Esta descrición xeral ofrece recomendacións para o deseño seguro de sistemas de tubaxes para a distribución de hidróxeno.
O hidróxeno é un líquido moi volátil cunha alta tendencia a ter fugas. É unha combinación de tendencias moi perigosa e mortal, un líquido volátil que é difícil de controlar. Estas son tendencias a ter en conta á hora de elixir materiais, xuntas e selos, así como as características de deseño destes sistemas. Estes temas sobre a distribución do H2 gasoso son o foco desta discusión, non a produción de H2, H2 líquido ou H2 líquido (véxase a barra lateral dereita).
Aquí tes algúns puntos clave para axudarche a comprender a mestura de hidróxeno e H2-aire. O hidróxeno arde de dúas maneiras: por deflagración e por explosión.
deflagración. A deflagración é un modo de combustión común no que as chamas viaxan a través da mestura a velocidades subsónicas. Isto ocorre, por exemplo, cando unha nube libre dunha mestura de hidróxeno e aire é acendeda por unha pequena fonte de ignición. Neste caso, a chama moverase a unha velocidade de dez a varios centos de pés por segundo. A rápida expansión do gas quente crea ondas de presión cuxa forza é proporcional ao tamaño da nube. Nalgúns casos, a forza da onda de choque pode ser suficiente para danar as estruturas dos edificios e outros obxectos ao seu paso e causar lesións.
explotar. Cando explotou, as chamas e as ondas de choque viaxaron a través da mestura a velocidades supersónicas. A relación de presión nunha onda de detonación é moito maior que nunha detonación. Debido ao aumento da forza, a explosión é máis perigosa para as persoas, os edificios e os obxectos próximos. A deflagración normal provoca unha explosión cando se acende nun espazo confinado. Nunha zona tan estreita, a ignición pode ser causada pola menor cantidade de enerxía. Pero para a detonación dunha mestura de hidróxeno e aire nun espazo ilimitado, requírese unha fonte de ignición máis potente.
A relación de presión a través da onda de detonación nunha mestura de hidróxeno e aire é de aproximadamente 20. Á presión atmosférica, unha relación de 20 é de 300 psi. Cando esta onda de presión choca cun obxecto estacionario, a relación de presión aumenta a 40-60. Isto débese á reflexión dunha onda de presión desde un obstáculo estacionario.
Tendencia a fugas. Debido á súa baixa viscosidade e baixo peso molecular, o gas H2 ten unha alta tendencia a fugas e mesmo a permear ou penetrar en diversos materiais.
O hidróxeno é 8 veces máis lixeiro que o gas natural, 14 veces máis lixeiro que o aire, 22 veces máis lixeiro que o propano e 57 veces máis lixeiro que o vapor de gasolina. Isto significa que, cando se instala no exterior, o gas H2 subirá e disiparase rapidamente, o que reducirá calquera sinal de fugas sequera. Pero pode ser unha arma de dobre fío. Pode producirse unha explosión se se vai realizar soldadura nunha instalación exterior por riba ou a favor do vento dunha fuga de H2 sen un estudo de detección de fugas antes da soldadura. Nun espazo pechado, o gas H2 pode subir e acumularse desde o teito cara abaixo, unha condición que lle permite acumularse en grandes volumes antes de ser máis propenso a entrar en contacto con fontes de ignición preto do chan.
Lume accidental. A autoignición é un fenómeno no que unha mestura de gases ou vapores se inflama espontaneamente sen unha fonte externa de ignición. Tamén se coñece como "combustión espontánea" ou "combustión espontánea". A autoignición depende da temperatura, non da presión.
A temperatura de autoignición é a temperatura mínima á que un combustible se acenderá espontaneamente antes da ignición en ausencia dunha fonte externa de ignición ao entrar en contacto co aire ou un axente oxidante. A temperatura de autoignición dun só po é a temperatura á que se acende espontaneamente en ausencia dun axente oxidante. A temperatura de autoignición do H2 gasoso no aire é de 585 °C.
A enerxía de ignición é a enerxía necesaria para iniciar a propagación dunha chama a través dunha mestura combustible. A enerxía mínima de ignición é a enerxía mínima necesaria para acender unha mestura combustible particular a unha temperatura e presión particulares. A enerxía mínima de ignición por faísca para o H2 gasoso en 1 atm de aire = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Os límites de explosividade son as concentracións máximas e mínimas de vapores, néboas ou pos no aire ou no osíxeno ás que se produce unha explosión. O tamaño e a xeometría do ambiente, así como a concentración do combustible, controlan os límites. Ás veces, o termo «límite de explosión» úsase como sinónimo de «límite de explosión».
Os límites de explosividade para as mesturas de H2 no aire son o 18,3 % en volume (límite inferior) e o 59 % en volume (límite superior).
Ao deseñar sistemas de tubaxes (Figura 1), o primeiro paso é determinar os materiais de construción necesarios para cada tipo de fluído. E cada fluído clasificarase de acordo co parágrafo ASME B31.3. A norma 300(b)(1) establece: «O propietario tamén é responsable de determinar as tubaxes de clase D, M, de alta presión e de alta pureza, e de determinar se se debe usar un sistema de calidade determinado».
A categorización de fluídos define o grao de probas e o tipo de probas requiridas, así como moitos outros requisitos baseados na categoría do fluído. A responsabilidade do propietario por isto adoita recaer no departamento de enxeñaría do propietario ou nun enxeñeiro subcontratado.
Aínda que o Código de tubaxes de proceso B31.3 non lle indica ao propietario que material usar para un fluído en particular, si ofrece orientación sobre a resistencia, o grosor e os requisitos de conexión do material. Tamén hai dúas declaracións na introdución do código que indican claramente:
E ampliando o primeiro parágrafo anterior, o parágrafo B31.3. 300(b)(1) tamén establece: "O propietario dunha instalación de tubaxes é o único responsable de cumprir este Código e de establecer os requisitos de deseño, construción, inspección e probas que rexen toda a manipulación de fluídos ou procesos dos que a tubaxe forma parte. Instalación". Entón, despois de establecer algunhas regras básicas de responsabilidade e requisitos para definir as categorías de servizo de fluídos, vexamos onde encaixa o gas hidróxeno.
Dado que o gas hidróxeno actúa como un líquido volátil con fugas, o gas hidróxeno pódese considerar un líquido normal ou un líquido de clase M na categoría B31.3 para o servizo de líquidos. Como se indicou anteriormente, a clasificación da manipulación de fluídos é un requisito do propietario, sempre que cumpra as directrices para as categorías seleccionadas descritas en B31.3, parágrafo 3. 300.2 Definicións na sección "Servizos hidráulicos". As seguintes son as definicións para o servizo de fluídos normal e o servizo de fluídos de clase M:
"Servizo de fluídos normal: servizo de fluídos aplicable á maioría das tubaxes suxeitas a este código, é dicir, non suxeito ás regulacións para as clases D, M, alta temperatura, alta presión ou alta limpeza de fluídos."
(1) A toxicidade do fluído é tan grande que unha única exposición a unha cantidade moi pequena do fluído causada por unha fuga pode causar lesións permanentes graves a quen o inhale ou entre en contacto con el, mesmo se se toman medidas de recuperación inmediatas.
(2) Tras considerar o deseño da tubaxe, a experiencia, as condicións de funcionamento e a localización, o propietario determina que os requisitos para o uso normal do fluído non son suficientes para proporcionar a estanquidade necesaria para protexer o persoal da exposición.
Na definición anterior de M, o gas hidróxeno non cumpre os criterios do parágrafo (1) porque non se considera un líquido tóxico. Non obstante, ao aplicar a subsección (2), o Código permite a clasificación dos sistemas hidráulicos na clase M despois de ter debidamente en conta "...deseño de tubaxes, experiencia, condicións de funcionamento e localización...". O propietario permite a determinación da manipulación normal de fluídos. Os requisitos son insuficientes para satisfacer a necesidade dun maior nivel de integridade no deseño, construción, inspección e probas dos sistemas de tubaxes de gas hidróxeno.
Consulta a Táboa 1 antes de falar sobre a corrosión por hidróxeno a alta temperatura (HTHA). Os códigos, as normas e as normativas aparecen nesta táboa, que inclúe seis documentos sobre o tema da fragilización por hidróxeno (HE), unha anomalía común de corrosión que inclúe a HTHA. A OH pode producirse a baixas e altas temperaturas. Considerada unha forma de corrosión, pode iniciarse de varias maneiras e tamén afectar a unha ampla gama de materiais.
A HE ten varias formas, que se poden dividir en craqueamento por hidróxeno (HAC), craqueamento por tensión de hidróxeno (HSC), craqueamento por corrosión por tensión (SCC), craqueamento por corrosión de hidróxeno (HACC), burbullas de hidróxeno (HB), craqueamento por hidróxeno (HIC), craqueamento por hidróxeno orientado a tensión (SOHIC), craqueamento progresivo (SWC), craqueamento por tensión de sulfuro (SSC), craqueamento de zona branda (SZC) e corrosión por hidróxeno a alta temperatura (HTHA).
Na súa forma máis simple, a fragilización por hidróxeno é un mecanismo para a destrución dos límites de grans metálicos, o que resulta nunha redución da ductilidade debido á penetración do hidróxeno atómico. As formas en que isto ocorre son variadas e defínense en parte polos seus respectivos nomes, como HTHA, onde se necesita hidróxeno simultáneo a alta temperatura e alta presión para a fragilización, e SSC, onde o hidróxeno atómico se produce como gases pechados e hidróxeno. Debido á corrosión ácida, estes penetran nas caixas metálicas, o que pode levar á fragilización. Pero o resultado xeral é o mesmo que para todos os casos de fragilización por hidróxeno descritos anteriormente, onde a resistencia do metal se reduce pola fragilización por debaixo do seu rango de tensión admisible, o que á súa vez prepara o escenario para un evento potencialmente catastrófico dada a volatilidade do líquido.
Ademais do grosor da parede e do rendemento mecánico da xunta, hai dous factores principais a ter en conta á hora de seleccionar materiais para o servizo de gas H2: 1. Exposición a hidróxeno a alta temperatura (HTHA) e 2. Preocupacións serias sobre posibles fugas. Ambos temas están a ser debatidos actualmente.
A diferenza do hidróxeno molecular, o hidróxeno atómico pode expandirse, expoñendo o hidróxeno a altas temperaturas e presións, creando a base para unha posible HTHA. Nestas condicións, o hidróxeno atómico é capaz de difundirse nos materiais ou equipos de tubaxes de aceiro ao carbono, onde reacciona co carbono en solución metálica para formar gas metano nos límites de grans. Ao non poder escapar, o gas expándese, creando gretas e fendas nas paredes das tubaxes ou recipientes: isto é HTGA. Pódense ver claramente os resultados da HTHA na Figura 2, onde as gretas e as fendas son evidentes na parede de 8″. A porción da tubaxe de tamaño nominal (NPS) que falla nestas condicións.
O aceiro ao carbono pódese empregar para o servizo de hidróxeno cando a temperatura de funcionamento se mantén por debaixo de 500 °F. Como se mencionou anteriormente, a HTHA prodúcese cando o gas hidróxeno se mantén a alta presión parcial e alta temperatura. Non se recomenda o aceiro ao carbono cando se espera que a presión parcial do hidróxeno sexa duns 3000 psi e a temperatura sexa superior a uns 450 °F (que é a condición de accidente na Figura 2).
Como se pode observar no gráfico de Nelson modificado da Figura 3, tomado en parte da norma API 941, as altas temperaturas son as que teñen o maior efecto sobre o forzamento do hidróxeno. A presión parcial do gas hidróxeno pode superar os 1000 psi cando se usa con aceiros ao carbono que funcionan a temperaturas de ata 500 °F.
Figura 3. Esta táboa de Nelson modificada (adaptada da API 941) pódese empregar para seleccionar materiais axeitados para o servizo de hidróxeno a diversas temperaturas.
Na figura 3 móstrase a escolla de aceiros que garanten a prevención do ataque do hidróxeno, dependendo da temperatura de funcionamento e da presión parcial do hidróxeno. Os aceiros inoxidables austeníticos son insensibles ao HTHA e son materiais satisfactorios a todas as temperaturas e presións.
O aceiro inoxidable austenítico 316/316L é o material máis práctico para aplicacións de hidróxeno e ten un historial probado. Aínda que se recomenda o tratamento térmico posterior á soldadura (PWHT) para os aceiros ao carbono para calcinar o hidróxeno residual durante a soldadura e reducir a dureza da zona afectada pola calor (HAZ) despois da soldadura, non é necesario para os aceiros inoxidables austeníticos.
Os efectos termotérmicos causados ​​polo tratamento térmico e a soldadura teñen pouco efecto nas propiedades mecánicas dos aceiros inoxidables austeníticos. Non obstante, o traballo en frío pode mellorar as propiedades mecánicas dos aceiros inoxidables austeníticos, como a resistencia e a dureza. Ao dobrar e formar tubos de aceiro inoxidable austenítico, as súas propiedades mecánicas cambian, incluída a diminución da plasticidade do material.
Se o aceiro inoxidable austenítico require conformación en frío, o recocido en solución (quecemento a aproximadamente 1045 °C seguido de temple ou arrefriamento rápido) restaurará as propiedades mecánicas do material aos seus valores orixinais. Tamén eliminará a segregación da aliaxe, a sensibilización e a fase sigma que se conseguen despois do traballo en frío. Ao realizar o recocido en solución, teña en conta que o arrefriamento rápido pode devolver a tensión residual ao material se non se manipula correctamente.
Consulte as táboas GR-2.1.1-1 Índice de especificacións de materiais para conxuntos de tubaxes e tubaxes e GR-2.1.1-2 Índice de especificacións de materiais para tubaxes na norma ASME B31 para coñecer as seleccións de materiais aceptables para o servizo con H2. As tubaxes son un bo punto de partida.
Cun peso atómico estándar de 1,008 unidades de masa atómica (amu), o hidróxeno é o elemento máis lixeiro e pequeno da táboa periódica e, polo tanto, ten unha alta propensión a ter fugas, con consecuencias potencialmente devastadoras, debo engadir. Polo tanto, o sistema de gasodutos debe deseñarse de tal xeito que se limiten as conexións de tipo mecánico e se melloren aquelas conexións que realmente sexan necesarias.
Ao limitar os posibles puntos de fuga, o sistema debe estar completamente soldado, agás as conexións con brida en equipos, elementos de tubaxes e accesorios. Débense evitar na medida do posible, se non completamente, as conexións roscadas. Se non se poden evitar as conexións roscadas por calquera motivo, recoméndase encaixalas completamente sen selante para roscas e despois selar a soldadura. Ao usar tubos de aceiro ao carbono, as unións dos tubos deben soldarse a tope e someterse a un tratamento termico posterior á soldadura (PWHT). Despois da soldadura, os tubos na zona afectada pola calor (HAZ) están expostos ao ataque do hidróxeno mesmo a temperatura ambiente. Aínda que o ataque do hidróxeno ocorre principalmente a altas temperaturas, a fase PWHT reducirá por completo, se non eliminará, esta posibilidade mesmo en condicións ambientais.
O punto débil do sistema totalmente soldado é a conexión por brida. Para garantir un alto grao de estanquidade nas conexións por brida, débense usar xuntas Kammprofile (fig. 4) ou outro tipo de xuntas. Fabricada case do mesmo xeito por varios fabricantes, esta almofada é moi tolerante. Consiste en aneis dentados totalmente metálicos intercalados entre materiais de selado brandos e deformables. Os dentes concentran a carga do parafuso nunha área máis pequena para proporcionar un axuste hermético con menos tensión. Está deseñado de tal xeito que pode compensar as superficies irregulares das bridas, así como as condicións de funcionamento fluctuantes.
Figura 4. As xuntas Kammprofile teñen un núcleo metálico unido por ambos os lados cun recheo brando.
Outro factor importante na integridade do sistema é a válvula. As fugas arredor do selo da hasta e das bridas do corpo son un verdadeiro problema. Para evitalo, recoméndase seleccionar unha válvula cun selo de fuelle.
Usar tubo de aceiro ao carbono School 80 de 1 polgada. No noso exemplo a continuación, dadas as tolerancias de fabricación, a corrosión e as tolerancias mecánicas de acordo coa norma ASTM A106 Gr B, a presión de traballo máxima admisible (MAWP) pódese calcular en dous pasos a temperaturas de ata 300 °F (Nota: A razón para "...para temperaturas de ata 300 °F..." é porque a tensión admisible (S) do material ASTM A106 Gr B comeza a deteriorarse cando a temperatura supera os 300 °F (S), polo que a ecuación (1) require axustar a temperaturas superiores a 300 °F).
En referencia á fórmula (1), o primeiro paso é calcular a presión teórica de rotura da tubaxe.
T = espesor da parede do tubo menos as tolerancias mecánicas, de corrosión e de fabricación, en polgadas.
A segunda parte do proceso consiste en calcular a presión de traballo máxima admisible Pa da tubaxe aplicando o factor de seguridade S f ao resultado P segundo a ecuación (2):
Polo tanto, ao usar material de 1″ de calibre 80, a presión de rotura calcúlase do seguinte xeito:
A continuación, aplícase un Sf de seguridade de 4 de acordo coas Recomendacións para Recipientes a Presión da ASME, Sección VIII-1 2019, Parágrafo 8. A UG-101 calcúlase do seguinte xeito:
O valor da MAWP resultante é de 810 psi. A expresión en polgadas refírese só á tubaxe. A conexión de brida ou o compoñente coa clasificación máis baixa do sistema será o factor determinante para determinar a presión admisible no sistema.
Segundo a norma ASME B16.5, a presión de traballo máxima admisible para accesorios de brida de aceiro ao carbono de 150 é de 285 psi. polgada a unha temperatura de -20 °F a 100 °F. A clase 300 ten unha presión de traballo máxima admisible de 740 psi. Este será o factor límite de presión do sistema segundo o exemplo de especificación de material que se mostra a continuación. Ademais, só en probas hidrostáticas, estes valores poden superar 1,5 veces.
Como exemplo dunha especificación básica de material de aceiro ao carbono, unha especificación de liña de servizo de gas H2 que funciona a unha temperatura ambiente por debaixo dunha presión de deseño de 740 psi. polgadas, pode conter os requisitos de materiais que se mostran na Táboa 2. Os seguintes son tipos que poden requirir atención para ser incluídos na especificación:
Ademais da propia tubaxe, hai moitos elementos que compoñen o sistema de tubaxes, como accesorios, válvulas, equipos de liña, etc. Aínda que moitos destes elementos se xuntarán nunha tubaxe para discutilos en detalle, isto requirirá máis páxinas das que se poden acomodar. Este artigo.