Tento přehled poskytuje doporučení pro bezpečný návrh potrubních systémů pro distribuci vodíku.
Vodík je vysoce těkavá kapalina s vysokým sklonem k úniku. Je to velmi nebezpečná a smrtelně nebezpečná kombinace sklonů, těkavá kapalina, kterou je obtížné kontrolovat. Tyto trendy je třeba zvážit při výběru materiálů, těsnění a uzávěrů, stejně jako konstrukční vlastnosti takových systémů. Tato diskuse se zaměřuje na témata týkající se distribuce plynného H2, nikoli na produkci H2, kapalného H2 nebo kapalného H2 (viz pravý postranní panel).
Zde je několik klíčových bodů, které vám pomohou pochopit směs vodíku a H2-vzduchu. Vodík hoří dvěma způsoby: deflagrací a explozí.
Deflagrace. Deflagrace je běžný režim hoření, při kterém plameny procházejí směsí podzvukovou rychlostí. K tomu dochází například, když je volný oblak směsi vodíku a vzduchu zapálen malým zdrojem zapálení. V tomto případě se plamen pohybuje rychlostí od deseti do několika set stop za sekundu. Rychlá expanze horkého plynu vytváří tlakové vlny, jejichž síla je úměrná velikosti oblaku. V některých případech může síla rázové vlny stačit k poškození stavebních konstrukcí a dalších objektů v její dráze a způsobit zranění.
explodovat. Když explodovala, plameny a rázové vlny se šířily směsí nadzvukovou rychlostí. Tlakový poměr v detonační vlně je mnohem větší než v detonační. Vzhledem ke zvýšené síle je exploze nebezpečnější pro lidi, budovy a blízké objekty. Normální deflagrace způsobuje explozi při zapálení v uzavřeném prostoru. V tak úzkém prostoru může být zapálení způsobeno nejmenším množstvím energie. Pro detonaci směsi vodíku a vzduchu v neomezeném prostoru je však zapotřebí silnější zdroj zapálení.
Tlakový poměr napříč detonační vlnou ve směsi vodíku a vzduchu je asi 20. Při atmosférickém tlaku je poměr 20 300 psi. Když se tato tlaková vlna srazí se stacionárním objektem, tlakový poměr se zvýší na 40-60. To je způsobeno odrazem tlakové vlny od stacionární překážky.
Tendence k úniku. Vzhledem ke své nízké viskozitě a nízké molekulové hmotnosti má plynný H2 vysoký sklon k úniku a dokonce k pronikání nebo penetraci různých materiálů.
Vodík je 8krát lehčí než zemní plyn, 14krát lehčí než vzduch, 22krát lehčí než propan a 57krát lehčí než benzínové páry. To znamená, že při venkovní instalaci plynný H2 rychle stoupá a rozptýlí se, čímž se sníží jakékoli známky úniků. Může to však být dvousečná zbraň. Pokud se svařování provádí na venkovní instalaci nad únikem H2 nebo po větru bez provedení studie úniku před svařováním, může dojít k výbuchu. V uzavřeném prostoru může plynný H2 stoupat a hromadit se od stropu dolů, což mu umožňuje hromadit se ve velkých objemech, než se s větší pravděpodobností dostane do kontaktu se zdroji zapálení v blízkosti země.
Náhodný požár. Samovznícení je jev, při kterém se směs plynů nebo par samovolně vznítí bez vnějšího zdroje vznícení. Je také známé jako „spontánní vznícení“ nebo „samovznícení“. Samovznícení závisí na teplotě, nikoli na tlaku.
Teplota samovznícení je minimální teplota, při které se palivo samovznítí před zapálením v nepřítomnosti vnějšího zdroje vznícení při kontaktu se vzduchem nebo oxidačním činidlem. Teplota samovznícení jednotlivého prášku je teplota, při které se samovznítí v nepřítomnosti oxidačního činidla. Teplota samovznícení plynného H2 ve vzduchu je 585 °C.
Zápalná energie je energie potřebná k zahájení šíření plamene hořlavou směsí. Minimální zápalná energie je minimální energie potřebná k zapálení konkrétní hořlavé směsi při určité teplotě a tlaku. Minimální energie zapálení jiskrou pro plynný H2 v 1 atm vzduchu = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Meze výbušnosti jsou maximální a minimální koncentrace par, mlh nebo prachu ve vzduchu nebo kyslíku, při kterých dochází k výbuchu. Tyto meze jsou určeny velikostí a geometrií prostředí, stejně jako koncentrací paliva. „Mez výbušnosti“ se někdy používá jako synonymum pro „mez výbušnosti“.
Meze výbušnosti pro směsi H2 ve vzduchu jsou 18,3 obj. % (dolní mez) a 59 obj. % (horní mez).
Při navrhování potrubních systémů (obrázek 1) je prvním krokem určení stavebních materiálů potřebných pro každý typ kapaliny. Každá kapalina bude klasifikována v souladu s odstavcem ASME B31.3. Článek 300(b)(1) uvádí: „Vlastník je také zodpovědný za určení potrubí třídy D, M, vysokého tlaku a vysoké čistoty a za určení, zda by měl být použit konkrétní systém jakosti.“
Kategorizace kapalin definuje stupeň testování a typ požadovaného testování, jakož i mnoho dalších požadavků založených na kategorii kapaliny. Odpovědnost za to obvykle nese technické oddělení vlastníka nebo externí inženýr.
Ačkoli norma B31.3 pro procesní potrubí neříká majiteli, jaký materiál má použít pro konkrétní kapalinu, poskytuje pokyny ohledně pevnosti, tloušťky a požadavků na spojování materiálů. V úvodu normy jsou také dvě jasná prohlášení:
A dále rozveďte první odstavec výše, odstavec B31.3. 300(b)(1) také uvádí: „Vlastník potrubního zařízení je výhradně odpovědný za dodržování tohoto předpisu a za stanovení požadavků na návrh, konstrukci, inspekci, inspekci a testování, které upravují veškerou manipulaci s tekutinami nebo procesy, jejichž je potrubí součástí. Instalace.“ Po stanovení základních pravidel odpovědnosti a požadavků na definování kategorií fluidních služeb se tedy podívejme, kam patří plynný vodík.
Protože plynný vodík se chová jako těkavá kapalina s netěsnostmi, lze jej považovat za běžnou kapalinu nebo kapalinu třídy M podle kategorie B31.3 pro provoz s kapalinami. Jak je uvedeno výše, klasifikace manipulace s kapalinami je požadavkem vlastníka, pokud splňuje pokyny pro vybrané kategorie popsané v B31.3, odstavec 3. 300.2 Definice v části „Hydraulické provozy“. Následují definice pro běžný provoz s kapalinami a provoz s kapalinami třídy M:
„Normální provoz s kapalinami: Provoz s kapalinami použitelný pro většinu potrubí podléhajících tomuto předpisu, tj. nepodléhajících předpisům pro třídy D, M, vysoké teploty, vysoké tlaky nebo vysokou čistotu kapalin.“
(1) Toxicita kapaliny je tak vysoká, že i jednorázové vystavení velmi malému množství kapaliny způsobené únikem může způsobit vážné trvalé zranění osobám, které ji vdechnou nebo s ní přijdou do styku, a to i v případě, že jsou přijata okamžitá záchranná opatření.
(2) Po zvážení návrhu potrubí, zkušeností, provozních podmínek a umístění vlastník rozhodne, že požadavky pro běžné použití kapaliny nejsou dostatečné k zajištění těsnosti nezbytné k ochraně personálu před expozicí.“
Ve výše uvedené definici M plynný vodík nesplňuje kritéria odstavce (1), protože není považován za toxickou kapalinu. Použitím odstavce (2) však předpis umožňuje klasifikaci hydraulických systémů ve třídě M po řádném zvážení „…konstrukce potrubí, zkušeností, provozních podmínek a umístění…“. Vlastník umožňuje určení běžné manipulace s kapalinou. Požadavky nejsou dostatečné k uspokojení potřeby vyšší úrovně integrity při návrhu, konstrukci, inspekci, kontrole a testování potrubních systémů pro plynný vodík.
Před diskusí o vysokoteplotní vodíkové korozi (HTHA) si prosím přečtěte tabulku 1. V této tabulce jsou uvedeny předpisy, normy a předpisy, které zahrnují šest dokumentů na téma vodíkové křehnutí (HE), což je běžná korozní anomálie, jejíž součástí je i HTHA. OH se může vyskytovat při nízkých i vysokých teplotách. Považuje se za formu koroze, může být iniciována několika způsoby a může ovlivnit širokou škálu materiálů.
HE má různé formy, které lze rozdělit na vodíkové praskání (HAC), vodíkové praskání v napětí (HSC), korozní praskání v napětí (SCC), korozní praskání v vodíku (HACC), bublání vodíku (HB), vodíkové praskání (HIC), vodíkové praskání orientované na napětí (SOHIC), progresivní praskání (SWC), sulfidické praskání v napětí (SSC), praskání v měkkých zónách (SZC) a vodíkovou korozi za vysokých teplot (HTHA).
Ve své nejjednodušší formě je vodíkové křehnutí mechanismem pro destrukci hranic kovových zrn, což vede ke snížení tažnosti v důsledku pronikání atomárního vodíku. Způsoby, jakými k tomu dochází, se liší a jsou částečně definovány jejich příslušnými názvy, například HTHA, kde je pro křehnutí zapotřebí současně vodík za vysoké teploty a vysokého tlaku, a SSC, kde se atomární vodík vytváří v uzavřených plynech a vodíku. V důsledku kyselé koroze prosakují do kovových pouzder, což může vést ke křehnutí. Celkový výsledek je však stejný jako u všech výše popsaných případů vodíkového křehnutí, kdy je pevnost kovu snížena křehnutím pod jeho povolený rozsah napětí, což zase vytváří podmínky pro potenciálně katastrofickou událost vzhledem k těkavosti kapaliny.
Kromě tloušťky stěny a mechanických vlastností spoje je třeba při výběru materiálů pro provoz s plynným vodíkem (H2) zvážit dva hlavní faktory: 1. Vystavení vysokoteplotnímu vodíku (HTHA) a 2. Vážné obavy z možného úniku. Obě témata jsou v současné době předmětem diskuse.
Na rozdíl od molekulárního vodíku se atomární vodík může rozpínat a vystavovat ho vysokým teplotám a tlakům, čímž vytváří základ pro potenciální HTHA (heavy-threaded accumbens - tepelná nehoda s vysokou teplotou). Za těchto podmínek je atomární vodík schopen difundovat do potrubních materiálů nebo zařízení z uhlíkové oceli, kde reaguje s uhlíkem v kovovém roztoku za vzniku metanu na hranicích zrn. Plyn, který nemůže uniknout, se rozpíná a vytváří praskliny a štěrbiny ve stěnách trubek nebo nádob – jedná se o HTGA (heavy-threaded accumbens - tepelnou nehodu s vysokou teplotou). Výsledky HTHA můžete jasně vidět na obrázku 2, kde jsou praskliny a štěrbiny patrné ve stěně o průměru 8″. Část potrubí o jmenovité velikosti (NPS), která za těchto podmínek selže.
Uhlíková ocel může být použita pro provoz s vodíkem, pokud je provozní teplota udržována pod 500 °F (260 °C). Jak již bylo uvedeno výše, k vysoké teplotě HTHA (heavy-threading thermal chaos) dochází, když je plynný vodík udržován při vysokém parciálním tlaku a vysoké teplotě. Uhlíková ocel se nedoporučuje, pokud se očekává parciální tlak vodíku kolem 3000 psi (267,6 MPa) a teplota je nad přibližně 450 °F (což je stav nehody na obrázku 2).
Jak je patrné z upraveného Nelsonova grafu na obrázku 3, částečně převzatého z API 941, vysoká teplota má největší vliv na působení vodíku. Parciální tlak plynného vodíku může překročit 1000 psi, pokud je použit s uhlíkovými ocelemi pracujícími při teplotách až 500 °F.
Obrázek 3. Tento upravený Nelsonův graf (adaptovaný z API 941) lze použít k výběru vhodných materiálů pro provoz s vodíkem při různých teplotách.
Na obr. 3 je znázorněn výběr ocelí, u kterých je zaručeno, že se vyhnou působení vodíku, v závislosti na provozní teplotě a parciálním tlaku vodíku. Austenitické nerezové oceli jsou necitlivé na HTHA a jsou uspokojivými materiály za všech teplot a tlaků.
Austenitická nerezová ocel 316/316L je nejpraktičtějším materiálem pro vodíkové aplikace a má osvědčené výsledky. Zatímco tepelné zpracování po svařování (PWHT) se doporučuje pro uhlíkové oceli k kalcinaci zbytkového vodíku během svařování a ke snížení tvrdosti tepelně ovlivněné zóny (HAZ) po svařování, u austenitických nerezových ocelí se nevyžaduje.
Termotermické efekty způsobené tepelným zpracováním a svařováním mají malý vliv na mechanické vlastnosti austenitických nerezových ocelí. Tváření za studena však může zlepšit mechanické vlastnosti austenitických nerezových ocelí, jako je pevnost a tvrdost. Při ohýbání a tvarování trubek z austenitické nerezové oceli se mění jejich mechanické vlastnosti, včetně snížení plasticity materiálu.
Pokud austenitická nerezová ocel vyžaduje tváření za studena, žíhání v roztoku (zahřátí na přibližně 1045 °C s následným kalením nebo rychlým ochlazením) obnoví mechanické vlastnosti materiálu na jejich původní hodnoty. Také eliminuje segregaci slitiny, senzibilizaci a sigma fázi dosaženou po tváření za studena. Při provádění žíhání v roztoku je třeba mít na paměti, že rychlé ochlazení může při nesprávném zacházení vnést do materiálu zbytkové pnutí.
Pro výběr vhodných materiálů pro použití s ​​H2 viz tabulky GR-2.1.1-1 Index specifikací materiálů pro potrubí a trubkové sestavy a GR-2.1.1-2 Index specifikací materiálů pro potrubí v normě ASME B31. Dobrým výchozím bodem jsou trubky.
S standardní atomovou hmotností 1,008 atomových hmotnostních jednotek (amu) je vodík nejlehčím a nejmenším prvkem v periodické tabulce, a proto má vysoký sklon k únikům, což by, dovolte mi dodat, mohlo mít zničující následky. Proto musí být systém plynovodů navržen tak, aby se omezila mechanická spojení a zlepšila ta spojení, která jsou skutečně potřebná.
Při omezování potenciálních míst netěsností by měl být systém kompletně svařen, s výjimkou přírubových spojů na zařízeních, potrubních prvcích a armaturách. Závitovým spojům je třeba se co nejvíce vyhnout, ne-li zcela. Pokud se závitovým spojům z jakéhokoli důvodu nelze vyhnout, doporučuje se je plně zasunout bez těsnicího materiálu na závity a poté svar utěsnit. Při použití trubek z uhlíkové oceli musí být spoje trubek svařeny na tupo a po svařování tepelně zpracovány (PWHT). Po svařování jsou trubky v tepelně ovlivněné zóně (HAZ) vystaveny působení vodíku i při okolní teplotě. Zatímco k působení vodíku dochází primárně při vysokých teplotách, fáze PWHT tuto možnost zcela sníží, ne-li zcela eliminuje, a to i za okolních podmínek.
Slabou stránkou celosvařovaného systému je přírubový spoj. Pro zajištění vysokého stupně těsnosti přírubových spojů by se měla používat těsnění Kammprofile (obr. 4) nebo jiný typ těsnění. Tato podložka, vyrobená téměř stejným způsobem několika výrobci, je velmi tolerantní. Skládá se z ozubených celokovových kroužků vložených mezi měkké, deformovatelné těsnicí materiály. Zuby koncentrují zatížení šroubu na menší plochu, čímž zajišťují těsné uložení s menším namáháním. Je navržena tak, aby dokázala kompenzovat nerovné povrchy přírub i kolísavé provozní podmínky.
Obrázek 4. Těsnění Kammprofile mají kovové jádro spojené na obou stranách měkkou výplní.
Dalším důležitým faktorem pro integritu systému je ventil. Netěsnosti kolem těsnění vřetene a přírub tělesa představují skutečný problém. Aby se tomu zabránilo, doporučuje se zvolit ventil s vlnovcovým těsněním.
Použijte 1 palec. Trubka z uhlíkové oceli School 80, v našem příkladu níže, s ohledem na výrobní tolerance, korozní a mechanické tolerance v souladu s normou ASTM A106 Gr B, lze maximální povolený pracovní tlak (MAWP) vypočítat ve dvou krocích při teplotách do 300 °F (Poznámka: Důvod pro „…pro teploty do 300 °F…“ je ten, že povolené napětí (S) materiálu ASTM A106 Gr B se začíná zhoršovat, když teplota překročí 300 °F (S), takže rovnice (1) vyžaduje úpravu na teploty nad 300 °F.)
S odkazem na vzorec (1) je prvním krokem výpočet teoretického tlaku prasknutí potrubí.
T = tloušťka stěny trubky mínus mechanické, korozní a výrobní tolerance v palcích.
Druhou částí procesu je výpočet maximálního povoleného provozního tlaku Pa potrubí aplikací součinitele bezpečnosti S f na výsledek P podle rovnice (2):
Při použití materiálu School 80 o tloušťce 1″ se tedy tlak v roztržení vypočítá takto:
Poté se použije bezpečnostní koeficient Sf 4 v souladu s doporučeními ASME pro tlakové nádoby, oddíl VIII-1 2019, odstavec 8. UG-101 se vypočítá takto:
Výsledná hodnota MAWP je 810 psi. To se týká pouze potrubí. Přírubový spoj nebo součást s nejnižším jmenovitým tlakem v systému bude určujícím faktorem pro určení povoleného tlaku v systému.
Podle normy ASME B16.5 je maximální povolený provozní tlak pro přírubové tvarovky z uhlíkové oceli 150 285 psi na palec při teplotě -20 °F až 100 °F. Třída 300 má maximální povolený provozní tlak 740 psi. Toto bude mezní tlakový faktor systému podle níže uvedeného příkladu materiálové specifikace. Také pouze při hydrostatických zkouškách mohou tyto hodnoty překročit 1,5krát.
Jako příklad základní materiálové specifikace uhlíkové oceli může specifikace přívodního potrubí plynu H2 provozovaného při okolní teplotě pod konstrukčním tlakem 740 psi⁻¹ obsahovat materiálové požadavky uvedené v tabulce 2. Následují typy, kterým může být třeba věnovat pozornost ve specifikaci:
Kromě samotného potrubí existuje mnoho prvků, které tvoří potrubní systém, jako jsou armatury, ventily, potrubní zařízení atd. I když mnoho z těchto prvků bude v potrubí sestaveno dohromady, aby bylo možné je podrobněji probrat, bude to vyžadovat více stránek, než se do něj vejde. Tento článek.