See ülevaade annab soovitusi vesiniku jaotamise torustike ohutuks projekteerimiseks.
Vesinik on väga lenduv vedelik, millel on suur kalduvus lekkida. See on väga ohtlik ja surmav omaduste kombinatsioon, lenduv vedelik, mida on raske kontrollida. Neid suundumusi tuleks materjalide, tihendite ja tihendite valimisel, samuti selliste süsteemide konstruktsiooniomaduste valimisel arvesse võtta. Käesoleva arutelu keskmes on gaasilise H2 jaotust puudutavad teemad, mitte H2, vedela H2 või vedela H2 tootmine (vt parempoolset külgriba).
Siin on mõned olulised punktid, mis aitavad teil mõista vesiniku ja H2-õhu segu. Vesinik põleb kahel viisil: süttimisel ja plahvatusel.
Deflagratsioon. Deflagratsioon on levinud põlemisrežiim, mille puhul leegid liiguvad segus alamhelikiirusel. See juhtub näiteks siis, kui väike süüteallikas süütab vaba vesiniku ja õhu segu pilve. Sellisel juhul liigub leek kiirusega kümme kuni mitu sada jalga sekundis. Kuuma gaasi kiire paisumine tekitab rõhulaineid, mille tugevus on proportsionaalne pilve suurusega. Mõnel juhul võib lööklaine jõud olla piisav, et kahjustada hoonekonstruktsioone ja muid objekte selle teel ning põhjustada vigastusi.
plahvatada. Plahvatuse ajal levisid leegid ja lööklaine segus ülehelikiirusel. Rõhu suhe detonatsioonilaine puhul on palju suurem kui detonatsioonil. Suurenenud jõu tõttu on plahvatus inimestele, hoonetele ja lähedalasuvatele objektidele ohtlikum. Tavaline deflagratsioon põhjustab plahvatuse suletud ruumis süttimisel. Sellises kitsas alas võib süttimise põhjustada väikseim energiahulk. Kuid vesiniku-õhu segu detoneerimiseks piiramatus ruumis on vaja võimsamat süüteallikat.
Vesiniku ja õhu segu detonatsioonilaine rõhusuhe on umbes 20. Atmosfäärirõhul on suhe 20 300 psi. Kui see rõhutaine põrkab kokku statsionaarse objektiga, suureneb rõhusuhe 40–60-ni. See on tingitud rõhulaine peegeldumisest statsionaarselt takistuselt.
Lekkimiskalduvus. Madala viskoossuse ja väikese molekulmassi tõttu on H2 gaasil suur kalduvus lekkida ning isegi läbida erinevaid materjale.
Vesinik on 8 korda kergem kui maagaas, 14 korda kergem kui õhk, 22 korda kergem kui propaan ja 57 korda kergem kui bensiiniaur. See tähendab, et õues paigaldamisel tõuseb H2 gaas kiiresti üles ja hajub, vähendades isegi lekete märke. Kuid see võib olla kahe teraga mõõk. Plahvatus võib tekkida, kui keevitamist tehakse õues asuval paigaldisel H2 lekke kohal või tuule all ilma enne keevitamist lekke tuvastamise uuringuta. Suletud ruumis võib H2 gaas tõusta üles ja koguneda laest allapoole, mis võimaldab sellel enne maapinna lähedal asuvate süüteallikatega kokkupuutumist suurtes kogustes koguneda.
Õnnetuslik tulekahju. Isesüttimine on nähtus, mille puhul gaaside või aurude segu süttib iseenesest ilma välise süüteallikata. Seda tuntakse ka kui „iseeneslikku süttimist“ või „iseeneslikku süttimist“. Isesüttimine sõltub temperatuurist, mitte rõhust.
Isesüttimistemperatuur on minimaalne temperatuur, mille juures kütus süttib iseenesest enne süttimist välise süüteallika puudumisel õhu või oksüdeeriva ainega kokkupuutel. Üksiku pulbri isesüttimistemperatuur on temperatuur, mille juures see süttib iseenesest oksüdeeriva aine puudumisel. Gaasilise H2 isesüttimistemperatuur õhus on 585 °C.
Süttimisenergia on energia, mis on vajalik leegi leviku algatamiseks läbi põleva segu. Minimaalne süttimisenergia on minimaalne energia, mis on vajalik konkreetse põleva segu süütamiseks teatud temperatuuril ja rõhul. Gaasilise H2 minimaalne sädeme süttimisenergia 1 atmosfääri õhus = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Plahvatuspiirid on aurude, udu või tolmu maksimaalsed ja minimaalsed kontsentratsioonid õhus või hapnikus, mille juures plahvatus toimub. Piire määravad keskkonna suurus ja geomeetria, samuti kütuse kontsentratsioon. Mõistet „plahvatuspiir” kasutatakse mõnikord mõiste „plahvatuspiir” sünonüümina.
H2 segude plahvatuspiirid õhus on 18,3 mahuprotsenti (alumine piir) ja 59 mahuprotsenti (ülemine piir).
Torustikusüsteemide (joonis 1) projekteerimisel on esimene samm iga vedelikutüübi jaoks vajalike ehitusmaterjalide kindlaksmääramine. Ja iga vedelik klassifitseeritakse vastavalt ASME B31.3 lõikele. 300(b)(1) sätestab: „Omanik vastutab ka D-, M-, kõrgsurve- ja kõrge puhtusastmega torustiku määramise ning konkreetse kvaliteedisüsteemi kasutamise vajaduse kindlaksmääramise eest.“
Vedeliku kategooria määrab kindlaks vajaliku testimise ulatuse ja tüübi, samuti paljud muud nõuded, mis põhinevad vedeliku kategoorial. Omaniku vastutus selle eest lasub tavaliselt omaniku inseneriosakonnal või allhanke korras palgatud inseneril.
Kuigi protsessitorustike eeskiri B31.3 ei ütle omanikule, millist materjali konkreetse vedeliku jaoks kasutada, annab see juhiseid tugevuse, paksuse ja materjaliühenduste nõuete kohta. Eeskirja sissejuhatuses on ka kaks väidet, mis selgelt sätestavad:
Ja laiendades ülaltoodud esimest lõiku, paragrahv B31.3. 300(b)(1) sätestab ka: „Torustiku paigaldise omanik vastutab ainuisikalt käesoleva koodeksi järgimise ja kõigi vedelike käitlemist või protsesse, mille osa torustik on, reguleerivate projekteerimis-, ehitus-, kontrolli-, inspekteerimis- ja katsetamisnõuete kehtestamise eest. Paigaldis.“ Seega, pärast vastutuse põhireeglite ja vedelike teeninduskategooriate määratlemise nõuete kehtestamist vaatame, kuhu vesinikgaas sobib.
Kuna vesinikgaas toimib lenduva vedelikuna, millel on lekkeid, võib vesinikgaasi pidada tavaliseks vedelikuks või M-klassi vedelikuks kategooria B31.3 alusel vedelike käitlemiseks. Nagu eespool mainitud, on vedelike käitlemise klassifikatsioon omaniku nõue, eeldusel, et see vastab punktis B31.3, 3. lõigus kirjeldatud valitud kategooriate suunistele. 300.2 Mõisted jaotises „Hüdraulilised teenused“. Järgnevalt on toodud tavalise vedeliku käitlemise ja M-klassi vedelike käitlemise mõisted:
„Tavaline vedelikuteenus: vedelikuteenus, mida kohaldatakse enamiku selle eeskirjaga hõlmatud torustike suhtes, st mis ei kuulu D- ja M-klasside, kõrge temperatuuri, kõrge rõhu või kõrge vedeliku puhtusastmega torustike eeskirjade alla.“
(1) Vedeliku toksilisus on nii suur, et ühekordne kokkupuude väga väikese koguse vedelikuga lekke tagajärjel võib põhjustada sissehingatavatele või sellega kokkupuutuvatele isikutele tõsiseid püsivaid vigastusi isegi siis, kui võetakse koheseid päästemeetmeid.
(2) Pärast torujuhtme konstruktsiooni, kogemuste, töötingimuste ja asukoha kaalumist otsustab omanik, et vedeliku tavapärase kasutamise nõuded ei ole piisavad, et tagada personali kokkupuute eest kaitsmiseks vajalik tihedus.
Ülaltoodud M-definitsioonis ei vasta vesinikgaas lõike (1) kriteeriumidele, kuna seda ei peeta mürgiseks vedelikuks. Siiski lubab alapunkti (2) kohaldades koodeks hüdraulikasüsteemide klassifitseerimist klassi M pärast „…torustiku konstruktsiooni, kogemuste, töötingimuste ja asukoha…“ nõuetekohast arvessevõtmist. Omanik lubab määrata normaalse vedeliku käitlemise. Nõuded ei ole piisavad, et rahuldada vesinikgaasi torustikusüsteemide projekteerimise, ehitamise, kontrolli, ülevaatuse ja katsetamise kõrgema terviklikkuse taseme vajadust.
Enne kõrgtemperatuurse vesinikkorrosiooni (HTHA) arutamist vaadake palun tabelit 1. Selles tabelis on loetletud normid, standardid ja eeskirjad ning see sisaldab kuut dokumenti vesinikhapruse (HE) teemal, mis on HTHA-d hõlmav levinud korrosioonianomaalia. OH võib tekkida nii madalatel kui ka kõrgetel temperatuuridel. Seda peetakse korrosiooni vormiks ning see võib tekkida mitmel viisil ja mõjutada laia materjalide valikut.
HE-l on mitmesuguseid vorme, mida saab jagada vesinikpragunemiseks (HAC), vesinikpingepragunemiseks (HSC), pingekorrosioonipragunemiseks (SCC), vesinikkorrosioonipragunemiseks (HACC), vesinikumullimiseks (HB), vesinikpragunemiseks (HIC). )), pingeorienteeritud vesinikpragunemiseks (SOHIC), progresseeruvaks pragunemiseks (SWC), sulfiidist pingepragunemiseks (SSC), pehmetsooni pragunemiseks (SZC) ja kõrgtemperatuurseks vesinikkorrosiooniks (HTHA).
Lihtsamal kujul on vesinikhaprus mehhanism metalli terade piiride hävimiseks, mille tulemuseks on aatomvesiniku läbitungimise tõttu vähenenud venivus. Selle toimumise viisid on mitmekesised ja osaliselt määratletud nende vastavate nimedega, näiteks HTHA, kus hapruse tekitamiseks on vaja samaaegset kõrge temperatuuri ja kõrge rõhu vesinikku, ning SSC, kus aatomvesinik tekib suletud gaaside ja vesiniku kujul. Happelise korrosiooni tõttu imbuvad need metallkestadesse, mis võib põhjustada haprust. Kuid üldine tulemus on sama, mis kõigil eespool kirjeldatud vesinikhapruse juhtudel, kus metalli tugevus väheneb hapruse tõttu alla lubatud pingevahemiku, mis omakorda loob pinnase potentsiaalselt katastroofiliseks sündmuseks, arvestades vedeliku lenduvust.
Lisaks seina paksusele ja mehaanilisele vuukide toimivusele on H2 gaasiteenuse materjalide valimisel kaks peamist tegurit, mida arvestada: 1. Kokkupuude kõrge temperatuuriga vesinikuga (HTHA) ja 2. Tõsine mure võimaliku lekke pärast. Mõlemad teemad on praegu arutlusel.
Erinevalt molekulaarsest vesinikust võib aatomvesinik paisuda, allutades vesiniku kõrgetele temperatuuridele ja rõhkudele, luues aluse potentsiaalsele HTHA-le. Nendes tingimustes on aatomvesinik võimeline difundeeruma süsinikterasest torumaterjalidesse või seadmetesse, kus see reageerib metallilahuses oleva süsinikuga, moodustades terade piiridel metaangaasi. Gaas ei suuda välja pääseda, paisub, tekitades torude või anumate seintesse pragusid ja lõhesid – see on HTGA. HTHA tulemusi on selgelt näha joonisel 2, kus 8-tollise seina sees on näha pragusid ja lõhesid. See on nominaalsuurusega (NPS) toru osa, mis nendes tingimustes puruneb.
Süsinikterast saab vesiniku teenindamiseks kasutada, kui töötemperatuur hoitakse alla 500 °F. Nagu eespool mainitud, tekib HTHA siis, kui vesinikgaasi hoitakse kõrge osarõhu ja kõrge temperatuuri juures. Süsinikterast ei soovitata kasutada, kui vesiniku osarõhk on eeldatavasti umbes 3000 psi ja temperatuur on üle umbes 450 °F (mis on joonisel 2 kujutatud õnnetusjuhtumi tingimus).
Nagu näha joonisel 3 olevalt modifitseeritud Nelsoni graafikult, mis on osaliselt võetud API 941 standardist, on kõrgel temperatuuril vesiniksurvele suurim mõju. Vesinikgaasi osarõhk võib ületada 1000 psi, kui seda kasutatakse süsinikterastega, mis töötavad temperatuuril kuni 500 °F.
Joonis 3. Seda modifitseeritud Nelsoni diagrammi (kohandatud API 941-st) saab kasutada sobivate materjalide valimiseks vesiniku tööks erinevatel temperatuuridel.
Joonisel 3 on näidatud teraste valik, mis garanteerib vesinikrünnaku vältimise, olenevalt vesiniku töötemperatuurist ja osarõhust. Austeniitsed roostevabad terased on HTHA suhtes tundetud ja on rahuldavad materjalid kõigil temperatuuridel ja rõhkudel.
Austeniitne 316/316L roostevaba teras on vesiniku rakenduste jaoks kõige praktilisem materjal ja sellel on tõestatud kogemused. Kuigi süsinikteraste puhul on keevitusjärgne kuumtöötlus (PWHT) soovitatav jääkvesiniku kaltsineerimiseks keevitamise ajal ja kuummõjutsooni (HAZ) kõvaduse vähendamiseks pärast keevitamist, ei ole see austeniitsete roostevabade teraste puhul vajalik.
Kuumtöötluse ja keevitamise põhjustatud termotermilised efektid mõjutavad austeniitse roostevaba terase mehaanilisi omadusi vähe. Külmtöötlus võib aga parandada austeniitse roostevaba terase mehaanilisi omadusi, näiteks tugevust ja kõvadust. Austeniitsest roostevabast terasest torude painutamisel ja vormimisel muutuvad nende mehaanilised omadused, sealhulgas väheneb materjali plastilisus.
Kui austeniitne roostevaba teras vajab külmvormimist, taastab lahuse lõõmutamine (kuumutamine umbes 1045 °C-ni, millele järgneb karastamine või kiire jahutamine) materjali mehaanilised omadused algsetele väärtustele. See kõrvaldab ka külmtöötlemise järel saavutatud sulami segregatsiooni, sensibiliseerumise ja sigmafaasi. Lahuse lõõmutamisel tuleb arvestada, et kiire jahutamine võib materjali tagasi jätta, kui seda ei tehta õigesti.
H2-teenuse jaoks vastuvõetavate materjalide valikute kohta vaadake ASME B31 tabeleid GR-2.1.1-1 Torustiku ja voolikukomplektide materjalide spetsifikatsiooni indeks ja GR-2.1.1-2 Torustiku materjalide spetsifikatsiooni indeks. Torud on hea koht alustamiseks.
Standardse aatommassiga 1,008 aatommassiühikut (amu) on vesinik perioodilisustabeli kergeim ja väikseim element ning seetõttu on sellel suur lekkeoht, millel võivad olla potentsiaalselt laastavad tagajärjed. Seetõttu tuleb gaasijuhtmesüsteem projekteerida nii, et piirata mehaanilisi ühendusi ja parandada neid ühendusi, mis on tegelikult vajalikud.
Võimalike lekkekohtade piiramisel tuleks süsteem täielikult keevitada, välja arvatud seadmete, torustikuelementide ja liitmike äärikühendused. Keermesühendusi tuleks võimalikult palju või täielikult vältida. Kui keermestatud ühendusi ei ole mingil põhjusel võimalik vältida, on soovitatav need täielikult ühendada ilma keermetihendita ja seejärel keevisõmblus tihendada. Süsinikterasest torude kasutamisel tuleb toruühendused põkk-keevitada ja keevitusjärgselt kuumtöödelda (PWHT). Pärast keevitamist puutuvad kuummõjutsoonis (HAZ) olevad torud kokku vesinikurünnakuga isegi toatemperatuuril. Kuigi vesinikurünnak toimub peamiselt kõrgetel temperatuuridel, vähendab PWHT etapp selle võimaluse täielikult, kui mitte välistab selle isegi toatemperatuuril.
Täiskeevitatud süsteemi nõrk koht on äärikühendus. Äärikühenduste kõrge tiheduse tagamiseks tuleks kasutada Kammprofile tihendeid (joonis 4) või muud tüüpi tihendeid. Seda padja valmistavad mitmed tootjad peaaegu samal viisil ja see on väga andestav. See koosneb hammastega täismetallist rõngastest, mis on asetatud pehmete, deformeeruvate tihendusmaterjalide vahele. Hambad koondavad poldi koormuse väiksemale alale, et tagada tihe ühendus väiksema pingega. See on konstrueeritud nii, et see suudab kompenseerida ebatasaseid äärikupindu ja kõikuvaid töötingimusi.
Joonis 4. Kammprofile'i tihenditel on mõlemalt poolt pehme täiteainega liimitud metallsüdamik.
Teine oluline tegur süsteemi terviklikkuse seisukohalt on ventiil. Lekked varretihendi ja korpuse äärikute ümbruses on tõeline probleem. Selle vältimiseks on soovitatav valida lõõtstihendiga ventiil.
Kasutage 1-tollist School 80 süsinikterasest toru. Meie allolevas näites, arvestades ASTM A106 Gr B kohaseid tootmistolerantse, korrosiooni- ja mehaanilisi tolerantse, saab maksimaalset lubatud töörõhku (MAWP) temperatuuridel kuni 300 °F arvutada kahes etapis (Märkus: põhjus „…temperatuuridel kuni 300 °F…“ on see, et ASTM A106 Gr B materjali lubatud pinge (S) hakkab halvenema, kui temperatuur ületab 300 °F. (S) seega nõuab võrrand (1) temperatuuridele üle 300 °F kohandamist.)
Valemi (1) abil tuleb esmalt arvutada torujuhtme teoreetiline purunemisrõhk.
T = toru seina paksus miinus mehaanilised, korrosiooni- ja tootmistolerantsid tollides.
Protsessi teine ​​osa on torujuhtme maksimaalse lubatud töörõhu Pa arvutamine, rakendades tulemusele P ohutustegurit S f vastavalt võrrandile (2):
Seega, kui kasutatakse 1-tollist School 80 materjali, arvutatakse purunemisrõhk järgmiselt:
Seejärel rakendatakse ohutustegurit Sf väärtusega 4 vastavalt ASME surveanumate soovituste jaotisele VIII-1 2019, lõik 8. UG-101, mis arvutatakse järgmiselt:
Saadud maksimaalse töörõhu (MAWP) väärtus on 810 psi. Tollides viidatakse ainult torule. Süsteemi lubatud rõhu määramisel on määravaks teguriks süsteemi madalaima nimiväärtusega äärikühendus või komponent.
ASME B16.5 standardi kohaselt on 150 süsinikterasest äärikuliitmike maksimaalne lubatud töörõhk temperatuuril -20 °F kuni 100 °F 285 psi. Klassi 300 maksimaalne lubatud töörõhk on 740 psi. See on süsteemi rõhupiirang vastavalt allpool toodud materjali spetsifikatsiooni näitele. Lisaks võivad need väärtused ainult hüdrostaatilistes katsetes ületada 1,5 korda.
Näitena süsinikterase põhimaterjali spetsifikatsioonist võib H2 gaasitoru spetsifikatsioon, mis töötab ümbritseva õhu temperatuuril alla 740 psi.-tollise kavandatud rõhu, sisaldada tabelis 2 esitatud materjalinõudeid. Spetsifikatsioonis võib olla vaja arvestada järgmiste tüüpidega:
Lisaks torustikule endale on torustikusüsteemi moodustamiseks palju elemente, näiteks liitmikud, ventiilid, liiniseadmed jne. Kuigi paljud neist elementidest pannakse üksikasjaliku arutelu jaoks kokku torujuhtmesse, nõuab see rohkem lehekülgi, kui mahub. See artikkel.