این مرور کلی، توصیه‌هایی برای طراحی ایمن سیستم‌های لوله‌کشی برای توزیع هیدروژن ارائه می‌دهد.
هیدروژن مایعی بسیار فرار با تمایل زیاد به نشت است. این مایع ترکیبی بسیار خطرناک و کشنده از تمایلات است، مایعی فرار که کنترل آن دشوار است. این‌ها روندهایی هستند که باید هنگام انتخاب مواد، واشرها و آب‌بندها و همچنین ویژگی‌های طراحی چنین سیستم‌هایی در نظر گرفته شوند. این مباحث مربوط به توزیع H2 گازی، تمرکز این بحث هستند، نه تولید H2، H2 مایع یا H2 مایع (به نوار کناری سمت راست مراجعه کنید).
در اینجا چند نکته کلیدی برای کمک به شما در درک مخلوط هیدروژن و H2-هوا آورده شده است. هیدروژن به دو روش می‌سوزد: آتش‌سوزی و انفجار.
شعله‌ور شدن. شعله‌ور شدن یک حالت احتراق رایج است که در آن شعله‌ها با سرعت‌های زیر صوت از میان مخلوط عبور می‌کنند. این اتفاق می‌افتد، به عنوان مثال، زمانی که ابری آزاد از مخلوط هیدروژن و هوا توسط یک منبع احتراق کوچک مشتعل می‌شود. در این حالت، شعله با سرعت ده تا چند صد فوت در ثانیه حرکت می‌کند. انبساط سریع گاز داغ، امواج فشاری ایجاد می‌کند که قدرت آنها متناسب با اندازه ابر است. در برخی موارد، نیروی موج ضربه‌ای می‌تواند برای آسیب رساندن به سازه‌های ساختمانی و سایر اشیاء در مسیر خود و ایجاد جراحت کافی باشد.
منفجر شود. هنگام انفجار، شعله‌ها و امواج ضربه‌ای با سرعت مافوق صوت از مخلوط عبور کردند. نسبت فشار در موج انفجار بسیار بیشتر از انفجار معمولی است. به دلیل افزایش نیرو، انفجار برای افراد، ساختمان‌ها و اشیاء اطراف خطرناک‌تر است. احتراق معمولی هنگام اشتعال در یک فضای محدود باعث انفجار می‌شود. در چنین منطقه باریکی، احتراق می‌تواند با کمترین مقدار انرژی ایجاد شود. اما برای انفجار مخلوط هیدروژن-هوا در یک فضای نامحدود، به منبع احتراق قوی‌تری نیاز است.
نسبت فشار در موج انفجار در مخلوط هیدروژن و هوا حدود 20 است. در فشار اتمسفر، نسبت 20 برابر با 300 psi است. هنگامی که این موج فشار با یک جسم ثابت برخورد می‌کند، نسبت فشار به 40-60 افزایش می‌یابد. این به دلیل انعکاس موج فشار از یک مانع ثابت است.
تمایل به نشت. به دلیل ویسکوزیته پایین و وزن مولکولی کم، گاز H2 تمایل زیادی به نشت و حتی نفوذ به مواد مختلف دارد.
هیدروژن ۸ برابر سبک‌تر از گاز طبیعی، ۱۴ برابر سبک‌تر از هوا، ۲۲ برابر سبک‌تر از پروپان و ۵۷ برابر سبک‌تر از بخار بنزین است. این بدان معناست که وقتی در فضای باز نصب می‌شود، گاز H2 به سرعت بالا می‌رود و پراکنده می‌شود و هرگونه نشانه‌ای از نشتی را کاهش می‌دهد. اما می‌تواند یک شمشیر دولبه باشد. اگر جوشکاری در فضای باز در بالا یا در جهت باد نشت H2 انجام شود، بدون اینکه قبل از جوشکاری، مطالعه‌ای برای تشخیص نشت انجام شود، ممکن است انفجار رخ دهد. در یک فضای بسته، گاز H2 می‌تواند از سقف به پایین بالا برود و تجمع یابد، شرایطی که به آن اجازه می‌دهد قبل از تماس با منابع احتراق نزدیک زمین، حجم زیادی ایجاد کند.
آتش‌سوزی تصادفی. خودسوزی پدیده‌ای است که در آن مخلوطی از گازها یا بخارات بدون منبع خارجی احتراق، خود به خود مشتعل می‌شوند. همچنین به عنوان «احتراق خود به خودی» یا «احتراق خود به خودی» شناخته می‌شود. خودسوزی به دما بستگی دارد، نه فشار.
دمای خوداشتعالی حداقل دمایی است که در آن سوخت در غیاب منبع خارجی احتراق، در صورت تماس با هوا یا عامل اکسیدکننده، خودبه‌خود قبل از احتراق مشتعل می‌شود. دمای خوداشتعالی یک پودر منفرد، دمایی است که در آن، در غیاب عامل اکسیدکننده، خودبه‌خود مشتعل می‌شود. دمای خوداشتعالی گاز H2 در هوا ۵۸۵ درجه سانتیگراد است.
انرژی احتراق، انرژی مورد نیاز برای شروع انتشار شعله در یک مخلوط قابل احتراق است. حداقل انرژی احتراق، حداقل انرژی مورد نیاز برای احتراق یک مخلوط قابل احتراق خاص در دما و فشار خاص است. حداقل انرژی احتراق جرقه برای گاز H2 در 1 اتمسفر هوا = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
حدود انفجار، حداکثر و حداقل غلظت بخارات، مه یا گرد و غبار در هوا یا اکسیژن است که در آن انفجار رخ می‌دهد. اندازه و هندسه محیط و همچنین غلظت سوخت، این حدود را کنترل می‌کند. «حد انفجار» گاهی اوقات به عنوان مترادف «حد انفجار» استفاده می‌شود.
حد انفجار برای مخلوط‌های H2 در هوا ۱۸.۳ درصد حجمی (حد پایین) و ۵۹ درصد حجمی (حد بالا) است.
هنگام طراحی سیستم‌های لوله‌کشی (شکل 1)، اولین قدم تعیین مصالح ساختمانی مورد نیاز برای هر نوع سیال است. و هر سیال مطابق با پاراگراف ASME B31.3 طبقه‌بندی خواهد شد. 300(b)(1) بیان می‌کند: «مالک همچنین مسئول تعیین کلاس D، M، فشار بالا و لوله‌کشی با خلوص بالا و تعیین اینکه آیا باید از یک سیستم کیفیت خاص استفاده شود یا خیر، می‌باشد.»
دسته‌بندی سیال، درجه آزمایش و نوع آزمایش مورد نیاز و همچنین بسیاری از الزامات دیگر را بر اساس دسته‌بندی سیال تعریف می‌کند. مسئولیت این امر معمولاً بر عهده بخش مهندسی مالک یا یک مهندس برون‌سپاری شده است.
اگرچه آیین‌نامه لوله‌کشی فرآیندی B31.3 به مالک نمی‌گوید که برای یک سیال خاص از چه ماده‌ای استفاده کند، اما در مورد استحکام، ضخامت و الزامات اتصال مواد، راهنمایی ارائه می‌دهد. همچنین دو عبارت در مقدمه آیین‌نامه وجود دارد که به وضوح بیان می‌کنند:
و پاراگراف اول بالا، پاراگراف B31.3 را بیشتر توضیح دهید. 300(b)(1) همچنین بیان می‌کند: «مالک تأسیسات خط لوله، صرفاً مسئول رعایت این کد و ایجاد الزامات طراحی، ساخت، بازرسی، بازرسی و آزمایش حاکم بر تمام جابجایی سیال یا فرآیندی است که خط لوله بخشی از آن است.» بنابراین، پس از وضع برخی قوانین اساسی برای مسئولیت و الزامات تعریف دسته‌های خدمات سیال، بیایید ببینیم گاز هیدروژن در کجا قرار می‌گیرد.
از آنجا که گاز هیدروژن به عنوان یک مایع فرار با نشتی عمل می‌کند، گاز هیدروژن را می‌توان به عنوان یک مایع معمولی یا یک مایع کلاس M تحت دسته B31.3 برای سرویس مایع در نظر گرفت. همانطور که در بالا ذکر شد، طبقه‌بندی نحوه‌ی جابجایی سیال، یک الزام مالک است، مشروط بر اینکه دستورالعمل‌های مربوط به دسته‌های انتخاب شده که در بند 3، B31.3 شرح داده شده است را برآورده کند. 300.2 تعاریف در بخش "سرویس‌های هیدرولیک". تعاریف زیر برای سرویس سیال معمولی و سرویس سیال کلاس M آمده است:
سرویس سیالات معمولی: سرویس سیالات قابل اجرا برای اکثر لوله‌کشی‌های مشمول این کد، یعنی مشمول مقررات کلاس‌های D، M، دمای بالا، فشار بالا یا تمیزی بالای سیال نیستند.
(1) سمیت این مایع به قدری زیاد است که حتی اگر اقدامات فوری برای بهبود انجام شود، قرار گرفتن در معرض مقدار بسیار کمی از مایع ناشی از نشت، می‌تواند باعث آسیب جدی و دائمی به کسانی شود که آن را استنشاق می‌کنند یا با آن تماس پیدا می‌کنند.
(2) پس از بررسی طراحی خط لوله، تجربه، شرایط عملیاتی و موقعیت مکانی، مالک تشخیص می‌دهد که الزامات استفاده عادی از سیال برای تأمین آب‌بندی لازم جهت محافظت از پرسنل در برابر قرار گرفتن در معرض آن کافی نیست.
در تعریف فوق از M، گاز هیدروژن معیارهای پاراگراف (1) را برآورده نمی‌کند زیرا مایع سمی محسوب نمی‌شود. با این حال، با اعمال بند فرعی (2)، آیین‌نامه، طبقه‌بندی سیستم‌های هیدرولیک را در کلاس M پس از بررسی دقیق «... طراحی لوله‌کشی، تجربه، شرایط عملیاتی و موقعیت مکانی...» مجاز می‌داند. مالک اجازه تعیین نحوه‌ی جابجایی عادی سیال را می‌دهد. الزامات برای برآورده کردن نیاز به سطح بالاتری از یکپارچگی در طراحی، ساخت، بازرسی، بازرسی و آزمایش سیستم‌های لوله‌کشی گاز هیدروژن کافی نیست.
لطفاً قبل از بحث در مورد خوردگی هیدروژنی در دمای بالا (HTHA) به جدول 1 مراجعه کنید. کدها، استانداردها و مقررات در این جدول فهرست شده‌اند که شامل شش سند در مورد موضوع تردی هیدروژنی (HE)، یک ناهنجاری خوردگی رایج که شامل HTHA نیز می‌شود، می‌باشد. OH می‌تواند در دماهای پایین و بالا رخ دهد. این نوع خوردگی که نوعی خوردگی محسوب می‌شود، می‌تواند از چندین طریق آغاز شود و همچنین طیف وسیعی از مواد را تحت تأثیر قرار دهد.
ترک خوردگی هیدروژنی (HE) اشکال مختلفی دارد که می‌توان آنها را به ترک خوردگی هیدروژنی (HAC)، ترک خوردگی تنشی هیدروژنی (HSC)، ترک خوردگی تنشی (SCC)، ترک خوردگی هیدروژنی (HACC)، حباب هیدروژنی (HB)، ترک خوردگی هیدروژنی (HIC)، ترک خوردگی هیدروژنی جهت‌دار تنشی (SOHIC)، ترک خوردگی پیشرونده (SWC)، ترک خوردگی تنشی سولفیدی (SSC)، ترک خوردگی ناحیه نرم (SZC) و خوردگی هیدروژنی دمای بالا (HTHA) تقسیم کرد.
در ساده‌ترین شکل، تردی هیدروژنی مکانیسمی برای تخریب مرزدانه‌های فلزی است که منجر به کاهش شکل‌پذیری به دلیل نفوذ هیدروژن اتمی می‌شود. روش‌هایی که این اتفاق می‌افتد متنوع هستند و تا حدودی با نام‌های مربوطه خود تعریف می‌شوند، مانند HTHA، که در آن هیدروژن به طور همزمان در دما و فشار بالا برای تردی مورد نیاز است، و SSC، که در آن هیدروژن اتمی به صورت گازهای بسته تولید می‌شود و هیدروژن به دلیل خوردگی اسیدی به داخل محفظه‌های فلزی نفوذ می‌کند که می‌تواند منجر به تردی شود. اما نتیجه کلی مانند همه موارد تردی هیدروژنی که در بالا توضیح داده شد، است، جایی که استحکام فلز با تردی کمتر از محدوده تنش مجاز آن کاهش می‌یابد، که به نوبه خود با توجه به فراریت مایع، زمینه را برای یک رویداد بالقوه فاجعه‌بار فراهم می‌کند.
علاوه بر ضخامت دیواره و عملکرد مکانیکی اتصال، دو عامل اصلی وجود دارد که هنگام انتخاب مواد برای سرویس گاز H2 باید در نظر گرفته شوند: ۱. قرار گرفتن در معرض هیدروژن با دمای بالا (HTHA) و ۲. نگرانی‌های جدی در مورد نشت احتمالی. هر دو موضوع در حال حاضر مورد بحث هستند.
برخلاف هیدروژن مولکولی، هیدروژن اتمی می‌تواند منبسط شود و هیدروژن را در معرض دما و فشار بالا قرار دهد و زمینه را برای HTHA بالقوه ایجاد کند. در این شرایط، هیدروژن اتمی قادر به نفوذ به مواد یا تجهیزات لوله‌کشی فولاد کربنی است، جایی که با کربن موجود در محلول فلزی واکنش می‌دهد و گاز متان را در مرز دانه‌ها تشکیل می‌دهد. این گاز که قادر به فرار نیست، منبسط می‌شود و ترک‌ها و شکاف‌هایی را در دیواره‌های لوله‌ها یا مخازن ایجاد می‌کند - این HTGA است. می‌توانید نتایج HTHA را در شکل 2 به وضوح مشاهده کنید که در آن ترک‌ها و شکاف‌ها در دیواره 8 اینچی مشهود است. بخشی از لوله با اندازه اسمی (NPS) که تحت این شرایط دچار شکست می‌شود.
فولاد کربنی می‌تواند برای سرویس هیدروژنی زمانی که دمای عملیاتی زیر ۵۰۰ درجه فارنهایت نگه داشته شود، استفاده شود. همانطور که در بالا ذکر شد، HTHA زمانی رخ می‌دهد که گاز هیدروژن در فشار جزئی و دمای بالا نگه داشته شود. فولاد کربنی زمانی که انتظار می‌رود فشار جزئی هیدروژن حدود ۳۰۰۰ psi و دما بالاتر از حدود ۴۵۰ درجه فارنهایت باشد (که شرایط حادثه در شکل ۲ است) توصیه نمی‌شود.
همانطور که از نمودار اصلاح‌شده نلسون در شکل ۳، که تا حدودی از API 941 گرفته شده است، می‌توان مشاهده کرد، دمای بالا بیشترین تأثیر را بر واداشت هیدروژن دارد. فشار جزئی گاز هیدروژن می‌تواند هنگام استفاده با فولادهای کربنی که در دماهای تا ۵۰۰ درجه فارنهایت کار می‌کنند، از ۱۰۰۰ psi فراتر رود.
شکل ۳. این نمودار نلسون اصلاح‌شده (اقتباس‌شده از API 941) می‌تواند برای انتخاب مواد مناسب برای سرویس هیدروژن در دماهای مختلف استفاده شود.
شکل ۳ انتخاب فولادهایی را نشان می‌دهد که بسته به دمای عملیاتی و فشار جزئی هیدروژن، تضمین می‌شود که از حمله هیدروژنی در امان باشند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی نسبت به HTHA حساس نیستند و در تمام دماها و فشارها، مواد رضایت‌بخشی هستند.
فولاد ضد زنگ آستنیتی 316/316L کاربردی‌ترین ماده برای کاربردهای هیدروژنی است و سابقه‌ی اثبات‌شده‌ای دارد. در حالی که عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) برای فولادهای کربنی جهت کلسینه کردن هیدروژن باقیمانده در حین جوشکاری و کاهش سختی منطقه‌ی متاثر از حرارت (HAZ) پس از جوشکاری توصیه می‌شود، این عملیات برای فولادهای ضد زنگ آستنیتی الزامی نیست.
اثرات گرماگرمایی ناشی از عملیات حرارتی و جوشکاری تأثیر کمی بر خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارند. با این حال، کار سرد می‌تواند خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن آستنیتی مانند استحکام و سختی را بهبود بخشد. هنگام خم کردن و شکل‌دهی لوله‌ها از فولاد زنگ نزن آستنیتی، خواص مکانیکی آنها تغییر می‌کند، از جمله کاهش پلاستیسیته ماده.
اگر فولاد ضد زنگ آستنیتی نیاز به شکل‌دهی سرد داشته باشد، آنیل محلولی (گرم کردن تا دمای تقریبی 1045 درجه سانتیگراد و به دنبال آن کوئنچ یا خنک‌سازی سریع) خواص مکانیکی ماده را به مقادیر اولیه آنها باز می‌گرداند. همچنین جدایش آلیاژ، حساسیت‌زدایی و فاز سیگما حاصل از کار سرد را از بین می‌برد. هنگام انجام آنیل محلولی، توجه داشته باشید که اگر به درستی انجام نشود، خنک‌سازی سریع می‌تواند تنش پسماند را دوباره به ماده وارد کند.
برای انتخاب مواد قابل قبول برای سرویس H2 به جداول GR-2.1.1-1 فهرست مشخصات مواد لوله کشی و مونتاژ لوله و GR-2.1.1-2 فهرست مشخصات مواد لوله کشی در ASME B31 مراجعه کنید. لوله ها نقطه شروع خوبی هستند.
هیدروژن با وزن اتمی استاندارد ۱.۰۰۸ واحد جرم اتمی (amu)، سبک‌ترین و کوچکترین عنصر در جدول تناوبی است و بنابراین تمایل زیادی به نشت دارد که می‌تواند عواقب مخربی داشته باشد. بنابراین، سیستم خط لوله گاز باید به گونه‌ای طراحی شود که اتصالات مکانیکی را محدود کرده و اتصالاتی را که واقعاً مورد نیاز هستند، بهبود بخشد.
هنگام محدود کردن نقاط نشتی احتمالی، سیستم باید به طور کامل جوش داده شود، به جز اتصالات فلنجی روی تجهیزات، عناصر لوله‌کشی و اتصالات. تا حد امکان، اگر نه به طور کامل، باید از اتصالات رزوه‌دار اجتناب شود. اگر به هر دلیلی نمی‌توان از اتصالات رزوه‌دار اجتناب کرد، توصیه می‌شود آنها را بدون درزگیر رزوه به طور کامل درگیر کرده و سپس جوش را آب‌بندی کنید. هنگام استفاده از لوله فولادی کربنی، اتصالات لوله باید جوش لب به لب داده شوند و عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) انجام شود. پس از جوشکاری، لوله‌ها در منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) حتی در دمای محیط نیز در معرض حمله هیدروژنی قرار می‌گیرند. در حالی که حمله هیدروژنی عمدتاً در دماهای بالا رخ می‌دهد، مرحله PWHT این احتمال را حتی در شرایط محیطی به طور کامل کاهش می‌دهد، اگر از بین نبرد.
نقطه ضعف سیستم تمام جوش، اتصال فلنج است. برای اطمینان از درجه بالای سفتی در اتصالات فلنج، باید از واشرهای Kammprofile (شکل 4) یا نوع دیگری از واشر استفاده شود. این پد که تقریباً به همان روش توسط چندین تولیدکننده ساخته شده است، بسیار مقاوم است. این پد از حلقه‌های تمام فلزی دندانه‌دار تشکیل شده است که بین مواد آب‌بندی نرم و تغییر شکل‌پذیر قرار گرفته‌اند. دندانه‌ها بار پیچ را در ناحیه کوچکتری متمرکز می‌کنند تا با تنش کمتر، اتصال محکمی را فراهم کنند. این پد به گونه‌ای طراحی شده است که می‌تواند سطوح ناهموار فلنج و همچنین شرایط عملیاتی متغیر را جبران کند.
شکل ۴. واشرهای Kammprofile دارای یک هسته فلزی هستند که از دو طرف با یک پرکننده نرم پیوند خورده است.
یکی دیگر از عوامل مهم در یکپارچگی سیستم، شیر است. نشتی در اطراف آب‌بند ساقه و فلنج‌های بدنه یک مشکل واقعی است. برای جلوگیری از این امر، توصیه می‌شود شیری با آب‌بند حلزونی انتخاب شود.
در مثال زیر از لوله فولادی کربنی 1 اینچی School 80 استفاده کنید، با توجه به تلرانس‌های تولید، خوردگی و تلرانس‌های مکانیکی مطابق با ASTM A106 Gr B، حداکثر فشار کاری مجاز (MAWP) را می‌توان در دو مرحله در دماهای تا 300 درجه فارنهایت محاسبه کرد (توجه: دلیل عبارت «... برای دماهای تا 300 درجه فارنهایت...» این است که تنش مجاز (S) ماده ASTM A106 Gr B هنگامی که دما از 300 درجه فارنهایت (S) بیشتر می‌شود، شروع به تخریب می‌کند، بنابراین معادله (1) ایجاب می‌کند که برای دماهای بالاتر از 300 درجه فارنهایت تنظیم شود.)
با توجه به فرمول (1)، اولین قدم محاسبه فشار ترکیدگی نظری خط لوله است.
T = ضخامت دیواره لوله منهای تلرانس‌های مکانیکی، خوردگی و ساخت، بر حسب اینچ.
بخش دوم فرآیند، محاسبه حداکثر فشار کاری مجاز Pa خط لوله با اعمال ضریب ایمنی S f بر نتیجه P طبق معادله (2) است:
بنابراین، هنگام استفاده از مصالح ۱ اینچی school 80، فشار ترکیدگی به صورت زیر محاسبه می‌شود:
سپس ضریب اطمینان ایمنی ۴ مطابق با توصیه‌های مخازن تحت فشار ASME بخش VIII-1 2019، پاراگراف ۸ اعمال می‌شود. UG-101 به صورت زیر محاسبه می‌شود:
مقدار MAWP حاصل ۸۱۰ psi است. اینچ فقط به لوله اشاره دارد. اتصال فلنج یا قطعه‌ای که کمترین رتبه‌بندی را در سیستم دارد، عامل تعیین‌کننده در تعیین فشار مجاز در سیستم خواهد بود.
طبق استاندارد ASME B16.5، حداکثر فشار کاری مجاز برای اتصالات فلنج فولادی کربنی ۱۵۰، ۲۸۵ psi.inch در دمای -۲۰°F تا ۱۰۰°F است. کلاس ۳۰۰ دارای حداکثر فشار کاری مجاز ۷۴۰ psi است. این ضریب محدودیت فشار سیستم طبق مثال مشخصات مواد زیر خواهد بود. همچنین، فقط در آزمایش‌های هیدرواستاتیک، این مقادیر می‌توانند از ۱.۵ برابر بیشتر شوند.
به عنوان مثالی از مشخصات اولیه مواد فولاد کربنی، مشخصات خط انتقال گاز H2 که در دمای محیط زیر فشار طراحی 740 psi.inch کار می‌کند، ممکن است شامل الزامات مواد نشان داده شده در جدول 2 باشد. موارد زیر انواعی هستند که ممکن است نیاز به توجه در مشخصات داشته باشند:
جدا از خود لوله‌کشی، عناصر زیادی مانند اتصالات، شیرآلات، تجهیزات خط و غیره وجود دارند که سیستم لوله‌کشی را تشکیل می‌دهند. اگرچه بسیاری از این عناصر در یک خط لوله کنار هم قرار می‌گیرند تا به تفصیل در مورد آنها بحث شود، اما این امر به صفحات بیشتری نیاز دارد که نمی‌توان در این مقاله گنجاند.