Denne oversigt giver anbefalinger til sikker design af rørsystemer til brintdistribution.
Brint er en meget flygtig væske med en høj tendens til lækage. Det er en meget farlig og dødelig kombination af tendenser, en flygtig væske, der er vanskelig at kontrollere. Dette er tendenser, man skal overveje, når man vælger materialer, pakninger og tætninger, samt designegenskaberne for sådanne systemer. Disse emner om distribution af gasformig H2 er fokus for denne diskussion, ikke produktionen af ​​H2, flydende H2 eller flydende H2 (se højre sidebjælke).
Her er et par nøglepunkter, der kan hjælpe dig med at forstå blandingen af ​​brint og H2-luft. Brint brænder på to måder: deflagration og eksplosion.
Deflagration. Deflagration er en almindelig forbrændingsmetode, hvor flammer bevæger sig gennem blandingen med subsoniske hastigheder. Dette sker for eksempel, når en fri sky af brint-luft-blanding antændes af en lille antændelseskilde. I dette tilfælde vil flammen bevæge sig med en hastighed på ti til flere hundrede fod i sekundet. Den hurtige udvidelse af varm gas skaber trykbølger, hvis styrke er proportional med skyens størrelse. I nogle tilfælde kan chokbølgens kraft være nok til at beskadige bygningskonstruktioner og andre genstande i dens vej og forårsage personskade.
eksplodere. Da den eksploderede, bevægede flammer og chokbølger sig gennem blandingen med supersoniske hastigheder. Trykforholdet i en detonationsbølge er meget større end i en detonation. På grund af den øgede kraft er eksplosionen farligere for mennesker, bygninger og genstande i nærheden. Normal deflagration forårsager en eksplosion, når den antændes i et lukket rum. I et så smalt område kan antændelse forårsages af den mindste mængde energi. Men til detonation af en brint-luftblanding i et ubegrænset rum kræves en kraftigere antændelseskilde.
Trykforholdet over detonationsbølgen i en blanding af brint og luft er omkring 20. Ved atmosfærisk tryk er et forhold på 20 300 psi. Når denne trykbølge kolliderer med et stationært objekt, stiger trykforholdet til 40-60. Dette skyldes refleksionen af ​​en trykbølge fra en stationær forhindring.
Tendens til lækage. På grund af sin lave viskositet og lave molekylvægt har H2-gas en høj tendens til at lække og endda trænge igennem eller gennemtrænge forskellige materialer.
Brint er 8 gange lettere end naturgas, 14 gange lettere end luft, 22 gange lettere end propan og 57 gange lettere end benzindamp. Det betyder, at H2-gassen, når den installeres udendørs, hurtigt vil stige op og forsvinde, hvilket reducerer tegn på lækager. Men det kan være et tveægget sværd. En eksplosion kan forekomme, hvis der skal svejses på en udendørs installation over eller nedvind fra en H2-lækage uden en lækagedetektionsundersøgelse før svejsning. I et lukket rum kan H2-gas stige op og akkumuleres fra loftet og ned, en tilstand, der gør det muligt for den at opbygge sig til store mængder, før den er mere tilbøjelig til at komme i kontakt med antændelseskilder nær jorden.
Utilsigtet brand. Selvantændelse er et fænomen, hvor en blanding af gasser eller dampe selvantændes uden en ekstern antændelseskilde. Det er også kendt som "spontan forbrænding" eller "spontan forbrænding". Selvantændelse afhænger af temperatur, ikke tryk.
Selvantændelsestemperaturen er den minimumstemperatur, hvorved et brændstof spontant antændes før antændelse i fravær af en ekstern antændelseskilde ved kontakt med luft eller et oxidationsmiddel. Selvantændelsestemperaturen for et enkelt pulver er den temperatur, hvorved det spontant antændes i fravær af et oxidationsmiddel. Selvantændelsestemperaturen for gasformig H2 i luft er 585 °C.
Antændelsesenergien er den energi, der kræves for at starte en flammes udbredelse gennem en brændbar blanding. Minimum antændelsesenergi er den minimale energi, der kræves for at antænde en bestemt brændbar blanding ved en bestemt temperatur og et bestemt tryk. Minimum gnisttændelsesenergi for gasformig H2 i 1 atm luft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Eksplosionsgrænser er de maksimale og minimale koncentrationer af dampe, tåger eller støv i luft eller ilt, hvor en eksplosion finder sted. Miljøets størrelse og geometri samt brændstoffets koncentration styrer grænserne. "Eksplosionsgrænse" bruges undertiden som et synonym for "eksplosionsgrænse".
Eksplosionsgrænserne for H2-blandinger i luft er 18,3 vol.% (nedre grænse) og 59 vol.% (øvre grænse).
Ved design af rørsystemer (figur 1) er det første trin at bestemme de nødvendige byggematerialer til hver type væske. Og hver væske vil blive klassificeret i overensstemmelse med ASME B31.3, afsnit 300(b)(1), hvor det står: "Ejeren er også ansvarlig for at bestemme klasse D, M, højtryks- og højrenhedsrør og for at afgøre, om et bestemt kvalitetssystem skal anvendes."
Væskekategorisering definerer graden af ​​testning og den nødvendige type testning, samt mange andre krav baseret på væskekategorien. Ejerens ansvar for dette ligger normalt hos ejerens ingeniørafdeling eller en outsourcet ingeniør.
Selvom B31.3-procesrørkoden ikke fortæller ejeren, hvilket materiale der skal bruges til en bestemt væske, giver den vejledning om styrke, tykkelse og krav til materialetilslutning. Der er også to udsagn i indledningen til koden, der tydeligt angiver:
Og uddyb ovenstående første afsnit, afsnit B31.3. 300(b)(1) angiver også: "Ejeren af ​​en rørledningsinstallation er eneansvarlig for at overholde denne kodeks og for at fastlægge de design-, konstruktions-, inspektions-, inspektions- og testkrav, der gælder for al væskehåndtering eller -proces, som rørledningen er en del af. Installation." Så efter at have fastlagt nogle grundregler for ansvar og krav til definition af væskeservicekategorier, lad os se, hvor brintgas passer ind i billedet.
Da brintgas fungerer som en flygtig væske med lækager, kan brintgas betragtes som en normal væske eller en klasse M-væske under kategori B31.3 til væskebrug. Som nævnt ovenfor er klassificeringen af ​​væskehåndtering et krav fra ejeren, forudsat at den opfylder retningslinjerne for de valgte kategorier beskrevet i B31.3, afsnit 3. 300.2 Definitioner i afsnittet "Hydrauliske tjenester". Følgende er definitioner for normal væskebrug og klasse M-væskebrug:
"Normal væskeanvendelse: Væskeanvendelse, der gælder for de fleste rør, der er underlagt denne kode, dvs. ikke underlagt regler for klasse D, M, høj temperatur, højt tryk eller høj væskerenhed."
(1) Væskens toksicitet er så stor, at en enkelt eksponering for en meget lille mængde væske forårsaget af en lækage kan forårsage alvorlig permanent skade på dem, der inhalerer eller kommer i kontakt med den, selv hvis der træffes øjeblikkelige genopretningsforanstaltninger.
(2) Efter at have overvejet rørledningens design, erfaring, driftsforhold og placering, fastslår ejeren, at kravene til normal brug af væsken ikke er tilstrækkelige til at give den nødvendige tæthed til at beskytte personale mod eksponering.
I ovenstående definition af M opfylder brintgas ikke kriterierne i stk. (1), fordi det ikke betragtes som en giftig væske. Ved at anvende stk. (2) tillader koden dog klassificering af hydrauliske systemer i klasse M efter behørig hensyntagen til "...rørdesign, erfaring, driftsforhold og placering..." Ejeren tillader bestemmelse af normal væskehåndtering. Kravene er utilstrækkelige til at opfylde behovet for et højere niveau af integritet i design, konstruktion, inspektion, inspektion og testning af brintgasrørsystemer.
Se tabel 1, før du diskuterer højtemperaturhydrogenkorrosion (HTHA). Denne tabel indeholder seks dokumenter om emnet hydrogenforsprødning (HE), en almindelig korrosionsanomali, der omfatter HTHA. OH kan forekomme ved lave og høje temperaturer. Den betragtes som en form for korrosion og kan initieres på flere måder og også påvirke en bred vifte af materialer.
HE har forskellige former, som kan opdeles i hydrogenrevnedannelse (HAC), hydrogenspændingsrevnedannelse (HSC), spændingskorrosionsrevnedannelse (SCC), hydrogenkorrosionsrevnedannelse (HACC), hydrogenbobling (HB), hydrogenrevnedannelse (HIC), spændingsorienteret hydrogenrevnedannelse (SOHIC), progressiv revnedannelse (SWC), sulfidspændingsrevnedannelse (SSC), blødzonerevnedannelse (SZC) og højtemperaturhydrogenkorrosion (HTHA).
I sin enkleste form er hydrogenforsprødning en mekanisme til ødelæggelse af metalkorngrænser, hvilket resulterer i reduceret duktilitet på grund af penetration af atomar hydrogen. Måderne, hvorpå dette sker, er varierede og er delvist defineret af deres respektive navne, såsom HTHA, hvor samtidig højtemperatur- og højtrykshydrogen er nødvendig for forsprødning, og SSC, hvor atomar hydrogen produceres som lukkede gasser, og hydrogen. På grund af syrekorrosion siver de ind i metalbeklædninger, hvilket kan føre til sprødhed. Men det samlede resultat er det samme som for alle tilfælde af hydrogenforsprødning beskrevet ovenfor, hvor metallets styrke reduceres ved forsprødning under dets tilladte spændingsområde, hvilket igen lægger grunden til en potentielt katastrofal begivenhed givet væskens flygtighed.
Ud over vægtykkelse og mekanisk fugeydelse er der to hovedfaktorer at overveje, når man vælger materialer til H2-gas: 1. Eksponering for højtemperaturhydrogen (HTHA) og 2. Alvorlig bekymring for potentiel lækage. Begge emner er i øjeblikket under diskussion.
I modsætning til molekylær brint kan atomar brint udvide sig og udsætte brinten for høje temperaturer og tryk, hvilket skaber grundlaget for potentiel HTHA. Under disse forhold kan atomar brint diffundere ind i rørmaterialer eller udstyr af kulstofstål, hvor det reagerer med kulstof i metallisk opløsning og danne metangas ved korngrænser. Da gassen ikke kan undslippe, udvider den sig og skaber revner og sprækker i væggene af rør eller beholdere – dette er HTGA. Du kan tydeligt se HTHA-resultaterne i figur 2, hvor revner og sprækker er tydelige i 8″-væggen. Den del af rør med nominel størrelse (NPS), der svigter under disse forhold.
Kulstofstål kan bruges til brintdrift, når driftstemperaturen holdes under 500°F. Som nævnt ovenfor opstår HTHA, når brintgas holdes ved højt partialtryk og høj temperatur. Kulstofstål anbefales ikke, når brintpartialtrykket forventes at være omkring 3000 psi, og temperaturen er over ca. 450°F (hvilket er ulykkestilstanden i figur 2).
Som det kan ses af det modificerede Nelson-plot i figur 3, delvist taget fra API 941, har høj temperatur den største effekt på hydrogenpåvirkningen. Hydrogengaspartialtrykket kan overstige 1000 psi, når det bruges med kulstofstål, der opererer ved temperaturer på op til 500°F.
Figur 3. Dette modificerede Nelson-diagram (tilpasset fra API 941) kan bruges til at vælge egnede materialer til brintbrug ved forskellige temperaturer.
Figur 3 viser valget af stål, der garanteret undgår hydrogenangreb, afhængigt af driftstemperatur og hydrogenets partialtryk. Austenitiske rustfrie stål er ufølsomme over for HTHA og er tilfredsstillende materialer ved alle temperaturer og tryk.
Austenitisk 316/316L rustfrit stål er det mest praktiske materiale til brintapplikationer og har en dokumenteret historik. Mens varmebehandling efter svejsning (PWHT) anbefales til kulstofstål for at kalcinere resterende brint under svejsning og reducere hårdheden i den varmepåvirkede zone (HAZ) efter svejsning, er det ikke påkrævet for austenitisk rustfrit stål.
Termotermiske effekter forårsaget af varmebehandling og svejsning har ringe effekt på de mekaniske egenskaber af austenitisk rustfrit stål. Koldbearbejdning kan dog forbedre de mekaniske egenskaber af austenitisk rustfrit stål, såsom styrke og hårdhed. Ved bøjning og formning af rør af austenitisk rustfrit stål ændres deres mekaniske egenskaber, herunder et fald i materialets plasticitet.
Hvis austenitisk rustfrit stål kræver koldformning, vil opløsningsglødning (opvarmning til ca. 1045 °C efterfulgt af bratkøling eller hurtig afkøling) gendanne materialets mekaniske egenskaber til dets oprindelige værdier. Det vil også eliminere legeringssegregeringen, sensibiliseringen og sigmafasen, der opnås efter koldbearbejdning. Vær opmærksom på, at hurtig afkøling kan give materialet restspændinger tilbage, hvis det ikke håndteres korrekt, når opløsningsglødning udføres.
Se tabellerne GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index og GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index i ASME B31 for acceptable materialevalg til H2-service. Rør er et godt sted at starte.
Med en standardatomvægt på 1,008 atommasseenheder (amu) er brint det letteste og mindste grundstof i det periodiske system og har derfor en høj tilbøjelighed til at lække, med potentielt ødelæggende konsekvenser, må jeg tilføje. Derfor skal gasledningssystemet designes på en sådan måde, at det begrænser mekaniske forbindelser og forbedrer de forbindelser, der virkelig er nødvendige.
Ved begrænsning af potentielle lækagepunkter bør systemet fuldsvejses, undtagen flangeforbindelser på udstyr, rørelementer og fittings. Gevindforbindelser bør undgås så vidt muligt, hvis ikke helt. Hvis gevindforbindelser af en eller anden grund ikke kan undgås, anbefales det at sætte dem helt i klemme uden gevindtætningsmiddel og derefter forsegle svejsningen. Ved brug af kulstofstålrør skal rørsamlingerne stuksvejses og eftersvejsningsvarmebehandles (PWHT). Efter svejsning udsættes rør i den varmepåvirkede zone (HAZ) for hydrogenangreb, selv ved omgivelsestemperatur. Mens hydrogenangreb primært forekommer ved høje temperaturer, vil PWHT-stadiet fuldstændigt reducere, hvis ikke eliminere, denne mulighed, selv under omgivelsesforhold.
Det svage punkt ved det fuldsvejsede system er flangeforbindelsen. For at sikre en høj grad af tæthed i flangeforbindelser bør Kammprofile-pakninger (fig. 4) eller en anden form for pakninger anvendes. Denne pakning, der er fremstillet på næsten samme måde af flere producenter, er meget tilgivende. Den består af fortandede helmetalringe klemt inde mellem bløde, deformerbare tætningsmaterialer. Tænderne koncentrerer boltens belastning på et mindre område for at give en tæt pasform med mindre belastning. Den er designet på en sådan måde, at den kan kompensere for ujævne flangeoverflader samt svingende driftsforhold.
Figur 4. Kammprofile-pakninger har en metalkerne bundet på begge sider med et blødt fyldstof.
En anden vigtig faktor for systemets integritet er ventilen. Utætheder omkring spindeltætningen og ventilhusets flanger er et reelt problem. For at forhindre dette anbefales det at vælge en ventil med bælgtætning.
Brug 1 tomme. School 80 kulstofstålrør, i vores eksempel nedenfor, givet fremstillingstolerancer, korrosion og mekaniske tolerancer i overensstemmelse med ASTM A106 Gr B, kan det maksimalt tilladte arbejdstryk (MAWP) beregnes i to trin ved temperaturer op til 300°F (Bemærk: Årsagen til "...for temperaturer op til 300ºF..." er, at den tilladte spænding (S) for ASTM A106 Gr B-materiale begynder at forringes, når temperaturen overstiger 300ºF. (S), så ligning (1) kræver justering til temperaturer over 300ºF.)
Med henvisning til formel (1) er det første trin at beregne rørledningens teoretiske sprængtryk.
T = rørets vægtykkelse minus mekaniske, korrosions- og fremstillingstolerancer, i tommer.
Den anden del af processen er at beregne det maksimalt tilladte arbejdstryk Pa for rørledningen ved at anvende sikkerhedsfaktoren S f på resultatet P i henhold til ligning (2):
Når man bruger 1″ School 80-materiale, beregnes sprængtrykket således som følger:
En sikkerheds-Sf på 4 anvendes derefter i overensstemmelse med ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 beregnet som følger:
Den resulterende MAWP-værdi er 810 psi. Tommer refererer kun til rør. Flangeforbindelsen eller komponenten med den laveste rating i systemet vil være den afgørende faktor for bestemmelse af det tilladte tryk i systemet.
I henhold til ASME B16.5 er det maksimalt tilladte arbejdstryk for 150 kulstofstålflangefittings 285 psi. tomme ved -20°F til 100°F. Klasse 300 har et maksimalt tilladt arbejdstryk på 740 psi. Dette vil være systemets trykgrænsefaktor i henhold til materialespecifikationseksemplet nedenfor. Kun i hydrostatiske tests kan disse værdier overstige 1,5 gange.
Som et eksempel på en grundlæggende specifikation for kulstofstålmateriale kan en H2-gasforsyningsledning, der opererer ved en omgivelsestemperatur under et designtryk på 740 psi. tomme, indeholde de materialekrav, der er vist i tabel 2. Følgende er typer, der kan kræve opmærksomhed for at blive inkluderet i specifikationen:
Udover selve rørsystemet er der mange elementer, der udgør rørsystemet, såsom fittings, ventiler, ledningsudstyr osv. Selvom mange af disse elementer vil blive samlet i en pipeline for at diskutere dem i detaljer, vil dette kræve flere sider, end der kan være plads til. Denne artikel.