Mae'r trosolwg hwn yn darparu argymhellion ar gyfer dylunio systemau pibellau ar gyfer dosbarthu hydrogen yn ddiogel.
Mae hydrogen yn hylif anwadal iawn gyda thuedd uchel i ollwng. Mae'n gyfuniad peryglus a marwol iawn o dueddiadau, hylif anwadal sy'n anodd ei reoli. Dyma dueddiadau i'w hystyried wrth ddewis deunyddiau, gasgedi a morloi, yn ogystal â nodweddion dylunio systemau o'r fath. Y pynciau hyn am ddosbarthiad H2 nwyol yw ffocws y drafodaeth hon, nid cynhyrchu H2, H2 hylifol, neu H2 hylifol (gweler y bar ochr dde).
Dyma ychydig o bwyntiau allweddol i'ch helpu i ddeall y cymysgedd o hydrogen a H2-aer. Mae hydrogen yn llosgi mewn dwy ffordd: llosgi a ffrwydrad.
llosgi. Mae llosgi yn ddull hylosgi cyffredin lle mae fflamau'n teithio trwy'r cymysgedd ar gyflymder issonig. Mae hyn yn digwydd, er enghraifft, pan fydd cwmwl rhydd o gymysgedd hydrogen-aer yn cael ei danio gan ffynhonnell danio fach. Yn yr achos hwn, bydd y fflam yn symud ar gyflymder o ddeg i gannoedd o droedfeddi yr eiliad. Mae ehangu cyflym nwy poeth yn creu tonnau pwysau y mae eu cryfder yn gymesur â maint y cwmwl. Mewn rhai achosion, gall grym y don sioc fod yn ddigon i niweidio strwythurau adeiladau a gwrthrychau eraill yn ei llwybr ac achosi anaf.
ffrwydro. Pan ffrwydrodd, teithiodd fflamau a thonnau sioc drwy'r gymysgedd ar gyflymder uwchsonig. Mae'r gymhareb pwysau mewn ton ffrwydro yn llawer mwy nag mewn ffrwydrad. Oherwydd y grym cynyddol, mae'r ffrwydrad yn fwy peryglus i bobl, adeiladau a gwrthrychau cyfagos. Mae ffrwydrad arferol yn achosi ffrwydrad pan gaiff ei danio mewn lle cyfyng. Mewn ardal mor gul, gellir achosi tanio gan y swm lleiaf o ynni. Ond ar gyfer ffrwydro cymysgedd hydrogen-aer mewn lle diderfyn, mae angen ffynhonnell danio fwy pwerus.
Mae'r gymhareb pwysau ar draws y don ffrwydro mewn cymysgedd hydrogen-aer tua 20. Ar bwysedd atmosfferig, mae cymhareb o 20 yn 300 psi. Pan fydd y don bwysedd hon yn gwrthdaro â gwrthrych llonydd, mae'r gymhareb pwysau yn cynyddu i 40-60. Mae hyn oherwydd adlewyrchiad ton bwysedd o rwystr llonydd.
Tueddiad i ollwng. Oherwydd ei gludedd isel a'i bwysau moleciwlaidd isel, mae gan nwy H2 duedd uchel i ollwng a hyd yn oed dreiddio neu dreiddio amrywiol ddefnyddiau.
Mae hydrogen 8 gwaith yn ysgafnach na nwy naturiol, 14 gwaith yn ysgafnach nag aer, 22 gwaith yn ysgafnach na phropan a 57 gwaith yn ysgafnach nag anwedd gasoline. Mae hyn yn golygu, pan gaiff ei osod yn yr awyr agored, y bydd y nwy H2 yn codi ac yn gwasgaru'n gyflym, gan leihau unrhyw arwyddion o ollyngiadau hyd yn oed. Ond gall fod yn gleddyf daufiniog. Gall ffrwydrad ddigwydd os yw weldio i'w wneud ar osodiad awyr agored uwchben neu i lawr y gwynt o ollyngiad H2 heb astudiaeth canfod gollyngiadau cyn weldio. Mewn gofod caeedig, gall nwy H2 godi a chronni o'r nenfwd i lawr, cyflwr sy'n caniatáu iddo gronni i gyfrolau mawr cyn bod yn fwy tebygol o ddod i gysylltiad â ffynonellau tanio ger y ddaear.
Tân damweiniol. Mae hunan-danio yn ffenomen lle mae cymysgedd o nwyon neu anweddau yn tanio'n ddigymell heb ffynhonnell danio allanol. Fe'i gelwir hefyd yn "hylosgiad digymell" neu "hylosgiad digymell". Mae hunan-danio yn dibynnu ar dymheredd, nid pwysau.
Y tymheredd hunan-danio yw'r tymheredd isaf y bydd tanwydd yn tanio'n ddigymell cyn tanio yn absenoldeb ffynhonnell danio allanol ar ôl dod i gysylltiad ag aer neu asiant ocsideiddio. Tymheredd hunan-danio powdr sengl yw'r tymheredd y mae'n tanio'n ddigymell yn absenoldeb asiant ocsideiddio. Tymheredd hunan-danio H2 nwyol mewn aer yw 585°C.
Yr ynni tanio yw'r ynni sydd ei angen i gychwyn lledaeniad fflam trwy gymysgedd hylosg. Yr ynni tanio lleiaf yw'r ynni lleiaf sydd ei angen i danio cymysgedd hylosg penodol ar dymheredd a phwysau penodol. Yr ynni tanio gwreichion lleiaf ar gyfer H2 nwyol mewn 1 atm o aer = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Terfynau ffrwydrol yw'r crynodiadau uchaf ac isaf o anweddau, niwloedd neu lwch mewn aer neu ocsigen lle mae ffrwydrad yn digwydd. Maint a geometreg yr amgylchedd, yn ogystal â chrynodiad y tanwydd, sy'n rheoli'r terfynau. Weithiau defnyddir "terfyn ffrwydrad" fel cyfystyr â "therfyn ffrwydrad".
Y terfynau ffrwydrol ar gyfer cymysgeddau H2 mewn aer yw 18.3% cyf. (terfyn isaf) a 59% cyf. (terfyn uchaf).
Wrth ddylunio systemau pibellau (Ffigur 1), y cam cyntaf yw pennu'r deunyddiau adeiladu sydd eu hangen ar gyfer pob math o hylif. A bydd pob hylif yn cael ei ddosbarthu yn unol â pharagraff ASME B31.3. Mae 300(b)(1) yn nodi, “Mae'r perchennog hefyd yn gyfrifol am bennu pibellau dosbarth D, M, pwysedd uchel, a phurdeb uchel, a phenderfynu a ddylid defnyddio system ansawdd benodol.”
Mae categoreiddio hylifau yn diffinio gradd y profion a'r math o brofion sydd eu hangen, yn ogystal â llawer o ofynion eraill yn seiliedig ar y categori hylif. Fel arfer, adran beirianneg y perchennog neu beiriannydd allanol sy'n gyfrifol am hyn.
Er nad yw Cod Pibellau Proses B31.3 yn dweud wrth y perchennog pa ddeunydd i'w ddefnyddio ar gyfer hylif penodol, mae'n darparu canllawiau ar gryfder, trwch, a gofynion cysylltu deunydd. Mae dau ddatganiad hefyd yn y cyflwyniad i'r cod sy'n nodi'n glir:
Ac ymhelaethwch ar y paragraff cyntaf uchod, mae paragraff B31.3. 300(b)(1) hefyd yn nodi: “Perchennog gosodiad piblinell sy’n gyfrifol yn unig am gydymffurfio â’r Cod hwn ac am sefydlu’r gofynion dylunio, adeiladu, archwilio, archwilio a phrofi sy’n llywodraethu’r holl drin hylif neu broses y mae’r biblinell yn rhan ohoni. Gosodiad.” Felly, ar ôl gosod rhai rheolau sylfaenol ar gyfer atebolrwydd a gofynion ar gyfer diffinio categorïau gwasanaeth hylif, gadewch i ni weld ble mae nwy hydrogen yn ffitio i mewn.
Gan fod nwy hydrogen yn gweithredu fel hylif anweddol gyda gollyngiadau, gellir ystyried nwy hydrogen yn hylif arferol neu'n hylif Dosbarth M o dan gategori B31.3 ar gyfer gwasanaeth hylif. Fel y nodwyd uchod, mae dosbarthu trin hylif yn ofyniad i'r perchennog, ar yr amod ei fod yn bodloni'r canllawiau ar gyfer y categorïau a ddewiswyd a ddisgrifir yn B31.3, paragraff 3. Diffiniadau 300.2 yn yr adran "Gwasanaethau hydrolig". Dyma ddiffiniadau ar gyfer gwasanaeth hylif arferol a gwasanaeth hylif Dosbarth M:
“Gwasanaeth Hylif Arferol: Gwasanaeth hylif sy’n berthnasol i’r rhan fwyaf o bibellau sy’n ddarostyngedig i’r cod hwn, h.y. nid ydynt yn ddarostyngedig i reoliadau ar gyfer dosbarthiadau D, M, tymheredd uchel, pwysedd uchel, na glendid hylif uchel.
(1) Mae gwenwyndra'r hylif mor fawr fel y gall un amlygiad i swm bach iawn o'r hylif a achosir gan ollyngiad achosi anaf parhaol difrifol i'r rhai sy'n ei anadlu neu'n dod i gysylltiad ag ef, hyd yn oed os cymerir mesurau adfer ar unwaith.
(2) Ar ôl ystyried dyluniad y biblinell, profiad, amodau gweithredu, a lleoliad, mae'r perchennog yn penderfynu nad yw'r gofynion ar gyfer defnydd arferol o'r hylif yn ddigonol i ddarparu'r tyndra sy'n angenrheidiol i amddiffyn personél rhag dod i gysylltiad ag ef.
Yn y diffiniad uchod o M, nid yw nwy hydrogen yn bodloni meini prawf paragraff (1) oherwydd nad yw'n cael ei ystyried yn hylif gwenwynig. Fodd bynnag, drwy gymhwyso is-adran (2), mae'r Cod yn caniatáu dosbarthu systemau hydrolig yn nosbarth M ar ôl ystyried yn briodol “…dyluniad pibellau, profiad, amodau gweithredu a lleoliad…” Mae'r perchennog yn caniatáu penderfynu ar drin hylif arferol. Nid yw'r gofynion yn ddigonol i ddiwallu'r angen am lefel uwch o uniondeb wrth ddylunio, adeiladu, archwilio, archwilio a phrofi systemau pibellau nwy hydrogen.
Cyfeiriwch at Dabl 1 cyn trafod Cyrydiad Hydrogen Tymheredd Uchel (HTHA). Rhestrir codau, safonau a rheoliadau yn y tabl hwn, sy'n cynnwys chwe dogfen ar bwnc brauhau hydrogen (HE), anomaledd cyrydiad cyffredin sy'n cynnwys HTHA. Gall OH ddigwydd ar dymheredd isel ac uchel. Wedi'i ystyried yn fath o gyrydiad, gall gael ei gychwyn mewn sawl ffordd a hefyd effeithio ar ystod eang o ddeunyddiau.
Mae gan HE amrywiol ffurfiau, y gellir eu rhannu'n gracio hydrogen (HAC), cracio straen hydrogen (HSC), cracio cyrydiad straen (SCC), cracio cyrydiad hydrogen (HACC), swigod hydrogen (HB), cracio hydrogen (HIC), cracio hydrogen sy'n canolbwyntio ar straen (SOHIC), cracio cynyddol (SWC), cracio straen sylffid (SSC), cracio parth meddal (SZC), a chyrydiad hydrogen tymheredd uchel (HTHA).
Yn ei ffurf symlaf, mae brau hydrogen yn fecanwaith ar gyfer dinistrio ffiniau grawn metel, gan arwain at lai o hydwythedd oherwydd treiddiad hydrogen atomig. Mae'r ffyrdd y mae hyn yn digwydd yn amrywiol ac fe'u diffinnir yn rhannol gan eu henwau priodol, megis HTHA, lle mae angen hydrogen tymheredd uchel a phwysedd uchel ar yr un pryd ar gyfer brau, ac SSC, lle mae hydrogen atomig yn cael ei gynhyrchu fel nwyon caeedig a hydrogen. Oherwydd cyrydiad asid, maent yn treiddio i mewn i gasys metel, a all arwain at frau. Ond mae'r canlyniad cyffredinol yr un fath ag ar gyfer pob achos o frau hydrogen a ddisgrifiwyd uchod, lle mae cryfder y metel yn cael ei leihau gan frau islaw ei ystod straen a ganiateir, sydd yn ei dro yn gosod y llwyfan ar gyfer digwyddiad a allai fod yn drychinebus o ystyried anwadalrwydd yr hylif.
Yn ogystal â thrwch wal a pherfformiad cymalau mecanyddol, mae dau brif ffactor i'w hystyried wrth ddewis deunyddiau ar gyfer gwasanaeth nwy H2: 1. Amlygiad i hydrogen tymheredd uchel (HTHA) a 2. Pryderon difrifol ynghylch gollyngiadau posibl. Mae'r ddau bwnc yn cael eu trafod ar hyn o bryd.
Yn wahanol i hydrogen moleciwlaidd, gall hydrogen atomig ehangu, gan amlygu'r hydrogen i dymheredd a phwysau uchel, gan greu'r sail ar gyfer HTHA posibl. O dan yr amodau hyn, mae hydrogen atomig yn gallu tryledu i ddeunyddiau neu offer pibellau dur carbon, lle mae'n adweithio â charbon mewn hydoddiant metelaidd i ffurfio nwy methan ar ffiniau grawn. Gan nad yw'n gallu dianc, mae'r nwy yn ehangu, gan greu craciau a holltau yn waliau pibellau neu lestri - dyma HTGA. Gallwch weld canlyniadau'r HTHA yn glir yn Ffigur 2 lle mae craciau a holltau yn amlwg yn y wal 8″. Y rhan o bibell maint enwol (NPS) sy'n methu o dan yr amodau hyn.
Gellir defnyddio dur carbon ar gyfer gwasanaeth hydrogen pan gynhelir y tymheredd gweithredu islaw 500°F. Fel y soniwyd uchod, mae HTHA yn digwydd pan gedwir nwy hydrogen ar bwysedd rhannol uchel a thymheredd uchel. Ni argymhellir dur carbon pan ddisgwylir i'r pwysedd rhannol hydrogen fod tua 3000 psi a bod y tymheredd uwchlaw tua 450°F (sef y cyflwr damwain yn Ffigur 2).
Fel y gwelir o'r plot Nelson wedi'i addasu yn Ffigur 3, a gymerwyd yn rhannol o API 941, tymheredd uchel sydd â'r effaith fwyaf ar orfodi hydrogen. Gall pwysedd rhannol nwy hydrogen fod yn fwy na 1000 psi pan gaiff ei ddefnyddio gyda dur carbon sy'n gweithredu ar dymheredd hyd at 500°F.
Ffigur 3. Gellir defnyddio'r siart Nelson wedi'i haddasu hwn (wedi'i addasu o API 941) i ddewis deunyddiau addas ar gyfer gwasanaeth hydrogen ar wahanol dymheredd.
Ar ffig. 3 dangosir y dewis o ddur sydd wedi'u gwarantu i osgoi ymosodiad hydrogen, yn dibynnu ar y tymheredd gweithredu a phwysau rhannol hydrogen. Mae duroedd gwrthstaen austenitig yn ansensitif i HTHA ac maent yn ddeunyddiau boddhaol ym mhob tymheredd a phwysau.
Dur gwrthstaen austenitig 316/316L yw'r deunydd mwyaf ymarferol ar gyfer cymwysiadau hydrogen ac mae ganddo hanes profedig. Er bod triniaeth gwres ar ôl weldio (PWHT) yn cael ei hargymell ar gyfer dur carbon i galchynnu hydrogen gweddilliol yn ystod weldio a lleihau caledwch parth yr effeithir arno gan wres (HAZ) ar ôl weldio, nid yw'n ofynnol ar gyfer dur gwrthstaen austenitig.
Mae effeithiau thermothermol a achosir gan driniaeth wres a weldio yn cael ychydig o effaith ar briodweddau mecanyddol dur gwrthstaen austenitig. Fodd bynnag, gall gweithio oer wella priodweddau mecanyddol dur gwrthstaen austenitig, megis cryfder a chaledwch. Wrth blygu a ffurfio pibellau o ddur gwrthstaen austenitig, mae eu priodweddau mecanyddol yn newid, gan gynnwys y gostyngiad ym mhlastigedd y deunydd.
Os oes angen ffurfio dur gwrthstaen austenitig yn oer, bydd anelio toddiant (gwresogi i tua 1045°C ac yna diffodd neu oeri cyflym) yn adfer priodweddau mecanyddol y deunydd i'w gwerthoedd gwreiddiol. Bydd hefyd yn dileu'r gwahanu aloi, y sensitifrwydd a'r cyfnod sigma a gyflawnir ar ôl gweithio'n oer. Wrth berfformio anelio toddiant, byddwch yn ymwybodol y gall oeri cyflym roi straen gweddilliol yn ôl i'r deunydd os na chaiff ei drin yn iawn.
Cyfeiriwch at dablau GR-2.1.1-1 Mynegai Manyleb Deunydd Cynulliad Pibellau a Thiwbiau a GR-2.1.1-2 Mynegai Manyleb Deunydd Pibellau yn ASME B31 ar gyfer dewisiadau deunydd derbyniol ar gyfer gwasanaeth H2. Mae pibellau yn lle da i ddechrau.
Gyda phwysau atomig safonol o 1.008 uned màs atomig (amu), hydrogen yw'r elfen ysgafnaf a lleiaf ar y tabl cyfnodol, ac felly mae ganddo duedd uchel i ollwng, gyda chanlyniadau dinistriol o bosibl, dylwn ychwanegu. Felly, rhaid dylunio'r system biblinell nwy mewn ffordd sy'n cyfyngu ar gysylltiadau math mecanyddol ac yn gwella'r cysylltiadau hynny sydd eu hangen mewn gwirionedd.
Wrth gyfyngu ar bwyntiau gollyngiad posibl, dylid weldio'r system yn llawn, ac eithrio cysylltiadau fflans ar offer, elfennau pibellau a ffitiadau. Dylid osgoi cysylltiadau edau cyn belled ag y bo modd, os nad yn llwyr. Os na ellir osgoi cysylltiadau edau am unrhyw reswm, argymhellir eu cysylltu'n llawn heb seliwr edau ac yna selio'r weldiad. Wrth ddefnyddio pibell ddur carbon, rhaid weldio'r cymalau pibellau â phen-ôl a'u trin â gwres ar ôl weldio (PWHT). Ar ôl weldio, mae pibellau yn y parth yr effeithir arno gan wres (HAZ) yn agored i ymosodiad hydrogen hyd yn oed ar dymheredd amgylchynol. Er bod ymosodiad hydrogen yn digwydd yn bennaf ar dymheredd uchel, bydd y cam PWHT yn lleihau'r posibilrwydd hwn yn llwyr, os nad yn dileu, hyd yn oed o dan amodau amgylchynol.
Y pwynt gwan yn y system sydd wedi'i weldio'n llwyr yw'r cysylltiad fflans. Er mwyn sicrhau gradd uchel o dynnwch mewn cysylltiadau fflans, dylid defnyddio gasgedi Kammprofile (ffig. 4) neu fath arall o gasgedi. Wedi'i wneud bron yn yr un ffordd gan sawl gwneuthurwr, mae'r pad hwn yn faddeugar iawn. Mae'n cynnwys modrwyau metel danheddog wedi'u gwasgu rhwng deunyddiau selio meddal, anffurfiadwy. Mae'r dannedd yn crynhoi llwyth y bollt mewn ardal lai i ddarparu ffit dynn gyda llai o straen. Mae wedi'i gynllunio yn y fath fodd fel y gall wneud iawn am arwynebau fflans anwastad yn ogystal ag amodau gweithredu amrywiol.
Ffigur 4. Mae gan gasgedi Kammprofile graidd metel wedi'i bondio ar y ddwy ochr â llenwr meddal.
Ffactor pwysig arall yng nghyfanrwydd y system yw'r falf. Mae gollyngiadau o amgylch sêl y coesyn a fflans y corff yn broblem wirioneddol. Er mwyn atal hyn, argymhellir dewis falf gyda sêl megin.
Defnyddiwch 1 modfedd. Pibell ddur carbon Ysgol 80, yn ein hesiampl isod, o ystyried goddefiannau gweithgynhyrchu, cyrydiad a goddefiannau mecanyddol yn unol ag ASTM A106 Gr B, gellir cyfrifo'r pwysau gweithio uchaf a ganiateir (MAWP) mewn dau gam ar dymheredd hyd at 300°F (Nodyn: Y rheswm dros “…ar gyfer tymereddau hyd at 300ºF…” yw oherwydd bod y straen a ganiateir (S) o ddeunydd ASTM A106 Gr B yn dechrau dirywio pan fydd y tymheredd yn uwch na 300ºF.(S), felly mae Hafaliad (1) yn ei gwneud yn ofynnol Addasu i dymereddau uwchlaw 300ºF.)
Gan gyfeirio at fformiwla (1), y cam cyntaf yw cyfrifo pwysau byrstio damcaniaethol y biblinell.
T = trwch wal y bibell minws goddefiannau mecanyddol, cyrydiad a gweithgynhyrchu, mewn modfeddi.
Yr ail ran o'r broses yw cyfrifo'r pwysau gweithio mwyaf a ganiateir Pa ar gyfer y biblinell drwy gymhwyso'r ffactor diogelwch S f i'r canlyniad P yn ôl hafaliad (2):
Felly, wrth ddefnyddio deunydd ysgol 80 1″, cyfrifir y pwysau byrstio fel a ganlyn:
Yna cymhwysir Sf diogelwch o 4 yn unol ag Argymhellion Llestr Pwysedd ASME Adran VIII-1 2019, Paragraff 8. Cyfrifir UG-101 fel a ganlyn:
Y gwerth MAWP sy'n deillio o hyn yw 810 psi. Mae modfedd yn cyfeirio at bibell yn unig. Y cysylltiad fflans neu'r gydran gyda'r sgôr isaf yn y system fydd y ffactor penderfynol wrth bennu'r pwysau a ganiateir yn y system.
Yn ôl ASME B16.5, y pwysau gweithio uchaf a ganiateir ar gyfer ffitiadau fflans dur carbon 150 yw 285 psi. modfedd ar -20°F i 100°F. Mae gan Ddosbarth 300 bwysau gweithio uchaf a ganiateir o 740 psi. Dyma fydd ffactor terfyn pwysau'r system yn ôl yr enghraifft manyleb deunydd isod. Hefyd, mewn profion hydrostatig yn unig, gall y gwerthoedd hyn fod yn fwy na 1.5 gwaith.
Fel enghraifft o fanyleb deunydd dur carbon sylfaenol, gall manyleb llinell wasanaeth nwy H2 sy'n gweithredu ar dymheredd amgylchynol islaw pwysau dylunio o 740 psi. modfedd, gynnwys y gofynion deunydd a ddangosir yn Nhabl 2. Dyma'r mathau y gallai fod angen sylw iddynt i'w cynnwys yn y fanyleb:
Ar wahân i'r pibellau eu hunain, mae yna lawer o elfennau sy'n ffurfio'r system bibellau megis ffitiadau, falfiau, offer llinell, ac ati. Er y bydd llawer o'r elfennau hyn yn cael eu rhoi at ei gilydd mewn piblinell i'w trafod yn fanwl, bydd hyn yn gofyn am fwy o dudalennau nag y gellir eu cynnwys. Yr erthygl hon.