Questa panoramica furnisce raccomandazioni per a cuncepzione sicura di i sistemi di tubazioni per a distribuzione di l'idrogenu.
L'idrogenu hè un liquidu assai volatile cù una alta tendenza à perde. Hè una cumbinazione di tendenze assai periculosa è mortale, un liquidu volatile chì hè difficiule da cuntrullà. Queste sò tendenze da cunsiderà quandu si sceglienu materiali, guarnizioni è guarnizioni, è ancu e caratteristiche di cuncepimentu di tali sistemi. Questi temi nantu à a distribuzione di H2 gassosu sò u focu di sta discussione, micca a pruduzzione di H2, H2 liquidu, o H2 liquidu (vede a barra laterale destra).
Eccu uni pochi di punti chjave per aiutà vi à capisce a mistura d'idrogenu è d'aria H2. L'idrogenu brusgia in dui modi: deflagrazione è splusione.
deflagrazione. A deflagrazione hè un modu cumunu di combustione in u quale e fiamme viaghjanu à traversu a mistura à velocità subsoniche. Questu accade, per esempiu, quandu una nuvola libera di mistura idrogenu-aria hè accesa da una piccula fonte d'ignizione. In questu casu, a fiamma si moverà à una velocità da dece à parechje centinaie di piedi per seconda. A rapida espansione di u gasu caldu crea onde di pressione chì a so forza hè proporzionale à a dimensione di a nuvola. In certi casi, a forza di l'onda d'urto pò esse abbastanza per dannà e strutture di l'edifizii è altri oggetti in u so percorsu è causà ferite.
splusà. Quandu hè splusatu, fiamme è onde d'urto anu viaghjatu per a mistura à velocità supersoniche. U rapportu di pressione in un'onda di detonazione hè assai più grande chè in una detonazione. A causa di a forza aumentata, l'esplosione hè più periculosa per e persone, l'edificii è l'uggetti vicini. A deflagrazione nurmale provoca una splusione quandu hè accesa in un spaziu cunfinatu. In una zona cusì stretta, l'ignizione pò esse causata da a minima quantità d'energia. Ma per a detonazione di una mistura idrogenu-aria in un spaziu illimitatu, hè necessaria una fonte d'ignizione più putente.
U rapportu di pressione à traversu l'onda di detonazione in una mistura idrogenu-aria hè circa 20. À pressione atmosferica, un rapportu di 20 hè 300 psi. Quandu st'onda di pressione si scontra cù un ughjettu stazionariu, u rapportu di pressione aumenta à 40-60. Questu hè duvutu à a riflessione di un'onda di pressione da un ostaculu stazionariu.
Tendenza à perde. A causa di a so bassa viscosità è di u so bassu pesu moleculare, u gasu H2 hà una alta tendenza à perde è ancu à permeà o penetrà diversi materiali.
L'idrogenu hè 8 volte più ligeru chè u gasu naturale, 14 volte più ligeru chè l'aria, 22 volte più ligeru chè u propanu è 57 volte più ligeru chè u vapore di benzina. Questu significa chì quandu hè stallatu à l'apertu, u gasu H2 si alzerà è si dissiperà rapidamente, riducendu ogni segnu di perdite ancu. Ma pò esse una spada à doppia lama. Una splusione pò accade se a saldatura deve esse realizata nantu à una stallazione esterna sopra o sottu u ventu di una perdita di H2 senza un studiu di rilevazione di perdite prima di a saldatura. In un spaziu chjusu, u gasu H2 pò alzà si è accumulà si da u tettu in ghjò, una cundizione chì li permette di accumulà si in grandi volumi prima di esse più prubabile di vene in cuntattu cù fonti d'ignizione vicine à a terra.
Incendiu accidentale. L'autoaccensione hè un fenomenu in u quale una mistura di gasi o vapori s'infiamma spontaneamente senza una fonte esterna d'ignizione. Hè ancu cunnisciuta cum'è "combustione spontanea" o "combustione spontanea". L'autoaccensione dipende da a temperatura, micca da a pressione.
A temperatura d'autoaccensione hè a temperatura minima à a quale un carburante s'accenderà spontaneamente prima di l'accensione in assenza di una fonte esterna d'accensione à u cuntattu cù l'aria o un agente ossidante. A temperatura d'autoaccensione di una sola polvere hè a temperatura à a quale s'accenderà spontaneamente in assenza di un agente ossidante. A temperatura d'autoaccensione di l'H2 gassoso in aria hè 585 °C.
L'energia d'ignizione hè l'energia necessaria per inizià a propagazione di una fiamma attraversu una mistura combustibile. L'energia minima d'ignizione hè l'energia minima necessaria per accende una mistura combustibile particulare à una temperatura è pressione particulari. Energia minima d'ignizione di scintilla per H2 gassoso in 1 atm d'aria = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
I limiti d'esplosività sò e concentrazioni massime è minime di vapori, nebbie o polveri in aria o ossigenu à e quali si verifica una splusione. A dimensione è a geometria di l'ambiente, è ancu a cuncentrazione di u carburante, cuntrolanu i limiti. "Limite d'esplosione" hè qualchì volta adupratu cum'è sinonimu di "limite d'esplosione".
I limiti d'esplosività per e miscele d'H2 in aria sò 18,3 vol.% (limite inferiore) è 59 vol.% (limite superiore).
Quandu si cuncepiscenu sistemi di tubazioni (Figura 1), u primu passu hè di determinà i materiali di custruzzione necessarii per ogni tipu di fluidu. È ogni fluidu serà classificatu secondu u paràgrafu ASME B31.3. 300(b)(1) dice: "U pruprietariu hè ancu rispunsevule di determinà e tubazioni di classe D, M, alta pressione è alta purezza, è di determinà se un sistema di qualità particulare deve esse adupratu".
A categurizazione di i fluidi definisce u gradu di prova è u tipu di prova necessariu, è ancu parechji altri requisiti basati nantu à a categuria di u fluidu. A rispunsabilità di u pruprietariu per questu hè generalmente di u dipartimentu d'ingegneria di u pruprietariu o di un ingegnere esternalizatu.
Mentre chì u Codice di Tubazioni di Prucessu B31.3 ùn dice micca à u pruprietariu quale materiale aduprà per un fluidu particulare, furnisce indicazioni nantu à a resistenza, u spessore è i requisiti di cunnessione di u materiale. Ci sò ancu duie dichjarazioni in l'introduzione à u codice chì dicenu chjaramente:
È espande u primu paràgrafu sopra, u paràgrafu B31.3. 300(b)(1) dice ancu: "U pruprietariu di una stallazione di pipeline hè l'unicu rispunsevule di rispettà stu Codice è di stabilisce i requisiti di cuncepimentu, custruzzione, ispezione, ispezione è prova chì guvernanu tutta a manipulazione di fluidi o u prucessu di u quale a pipeline face parte. Installazione ". Dunque, dopu avè stabilitu alcune regule di basa per a responsabilità è i requisiti per definisce e categurie di serviziu di fluidi, vedemu induve si inserisce u gasu d'idrogenu.
Siccomu u gasu d'idrogenu agisce cum'è un liquidu volatile cù perdite, u gasu d'idrogenu pò esse cunsideratu un liquidu nurmale o un liquidu di Classe M sottu a categuria B31.3 per u serviziu di liquidi. Cum'è dichjaratu sopra, a classificazione di a manipulazione di fluidi hè un requisitu di u pruprietariu, à cundizione ch'ella rispetti e linee guida per e categurie selezziunate descritte in B31.3, paràgrafu 3. 300.2 Definizioni in a sezione "Servizii idraulici". E seguenti sò definizioni per u serviziu di fluidi nurmale è u serviziu di fluidi di Classe M:
"Serviziu Fluidi Normale: Serviziu fluidu applicabile à a maiò parte di e tubazioni sottumesse à stu codice, vale à dì micca sottumessu à i regulamenti per e classi D, M, alta temperatura, alta pressione o alta pulizia di u fluidu."
(1) A tossicità di u fluidu hè cusì grande chì una sola esposizione à una piccula quantità di fluidu causata da una perdita pò causà ferite permanenti gravi à quelli chì l'inalanu o venenu in cuntattu cun ellu, ancu s'è si piglianu misure di ricuperazione immediate.
(2) Dopu avè cunsideratu a cuncepzione di a pipeline, l'esperienza, e cundizioni operative è a situazione geografica, u pruprietariu determina chì i requisiti per l'usu nurmale di u fluidu ùn sò micca sufficienti per furnisce a tenuta necessaria per prutege u persunale da l'esposizione.
In a definizione sopra di M, u gasu d'idrogenu ùn risponde micca à i criteri di u paràgrafu (1) perchè ùn hè micca cunsideratu un liquidu tossicu. Tuttavia, applicendu a sottusiczione (2), u Codice permette a classificazione di i sistemi idraulici in a classe M dopu a debita considerazione di "... cuncepimentu di e tubazioni, sperienza, cundizioni operative è locu..." U pruprietariu permette a determinazione di a manipulazione nurmale di i fluidi. I requisiti sò insufficienti per risponde à a necessità di un livellu più altu d'integrità in a cuncepimentu, a custruzzione, l'ispezione, l'ispezione è a prova di i sistemi di tubazioni di gasu d'idrogenu.
Per piacè riferitevi à a Tavula 1 prima di discute a Corrosione da Idrogenu à Alta Temperatura (HTHA). I ​​codici, i standard è i regulamenti sò elencati in questa tavula, chì include sei documenti nantu à u tema di a fragilizazione da idrogenu (HE), una anomalia cumuna di a corrosione chì include l'HTHA. L'OH pò accade à basse è alte temperature. Cunsiderata una forma di corrosione, pò esse iniziata in parechji modi è ancu influenzà una vasta gamma di materiali.
HE hà diverse forme, chì ponu esse divise in cracking da idrogenu (HAC), cracking da stress di l'idrogenu (HSC), cracking da corrosione da stress (SCC), cracking da corrosione da idrogenu (HACC), bubbling di l'idrogenu (HB), cracking da idrogenu (HIC). )), cracking da idrogenu orientatu à u stress (SOHIC), cracking progressivu (SWC), cracking da stress di sulfuru (SSC), cracking da zona dolce (SZC) è corrosione da idrogenu à alta temperatura (HTHA).
In a so forma più simplice, a fragilizazione da l'idrogenu hè un mecanismu per a distruzzione di i limiti di i grani metallichi, chì risulta in una duttilità ridutta per via di a penetrazione di l'idrogenu atomicu. I modi in cui questu si verifica sò varii è sò in parte definiti da i so rispettivi nomi, cum'è HTHA, induve hè necessariu idrogenu simultaneu à alta temperatura è alta pressione per a fragilizazione, è SSC, induve l'idrogenu atomicu hè pruduttu cum'è gas chjusi è idrogenu. Per via di a currusione acida, si infiltranu in i casi metallichi, ciò chì pò purtà à fragilità. Ma u risultatu generale hè u listessu cum'è per tutti i casi di fragilizazione da l'idrogenu descritti sopra, induve a resistenza di u metallu hè ridutta da a fragilizazione sottu à u so intervallu di stress permessu, chì à u so tornu prepara u terrenu per un avvenimentu potenzialmente catastroficu data a volatilità di u liquidu.
In più di u spessore di u muru è di e prestazioni meccaniche di u giuntu, ci sò dui fattori principali da cunsiderà quandu si sceglienu i materiali per u serviziu di gas H2: 1. Esposizione à l'idrogenu à alta temperatura (HTHA) è 2. Preoccupazioni serie per e perdite potenziali. Tramindui i temi sò attualmente in discussione.
À u cuntrariu di l'idrogenu moleculare, l'idrogenu atomicu pò espandesi, espunendu l'idrogenu à alte temperature è pressioni, creendu a basa per un putenziale HTHA. In queste cundizioni, l'idrogenu atomicu hè capace di diffonde si in i materiali o l'attrezzature di tubazioni d'acciaio à u carbone, induve reagisce cù u carbone in soluzione metallica per furmà gas metanu à i limiti di i grani. Incapace di scappà, u gas si espande, creendu crepe è fessure in i muri di tubi o vasi - questu hè HTGA. Pudete vede chjaramente i risultati HTHA in a Figura 2 induve crepe è fessure sò evidenti in u muru di 8″. A parte di u tubu di dimensione nominale (NPS) chì falla in queste cundizioni.
L'acciaiu à u carbone pò esse adupratu per u serviziu di l'idrogenu quandu a temperatura di funziunamentu hè mantenuta sottu à 500 ° F. Cum'è mintuvatu sopra, HTHA si verifica quandu u gasu d'idrogenu hè mantinutu à alta pressione parziale è alta temperatura. L'acciaiu à u carbone ùn hè micca cunsigliatu quandu a pressione parziale di l'idrogenu hè prevista per esse intornu à 3000 psi è a temperatura hè sopra à circa 450 ° F (chì hè a cundizione d'accidentu in a Figura 2).
Cum'è si pò vede da u graficu di Nelson mudificatu in a Figura 3, pigliatu in parte da API 941, l'alta temperatura hà u più grande effettu nantu à a forzatura di l'idrogenu. A pressione parziale di u gasu d'idrogenu pò superà i 1000 psi quandu hè aduprata cù acciai à u carbone chì operanu à temperature finu à 500 ° F.
Figura 3. Stu graficu Nelson mudificatu (adattatu da API 941) pò esse adupratu per selezziunà materiali adatti per u serviziu di l'idrogenu à diverse temperature.
A figura 3 mostra a scelta di l'acciai chì sò garantiti per evità l'attaccu di l'idrogenu, secondu a temperatura di funziunamentu è a pressione parziale di l'idrogenu. L'acciai inossidabili austenitici sò insensibili à l'HTHA è sò materiali soddisfacenti à tutte e temperature è pressioni.
L'acciaiu inox austeniticu 316/316L hè u materiale u più praticu per l'applicazioni di l'idrogenu è hà una sperienza pruvata. Mentre u trattamentu termicu post-saldatura (PWHT) hè cunsigliatu per l'acciai à u carbone per calcinà l'idrogenu residuale durante a saldatura è riduce a durezza di a zona affettata da u calore (HAZ) dopu a saldatura, ùn hè micca necessariu per l'acciai inox austenitici.
L'effetti termotermichi causati da u trattamentu termicu è a saldatura anu pocu effettu nantu à e proprietà meccaniche di l'acciai inox austenitici. Tuttavia, a lavorazione à fretu pò migliurà e proprietà meccaniche di l'acciai inox austenitici, cum'è a resistenza è a durezza. Quandu si pieganu è si formanu tubi da acciaio inox austenitico, e so proprietà meccaniche cambianu, cumprese a diminuzione di a plasticità di u materiale.
Sè l'acciaiu inox austeniticu richiede una furmazione à fretu, a ricottura in suluzione (riscaldamentu à circa 1045 °C seguitu da tempra o raffreddamentu rapidu) restaurerà e proprietà meccaniche di u materiale à i so valori originali. Eliminerà ancu a segregazione di a lega, a sensibilizazione è a fase sigma ottenuta dopu a lavorazione à fretu. Quandu si esegue a ricottura in suluzione, tenete à mente chì u raffreddamentu rapidu pò rimette una tensione residuale in u materiale s'ellu ùn hè micca trattatu currettamente.
Vede e tabelle GR-2.1.1-1 Indice di Specificazione di i Materiali di l'Assemblaggio di Tubazioni è Tubazioni è GR-2.1.1-2 Indice di Specificazione di i Materiali di Tubazioni in ASME B31 per e selezioni di materiali accettabili per u serviziu H2. I tubi sò un bonu puntu di partenza.
Cù un pesu atomicu standard di 1,008 unità di massa atomica (amu), l'idrogenu hè l'elementu u più ligeru è u più chjucu di a tavula periodica, è dunque hà una alta propensione à perde, cù cunsequenze potenzialmente devastanti, aghjunghju. Dunque, u sistema di gasdotti deve esse cuncipitu in modu da limità e cunnessione di tipu meccanicu è migliurà quelle cunnessione chì sò veramente necessarie.
Quandu si limitanu i punti di perdita potenziali, u sistema deve esse cumpletamente saldatu, eccettu per i cunnessione flangiate nantu à l'attrezzatura, l'elementi di tubazioni è i raccordi. E cunnessione filettate devenu esse evitate u più pussibule, se micca cumpletamente. Se e cunnessione filettate ùn ponu esse evitate per qualsiasi ragione, hè cunsigliatu di impegnalle cumpletamente senza sigillante per filetti è poi sigillà a saldatura. Quandu si usa un tubu d'acciaio al carboniu, i giunti di i tubi devenu esse saldati di testa è trattati termicamente post-saldatura (PWHT). Dopu a saldatura, i tubi in a zona affettata da u calore (HAZ) sò esposti à l'attaccu di l'idrogenu ancu à temperatura ambiente. Mentre l'attaccu di l'idrogenu si verifica principalmente à alte temperature, a fase PWHT riducerà cumpletamente, se micca eliminerà, sta pussibilità ancu in cundizioni ambientali.
U puntu debule di u sistema tuttu saldatu hè a cunnessione di a flangia. Per assicurà un altu gradu di strettezza in e cunnessione di a flangia, devenu esse aduprate guarnizioni Kammprofile (fig. 4) o un'altra forma di guarnizioni. Fabbricatu guasi in u listessu modu da parechji pruduttori, questu cuscinettu hè assai indulgente. Hè custituitu da anelli dentati interamente in metallo inseriti trà materiali di tenuta morbidi è deformabili. I denti concentranu u caricu di u bullone in una zona più chjuca per furnisce un adattamentu strettu cù menu stress. Hè cuncipitu in modu tale da pudè cumpensà e superfici irregolari di a flangia è ancu e cundizioni operative fluttuanti.
Figura 4. E guarnizioni Kammprofile anu un core metallicu ligatu da i dui lati cù un riempitivu dolce.
Un altru fattore impurtante per l'integrità di u sistema hè a valvula. E perdite intornu à a guarnizione di u stelu è e flange di u corpu sò un veru prublema. Per impedisce questu, hè cunsigliatu di sceglie una valvula cù una guarnizione à soffietto.
Aduprate un tubu d'acciaio à u carbonu di a scola 80 di 1 inch, in u nostru esempiu quì sottu, date e tolleranze di fabricazione, a corrosione è e tolleranze meccaniche in cunfurmità cù ASTM A106 Gr B, a pressione di travagliu massima ammissibile (MAWP) pò esse calculata in dui passi à temperature finu à 300 ° F (Nota: A ragione per "... per temperature finu à 300ºF..." hè perchè a tensione ammissibile (S) di u materiale ASTM A106 Gr B cumencia à deteriorassi quandu a temperatura supera i 300ºF. (S), dunque l'equazione (1) richiede l'aghjustamentu à temperature superiori à 300ºF.)
Rifirendusi à a formula (1), u primu passu hè di calculà a pressione teorica di scoppiu di a pipeline.
T = spessore di a parete di u tubu menu e tolleranze meccaniche, di corrosione è di fabricazione, in pollici.
A seconda parte di u prucessu hè di calculà a pressione di travagliu massima permessa Pa di a pipeline applicendu u fattore di sicurezza S f à u risultatu P secondu l'equazione (2):
Cusì, quandu si usa materiale di scola 80 di 1″, a pressione di scoppiu hè calculata cusì:
Un Sf di sicurezza di 4 hè tandu applicatu in cunfurmità cù e Raccomandazioni ASME per i Vessili à Pressione Sezione VIII-1 2019, Paragrafu 8. UG-101 calculatu cusì:
U valore MAWP risultante hè 810 psi. inch si riferisce solu à a pipa. A cunnessione di flangia o u cumpunente cù a valutazione più bassa in u sistema serà u fattore determinante per determinà a pressione permessa in u sistema.
Per ASME B16.5, a pressione di travagliu massima permessa per i raccordi à flangia in acciaio à u carbonu 150 hè di 285 psi. inch à -20°F à 100°F. A Classe 300 hà una pressione di travagliu massima permessa di 740 psi. Questu serà u fattore limite di pressione di u sistema secondu l'esempiu di specificazione di u materiale quì sottu. Inoltre, solu in e prove idrostatiche, questi valori ponu superà 1,5 volte.
Cum'è esempiu di una specificazione di materiale di basa per l'acciaiu à u carbone, una specificazione di linea di serviziu di gas H2 chì funziona à una temperatura ambiente inferiore à una pressione di cuncepimentu di 740 psi. inch, pò cuntene i requisiti di materiale mostrati in a Tabella 2. I seguenti sò i tipi chì ponu richiede attenzione per esse inclusi in a specificazione:
Oltre à e tubazioni stesse, ci sò parechji elementi chì custituiscenu u sistema di tubazioni cum'è raccordi, valvole, apparecchiature di linea, ecc. Mentre parechji di questi elementi saranu messi inseme in una pipeline per discuteli in dettagliu, questu richiederà più pagine di quelle chì si ponu accoglie. Questu articulu.