Diese Übersicht gibt Empfehlungen für die sichere Konstruktion von Rohrleitungssystemen für die Wasserstoffverteilung.
Wasserstoff ist eine hochflüchtige Flüssigkeit mit hoher Leckageneigung. Es handelt sich um eine sehr gefährliche und tödliche Kombination von Eigenschaften, eine flüchtige Flüssigkeit, die schwer zu kontrollieren ist. Diese Trends sind bei der Auswahl von Materialien, Dichtungen und Verschlüssen sowie den Konstruktionsmerkmalen solcher Systeme zu berücksichtigen. Diese Themen rund um die Verteilung von gasförmigem H2 stehen im Mittelpunkt dieser Diskussion, nicht die Produktion von H2, flüssigem H2 oder flüssigem H2 (siehe rechte Seitenleiste).
Hier sind einige wichtige Punkte, die Ihnen helfen, das Gemisch aus Wasserstoff und H2-Luft zu verstehen. Wasserstoff verbrennt auf zwei Arten: Deflagration und Explosion.
Deflagration. Deflagration ist eine häufige Verbrennungsart, bei der sich Flammen mit Unterschallgeschwindigkeit durch das Gemisch bewegen. Dies geschieht beispielsweise, wenn eine freie Wolke aus Wasserstoff-Luft-Gemisch durch eine kleine Zündquelle entzündet wird. In diesem Fall bewegt sich die Flamme mit einer Geschwindigkeit von drei bis mehreren hundert Metern pro Sekunde. Die schnelle Ausdehnung des heißen Gases erzeugt Druckwellen, deren Stärke proportional zur Größe der Wolke ist. In manchen Fällen kann die Kraft der Stoßwelle ausreichen, um Gebäudestrukturen und andere Objekte in ihrem Weg zu beschädigen und Verletzungen zu verursachen.
explodieren. Bei der Explosion durchströmten Flammen und Stoßwellen das Gemisch mit Überschallgeschwindigkeit. Das Druckverhältnis einer Detonationswelle ist deutlich größer als bei einer Detonation. Aufgrund der erhöhten Kraft ist die Explosion gefährlicher für Menschen, Gebäude und Objekte in der Nähe. Eine normale Deflagration verursacht eine Explosion, wenn sie in einem geschlossenen Raum gezündet wird. In einem so engen Raum kann die Zündung durch geringste Energiemengen verursacht werden. Für die Detonation eines Wasserstoff-Luft-Gemisches in einem unbegrenzten Raum ist jedoch eine stärkere Zündquelle erforderlich.
Das Druckverhältnis der Detonationswelle in einem Wasserstoff-Luft-Gemisch beträgt etwa 20. Bei atmosphärischem Druck entspricht ein Verhältnis von 20 300 psi. Trifft diese Druckwelle auf ein stationäres Objekt, erhöht sich das Druckverhältnis auf 40–60. Dies ist auf die Reflexion der Druckwelle an einem stationären Hindernis zurückzuführen.
Leckageneigung. Aufgrund seiner niedrigen Viskosität und seines geringen Molekulargewichts neigt H2-Gas stark zum Austreten und sogar zum Durchdringen oder Eindringen in verschiedene Materialien.
Wasserstoff ist 8-mal leichter als Erdgas, 14-mal leichter als Luft, 22-mal leichter als Propan und 57-mal leichter als Benzindampf. Das bedeutet, dass H2-Gas bei Außeninstallationen schnell aufsteigt und sich verflüchtigt, wodurch selbst Anzeichen von Leckagen reduziert werden. Dies kann jedoch ein zweischneidiges Schwert sein. Wenn an einer Außeninstallation über oder in Windrichtung eines H2-Lecks geschweißt wird, ohne dass vorher eine Leckageuntersuchung durchgeführt wurde, kann es zu einer Explosion kommen. In geschlossenen Räumen kann H2-Gas von der Decke nach unten aufsteigen und sich dort ansammeln. Dadurch kann es sich zu großen Mengen ansammeln, bevor es mit Zündquellen in Bodennähe in Kontakt kommt.
Unbeabsichtigtes Feuer. Selbstentzündung ist ein Phänomen, bei dem sich ein Gemisch aus Gasen oder Dämpfen ohne externe Zündquelle spontan entzündet. Es wird auch als „Selbstentzündung“ oder „Selbstentzündung“ bezeichnet. Die Selbstentzündung hängt von der Temperatur ab, nicht vom Druck.
Die Selbstentzündungstemperatur ist die Mindesttemperatur, bei der sich ein Kraftstoff bei Kontakt mit Luft oder einem Oxidationsmittel ohne externe Zündquelle spontan entzündet. Die Selbstentzündungstemperatur eines einzelnen Pulvers ist die Temperatur, bei der es sich ohne Oxidationsmittel selbst entzündet. Die Selbstentzündungstemperatur von gasförmigem H2 in Luft beträgt 585 °C.
Die Zündenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um die Ausbreitung einer Flamme in einem brennbaren Gemisch zu initiieren. Die Mindestzündenergie ist die Mindestenergie, die erforderlich ist, um ein bestimmtes brennbares Gemisch bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck zu entzünden. Die Mindestzündenergie für gasförmigen Wasserstoff in 1 atm Luft beträgt 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Explosionsgrenzen sind die maximalen und minimalen Konzentrationen von Dämpfen, Nebeln oder Stäuben in Luft oder Sauerstoff, bei denen eine Explosion auftritt. Die Grenzen werden von der Größe und Geometrie der Umgebung sowie der Brennstoffkonzentration bestimmt. „Explosionsgrenze“ wird manchmal synonym zu „Explosionsgrenze“ verwendet.
Die Explosionsgrenzen für H2-Gemische in Luft liegen bei 18,3 Vol.-% (Untergrenze) und 59 Vol.-% (Obergrenze).
Bei der Planung von Rohrleitungssystemen (Abbildung 1) müssen zunächst die für die jeweilige Flüssigkeit benötigten Baumaterialien bestimmt werden. Jede Flüssigkeit wird gemäß ASME B31.3 Absatz 300(b)(1) klassifiziert. „Der Eigentümer ist außerdem dafür verantwortlich, Rohrleitungen der Klassen D, M, Hochdruck und Hochreinheit zu bestimmen und festzulegen, ob ein bestimmtes Qualitätssystem verwendet werden soll.“
Die Fluidkategorisierung definiert den Umfang und die Art der erforderlichen Prüfungen sowie viele weitere Anforderungen, die von der Fluidkategorie abhängen. Die Verantwortung hierfür liegt in der Regel bei der technischen Abteilung des Eigentümers oder einem externen Ingenieur.
Der B31.3-Prozessrohrleitungscode schreibt dem Betreiber zwar nicht vor, welches Material für ein bestimmtes Fluid zu verwenden ist, gibt aber Hinweise zu Festigkeit, Dicke und Materialanschlussanforderungen. Zwei Aussagen in der Einleitung des Codes besagen eindeutig:
Und gehen Sie noch etwas ausführlicher auf den ersten Absatz oben ein. Absatz B31.3.300(b)(1) besagt außerdem: „Der Eigentümer einer Pipeline-Anlage ist allein verantwortlich für die Einhaltung dieses Kodex und für die Festlegung der Anforderungen an Design, Bau, Inspektion, Prüfung und Prüfung, die für die gesamte Handhabung oder Verarbeitung von Flüssigkeiten gelten, zu denen die Pipeline gehört. Anlage.“ Nachdem wir also einige Grundregeln für die Haftung und Anforderungen für die Definition von Servicekategorien für Flüssigkeiten festgelegt haben, wollen wir uns ansehen, wo Wasserstoffgas hier hineinpasst.
Da Wasserstoffgas bei Leckagen als flüchtige Flüssigkeit wirkt, kann es als normale Flüssigkeit oder als Flüssigkeit der Klasse M gemäß Kategorie B31.3 für Flüssigkeitsanwendungen eingestuft werden. Wie bereits erwähnt, ist die Klassifizierung der Flüssigkeitshandhabung eine Anforderung des Eigentümers, sofern sie den Richtlinien für die ausgewählten Kategorien in B31.3, Absatz 3, entspricht. 300.2 Definitionen im Abschnitt „Hydraulische Anwendungen“. Im Folgenden finden Sie Definitionen für normale Flüssigkeitsanwendungen und Flüssigkeitsanwendungen der Klasse M:
„Normaler Flüssigkeitsbetrieb: Flüssigkeitsbetrieb, der für die meisten Rohrleitungen gilt, die diesem Code unterliegen, d. h. nicht den Vorschriften für die Klassen D, M, hohe Temperatur, hohen Druck oder hohe Flüssigkeitsreinheit unterliegt.
(1) Die Toxizität der Flüssigkeit ist so groß, dass bereits der einmalige Kontakt mit einer sehr geringen Menge der Flüssigkeit aufgrund eines Lecks bei Personen, die die Flüssigkeit einatmen oder mit ihr in Berührung kommen, zu schweren dauerhaften Verletzungen führen kann, selbst wenn sofortige Genesungsmaßnahmen ergriffen werden.
(2) Nach Berücksichtigung der Rohrleitungskonstruktion, der Erfahrungen, der Betriebsbedingungen und des Standorts kommt der Eigentümer zu dem Schluss, dass die Anforderungen für den normalen Gebrauch der Flüssigkeit nicht ausreichen, um die zum Schutz des Personals vor der Exposition erforderliche Dichtheit zu gewährleisten.
In der obigen Definition von M erfüllt Wasserstoffgas nicht die Kriterien des Absatzes (1), da es nicht als giftige Flüssigkeit gilt. Unter Anwendung von Absatz (2) erlaubt der Code jedoch die Einstufung von Hydrauliksystemen in die Klasse M nach gebührender Berücksichtigung von „…Rohrleitungskonstruktion, Erfahrung, Betriebsbedingungen und Standort…“. Der Eigentümer erlaubt die Bestimmung der normalen Flüssigkeitshandhabung. Die Anforderungen reichen nicht aus, um dem Bedarf an einem höheren Maß an Integrität bei der Konstruktion, dem Bau, der Inspektion, der Prüfung und der Prüfung von Wasserstoffgasleitungssystemen gerecht zu werden.
Bitte beachten Sie Tabelle 1, bevor Sie sich mit Hochtemperatur-Wasserstoffkorrosion (HTHA) befassen. Diese Tabelle enthält Normen, Standards und Vorschriften und enthält sechs Dokumente zum Thema Wasserstoffversprödung (HE), einer häufigen Korrosionsanomalie, zu der auch HTHA gehört. OH kann bei niedrigen und hohen Temperaturen auftreten. Als Korrosionsform kann sie auf verschiedene Weise entstehen und eine Vielzahl von Materialien betreffen.
HE hat verschiedene Formen, die in Wasserstoffrissbildung (HAC), Wasserstoffspannungsrissbildung (HSC), Spannungsrisskorrosion (SCC), Wasserstoffkorrosionsrissbildung (HACC), Wasserstoffblasenbildung (HB), Wasserstoffrissbildung (HIC) unterteilt werden können. )), spannungsorientierte Wasserstoffrissbildung (SOHIC), progressive Rissbildung (SWC), Sulfidspannungsrissbildung (SSC), Weichzonenrissbildung (SZC) und Hochtemperatur-Wasserstoffkorrosion (HTHA).
In ihrer einfachsten Form ist Wasserstoffversprödung ein Mechanismus zur Zerstörung von Metallkorngrenzen, was durch das Eindringen von atomarem Wasserstoff zu einer verringerten Duktilität führt. Die Ursachen hierfür sind vielfältig und werden teilweise durch ihre jeweiligen Namen definiert, wie z. B. HTHA, bei der zur Versprödung gleichzeitig Wasserstoff bei hoher Temperatur und hohem Druck benötigt wird, und SSC, bei dem atomarer Wasserstoff in Form von geschlossenen Gasen und Wasserstoff entsteht. Durch Säurekorrosion dringen sie in Metallgehäuse ein, was zu Sprödigkeit führen kann. Das Gesamtergebnis ist jedoch dasselbe wie bei allen oben beschriebenen Fällen von Wasserstoffversprödung, bei der die Festigkeit des Metalls durch Versprödung unterhalb des zulässigen Spannungsbereichs verringert wird, was wiederum angesichts der Flüchtigkeit der Flüssigkeit die Voraussetzungen für ein potenziell katastrophales Ereignis schafft.
Neben Wandstärke und mechanischer Verbindungsleistung sind bei der Werkstoffauswahl für H2-Gasanwendungen zwei Hauptfaktoren zu berücksichtigen: 1. Die Belastung mit hochtemperiertem Wasserstoff (HTHA) und 2. ernsthafte Bedenken hinsichtlich möglicher Leckagen. Beide Themen werden derzeit diskutiert.
Im Gegensatz zu molekularem Wasserstoff kann sich atomarer Wasserstoff ausdehnen und hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt werden, wodurch die Grundlage für eine mögliche hochexplosive Gasdiffusionsreaktion (HTHA) geschaffen wird. Unter diesen Bedingungen kann atomarer Wasserstoff in Rohrmaterialien oder Geräte aus Kohlenstoffstahl diffundieren, wo er mit Kohlenstoff in metallischer Lösung reagiert und an den Korngrenzen Methangas bildet. Da das Gas nicht entweichen kann, dehnt es sich aus und verursacht Risse und Spalten in den Wänden von Rohren oder Behältern – die sogenannte hochexplosive Gasdiffusionsreaktion (HTGA). Die Ergebnisse der hochexplosiven Gasdiffusionsreaktion (HTHA) sind in Abbildung 2 deutlich zu erkennen, wo Risse und Spalten in der 8-Zoll-Wand sichtbar sind. Der Teil des Rohrs mit Nennweite (NPS), der unter diesen Bedingungen versagt.
Kohlenstoffstahl kann für den Wasserstoffbetrieb verwendet werden, sofern die Betriebstemperatur unter 260 °C (500 °F) gehalten wird. Wie bereits erwähnt, tritt HTHA auf, wenn Wasserstoffgas bei hohem Partialdruck und hoher Temperatur gehalten wird. Kohlenstoffstahl wird nicht empfohlen, wenn der Wasserstoffpartialdruck voraussichtlich bei etwa 200 bar (3000 psi) liegt und die Temperatur über etwa 230 °C (450 °F) liegt (was der Unfallbedingung in Abbildung 2 entspricht).
Wie aus dem modifizierten Nelson-Diagramm in Abbildung 3 hervorgeht, das teilweise aus API 941 stammt, haben hohe Temperaturen den größten Einfluss auf die Wasserstoffentwicklung. Der Wasserstoffgaspartialdruck kann bei Kohlenstoffstählen, die bei Temperaturen bis zu 500 °F betrieben werden, 1000 psi überschreiten.
Abbildung 3. Dieses modifizierte Nelson-Diagramm (angepasst von API 941) kann zur Auswahl geeigneter Materialien für den Wasserstoffbetrieb bei verschiedenen Temperaturen verwendet werden.
Abb. 3 zeigt die Auswahl der Stähle, die je nach Betriebstemperatur und Wasserstoffpartialdruck garantiert einen Wasserstoffangriff verhindern. Austenitische Edelstähle sind unempfindlich gegenüber HTHA und eignen sich bei allen Temperaturen und Drücken als Werkstoffe.
Austenitischer Edelstahl 316/316L ist das praktischste Material für Wasserstoffanwendungen und hat sich bewährt. Während für Kohlenstoffstähle eine Wärmenachbehandlung (PWHT) empfohlen wird, um Restwasserstoff während des Schweißens zu kalzinieren und die Härte der Wärmeeinflusszone (WEZ) nach dem Schweißen zu reduzieren, ist sie für austenitische Edelstähle nicht erforderlich.
Thermothermische Effekte durch Wärmebehandlung und Schweißen haben wenig Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften austenitischer Edelstähle. Kaltbearbeitung kann jedoch die mechanischen Eigenschaften austenitischer Edelstähle, wie Festigkeit und Härte, verbessern. Beim Biegen und Formen von Rohren aus austenitischem Edelstahl verändern sich deren mechanische Eigenschaften, einschließlich der Abnahme der Plastizität des Materials.
Wenn austenitischer Edelstahl kaltverformt werden muss, stellt Lösungsglühen (Erhitzen auf ca. 1045 °C, anschließendes Abschrecken oder schnelles Abkühlen) die mechanischen Eigenschaften des Materials wieder her. Es beseitigt auch die nach der Kaltverformung entstandene Legierungsseigerung, Sensibilisierung und Sigma-Phase. Beachten Sie beim Lösungsglühen, dass schnelles Abkühlen bei unsachgemäßer Handhabung zu erneuten Eigenspannungen im Material führen kann.
Informationen zur Auswahl akzeptabler Materialien für den H2-Betrieb finden Sie in den Tabellen GR-2.1.1-1 „Materialspezifikationsindex für Rohrleitungen und Schlauchbaugruppen“ und GR-2.1.1-2 „Materialspezifikationsindex für Rohrleitungen“ in ASME B31. Rohre sind ein guter Ausgangspunkt.
Mit einem Standardatomgewicht von 1,008 atomaren Masseneinheiten (amu) ist Wasserstoff das leichteste und kleinste Element im Periodensystem und neigt daher sehr zu Leckagen, die, wie ich hinzufügen möchte, verheerende Folgen haben können. Daher muss das Gaspipelinesystem so konzipiert werden, dass mechanische Verbindungen begrenzt und die wirklich notwendigen Verbindungen verbessert werden.
Um potenzielle Leckstellen zu minimieren, sollte das System vollständig verschweißt sein, mit Ausnahme von Flanschverbindungen an Geräten, Rohrleitungselementen und Armaturen. Gewindeverbindungen sollten so weit wie möglich, wenn nicht sogar vollständig, vermieden werden. Sollten Gewindeverbindungen aus irgendeinem Grund nicht vermieden werden können, empfiehlt es sich, diese ohne Gewindedichtmittel vollständig zu verschweißen und die Schweißnaht anschließend abzudichten. Bei der Verwendung von Kohlenstoffstahlrohren müssen die Rohrverbindungen stumpfgeschweißt und nachträglich wärmebehandelt (PWHT) werden. Nach dem Schweißen sind Rohre in der Wärmeeinflusszone (WEZ) selbst bei Raumtemperatur einem Wasserstoffangriff ausgesetzt. Während ein Wasserstoffangriff vor allem bei hohen Temperaturen auftritt, reduziert die PWHT-Phase diese Möglichkeit selbst unter Umgebungsbedingungen vollständig, wenn nicht sogar vollständig.
Die Schwachstelle des vollverschweißten Systems ist die Flanschverbindung. Um eine hohe Dichtheit der Flanschverbindungen zu gewährleisten, sollten Kammprofildichtungen (Abb. 4) oder andere Dichtungsformen verwendet werden. Diese Dichtung, die von verschiedenen Herstellern nahezu identisch hergestellt wird, ist sehr nachgiebig. Sie besteht aus gezahnten Vollmetallringen, die zwischen weichen, verformbaren Dichtungsmaterialien eingeschlossen sind. Die Zähne konzentrieren die Schraubenlast auf eine kleinere Fläche und sorgen so für einen festen Sitz mit geringerer Spannung. Sie ist so konstruiert, dass sie unebene Flanschflächen sowie schwankende Betriebsbedingungen ausgleichen kann.
Abbildung 4. Kammprofildichtungen haben einen Metallkern, der beidseitig mit einem weichen Füllstoff verklebt ist.
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Systemintegrität ist das Ventil. Leckagen an der Spindeldichtung und den Gehäuseflanschen stellen ein echtes Problem dar. Um dies zu vermeiden, empfiehlt sich die Wahl eines Ventils mit Faltenbalgdichtung.
Verwenden Sie ein 1 Zoll großes School 80-Kohlenstoffstahlrohr. In unserem Beispiel unten kann der maximal zulässige Betriebsdruck (MAWP) unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen, Korrosions- und mechanischen Toleranzen gemäß ASTM A106 Gr B bei Temperaturen bis zu 300 °F in zwei Schritten berechnet werden. (Hinweis: Der Grund für „… für Temperaturen bis zu 300ºF …“ liegt darin, dass die zulässige Spannung (S) des Materials ASTM A106 Gr B abnimmt, wenn die Temperatur 300ºF (S) übersteigt. Gleichung (1) erfordert daher eine Anpassung an Temperaturen über 300ºF.)
Unter Bezugnahme auf Formel (1) besteht der erste Schritt darin, den theoretischen Berstdruck der Rohrleitung zu berechnen.
T = Rohrwandstärke abzüglich mechanischer Toleranzen, Korrosionstoleranzen und Fertigungstoleranzen in Zoll.
Der zweite Teil des Verfahrens besteht darin, den maximal zulässigen Betriebsdruck Pa der Rohrleitung zu berechnen, indem der Sicherheitsfaktor S f gemäß Gleichung (2) auf das Ergebnis P angewendet wird:
Bei Verwendung von 1″ School 80-Material berechnet sich der Berstdruck somit wie folgt:
Anschließend wird ein Sicherheits-Sf von 4 gemäß den ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8 angewendet. UG-101 berechnet sich wie folgt:
Der resultierende MAWP-Wert beträgt 810 psi. Zoll bezieht sich nur auf das Rohr. Die Flanschverbindung oder Komponente mit der niedrigsten Nennleistung im System ist der entscheidende Faktor für die Bestimmung des zulässigen Drucks im System.
Gemäß ASME B16.5 beträgt der maximal zulässige Betriebsdruck für 150-Zoll-Flanschverbindungen aus Kohlenstoffstahl 285 psi bei -20 °F bis 100 °F. Klasse 300 hat einen maximal zulässigen Betriebsdruck von 740 psi. Dies ist der Druckgrenzfaktor des Systems gemäß dem unten stehenden Materialspezifikationsbeispiel. Außerdem können diese Werte nur bei hydrostatischen Tests das 1,5-fache überschreiten.
Als Beispiel für eine grundlegende Werkstoffspezifikation für Kohlenstoffstahl kann eine Spezifikation für eine H2-Gasleitung, die bei einer Umgebungstemperatur unter einem Auslegungsdruck von 740 psi. Zoll betrieben wird, die in Tabelle 2 aufgeführten Werkstoffanforderungen enthalten. Die folgenden Typen müssen möglicherweise in die Spezifikation aufgenommen werden:
Neben den Rohrleitungen selbst besteht das Rohrleitungssystem aus vielen weiteren Elementen wie Armaturen, Ventilen, Leitungsausrüstung usw. Viele dieser Elemente werden in einer Rohrleitung zusammengefasst. Um sie im Detail zu besprechen, sind jedoch mehr Seiten erforderlich, als hier untergebracht werden können. Dieser Artikel.