразна паказваюць:
І дадайце больш падрабязнасцей да першага абзаца вышэй, пункт B31.3. 300(b)(1) таксама гаворыцца: «Уладальнік трубаправоднай устаноўкі нясе выключную адказнасць за выкананне гэтага Кодэкса і за ўстанаўленне патрабаванняў да праектавання, будаўніцтва, праверкі, інспекцыі і выпрабаванняў, якія рэгулююць усе аперацыі з вадкасцямі або працэсы, часткай якіх з'яўляецца трубаправод. Устаноўка». Такім чынам, пасля вызначэння некаторых асноўных правілаў адказнасці і патрабаванняў да вызначэння катэгорый абслугоўвання вадкасцей, давайце паглядзім, дзе ў гэтым выпадку знаходзіцца вадародны газ.
Паколькі вадародны газ дзейнічае як лятучая вадкасць з уцечкамі, яго можна лічыць звычайнай вадкасцю або вадкасцю класа М паводле катэгорыі B31.3 для эксплуатацыі з вадкасцямі. Як паказана вышэй, класіфікацыя апрацоўкі вадкасцей з'яўляецца патрабаваннем уладальніка, пры ўмове, што яна адпавядае рэкамендацыям для выбраных катэгорый, апісаным у B31.3, пункт 3. 300.2 Азначэнні ў раздзеле «Гідраўлічныя паслугі». Ніжэй прыведзены азначэнні для звычайнай эксплуатацыі з вадкасцямі і эксплуатацыі з вадкасцямі класа М:
«Звычайны рэжым працы з вадкасцямі: рэжым працы з вадкасцямі, які прымяняецца да большасці трубаправодаў, на якія распаўсюджваецца гэты кодэкс, г.зн. не падпадае пад правілы для класаў D, M, высокай тэмпературы, высокага ціску або высокай чысціні вадкасці».
(1) Таксічнасць вадкасці настолькі вялікая, што аднаразовае ўздзеянне вельмі невялікай колькасці вадкасці, выкліканай уцечкай, можа прывесці да сур'ёзных незваротных траўмаў у тых, хто ўдыхне яе або кантактуе з ёй, нават калі будуць прыняты неадкладныя меры па выратаванні.
(2) Пасля разгляду канструкцыі трубаправода, вопыту, умоў эксплуатацыі і месцазнаходжання ўладальнік вызначае, што патрабаванні да нармальнага выкарыстання вадкасці недастатковыя для забеспячэння герметычнасці, неабходнай для абароны персаналу ад уздзеяння.
У прыведзеным вышэй вызначэнні M вадародны газ не адпавядае крытэрыям пункта (1), паколькі ён не лічыцца таксічнай вадкасцю. Аднак, ужываючы падпункт (2), Кодэкс дазваляе класіфікаваць гідраўлічныя сістэмы ў класе M пасля належнага ўліку «…канструкцыі трубаправодаў, вопыту, умоў эксплуатацыі і месцазнаходжання…». Уладальнік дазваляе вызначэнне нармальнага перамяшчэння вадкасці. Патрабаванні недастатковыя для задавальнення неабходнасці больш высокага ўзроўню цэласнасці пры праектаванні, будаўніцтве, праверцы, праверцы і выпрабаванні сістэм трубаправодаў для вадароднага газу.
Калі ласка, звярніцеся да Табліцы 1, перш чым абмяркоўваць высокатэмпературную вадародную карозію (ВТК). У гэтай табліцы пералічаны нормы, стандарты і правілы, якія ўключаюць шэсць дакументаў па тэме вадароднай ахрышчвання (ВА), распаўсюджанай анамаліі карозіі, якая ўключае ВТК. ВА можа ўзнікаць як пры нізкіх, так і пры высокіх тэмпературах. Як адна з формаў карозіі, яна можа ўзнікаць рознымі спосабамі і ўплываць на шырокі спектр матэрыялаў.
Высокатэмпературнае растрэскванне мае розныя формы, якія можна падзяліць на вадароднае растрэскванне (HAC), вадароднае растрэскванне пад напружаннем (HSC), каразійнае растрэскванне пад напружаннем (SCC), вадароднае каразійнае растрэскванне (HACC), вадароднае бурбалкаванне (HB), вадароднае растрэскванне (HIC).), вадароднае растрэскванне пад напружаннем (SOHIC), прагрэсіўнае растрэскванне (SWC), сульфіднае растрэскванне пад напружаннем (SSC), растрэскванне мяккай зоны (SZC) і высокатэмпературнае вадароднае растрэскванне (HTHA).
У сваёй найпрасцейшай форме вадароднае охрупненне — гэта механізм разбурэння межаў зерняў металу, што прыводзіць да зніжэння пластычнасці з-за пранікнення атамарнага вадароду. Спосабы, якімі гэта адбываецца, разнастайныя і часткова вызначаюцца іх адпаведнымі назвамі, такімі як HTHA, дзе для охрупнення патрабуецца адначасова высокая тэмпература і высокі ціск вадароду, і SSC, дзе атамарны вадарод утвараецца ў выглядзе замкнёных газаў і вадароду. З-за кіслотнай карозіі яны прасочваюцца ў металічныя карпусы, што можа прывесці да охрупнення. Але агульны вынік такі ж, як і ва ўсіх выпадках вадароднага охрупнення, апісаных вышэй, дзе трываласць металу зніжаецца з-за охрупнення ніжэй за дапушчальны дыяпазон напружанняў, што, у сваю чаргу, стварае ўмовы для патэнцыйна катастрафічнай падзеі, улічваючы лятучасць вадкасці.
Акрамя таўшчыні сценкі і механічных характарыстык злучэння, пры выбары матэрыялаў для працы з газападобным вадародам (H2) неабходна ўлічваць два асноўныя фактары: 1. Уздзеянне высокатэмпературнага вадароду (HTHA) і 2. Сур'ёзныя асцярогі з нагоды патэнцыйнай уцечкі. Абедзве тэмы ў цяперашні час абмяркоўваюцца.
У адрозненне ад малекулярнага вадароду, атамарны вадарод можа пашырацца, падвяргаючы вадарод уздзеянню высокіх тэмператур і ціску, ствараючы аснову для патэнцыйнага HTHA (пераносу току згарання). У гэтых умовах атамарны вадарод здольны дыфундаваць у матэрыялы трубаправодаў або абсталяванне з вугляродзістай сталі, дзе ён рэагуе з вугляродам у металічным растворы, утвараючы метан на межах зерняў. Не маючы магчымасці выйсці, газ пашыраецца, ствараючы расколіны і шчыліны ў сценках труб або сасудаў - гэта HTGA (перанос згарання). Вы можаце выразна ўбачыць вынікі HTHA на малюнку 2, дзе на сценцы 8 цаляў бачныя расколіны. Частка трубы намінальнага памеру (NPS), якая разбураецца ў гэтых умовах.
Вугляродзістая сталь можа выкарыстоўвацца для працы з вадародам, калі рабочая тэмпература падтрымліваецца ніжэй за 500°F (260°C). Як ужо згадвалася вышэй, высокая тэмпература пад ціскам узнікае, калі вадарод знаходзіцца пад высокім парцыяльным ціскам і высокай тэмпературай. Вугляродзістая сталь не рэкамендуецца выкарыстоўваць, калі чаканы парцыяльны ціск вадароду складае каля 3000 фунтаў на квадратны дюйм, а тэмпература вышэй за каля 450°F (што з'яўляецца аварыйнай умовай на малюнку 2).
Як відаць з мадыфікаванага графіка Нэльсана на малюнку 3, часткова ўзятага з API 941, высокая тэмпература аказвае найбольшы ўплыў на выкід вадароду. Парцыяльны ціск вадароду можа перавышаць 1000 фунтаў на квадратны дюйм пры выкарыстанні з вугляродзістымі сталямі, якія працуюць пры тэмпературах да 500°F.
Малюнак 3. Гэтая мадыфікаваная дыяграма Нэльсана (адаптаваная з API 941) можа быць выкарыстана для выбару прыдатных матэрыялаў для працы з вадародам пры розных тэмпературах.
На мал. 3 паказаны выбар сталей, якія гарантавана пазбягаюць уздзеяння вадароду, у залежнасці ад рабочай тэмпературы і парцыяльнага ціску вадароду. Аўстэнітныя нержавеючыя сталі неадчувальныя да ўздзеяння вадароду і з'яўляюцца здавальняючымі матэрыяламі пры ўсіх тэмпературах і цісках.
Аўстэнітная нержавеючая сталь 316/316L з'яўляецца найбольш практычным матэрыялам для выкарыстання ў вадародзе і мае правераны вопыт. У той час як паслязварная тэрмічная апрацоўка (PWHT) рэкамендуецца для вугляродзістых сталей для кальцынацыі рэшткавага вадароду падчас зваркі і зніжэння цвёрдасці зоны цеплавога ўздзеяння (HAZ) пасля зваркі, яна не патрабуецца для аўстэнітных нержавеючых сталей.
Тэрматэрмічныя эфекты, выкліканыя тэрмічнай апрацоўкай і зваркай, мала ўплываюць на механічныя ўласцівасці аўстэнітных нержавеючых сталей. Аднак халодная апрацоўка можа палепшыць механічныя ўласцівасці аўстэнітных нержавеючых сталей, такія як трываласць і цвёрдасць. Пры згінанні і фармаванні труб з аўстэнітнай нержавеючай сталі іх механічныя ўласцівасці змяняюцца, у тым ліку зніжаецца пластычнасць матэрыялу.
Калі аўстэнітная нержавеючая сталь патрабуе халоднага фармавання, адпал у растворы (награванне прыблізна да 1045°C з наступнай загартоўкай або хуткім астуджэннем) аднавіць механічныя ўласцівасці матэрыялу да іх першапачатковых значэнняў. Гэта таксама ліквідуе сегрэгацыю сплаву, сенсібілізацыю і сігма-фазу, якія ўзнікаюць пасля халоднага фармавання. Пры правядзенні адпалу ў растворы майце на ўвазе, што хуткае астуджэнне можа прывесці да вяртання рэшткавых напружанняў у матэрыял, калі з ім не апрацоўвацца належным чынам.
Глядзіце табліцы GR-2.1.1-1 «Індэкс спецыфікацый матэрыялаў для трубаправодаў і трубных зборак» і GR-2.1.1-2 «Індэкс спецыфікацый матэрыялаў трубаправодаў» у ASME B31 для выбару прымальных матэрыялаў для эксплуатацыі H2. Трубы — гэта добры пачатак.
Вадарод мае стандартную атамную масу 1,008 атамных адзінак масы (а.е.м.), таму ён з'яўляецца самым лёгкім і маленькім элементам перыядычнай табліцы, і таму мае высокую схільнасць да ўцечак, што, дадам я, можа мець разбуральныя наступствы. Таму сістэма газаправодаў павінна быць распрацавана такім чынам, каб абмежаваць колькасць злучэнняў механічнага тыпу і палепшыць тыя злучэнні, якія сапраўды неабходныя.
Пры абмежаванні патэнцыйных кропак уцечкі сістэма павінна быць цалкам звараная, за выключэннем фланцавых злучэнняў на абсталяванні, элементах трубаправодаў і фітынгах. Разьбовых злучэнняў варта пазбягаць па магчымасці, калі не цалкам. Калі па якой-небудзь прычыне разьбовых злучэнняў немагчыма пазбегнуць, рэкамендуецца цалкам зачапіць іх без герметыка для разьбы, а затым загерметызаваць зварны шво. Пры выкарыстанні труб з вугляродзістай сталі злучэнні труб павінны быць звараныя ўстык і падвергнуты тэрмічнай апрацоўцы пасля зваркі. Пасля зваркі трубы ў зоне цеплавога ўплыву (ЗТВ) падвяргаюцца ўздзеянню вадароду нават пры навакольным тэмпературы. У той час як уздзеянне вадароду адбываецца ў асноўным пры высокіх тэмпературах, стадыя ПТВ цалкам зменшыць, калі не ліквідуе, гэтую магчымасць нават пры навакольных умовах.
Слабым месцам суцэльназварной сістэмы з'яўляецца фланцавае злучэнне. Для забеспячэння высокай ступені герметычнасці фланцавых злучэнняў варта выкарыстоўваць пракладкі Kammprofile (мал. 4) або іншыя віды пракладак. Гэтая пракладка, вырабленая практычна аднолькавым чынам некалькімі вытворцамі, вельмі ўстойлівая да шкоды. Яна складаецца з зубчастых суцэльнаметалічных кольцаў, заціснутых паміж мяккімі, дэфармаванымі ўшчыльняльнымі матэрыяламі. Зубцы канцэнтруюць нагрузку балта на меншай плошчы, каб забяспечыць шчыльнае прыляганне з меншым напружаннем. Яна распрацавана такім чынам, што можа кампенсаваць няроўныя паверхні фланцаў, а таксама ваганні ўмоў эксплуатацыі.
Малюнак 4. Пракладкі Kammprofile маюць металічны стрыжань, злучаны з абодвух бакоў мяккім напаўняльнікам.
Яшчэ адным важным фактарам цэласнасці сістэмы з'яўляецца клапан. Уцечкі вакол ушчыльнення штока і фланцаў корпуса з'яўляюцца рэальнай праблемай. Каб прадухіліць гэта, рэкамендуецца выбраць клапан з сильфонным ушчыльненнем.
Выкарыстоўвайце 1 цалю. У нашым прыкладзе ніжэй для трубы з вугляродзістай сталі School 80, улічваючы вытворчыя допускі, каразійныя і механічныя допускі ў адпаведнасці з ASTM A106 Gr B, максімальна дапушчальны працоўны ціск (MAWP) можна разлічыць у два этапы пры тэмпературах да 300°F (Заўвага: прычына «…для тэмператур да 300ºF…» заключаецца ў тым, што дапушчальнае напружанне (S) матэрыялу ASTM A106 Gr B пачынае пагаршацца, калі тэмпература перавышае 300ºF (S), таму ўраўненне (1) патрабуе карэкціроўкі да тэмператур вышэй за 300ºF).
Зыходзячы з формулы (1), першым крокам з'яўляецца разлік тэарэтычнага ціску разрыву трубаправода.
T = таўшчыня сценкі трубы за вылікам механічных, каразійных і вытворчых дапушчэнняў, у цалях.
Другая частка працэсу заключаецца ў разліку максімальна дапушчальнага працоўнага ціску Pa трубаправода шляхам прымянення каэфіцыента бяспекі S f да выніку P згодна з ураўненнем (2):
Такім чынам, пры выкарыстанні матэрыялу School 80 таўшчынёй 1 цаля ціск разрыву разлічваецца наступным чынам:
Затым у адпаведнасці з раздзелам VIII-1 2019, пунктам 8 рэкамендацый ASME па сасудах пад ціскам, ужываецца каэфіцыент бяспекі Sf, роўны 4, які разлічваецца наступным чынам:
Атрыманае значэнне MAWP складае 810 фунтаў на квадратны дюйм. Гэта тычыцца толькі трубы. Фланцавае злучэнне або кампанент з найменшым рэйтынгам у сістэме будзе вызначальным фактарам пры вызначэнні дапушчальнага ціску ў сістэме.
Згодна з ASME B16.5, максімальна дапушчальны працоўны ціск для фланцавых фітынгаў з вугляродзістай сталі 150 складае 285 фунтаў на квадратны дюйм пры тэмпературы ад -20°F да 100°F. Клас 300 мае максімальна дапушчальны працоўны ціск 740 фунтаў на квадратны дюйм. Гэта будзе каэфіцыент гранічнага ціску сістэмы ў адпаведнасці з прыкладам спецыфікацыі матэрыялу ніжэй. Акрамя таго, толькі пры гідрастатычных выпрабаваннях гэтыя значэнні могуць перавышаць 1,5 раза.
У якасці прыкладу базавай спецыфікацыі матэрыялу з вугляродзістай сталі, спецыфікацыя трубаправода для газу H2, які працуе пры тэмпературы навакольнага асяроддзя ніжэй за разліковы ціск 740 фунтаў на квадратны дюйм, можа ўтрымліваць патрабаванні да матэрыялаў, паказаныя ў Табліцы 2. Ніжэй прыведзены тыпы, якія могуць патрабаваць увагі пры ўключэнні ў спецыфікацыю:
Акрамя саміх трубаправодаў, сістэма трубаправодаў складаецца з мноства элементаў, такіх як фітынгі, клапаны, лінейнае абсталяванне і г.д. Хоць многія з гэтых элементаў будуць абмеркаваны ў трубаправодзе для падрабязнага абмеркавання, гэта зойме больш старонак, чым можна змясціць. Гэты артыкул.