Ĉi tiu superrigardo provizas rekomendojn por la sekura projektado de tubaroj por hidrogena distribuado.
Hidrogeno estas tre volatila likvaĵo kun alta tendenco eliĝi. Ĝi estas tre danĝera kaj mortiga kombinaĵo de tendencoj, volatila likvaĵo, kiun malfacilas kontroli. Ĉi tiuj estas tendencoj konsiderindaj dum elektado de materialoj, kusenetoj kaj sigeloj, same kiel la dezajnaj karakterizaĵoj de tiaj sistemoj. Ĉi tiuj temoj pri la distribuado de gasa H2 estas la fokuso de ĉi tiu diskuto, ne la produktado de H2, likva H2, aŭ likva H2 (vidu la dekstran flankmenuon).
Jen kelkaj ŝlosilaj punktoj por helpi vin kompreni la miksaĵon de hidrogeno kaj H2-aero. Hidrogeno brulas laŭ du manieroj: deflagracio kaj eksplodo.
deflagracio. Deflagracio estas ofta bruligreĝimo, en kiu flamoj vojaĝas tra la miksaĵo je subsonaj rapidoj. Tio okazas, ekzemple, kiam libera nubo de hidrogeno-aera miksaĵo estas ekbruligita de malgranda funkciigfonto. En ĉi tiu kazo, la flamo moviĝos je rapido de dek ĝis kelkcent futoj sekunde. La rapida ekspansio de varma gaso kreas premondojn, kies forto estas proporcia al la grandeco de la nubo. En iuj kazoj, la forto de la ŝokondo povas esti sufiĉa por difekti konstruajn strukturojn kaj aliajn objektojn sur ĝia vojo kaj kaŭzi vundon.
eksplodis. Kiam ĝi eksplodis, flamoj kaj ŝokondoj vojaĝis tra la miksaĵo je supersona rapido. La premproporcio en detonaciondo estas multe pli granda ol en detonacio. Pro la pliigita forto, la eksplodo estas pli danĝera por homoj, konstruaĵoj kaj proksimaj objektoj. Normala deflagracio kaŭzas eksplodon kiam ekbruligita en limigita spaco. En tia mallarĝa areo, ekbruligo povas esti kaŭzita de la plej malgranda kvanto da energio. Sed por la detonacio de hidrogen-aera miksaĵo en senlima spaco, pli potenca ekbruliga fonto estas necesa.
La premproporcio trans la detonacia ondo en hidrogeno-aera miksaĵo estas proksimume 20. Ĉe atmosfera premo, proporcio de 20 estas 300 psi. Kiam ĉi tiu premondo kolizias kun senmova objekto, la premproporcio pliiĝas al 40-60. Ĉi tio ŝuldiĝas al la reflekto de premondo de senmova obstaklo.
Tendenco liki. Pro sia malalta viskozeco kaj malalta molekula pezo, H2-gaso havas altan tendencon liki kaj eĉ trapenetri aŭ penetri diversajn materialojn.
Hidrogeno estas 8 fojojn pli malpeza ol tergaso, 14 fojojn pli malpeza ol aero, 22 fojojn pli malpeza ol propano kaj 57 fojojn pli malpeza ol benzinvaporo. Tio signifas, ke kiam instalita ekstere, la H2-gaso rapide leviĝos kaj disipos, reduktante iujn ajn signojn de eĉ likoj. Sed ĝi povas esti dutranĉa glavo. Eksplodo povas okazi se veldado estos farita sur ekstera instalaĵo super aŭ laŭvente de H2-liko sen likdetekta studo antaŭ veldado. En enfermita spaco, H2-gaso povas leviĝi kaj akumuliĝi de la plafono malsupren, kondiĉo kiu permesas al ĝi amasiĝi ĝis grandaj volumoj antaŭ ol pli verŝajne kontaktos funkciigfontojn proksime al la grundo.
Hazarda fajro. Membrulo estas fenomeno, en kiu miksaĵo de gasoj aŭ vaporoj ekbrulas spontanee sen ekstera fonto de ekbrulo. Ĝi ankaŭ estas konata kiel "spontanea ekbrulo" aŭ "spontanea ekbrulo". Membrulo dependas de temperaturo, ne de premo.
La aŭtoma ekbruliga temperaturo estas la minimuma temperaturo ĉe kiu fuelo spontanee ekbrulas antaŭ ekbruligo en la foresto de ekstera fonto de ekbruligo post kontakto kun aero aŭ oksidigilo. La aŭtoma ekbruliga temperaturo de unuopa pulvoro estas la temperaturo ĉe kiu ĝi spontanee ekbrulas en la foresto de oksidigilo. La memekbruliga temperaturo de gasa H2 en aero estas 585 °C.
La ekbruliga energio estas la energio bezonata por komenci la disvastiĝon de flamo tra brulema miksaĵo. Minimuma ekbruliga energio estas la minimuma energio bezonata por ekbruligi specifan bruleman miksaĵon je specifa temperaturo kaj premo. Minimuma spark-ekbruliga energio por gasa H₂ en 1 atmosfero da aero = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Eksplodlimoj estas la maksimumaj kaj minimumaj koncentriĝoj de vaporoj, nebuloj aŭ polvoj en aero aŭ oksigeno, ĉe kiuj okazas eksplodo. La grandeco kaj geometrio de la ĉirkaŭaĵo, same kiel la koncentriĝo de la fuelo, kontrolas la limojn. "Eksplodlimo" estas foje uzata kiel sinonimo por "eksplodlimo".
La eksplodemaj limoj por H2-miksaĵoj en aero estas 18,3 vol.% (malsupra limo) kaj 59 vol.% (supra limo).
Kiam oni desegnas tubarsistemojn (Figuro 1), la unua paŝo estas determini la konstrumaterialojn bezonatajn por ĉiu tipo de fluido. Kaj ĉiu fluido estos klasifikita laŭ ASME B31.3 paragrafo. 300(b)(1) deklaras, "La posedanto ankaŭ respondecas pri determinado de klasaj D, M, altpremaj kaj altpurecaj tubaroj, kaj pri determinado ĉu specifa kvalitsistemo estu uzata."
Fluida kategoriigo difinas la gradon de testado kaj la tipon de testado bezonata, same kiel multajn aliajn postulojn bazitajn sur la fluida kategorio. La respondeco de la posedanto pri tio kutime falas al la inĝeniera fako de la posedanto aŭ subkontraktita inĝeniero.
Kvankam la Kodo B31.3 pri Procezaj Tubaroj ne diras al la posedanto, kiun materialon uzi por specifa fluido, ĝi ja provizas gvidliniojn pri forto, dikeco kaj postuloj pri materialaj konektaj sistemoj. Estas ankaŭ du deklaroj en la enkonduko al la kodo, kiuj klare deklaras:
Kaj pli detale pri la unua paragrafo supre, paragrafo B31.3. 300(b)(1) ankaŭ deklaras: "La posedanto de dukto-instalaĵo estas sola respondeca pri plenumado de ĉi tiu Kodo kaj pri establado de la postuloj pri projektado, konstruado, inspektado kaj testado, kiuj regas ĉiun fluidan manipuladon aŭ procezon, de kiu la dukto estas parto. Instalaĵo." Do, post establado de kelkaj bazaj reguloj pri respondeco kaj postuloj por difini fluidajn servajn kategoriojn, ni vidu, kie hidrogena gaso taŭgas.
Ĉar hidrogena gaso agas kiel volatila likvaĵo kun likoj, hidrogena gaso povas esti konsiderata normala likvaĵo aŭ Klaso M likvaĵo sub kategorio B31.3 por likva servo. Kiel menciite supre, la klasifiko de fluida manipulado estas postulo de la posedanto, kondiĉe ke ĝi plenumas la gvidliniojn por la elektitaj kategorioj priskribitaj en B31.3, paragrafo 3. 300.2 Difinoj en la sekcio "Hidraŭlikaj servoj". Jen estas difinoj por normala fluida servo kaj Klaso M fluida servo:
"Normala Fluida Servo: Fluida servo aplikebla al plej multaj tubaroj submetitaj al ĉi tiu kodo, t.e. ne submetitaj al regularoj por klasoj D, M, alta temperaturo, alta premo aŭ alta fluida pureco."
(1) La tokseco de la fluido estas tiel granda, ke unuopa eksponiĝo al tre malgranda kvanto de la fluido kaŭzita de liko povas kaŭzi gravajn permanentajn vundojn al tiuj, kiuj enspiras aŭ kontaktas ĝin, eĉ se tujaj resaniĝaj rimedoj estas prenitaj.
(2) Post konsidero de la duktodezajno, sperto, funkciaj kondiĉoj kaj loko, la posedanto determinas, ke la postuloj por normala uzo de la fluido ne sufiĉas por provizi la streĉecon necesan por protekti personaron kontraŭ eksponiĝo.
En la supra difino de M, hidrogena gaso ne plenumas la kriteriojn de paragrafo (1) ĉar ĝi ne estas konsiderata toksa likvaĵo. Tamen, aplikante subsekcion (2), la Kodo permesas la klasifikon de hidraŭlikaj sistemoj en klaso M post konvena konsidero de "...tubara dezajno, sperto, funkciaj kondiĉoj kaj loko..." La posedanto permesas la determinadon de normala fluida manipulado. La postuloj estas nesufiĉaj por plenumi la bezonon de pli alta nivelo de integreco en la dezajno, konstruado, inspektado kaj testado de hidrogenaj gasaj tubaraj sistemoj.
Bonvolu rilati al Tabelo 1 antaŭ ol diskuti pri Alta Temperatura Hidrogena Korodo (HTHA). Kodoj, normoj kaj regularoj estas listigitaj en ĉi tiu tabelo, kiu inkluzivas ses dokumentojn pri la temo de hidrogena rompiĝemo (HE), ofta koroda anomalio kiu inkluzivas HTHA. OH povas okazi je malaltaj kaj altaj temperaturoj. Konsiderata formo de korodo, ĝi povas esti iniciatita laŭ pluraj manieroj kaj ankaŭ influi vastan gamon da materialoj.
HE havas diversajn formojn, kiuj povas esti dividitaj en hidrogenan fendetiĝon (HAC), hidrogenan streĉan fendetiĝon (HSC), streĉkorodan fendetiĝon (SCC), hidrogenan korodan fendetiĝon (HACC), hidrogenan bobeladon (HB), hidrogenan fendetiĝon (HIC). )), streĉorientita hidrogena fendetiĝo (SOHIC), progresema fendetiĝo (SWC), sulfida streĉa fendetiĝo (SSC), mola zona fendetiĝo (SZC), kaj alttemperatura hidrogena korodo (HTHA).
En sia plej simpla formo, hidrogena rompiĝemo estas mekanismo por la detruo de metalaj grenlimoj, rezultante en reduktita duktileco pro la penetrado de atoma hidrogeno. La manieroj, kiel tio okazas, estas diversaj kaj estas parte difinitaj per siaj respektivaj nomoj, kiel ekzemple HTHA, kie samtempa alta temperaturo kaj alta premo de hidrogeno estas necesaj por rompiĝemo, kaj SSC, kie atoma hidrogeno estas produktita kiel fermitaj gasoj kaj hidrogeno. Pro acida korodo, ili eniras metalajn kazojn, kio povas konduki al rompiĝemo. Sed la ĝenerala rezulto estas la sama kiel por ĉiuj kazoj de hidrogena rompiĝemo priskribitaj supre, kie la forto de la metalo estas reduktita per rompiĝemo sub sian permesitan streĉintervalon, kiu siavice preparas la scenejon por eble katastrofa evento pro la volatileco de la likvaĵo.
Aldone al la dikeco de la muro kaj la mekanika agado de la junto, estas du ĉefaj faktoroj konsiderindaj dum elektado de materialoj por H2-gasa servo: 1. Eksponiĝo al alttemperatura hidrogeno (HTHA) kaj 2. Seriozaj zorgoj pri ebla elfluado. Ambaŭ temoj estas nuntempe diskutataj.
Male al molekula hidrogeno, atoma hidrogeno povas disetendiĝi, eksponante la hidrogenon al altaj temperaturoj kaj premoj, kreante la bazon por ebla HTHA (elektra helikoptera efiko). Sub ĉi tiuj kondiĉoj, atoma hidrogeno kapablas difuzi en karbonŝtalajn tubmaterialojn aŭ ekipaĵon, kie ĝi reagas kun karbono en metala solvaĵo por formi metanan gason ĉe la grenlimoj. Nekapabla eskapi, la gaso disetendiĝas, kreante fendetojn kaj kavaĵojn en la muroj de tuboj aŭ ujoj - jen HTGA. Vi povas klare vidi la HTHA-rezultojn en Figuro 2, kie fendetoj kaj fendetoj estas evidentaj en la 8-cola muro. La parto de nominala grandeco (NPS) tubo, kiu rompiĝas sub ĉi tiuj kondiĉoj.
Karbona ŝtalo povas esti uzata por hidrogena servo kiam la funkcianta temperaturo estas konservata sub 500°F. Kiel menciite supre, HTHA okazas kiam hidrogena gaso estas tenata je alta parta premo kaj alta temperaturo. Karbona ŝtalo ne estas rekomendinda kiam la hidrogena parta premo estas atendata esti ĉirkaŭ 3000 psi kaj la temperaturo estas super ĉirkaŭ 450°F (kio estas la akcidenta kondiĉo en Figuro 2).
Kiel videblas el la modifita Nelson-diagramo en Figuro 3, parte prenita de API 941, alta temperaturo havas la plej grandan efikon sur hidrogena devigado. Parta premo de hidrogena gaso povas superi 1000 psi kiam uzata kun karbonaj ŝtaloj funkciantaj je temperaturoj ĝis 500°F.
Figuro 3. Ĉi tiu modifita Nelson-diagramo (adaptita de API 941) povas esti uzata por elekti taŭgajn materialojn por hidrogena servo je diversaj temperaturoj.
Figuro 3 montras la elekton de ŝtaloj, kiuj garantiite evitas hidrogenan atakon, depende de la funkcianta temperaturo kaj parta premo de hidrogeno. Aŭstenitaj neoksideblaj ŝtaloj estas imunaj al HTHA kaj estas kontentigaj materialoj je ĉiuj temperaturoj kaj premoj.
Aŭstenita 316/316L neoksidebla ŝtalo estas la plej praktika materialo por hidrogenaj aplikoj kaj havas pruvitan sperton. Dum postvelda varmotraktado (PWHT) estas rekomendinda por karbonaj ŝtaloj por kalcini restan hidrogenon dum veldado kaj redukti la malmolecon de la varmo-trafita zono (HAZ) post veldado, ĝi ne estas necesa por aŭstenitaj neoksideblaj ŝtaloj.
Termotermikaj efikoj kaŭzitaj de varmotraktado kaj veldado havas malmultan efikon sur la mekanikajn ecojn de aŭstenitaj rustorezistaj ŝtaloj. Tamen, malvarma prilaborado povas plibonigi la mekanikajn ecojn de aŭstenitaj rustorezistaj ŝtaloj, kiel ekzemple forton kaj malmolecon. Dum fleksado kaj formado de tuboj el aŭstenita rustorezista ŝtalo, iliaj mekanikaj ecoj ŝanĝiĝas, inkluzive de la malpliiĝo de la plastikeco de la materialo.
Se aŭstenita rustorezista ŝtalo postulas malvarman formadon, solvaĵa kalciniĝo (hejtado ĝis proksimume 1045 °C sekvata de malvarmigo aŭ rapida malvarmigo) restarigos la mekanikajn ecojn de la materialo al iliaj originalaj valoroj. Ĝi ankaŭ forigos la alojapartigon, sensivigon kaj sigma-fazon atingitajn post malvarma prilaborado. Dum solvaĵa kalciniĝo, konsciu, ke rapida malvarmigo povas remeti restan streĉon en la materialon se ne traktata ĝuste.
Vidu tabelojn GR-2.1.1-1 Indekso de Specifoj de Materialoj por Tubaroj kaj Tubaroj kaj GR-2.1.1-2 Indekso de Specifoj de Materialoj por Tubaroj en ASME B31 por akcepteblaj materialaj elektoj por H2-servo. Tuboj estas bona deirpunkto.
Kun norma atompezo de 1,008 atommasaj unuoj (amu), hidrogeno estas la plej malpeza kaj plej malgranda elemento en la perioda tabelo, kaj tial havas altan emon liki, kun eble detruaj sekvoj, mi aldonu. Tial, la gasduktosistemo devas esti desegnita tiel, ke ĝi limigu mekanikajn konektojn kaj plibonigu tiujn konektojn, kiuj vere necesas.
Kiam oni limigas eblajn likpunktojn, la sistemo estu plene veldita, escepte de flanĝaj konektoj sur ekipaĵoj, tubaraj elementoj kaj armaturoj. Surfadenaj konektoj estu evitataj kiel eble plej multe, se ne tute. Se surfadenaj konektoj ne povas esti evitataj pro iu ajn kialo, estas rekomendinde plene engaĝi ilin sen fadensigaĵo kaj poste sigeli la veldsuturon. Kiam oni uzas karbonŝtalajn tubojn, la tubjuntoj devas esti pugvelditaj kaj post-velditaj varmece traktitaj (PWHT). Post veldado, tuboj en la varmo-trafita zono (HAZ) estas eksponitaj al hidrogena atako eĉ je ĉirkaŭa temperaturo. Dum hidrogena atako okazas ĉefe je altaj temperaturoj, la PWHT-fazo tute reduktos, se ne forigos, ĉi tiun eblecon eĉ sub ĉirkaŭaj kondiĉoj.
La malforta punkto de la tute veldita sistemo estas la flanĝa konekto. Por certigi altan gradon de streĉeco en flanĝaj konektoj, oni uzu Kammprofile-kusenetojn (fig. 4) aŭ alian formon de kusenetoj. Farita preskaŭ sammaniere de pluraj fabrikantoj, ĉi tiu kuseneto estas tre pardona. Ĝi konsistas el dentitaj tute metalaj ringoj intermetitaj inter molaj, deformeblaj sigelmaterialoj. La dentoj koncentras la ŝarĝon de la riglilo en pli malgranda areo por provizi streĉan kongruon kun malpli da streĉo. Ĝi estas desegnita tiel, ke ĝi povas kompensi por malebenaj flanĝaj surfacoj same kiel ŝanĝiĝemaj funkciaj kondiĉoj.
Figuro 4. Kammprofile-kusenetoj havas metalan kernon kunligitan ambaŭflanke per mola plenigaĵo.
Alia grava faktoro en la integreco de la sistemo estas la valvo. Likoj ĉirkaŭ la tigosigelo kaj korpoflanĝoj estas vera problemo. Por malhelpi tion, oni rekomendas elekti valvon kun blekega sigelo.
Uzu 1-colan karbonŝtalan tubon de School 80. En nia ekzemplo sube, konsiderante fabrikadajn tolerancojn, korodon kaj mekanikajn tolerancojn laŭ ASTM A106 Gr B, la maksimuma permesita laborpremo (MAWP) povas esti kalkulita en du paŝoj je temperaturoj ĝis 300°F (Noto: La kialo por "...por temperaturoj ĝis 300ºF..." estas ĉar la permesita streĉo (S) de ASTM A106 Gr B materialo komencas malboniĝi kiam la temperaturo superas 300ºF (S), do Ekvacio (1) postulas alĝustigon al temperaturoj super 300ºF.)
Rilate al formulo (1), la unua paŝo estas kalkuli la teorian eksplodpremon de la dukto.
T = la dikeco de la tubo minus la mekanikaj, korodaj kaj fabrikadaj tolerancoj, en coloj.
La dua parto de la procezo estas kalkuli la maksimuman permesitan laborpremon Pa de la dukto aplikante la sekurecfaktoron S f al la rezulto P laŭ ekvacio (2):
Tiel, uzante 1″-an lernejan 80-an materialon, la eksplodpremo estas kalkulata jene:
Sekureca Sf de 4 estas poste aplikata laŭ la ASME-Premujaj Rekomendoj Sekcio VIII-1 2019, Paragrafo 8. UG-101 kalkulita jene:
La rezulta MAWP-valoro estas 810 psi. colo rilatas nur al tubo. La flanĝa konekto aŭ komponanto kun la plej malalta rangigo en la sistemo estos la decida faktoro por determini la permesitan premon en la sistemo.
Laŭ ASME B16.5, la maksimuma permesita laborpremo por 150-colaj karbonŝtalaj flanĝaj konektiloj estas 285 psi. colo je -20°F ĝis 100°F. Klaso 300 havas maksimuman permesitan laborpremon de 740 psi. Ĉi tio estos la premlima faktoro de la sistemo laŭ la ekzemplo de materiala specifo sube. Ankaŭ, nur en hidrostatikaj testoj, ĉi tiuj valoroj povas superi 1.5-oble.
Kiel ekzemplo de baza specifo por karbonŝtalo, specifo por H2-gasa aldonlinio funkcianta je ĉirkaŭa temperaturo sub projekta premo de 740 psi. colo, povas enhavi la materialajn postulojn montritajn en Tabelo 2. Jen tipoj, kiuj eble postulas atenton por esti inkluditaj en la specifo:
Krom la tubaro mem, ekzistas multaj elementoj, kiuj konsistigas la tubaran sistemon, kiel ekzemple armaturoj, valvoj, liniaj ekipaĵoj, ktp. Kvankam multaj el ĉi tiuj elementoj estos kunmetitaj en dukto por diskuti ilin detale, tio postulos pli da paĝoj ol eblas. Ĉi tiu artikolo.