Този преглед предоставя препоръки за безопасно проектиране на тръбопроводни системи за разпределение на водород.
Водородът е силно летлива течност с висока склонност към изтичане. Той е много опасна и смъртоносна комбинация от тенденции, летлива течност, която е трудна за контролиране. Това са тенденции, които трябва да се вземат предвид при избора на материали, уплътнения и уплътнения, както и конструктивните характеристики на такива системи. Тези теми за разпределението на газообразния H2 са фокусът на тази дискусия, а не производството на H2, течен H2 или течен H2 (вижте дясната странична лента).
Ето няколко ключови момента, които ще ви помогнат да разберете сместа от водород и H2-въздух. Водородът гори по два начина: дефлаграция и експлозия.
Дефлаграция. Дефлаграцията е често срещан режим на горене, при който пламъците се разпространяват през сместа с дозвукова скорост. Това се случва например, когато свободен облак от водородно-въздушна смес се запали от малък източник на запалване. В този случай пламъкът ще се движи със скорост от десет до няколкостотин фута в секунда. Бързото разширяване на горещия газ създава вълни на налягане, чиято сила е пропорционална на размера на облака. В някои случаи силата на ударната вълна може да бъде достатъчна, за да повреди строителни конструкции и други обекти по пътя си и да причини наранявания.
експлодира. Когато експлодира, пламъци и ударни вълни се разпространяват през сместа със свръхзвукова скорост. Съотношението на налягането в детонационна вълна е много по-голямо, отколкото при детонация. Поради увеличената сила, експлозията е по-опасна за хора, сгради и близки обекти. Нормалната дефлаграция причинява експлозия, когато се запали в затворено пространство. В такава тясна област запалването може да бъде причинено от най-малко количество енергия. Но за детонация на водородно-въздушна смес в неограничено пространство е необходим по-мощен източник на запалване.
Съотношението на налягането в детонационната вълна във водородно-въздушна смес е около 20. При атмосферно налягане съотношение 20 е 300 psi. Когато тази вълна на налягане се сблъска с неподвижен обект, съотношението на налягането се увеличава до 40-60. Това се дължи на отражението на вълна на налягане от неподвижно препятствие.
Склонност към изтичане. Поради ниския си вискозитет и ниското си молекулно тегло, H2 газът има висока склонност към изтичане и дори проникване в различни материали.
Водородът е 8 пъти по-лек от природния газ, 14 пъти по-лек от въздуха, 22 пъти по-лек от пропана и 57 пъти по-лек от бензиновите пари. Това означава, че когато е инсталиран на открито, газът H2 бързо ще се издигне и разсее, намалявайки дори признаците на течове. Но това може да бъде нож с две остриета. Може да възникне експлозия, ако заваряването се извършва на външна инсталация над или по посока на вятъра на теч на H2, без да е направено проучване за откриване на течове преди заваряване. В затворено пространство газът H2 може да се издигне и натрупа от тавана надолу, състояние, което му позволява да се натрупа до големи обеми, преди да е по-вероятно да влезе в контакт с източници на запалване близо до земята.
Случаен пожар. Самозапалването е явление, при което смес от газове или пари се запалва спонтанно без външен източник на запалване. Известно е още като „спонтанно горене“ или „спонтанно горене“. Самозапалването зависи от температурата, а не от налягането.
Температурата на самозапалване е минималната температура, при която горивото ще се възпламени спонтанно преди запалване при липса на външен източник на запалване при контакт с въздух или окислител. Температурата на самозапалване на единичен прах е температурата, при която той се възпламенява спонтанно при липса на окислител. Температурата на самозапалване на газообразен H2 във въздуха е 585°C.
Енергията на запалване е енергията, необходима за иницииране на разпространението на пламък през горима смес. Минималната енергия на запалване е минималната енергия, необходима за запалване на определена горима смес при определена температура и налягане. Минималната енергия на искрово запалване за газообразен H2 в 1 atm въздух = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Границите на експлозивност са максималните и минималните концентрации на пари, мъгли или прахове във въздуха или кислорода, при които възниква експлозия. Размерът и геометрията на средата, както и концентрацията на горивото, контролират границите. „Граница на експлозивност“ понякога се използва като синоним на „граница на експлозивност“.
Границите на експлозивност за H2 смеси във въздуха са 18,3 об.% (долна граница) и 59 об.% (горна граница).
При проектирането на тръбопроводни системи (Фигура 1), първата стъпка е да се определят строителните материали, необходими за всеки вид флуид. И всеки флуид ще бъде класифициран в съответствие с параграф ASME B31.3. 300(b)(1) гласи: „Собственикът е отговорен и за определянето на тръбопроводите клас D, M, високо налягане и висока чистота, както и за определянето дали трябва да се използва определена система за качество.“
Категоризацията на флуидите определя степента на тестване и вида на необходимото тестване, както и много други изисквания, базирани на категорията флуид. Отговорността на собственика за това обикновено се носи от инженерния отдел на собственика или от външен инженер.
Въпреки че Кодексът за технологични тръбопроводи B31.3 не казва на собственика кой материал да използва за определен флуид, той предоставя насоки относно изискванията за якост, дебелина и свързване на материалите. Във въведението към кодекса има и две твърдения, които ясно посочват:
И разширете първия параграф по-горе, параграф B31.3. 300(b)(1) също гласи: „Собственикът на тръбопроводна инсталация е единствено отговорен за спазването на този Кодекс и за установяване на изискванията за проектиране, изграждане, инспекция, проверка и изпитване, регулиращи всички операции с флуиди или процеси, от които тръбопроводът е част. Инсталация.“ И така, след като определихме някои основни правила за отговорност и изисквания за определяне на категориите флуидни услуги, нека видим къде се вписва водородният газ.
Тъй като водородният газ действа като летлива течност с течове, той може да се счита за нормална течност или течност от клас М съгласно категория B31.3 за работа с течности. Както е посочено по-горе, класификацията на работата с течности е изискване на собственика, при условие че отговаря на насоките за избраните категории, описани в B31.3, параграф 3. 300.2 Дефиниции в раздела „Хидравлични услуги“. Следните са дефинициите за нормална работа с течности и работа с течности от клас М:
„Нормална флуидна работа: Флуидна работа, приложима за повечето тръбопроводи, предмет на този кодекс, т.е. не е предмет на разпоредби за класове D, M, висока температура, високо налягане или висока чистота на флуида.“
(1) Токсичността на течността е толкова голяма, че еднократно излагане на много малко количество от нея, причинено от теч, може да причини сериозни трайни наранявания на тези, които я вдишват или влизат в контакт с нея, дори ако се вземат незабавни мерки за възстановяване.
(2) След като вземе предвид конструкцията на тръбопровода, опита, условията на експлоатация и местоположението, собственикът определя, че изискванията за нормална употреба на флуида не са достатъчни, за да осигурят необходимата херметичност за защита на персонала от излагане на въздействието му.
В горното определение на M, водородният газ не отговаря на критериите на параграф (1), тъй като не се счита за токсична течност. Въпреки това, чрез прилагане на подраздел (2), Кодексът позволява класифицирането на хидравличните системи в клас M след надлежно отчитане на „…конструкцията на тръбопроводите, опита, условията на работа и местоположението…“. Собственикът разрешава определянето на нормалното боравене с флуиди. Изискванията са недостатъчни, за да отговорят на необходимостта от по-високо ниво на интегритет при проектирането, изграждането, инспекцията, проверката и изпитването на тръбопроводни системи за водороден газ.
Моля, вижте Таблица 1, преди да обсъдите водородната корозия при висока температура (HTHA). В тази таблица са изброени кодове, стандарти и разпоредби, които включват шест документа по темата за водородната крехкост (HE), често срещана аномалия на корозия, която включва HTHA. OH може да възникне при ниски и високи температури. Смятана за форма на корозия, тя може да бъде инициирана по няколко начина и да засегне широк спектър от материали.
HE има различни форми, които могат да бъдат разделени на водородно напукване (HAC), водородно напукване под напрежение (HSC), корозионно напукване под напрежение (SCC), корозионно напукване под напрежение (HACC), образуване на мехурчета водород (HB), водородно напукване (HIC), ориентирано към напрежение водородно напукване (SOHIC), прогресивно напукване (SWC), сулфидно напукване под напрежение (SSC), напукване в меки зони (SZC) и високотемпературна водородна корозия (HTHA).
В най-простата си форма, водородното крехкост е механизъм за разрушаване на границите на металните зърна, което води до намалена пластичност поради проникването на атомен водород. Начините, по които това се случва, са разнообразни и са частично определени от съответните им имена, като например HTHA, където едновременно висока температура и високо налягане са необходими за крехкост, и SSC, където атомният водород се произвежда като затворени газове. Поради киселинна корозия, те проникват в металните корпуси, което може да доведе до крехкост. Но общият резултат е същият, както при всички случаи на водородно крехкост, описани по-горе, където якостта на метала се намалява чрез крехкост под допустимия диапазон на напрежение, което от своя страна подготвя почвата за потенциално катастрофално събитие, предвид летливостта на течността.
В допълнение към дебелината на стената и механичните характеристики на съединението, има два основни фактора, които трябва да се вземат предвид при избора на материали за работа с H2 газ: 1. Излагане на високотемпературен водород (HTHA) и 2. Сериозни опасения относно потенциални течове. И двете теми в момента се обсъждат.
За разлика от молекулярния водород, атомният водород може да се разширява, излагайки го на високи температури и налягания, създавайки основа за потенциална високотемпературна томография (HTHA). При тези условия атомният водород е способен да дифундира в тръбопроводни материали или оборудване от въглеродна стомана, където реагира с въглерод в метален разтвор, за да образува метан по границите на зърната. Неспособен да се освободи, газът се разширява, създавайки пукнатини и цепнатини в стените на тръбите или съдовете – това е HTGA. Можете ясно да видите резултатите от HTHA на Фигура 2, където пукнатини и цепнатини са очевидни в стената на 8″. Частта от тръбата с номинален размер (NPS), която се разрушава при тези условия.
Въглеродната стомана може да се използва за водородни услуги, когато работната температура се поддържа под 500°F (260°C). Както бе споменато по-горе, високотемпературно изпускане на топлинна енергия (HTHA) възниква, когато водородният газ се държи при високо парциално налягане и висока температура. Въглеродната стомана не се препоръчва, когато се очаква парциалното налягане на водорода да бъде около 3000 psi (3000 psi) и температурата да е над около 450°F (което е аварийното условие на Фигура 2).
Както може да се види от модифицираната графика на Нелсън на Фигура 3, частично взета от API 941, високата температура има най-голям ефект върху водородното налягане. Парциалното налягане на водородния газ може да надвиши 1000 psi, когато се използва с въглеродни стомани, работещи при температури до 500°F.
Фигура 3. Тази модифицирана диаграма на Нелсън (адаптирана от API 941) може да се използва за избор на подходящи материали за работа с водород при различни температури.
На фиг. 3 е показан изборът на стомани, за които е гарантирано, че ще избегнат водородна атака, в зависимост от работната температура и парциалното налягане на водорода. Аустенитните неръждаеми стомани са нечувствителни към високотемпературно подхранване (HTHA) и са задоволителни материали при всякакви температури и налягания.
Аустенитната неръждаема стомана 316/316L е най-практичният материал за водородни приложения и има доказан опит. Докато термичната обработка след заваряване (PWHT) се препоръчва за въглеродни стомани, за да се калцинира остатъчният водород по време на заваряване и да се намали твърдостта на зоната, засегната от топлина (HAZ), тя не е необходима за аустенитни неръждаеми стомани.
Термотермичните ефекти, причинени от термична обработка и заваряване, имат малък ефект върху механичните свойства на аустенитните неръждаеми стомани. Студената обработка обаче може да подобри механичните свойства на аустенитните неръждаеми стомани, като например якост и твърдост. При огъване и формоване на тръби от аустенитна неръждаема стомана, техните механични свойства се променят, включително намаляване на пластичността на материала.
Ако аустенитната неръждаема стомана изисква студено формоване, отгряването в разтвор (нагряване до приблизително 1045°C, последвано от закаляване или бързо охлаждане) ще възстанови механичните свойства на материала до първоначалните им стойности. То също така ще елиминира сегрегацията на сплавта, сенсибилизацията и сигма фазата, постигнати след студена обработка. Когато извършвате отгряване в разтвор, имайте предвид, че бързото охлаждане може да върне остатъчно напрежение в материала, ако не се обработва правилно.
Вижте таблици GR-2.1.1-1 „Индекс на спецификациите на материалите за тръбопроводи и тръбни сглобки“ и GR-2.1.1-2 „Индекс на спецификациите на материалите за тръбопроводи“ в ASME B31 за допустим избор на материали за H2 работа. Тръбите са добро място за начало.
Със стандартно атомно тегло от 1,008 атомни масови единици (amu), водородът е най-лекият и най-малък елемент в периодичната таблица и следователно има висока склонност към изтичане, с потенциално опустошителни последици, бих добавил. Следователно, газопроводната система трябва да бъде проектирана по такъв начин, че да ограничи механичните връзки и да подобри онези връзки, които наистина са необходими.
При ограничаване на потенциалните точки на течове, системата трябва да бъде напълно заварена, с изключение на фланцовите връзки на оборудване, тръбопроводни елементи и фитинги. Резбовите връзки трябва да се избягват, доколкото е възможно, ако не и напълно. Ако резбовите връзки не могат да бъдат избегнати по някаква причина, се препоръчва те да се захванат напълно без уплътнител за резби и след това да се запечата заваръчният шев. При използване на тръби от въглеродна стомана, тръбните съединения трябва да бъдат челно заварени и термично обработени след заваряване (PWHT). След заваряване тръбите в зоната, засегната от топлина (HAZ), са изложени на водородно въздействие дори при околна температура. Докато водородното въздействие се случва предимно при високи температури, етапът на PWHT напълно ще намали, ако не и ще елиминира, тази възможност дори при околни условия.
Слабото място на изцяло заварената система е фланцовото съединение. За да се осигури висока степен на херметичност на фланцовите съединения, трябва да се използват уплътнения Kammprofile (фиг. 4) или друг вид уплътнения. Изработена по почти един и същи начин от няколко производители, тази подложка е много щадяща. Тя се състои от назъбени изцяло метални пръстени, разположени между меки, деформируеми уплътнителни материали. Зъбите концентрират натоварването на болта в по-малка площ, за да осигурят плътно прилягане с по-малко напрежение. Проектирана е по такъв начин, че да може да компенсира неравни повърхности на фланците, както и променливи работни условия.
Фигура 4. Уплътненията Kammprofile имат метална сърцевина, свързана от двете страни с мек пълнител.
Друг важен фактор за целостта на системата е вентилът. Течовете около уплътнението на стеблото и фланците на корпуса са реален проблем. За да се предотврати това, се препоръчва да се избере вентил с уплътнение тип „силфон“.
Използвайте 1 инч. Тръба от въглеродна стомана School 80, в нашия пример по-долу, като се имат предвид производствените допуски, корозионните и механичните допуски в съответствие с ASTM A106 Gr B, максимално допустимото работно налягане (MAWP) може да се изчисли на два етапа при температури до 300°F (Забележка: Причината за „…за температури до 300ºF…“ е, че допустимото напрежение (S) на материала ASTM A106 Gr B започва да се влошава, когато температурата надвиши 300ºF (S), така че уравнение (1) изисква коригиране към температури над 300ºF.)
Позовавайки се на формула (1), първата стъпка е да се изчисли теоретичното налягане на разрушаване на тръбопровода.
T = дебелина на стената на тръбата минус механични, корозионни и производствени допуски, в инчове.
Втората част от процеса е да се изчисли максимално допустимото работно налягане Pa на тръбопровода чрез прилагане на коефициента на безопасност S f към резултата P съгласно уравнение (2):
По този начин, когато се използва материал 1″ school 80, налягането на спукване се изчислява, както следва:
След това се прилага коефициент на безопасност Sf от 4, в съответствие с препоръките на ASME за съдове под налягане, раздел VIII-1 2019, параграф 8. UG-101, изчислен както следва:
Получената MAWP стойност е 810 psi. Това се отнася само за тръбата. Фланцовото съединение или компонентът с най-нисък рейтинг в системата ще бъде определящият фактор при определяне на допустимото налягане в системата.
Съгласно ASME B16.5, максимално допустимото работно налягане за 150-инчови фланцови фитинги от въглеродна стомана е 285 psi при -20°F до 100°F. Клас 300 има максимално допустимо работно налягане от 740 psi. Това ще бъде граничният коефициент на налягане на системата съгласно примера за спецификация на материала по-долу. Също така, само при хидростатични тестове тези стойности могат да надвишават 1,5 пъти.
Като пример за основна спецификация на материала от въглеродна стомана, спецификацията на сервизна линия за газ H2, работеща при температура на околната среда под проектното налягане от 740 psi (740 psi), може да съдържа изискванията за материалите, показани в Таблица 2. Следните типове може да изискват внимание, за да бъдат включени в спецификацията:
Освен самите тръбопроводи, има много елементи, които изграждат тръбопроводната система, като например фитинги, клапани, тръбопроводно оборудване и др. Въпреки че много от тези елементи ще бъдат събрани в един тръбопровод, за да бъдат обсъдени подробно, това ще изисква повече страници, отколкото могат да бъдат поместени. Тази статия.