Dit oersjoch jout oanbefellings foar it feilige ûntwerp fan piipsystemen foar wetterstofdistribúsje.
Wetterstof is in tige flechtige floeistof mei in hege oanstriid ta lekken. It is in tige gefaarlike en deadlike kombinaasje fan oanstriid, in flechtige floeistof dy't lestich te kontrolearjen is. Dit binne trends om te beskôgjen by it kiezen fan materialen, pakkingen en sealen, lykas de ûntwerpkarakteristiken fan sokke systemen. Dizze ûnderwerpen oer de fersprieding fan gasfoarmige H2 binne de fokus fan dizze diskusje, net de produksje fan H2, floeibere H2, of floeibere H2 (sjoch rjochter sydbalke).
Hjir binne in pear wichtige punten om jo te helpen it mingsel fan wetterstof en H2-loft te begripen. Wetterstof ferbaarnt op twa manieren: deflagraasje en eksploazje.
Deflagraasje. Deflagraasje is in gewoane ferbaarningsmodus wêrby't flammen mei subsonyske snelheden troch it mingsel reizgje. Dit bart bygelyks as in frije wolk fan wetterstof-loftmingsel ûntstoken wurdt troch in lytse ûntstekkingsboarne. Yn dit gefal sil de flam bewege mei in snelheid fan tsien oant ferskate hûnderten fuotten per sekonde. De rappe útwreiding fan hjit gas makket drukweagen wêrfan de sterkte evenredich is mei de grutte fan 'e wolk. Yn guon gefallen kin de krêft fan 'e skokweach genôch wêze om boukonstruksjes en oare objekten op syn paad te beskeadigjen en ferwûnings te feroarsaakjen.
eksplodearje. Doe't it eksplodearre, reizgen flammen en skokweagen mei supersonyske snelheden troch it mingsel. De drukferhâlding yn in detonaasjeweach is folle grutter as yn in detonaasje. Troch de ferhege krêft is de eksploazje gefaarliker foar minsken, gebouwen en objekten yn 'e buert. Normale deflagraasje feroarsaket in eksploazje as it yn in beheinde romte ûntstoken wurdt. Yn sa'n smel gebiet kin ûntstekking feroarsake wurde troch de minste hoemannichte enerzjy. Mar foar de detonaasje fan in wetterstof-loftmingsel yn in ûnbeheinde romte is in krêftiger ûntstekkingsboarne nedich.
De drukferhâlding oer de detonaasjeweach yn in wetterstof-loftmingsel is sawat 20. By atmosfearyske druk is in ferhâlding fan 20 300 psi. As dizze drukweach botst mei in stilsteand objekt, nimt de drukferhâlding ta nei 40-60. Dit komt troch de refleksje fan in drukweach fan in stilsteand obstakel.
Neiging ta lekken. Fanwegen syn lege viskositeit en lege molekulêre gewicht hat H2-gas in hege neiging om te lekken en sels ferskate materialen te permeatearjen of te penetrearjen.
Wetterstof is 8 kear lichter as ierdgas, 14 kear lichter as loft, 22 kear lichter as propaan en 57 kear lichter as benzinedamp. Dit betsjut dat as it bûten ynstalleare wurdt, it H2-gas fluch opstean en ferdwine sil, wêrtroch alle tekens fan sels lekken ferminderje. Mar it kin in dûbelsnijdich swurd wêze. In eksploazje kin foarkomme as der lassen wurde moat op in bûtenynstallaasje boppe of ûnder de wyn fan in H2-lek sûnder in lekdeteksjeûndersyk foar it lassen. Yn in sletten romte kin H2-gas opstean en him opbouwe fan it plafond nei ûnderen, in tastân dy't it mooglik makket om op te bouwen ta grutte folumes foardat it wierskynliker yn kontakt komt mei ûntstekkingsboarnen tichtby de grûn.
Tafallige brân. Selsûntstekking is in ferskynsel wêrby't in mingsel fan gassen of dampen spontaan ûntstean sûnder in eksterne ûntstekkingsboarne. It is ek wol bekend as "spontane ferbaarning" of "spontane ferbaarning". Selsûntstekking hinget ôf fan temperatuer, net fan druk.
De selsûntstekkingstemperatuer is de minimale temperatuer wêrby't in brânstof spontaan ûntstean sil foar ûntstekking yn 'e ôfwêzigens fan in eksterne ûntstekkingsboarne by kontakt mei loft of in oksidearjend middel. De selsûntstekkingstemperatuer fan in inkele poeier is de temperatuer wêrby't it spontaan ûntstean sil yn 'e ôfwêzigens fan in oksidearjend middel. De selsûntstekkingstemperatuer fan gasfoarmige H2 yn loft is 585 °C.
De ûntstekkingsenerzjy is de enerzjy dy't nedich is om de fersprieding fan in flam troch in brânber mingsel te begjinnen. Minimale ûntstekkingsenerzjy is de minimale enerzjy dy't nedich is om in bepaald brânber mingsel te ûntstekken by in bepaalde temperatuer en druk. Minimale fonkûntstekkingsenerzjy foar gasfoarmige H2 yn 1 atm loft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Eksploazjegrinzen binne de maksimale en minimale konsintraasjes fan dampen, misten of stof yn loft of soerstof wêrby't in eksploazje foarkomt. De grutte en geometry fan 'e omjouwing, lykas de konsintraasje fan 'e brânstof, bepaalt de grinzen. "Eksploazjegrins" wurdt soms brûkt as synonym foar "eksploazjegrins".
De eksplosive limiten foar H2-mingsels yn loft binne 18,3 vol.% (ûndergrins) en 59 vol.% (boppegrins).
By it ûntwerpen fan piipsystemen (figuer 1) is de earste stap it bepalen fan 'e boumaterialen dy't nedich binne foar elk type floeistof. En elke floeistof sil wurde klassifisearre neffens ASME B31.3 paragraaf. 300(b)(1) stelt: "De eigener is ek ferantwurdlik foar it bepalen fan klasse D, M, hege druk en hege suverenspipen, en it bepalen oft in bepaald kwaliteitssysteem brûkt wurde moat."
Floeistofkategorisaasje definiearret de mjitte fan testen en it type testen dat nedich is, lykas in protte oare easken basearre op 'e floeistofkategory. De ferantwurdlikens fan 'e eigener hjirfoar falt meastal by de yngenieursôfdieling fan 'e eigener of in útbestede yngenieur.
Hoewol't de B31.3 Process Piping Code de eigener net fertelt hokker materiaal te brûken foar in bepaalde floeistof, jout it wol begelieding oer easken foar sterkte, dikte en materiaalferbining. Der binne ek twa útspraken yn 'e ynlieding fan' e koade dy't dúdlik oanjaan:
En wreidzje út op 'e earste alinea hjirboppe, paragraaf B31.3. 300(b)(1) stelt ek: "De eigener fan in pipeline-ynstallaasje is allinnich ferantwurdlik foar it neilibjen fan dizze Koade en foar it fêststellen fan 'e ûntwerp-, konstruksje-, ynspeksje-, ynspeksje- en testeasken dy't jilde foar alle floeistofôfhanneling of prosessen wêrfan de pipeline diel útmakket. Ynstallaasje." Dus, nei it fêststellen fan wat basisregels foar oanspraaklikens en easken foar it definiearjen fan floeistoftsjinstkategoryen, litte wy sjen wêr't wetterstofgas past.
Omdat wetterstofgas as in flechtige floeistof mei lekken fungearret, kin wetterstofgas beskôge wurde as in normale floeistof of in Klasse M floeistof ûnder kategory B31.3 foar floeistoftsjinst. Lykas hjirboppe neamd, is de klassifikaasje fan floeistofbehanneling in eask fan 'e eigener, mits it foldocht oan 'e rjochtlinen foar de selektearre kategoryen beskreaun yn B31.3, paragraaf 3. 300.2 Definysjes yn 'e seksje "Hydraulyske tsjinsten". Hjirûnder binne definysjes foar normale floeistoftsjinst en Klasse M floeistoftsjinst:
"Normale floeistoftsjinst: Floeistoftsjinst dy't fan tapassing is op de measte pipen dy't ûnder dizze koade falle, d.w.s. net ûnderwurpen binne oan regeljouwing foar klassen D, M, hege temperatuer, hege druk of hege floeistofreinheid."
(1) De giftigens fan 'e floeistof is sa grut dat ien bleatstelling oan in tige lytse hoemannichte floeistof feroarsake troch in lek serieuze permaninte ferwûnings feroarsaakje kin oan dyjingen dy't it ynademe of dermei yn kontakt komme, sels as der direkte herstelmaatregels nommen wurde.
(2) Nei it beskôgjen fan it ûntwerp fan 'e pipeline, de ûnderfining, de wurkomstannichheden en de lokaasje, stelt de eigener fêst dat de easken foar normaal gebrûk fan 'e floeistof net genôch binne om de tichtheid te leverjen dy't nedich is om personiel te beskermjen tsjin bleatstelling.
Yn 'e boppesteande definysje fan M foldocht wetterstofgas net oan 'e kritearia fan paragraaf (1), om't it net as in giftige floeistof beskôge wurdt. Troch subseksje (2) ta te passen, lit de Koade lykwols de klassifikaasje fan hydraulyske systemen yn klasse M ta nei goed oerwagings fan "... piipûntwerp, ûnderfining, wurkomstannichheden en lokaasje..." De eigener lit de bepaling fan normale floeistofôfhanneling ta. De easken binne net genôch om te foldwaan oan 'e needsaak foar in heger nivo fan yntegriteit yn it ûntwerp, de konstruksje, de ynspeksje, de ynspeksje en it testen fan wetterstofgaspiipsystemen.
Sjoch tabel 1 foardat jo prate oer hege temperatuer wetterstofkorrosje (HTHA). Koades, noarmen en regeljouwing binne neamd yn dizze tabel, dy't seis dokuminten befettet oer it ûnderwerp wetterstofferbrosking (HE), in faak foarkommende korrosje-anomalie dy't HTHA omfettet. OH kin foarkomme by lege en hege temperatueren. Beskôge as in foarm fan korrosje, kin it op ferskate manieren inisjearre wurde en ek in breed skala oan materialen beynfloedzje.
HE hat ferskate foarmen, dy't ferdield wurde kinne yn wetterstofskeakjen (HAC), wetterstofspanningsskeakjen (HSC), spanningskorrosjeskeakjen (SCC), wetterstofkorrosjeskeakjen (HACC), wetterstofbubbeljen (HB), wetterstofskeakjen (HIC). )), spanningsoriïntearre wetterstofskeakjen (SOHIC), progressive skeakjen (SWC), sulfidespanningsskeakjen (SSC), sêfte sôneskeakjen (SZC), en hege-temperatuer wetterstofkorrosje (HTHA).
Yn syn ienfâldichste foarm is wetterstofferbrosking in meganisme foar it ferneatigjen fan metaalkerrelgrinzen, wat resulteart yn fermindere duktiliteit troch de penetraasje fan atomêre wetterstof. De manieren wêrop dit bart binne ferskaat en wurde foar in part definieare troch har respektive nammen, lykas HTHA, wêrby't tagelyk hege temperatuer en hege druk wetterstof nedich is foar ferbrosking, en SSC, wêrby't atomêre wetterstof produsearre wurdt as sletten gassen en wetterstof. Troch soere korrosje sipelje se yn metalen omhulsels, wat kin liede ta brosheid. Mar it algemiene resultaat is itselde as foar alle hjirboppe beskreaune gefallen fan wetterstofferbrosking, wêrby't de sterkte fan it metaal wurdt fermindere troch ferbrosking ûnder it tastiene spanningsberik, wat op syn beurt de basis leit foar in potinsjeel katastrofale barren sjoen de flechtigens fan 'e floeistof.
Neist wanddikte en meganyske prestaasjes fan 'e ferbining binne der twa wichtige faktoaren om te beskôgjen by it selektearjen fan materialen foar H2-gastsjinst: 1. Bleatstelling oan wetterstof op hege temperatuer (HTHA) en 2. Serieuze soargen oer potinsjele lekkage. Beide ûnderwerpen binne op it stuit ûnder diskusje.
Oars as molekulêre wetterstof kin atomêre wetterstof útwreidzje, wêrtroch't de wetterstof bleatsteld wurdt oan hege temperatueren en druk, wêrtroch't de basis ûntstiet foar potinsjele HTHA. Under dizze omstannichheden kin atomêre wetterstof diffundearje yn koalstofstielpiipmaterialen of apparatuer, dêr't it reagearret mei koalstof yn metallyske oplossing om metaangas te foarmjen by kerrelgrinzen. Om't it net ûntkomme kin, wreidet it gas út, wêrtroch't skuorren en spleten ûntsteane yn 'e muorren fan pipen of fetten - dit is HTGA. Jo kinne de HTHA-resultaten dúdlik sjen yn figuer 2, dêr't skuorren en barsten dúdlik binne yn 'e 8″ muorre. It diel fan 'e nominale grutte (NPS) piip dat ûnder dizze omstannichheden brekt.
Koalstofstiel kin brûkt wurde foar wetterstoftsjinst as de wurktemperatuer ûnder 500 °F hâlden wurdt. Lykas hjirboppe neamd, komt HTHA foar as wetterstofgas ûnder hege parsjele druk en hege temperatuer hâlden wurdt. Koalstofstiel wurdt net oanrikkemandearre as de parsjele wetterstofdruk nei ferwachting om de 3000 psi leit en de temperatuer boppe sawat 450 °F leit (wat de ûngelokkondysje is yn figuer 2).
Lykas te sjen is yn 'e oanpaste Nelson-plot yn figuer 3, foar in part oernommen fan API 941, hat hege temperatuer it grutste effekt op wetterstoftwang. De parsjele druk fan wetterstofgas kin mear as 1000 psi wêze as it brûkt wurdt mei koalstofstiel dat wurket by temperatueren oant 500 °F.
Figuer 3. Dizze oanpaste Nelson-kaart (oanpast fan API 941) kin brûkt wurde om geskikte materialen te selektearjen foar wetterstoftsjinst by ferskate temperatueren.
Op fig. 3 wurdt de kar fan stielen toand dy't garandearre wetterstofoanfal foarkomme, ôfhinklik fan 'e wurktemperatuer en parsjele druk fan wetterstof. Austenityske roestfrij stielen binne ûngefoelich foar HTHA en binne befredigjende materialen by alle temperatueren en druk.
Austenityske 316/316L roestfrij stiel is it meast praktyske materiaal foar wetterstoftapassingen en hat in bewezen track record. Wylst post-weld waarmtebehandeling (PWHT) oanrikkemandearre wurdt foar koalstofstiel om oerbleaune wetterstof te kalsinearjen tidens it lassen en de hurdens fan 'e waarmte-beynfloede sône (HAZ) nei it lassen te ferminderjen, is it net fereaske foar austenityske roestfrij stiel.
Termotermyske effekten feroarsake troch waarmtebehanneling en lassen hawwe in lyts effekt op 'e meganyske eigenskippen fan austenityske roestfrij stiel. Kâldbewurking kin lykwols de meganyske eigenskippen fan austenityske roestfrij stiel ferbetterje, lykas sterkte en hurdens. By it bûgen en foarmjen fan pipen fan austenityske roestfrij stiel feroarje har meganyske eigenskippen, ynklusyf de ôfname fan 'e plastisiteit fan it materiaal.
As austenitysk roestfrij stiel kâldfoarmjen fereasket, sil oplossingsgloeien (ferwaarmjen oant sawat 1045 °C folge troch blussen of rappe koeling) de meganyske eigenskippen fan it materiaal werombringe nei har oarspronklike wearden. It sil ek de legearingsegregaasje, sensibilisaasje en sigma-faze eliminearje dy't berikt wurde nei kâldbewurking. Wês derfan bewust dat by it útfieren fan oplossingsgloeien restspanning werom yn it materiaal kin bringe as it net goed behannele wurdt.
Sjoch tabellen GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index en GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index yn ASME B31 foar akseptabele materiaalseleksjes foar H2-tsjinst. Piipen binne in goed plak om te begjinnen.
Mei in standert atoomgewicht fan 1.008 atoommassa-ienheden (amu) is wetterstof it lichtste en lytste elemint op it periodyk systeem, en hat dêrom in hege oanstriid ta lekken, mei potinsjeel ferneatigjende gefolgen, soe ik tafoegje moatte. Dêrom moat it gasliedingsysteem sa ûntwurpen wurde dat meganyske ferbiningen beheind wurde en dy ferbiningen dy't echt nedich binne ferbettere wurde.
By it beheinen fan potinsjele lekpunten moat it systeem folslein lassen wurde, útsein flensferbiningen op apparatuer, piipliedingeleminten en fittingen. Skruefdraadferbiningen moatte safolle mooglik foarkommen wurde, as net folslein. As skruefdraadferbiningen om ien of oare reden net foarkommen wurde kinne, wurdt it oanrikkemandearre om se folslein yn te gripen sûnder skroefdraadkit en dan de las ôf te sluten. By it brûken fan koalstofstielpipen moatte de piipferbiningen stomplassen wurde en nei it lassen hjittebehannele wurde (PWHT). Nei it lassen wurde pipen yn 'e hjitte-beynfloede sône (HAZ) bleatsteld oan wetterstofoanfal, sels by keamertemperatuer. Wylst wetterstofoanfal benammen by hege temperatueren foarkomt, sil de PWHT-faze dizze mooglikheid folslein ferminderje, as net eliminearje, sels ûnder keameromstannichheden.
It swakke punt fan it folslein lassen systeem is de flensferbining. Om in hege mjitte fan tichtheid yn flensferbiningen te garandearjen, moatte Kammprofile-pakkingen (fig. 4) of in oare foarm fan pakkingen brûkt wurde. Dizze pad, dy't op hast deselde wize makke wurdt troch ferskate fabrikanten, is tige ferjaanlik. It bestiet út toskedige, folslein metalen ringen dy't tusken sêfte, deformearbere ôfslutingsmaterialen ynklemd binne. De tosken konsintrearje de lading fan 'e bout op in lytser gebiet om in strakke fit te jaan mei minder spanning. It is sa ûntwurpen dat it kin kompensearje foar ûngelikense flensoppervlakken, lykas ek fluktuearjende wurkomstannichheden.
Figuer 4. Kammprofile-pakkingen hawwe in metalen kearn dy't oan beide kanten ferbûn is mei in sêfte filler.
In oare wichtige faktor yn 'e yntegriteit fan it systeem is de fentyl. Lekken om 'e steeldichting en lichemsflenzen hinne binne in echt probleem. Om dit te foarkommen, is it oan te rieden om in fentyl mei in balgdichting te kiezen.
Brûk 1 inch. Skoalle 80 koalstofstielpiip, yn ús foarbyld hjirûnder, jûn produksjetolerânsjes, korrosje en meganyske tolerânsjes neffens ASTM A106 Gr B, kin de maksimaal tastiene wurkdruk (MAWP) yn twa stappen berekkene wurde by temperatueren oant 300 °F (Opmerking: De reden foar "...foar temperatueren oant 300ºF..." is om't de tastiene spanning (S) fan ASTM A106 Gr B materiaal begjint te ferswakjen as de temperatuer 300ºF (S) oerskriuwt, dus Fergeliking (1) fereasket Oanpassing oan temperatueren boppe 300ºF.)
Mei ferwizing nei formule (1), is de earste stap it berekkenjen fan de teoretyske barstdruk fan 'e piiplieding.
T = piipwanddikte minus meganyske, korrosje- en produksjetolerânsjes, yn inch.
It twadde diel fan it proses is it berekkenjen fan de maksimaal tastiene wurkdruk Pa fan 'e piiplieding troch de feiligensfaktor S f ta te passen op it resultaat P neffens fergeliking (2):
Dus, by it brûken fan 1″ skoalle 80 materiaal, wurdt de barstdruk as folget berekkene:
In feilichheids-Sf fan 4 wurdt dan tapast neffens de ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 berekkene as folget:
De resultearjende MAWP-wearde is 810 psi. Inch ferwiist allinich nei piip. De flensferbining of komponint mei de leechste wurdearring yn it systeem sil de bepalende faktor wêze by it bepalen fan de tastiene druk yn it systeem.
Neffens ASME B16.5 is de maksimaal tastiene wurkdruk foar flensfittingen fan 150 koalstofstiel 285 psi. inch by -20°F oant 100°F. Klasse 300 hat in maksimaal tastiene wurkdruk fan 740 psi. Dit sil de druklimytfaktor fan it systeem wêze neffens it foarbyld fan 'e materiaalspesifikaasje hjirûnder. Ek allinich yn hydrostatyske testen kinne dizze wearden 1,5 kear heger wêze.
As foarbyld fan in basisspesifikaasje foar koalstofstielmateriaal, kin in H2-gasserviceliedingspesifikaasje dy't wurket by in omjouwingstemperatuer ûnder in ûntwerpdruk fan 740 psi. inch, de materiaaleasken befetsje dy't werjûn binne yn tabel 2. De folgjende binne typen dy't miskien omtinken nedich binne om opnommen te wurden yn 'e spesifikaasje:
Neist de piiplieding sels binne der in protte eleminten dy't it piipliedingsysteem foarmje, lykas fittings, kleppen, liedingapparatuer, ensfh. Wylst in protte fan dizze eleminten yn in pipeline byinoar set wurde om se yn detail te besprekken, sil dit mear siden fereaskje as der plak foar hawwe kinne. Dit artikel.