Ovaj pregled daje preporuke za sigurno projektiranje cjevovodnih sustava za distribuciju vodika.
Vodik je vrlo hlapljiva tekućina s velikom sklonošću curenja. To je vrlo opasna i smrtonosna kombinacija tendencija, hlapljiva tekućina koju je teško kontrolirati. To su trendovi koje treba uzeti u obzir pri odabiru materijala, brtvi i zaptivki, kao i dizajnerske karakteristike takvih sustava. Ove teme o distribuciji plinovitog H2 su fokus ove rasprave, a ne proizvodnja H2, tekućeg H2 ili tekućeg H2 (vidi desnu bočnu traku).
Evo nekoliko ključnih točaka koje će vam pomoći da razumijete smjesu vodika i H2-zraka. Vodik gori na dva načina: deflagracijom i eksplozijom.
deflagracija. Deflagracija je uobičajeni način izgaranja u kojem plamen putuje kroz smjesu podzvučnim brzinama. To se događa, na primjer, kada se slobodni oblak smjese vodika i zraka zapali malim izvorom paljenja. U tom slučaju, plamen će se kretati brzinom od deset do nekoliko stotina stopa u sekundi. Brzo širenje vrućeg plina stvara tlačne valove čija je snaga proporcionalna veličini oblaka. U nekim slučajevima, sila udarnog vala može biti dovoljna da ošteti građevinske konstrukcije i druge objekte na svom putu i uzrokuje ozljede.
eksplodirati. Kada je eksplodiralo, plamenovi i udarni valovi putovali su kroz smjesu nadzvučnim brzinama. Omjer tlakova u detonacijskom valu je mnogo veći nego u detonaciji. Zbog povećane sile, eksplozija je opasnija za ljude, zgrade i obližnje objekte. Normalna deflagracija uzrokuje eksploziju kada se zapali u ograničenom prostoru. U tako uskom području, paljenje može biti uzrokovano najmanjom količinom energije. Ali za detonaciju smjese vodika i zraka u neograničenom prostoru potreban je snažniji izvor paljenja.
Omjer tlakova preko detonacijskog vala u smjesi vodika i zraka iznosi oko 20. Pri atmosferskom tlaku, omjer od 20 iznosi 300 psi. Kada se ovaj tlačni val sudari s nepokretnim objektom, omjer tlakova povećava se na 40-60. To je zbog refleksije tlačnog vala od nepokretne prepreke.
Sklonost curenju. Zbog niske viskoznosti i niske molekularne težine, plin H2 ima veliku sklonost curenju, pa čak i prodiranju ili prodiranju u različite materijale.
Vodik je 8 puta lakši od prirodnog plina, 14 puta lakši od zraka, 22 puta lakši od propana i 57 puta lakši od benzinskih para. To znači da će se, kada se instalira na otvorenom, plin H2 brzo dizati i raspršivati, smanjujući čak i znakove curenja. Ali to može biti mač s dvije oštrice. Može doći do eksplozije ako se zavarivanje izvodi na vanjskoj instalaciji iznad ili niz vjetar od curenja H2 bez studije otkrivanja curenja prije zavarivanja. U zatvorenom prostoru, plin H2 može se dizati i nakupljati od stropa prema dolje, što mu omogućuje nakupljanje velikih količina prije nego što je vjerojatnije da će doći u kontakt s izvorima paljenja u blizini tla.
Slučajni požar. Samopaljenje je pojava u kojoj se smjesa plinova ili para spontano zapali bez vanjskog izvora paljenja. Poznato je i kao „spontano izgaranje“ ili „spontano izgaranje“. Samopaljenje ovisi o temperaturi, a ne o tlaku.
Temperatura samopaljenja je minimalna temperatura na kojoj će se gorivo spontano zapaliti prije paljenja u odsutnosti vanjskog izvora paljenja pri kontaktu sa zrakom ili oksidacijskim sredstvom. Temperatura samopaljenja pojedinačnog praha je temperatura na kojoj se spontano zapali u odsutnosti oksidacijskog sredstva. Temperatura samopaljenja plinovitog H2 u zraku je 585 °C.
Energija paljenja je energija potrebna za pokretanje širenja plamena kroz zapaljivu smjesu. Minimalna energija paljenja je minimalna energija potrebna za paljenje određene zapaljive smjese pri određenoj temperaturi i tlaku. Minimalna energija paljenja iskre za plinoviti H2 u 1 atm zraka = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Granice eksplozivnosti su maksimalne i minimalne koncentracije para, magle ili prašine u zraku ili kisiku pri kojima dolazi do eksplozije. Veličina i geometrija okoline, kao i koncentracija goriva, kontroliraju granice. „Granica eksplozivnosti“ ponekad se koristi kao sinonim za „granicu eksplozivnosti“.
Granice eksplozivnosti za smjese H2 u zraku su 18,3 vol.% (donja granica) i 59 vol.% (gornja granica).
Prilikom projektiranja cjevovodnih sustava (slika 1), prvi korak je određivanje građevinskih materijala potrebnih za svaku vrstu fluida. Svaki fluid bit će klasificiran u skladu s ASME B31.3 stavkom. 300(b)(1) navodi: „Vlasnik je također odgovoran za određivanje cjevovoda klase D, M, visokog tlaka i visoke čistoće te za određivanje treba li koristiti određeni sustav kvalitete.“
Kategorizacija fluida definira stupanj ispitivanja i vrstu potrebnog ispitivanja, kao i mnoge druge zahtjeve na temelju kategorije fluida. Odgovornost vlasnika za to obično pada na inženjerski odjel vlasnika ili vanjskog inženjera.
Iako Pravilnik o procesnim cijevima B31.3 ne govori vlasniku koji materijal treba koristiti za određenu tekućinu, daje smjernice o zahtjevima za čvrstoću, debljinu i spajanje materijala. U uvodu propisa također postoje dvije izjave koje jasno navode:
I proširite prvi odlomak iznad, odlomak B31.3. 300(b)(1) također navodi: „Vlasnik cjevovodne instalacije isključivo je odgovoran za poštivanje ovog Kodeksa i za utvrđivanje zahtjeva za projektiranje, izgradnju, inspekciju, pregled i ispitivanje koji reguliraju sve rukovanje tekućinama ili procese kojih je cjevovod dio. Instalacija.“ Dakle, nakon što smo utvrdili neka osnovna pravila za odgovornost i zahtjeve za definiranje kategorija usluga tekućina, pogledajmo gdje se tu uklapa plinoviti vodik.
Budući da se plinoviti vodik ponaša kao hlapljiva tekućina s propuštanjima, plinoviti vodik može se smatrati normalnom tekućinom ili tekućinom klase M prema kategoriji B31.3 za rukovanje tekućinama. Kao što je gore navedeno, klasifikacija rukovanja tekućinama je zahtjev vlasnika, pod uvjetom da ispunjava smjernice za odabrane kategorije opisane u B31.3, stavak 3. 300.2 Definicije u odjeljku „Hidraulične usluge“. Slijede definicije za normalnu uslugu fluida i uslugu fluida klase M:
„Normalni rad s fluidima: Rad s fluidima primjenjiv na većinu cjevovoda koji podliježu ovom kodeksu, tj. ne podliježu propisima za klase D, M, visoku temperaturu, visoki tlak ili visoku čistoću fluida.“
(1) Toksičnost tekućine je toliko velika da jednokratno izlaganje vrlo maloj količini tekućine uzrokovanoj curenjem može uzrokovati ozbiljne trajne ozljede onima koji je udahnu ili dođu u kontakt s njom, čak i ako se poduzmu hitne mjere spašavanja.
(2) Nakon razmatranja dizajna cjevovoda, iskustva, radnih uvjeta i lokacije, vlasnik utvrđuje da zahtjevi za normalnu upotrebu fluida nisu dovoljni za osiguranje nepropusnosti potrebne za zaštitu osoblja od izloženosti.
U gornjoj definiciji M, vodikov plin ne ispunjava kriterije stavka (1) jer se ne smatra otrovnom tekućinom. Međutim, primjenom pododjeljka (2), Kodeks dopušta klasifikaciju hidrauličnih sustava u klasu M nakon dužnog razmatranja „...dizajna cjevovoda, iskustva, radnih uvjeta i lokacije...“. Vlasnik dopušta određivanje normalnog rukovanja tekućinom. Zahtjevi nisu dovoljni da zadovolje potrebu za višom razinom integriteta u projektiranju, izgradnji, inspekciji, pregledu i ispitivanju cjevovodnih sustava za vodikov plin.
Prije rasprave o vodikovoj koroziji na visokim temperaturama (HTHA), molimo pogledajte Tablicu 1. U ovoj tablici navedeni su propisi, standardi i propisi, a uključuje šest dokumenata na temu vodikove krhkosti (HE), uobičajene anomalije korozije koja uključuje HTHA. OH se može pojaviti na niskim i visokim temperaturama. Smatra se oblikom korozije, može se pokrenuti na nekoliko načina i utjecati na širok raspon materijala.
HE ima različite oblike, koji se mogu podijeliti na vodikovo pucanje (HAC), vodikovo naponsko pucanje (HSC), naponsko korozijsko pucanje (SCC), vodikovo korozijsko pucanje (HACC), stvaranje mjehurića vodika (HB), vodikovo pucanje (HIC). )), vodikovo pucanje orijentirano na napon (SOHIC), progresivno pucanje (SWC), sulfidno naponsko pucanje (SSC), pucanje meke zone (SZC) i vodikovu koroziju na visokim temperaturama (HTHA).
U svom najjednostavnijem obliku, vodikova krhkost je mehanizam za uništavanje granica metalnih zrna, što rezultira smanjenom duktilnošću zbog prodiranja atomskog vodika. Načini na koje se to događa su različiti i djelomično su definirani njihovim odgovarajućim nazivima, kao što su HTHA, gdje je za krhkost potreban istovremeni vodik na visokoj temperaturi i pod visokim tlakom, i SSC, gdje se atomski vodik proizvodi kao zatvoreni plinovi i vodik. Zbog kisele korozije, oni prodiru u metalne kućišta, što može dovesti do krhkosti. Ali ukupni rezultat je isti kao i za sve gore opisane slučajeve vodikove krhkosti, gdje se čvrstoća metala smanjuje krhkošću ispod dopuštenog raspona naprezanja, što zauzvrat postavlja temelje za potencijalno katastrofalan događaj s obzirom na hlapljivost tekućine.
Uz debljinu stijenke i mehaničke performanse spoja, pri odabiru materijala za plin H2 treba uzeti u obzir dva glavna čimbenika: 1. Izloženost vodiku visoke temperature (HTHA) i 2. Ozbiljna zabrinutost zbog potencijalnog curenja. Obje teme su trenutno u raspravi.
Za razliku od molekularnog vodika, atomski vodik se može širiti, izlažući ga visokim temperaturama i tlakovima, stvarajući osnovu za potencijalni HTHA (High-Threading Absorption - Hidroizolacija s visokim temperaturama i tlakovima). U tim uvjetima, atomski vodik može difundirati u materijale ili opremu od ugljičnog čelika, gdje reagira s ugljikom u metalnoj otopini stvarajući metan na granicama zrna. Nesposoban izaći, plin se širi, stvarajući pukotine i procjepe u stijenkama cijevi ili posuda - to je HTGA. Rezultate HTHA-e možete jasno vidjeti na slici 2 gdje su pukotine i procjepi vidljivi u stijenci od 8″. Dio cijevi nominalne veličine (NPS) koji pukne u tim uvjetima.
Ugljični čelik može se koristiti za rad s vodikom kada se radna temperatura održava ispod 500°F. Kao što je gore spomenuto, do visoke temperature izduvne topline (HTHA) dolazi kada se vodikov plin drži pod visokim parcijalnim tlakom i visokom temperaturom. Ugljični čelik se ne preporučuje kada se očekuje parcijalni tlak vodika oko 3000 psi, a temperatura iznad oko 450°F (što je uvjet nesreće na slici 2).
Kao što se može vidjeti iz modificiranog Nelsonovog dijagrama na slici 3, djelomično preuzetog iz API 941, visoka temperatura ima najveći utjecaj na djelovanje vodika. Parcijalni tlak vodikovog plina može premašiti 1000 psi kada se koristi s ugljičnim čelicima koji rade na temperaturama do 500°F.
Slika 3. Ovaj modificirani Nelsonov dijagram (prilagođen iz API 941) može se koristiti za odabir prikladnih materijala za rad s vodikom na različitim temperaturama.
Na sl. 3 prikazan je izbor čelika koji jamče izbjegavanje vodikovog napada, ovisno o radnoj temperaturi i parcijalnom tlaku vodika. Austenitni nehrđajući čelici neosjetljivi su na visokotlačno zagrijavanje (HTHA) i zadovoljavajući su materijali na svim temperaturama i tlakovima.
Austenitni nehrđajući čelik 316/316L najpraktičniji je materijal za primjenu vodika i ima dokazane rezultate. Iako se toplinska obrada nakon zavarivanja (PWHT) preporučuje za ugljične čelike kako bi se kalcinirao preostali vodik tijekom zavarivanja i smanjila tvrdoća zone utjecaja topline (HAZ) nakon zavarivanja, nije potrebna za austenitne nehrđajuće čelike.
Termotermički učinci uzrokovani toplinskom obradom i zavarivanjem imaju mali utjecaj na mehanička svojstva austenitnih nehrđajućih čelika. Međutim, hladna obrada može poboljšati mehanička svojstva austenitnih nehrđajućih čelika, poput čvrstoće i tvrdoće. Prilikom savijanja i oblikovanja cijevi od austenitnog nehrđajućeg čelika, njihova mehanička svojstva se mijenjaju, uključujući smanjenje plastičnosti materijala.
Ako austenitni nehrđajući čelik zahtijeva hladno oblikovanje, žarenje u otopini (zagrijavanje na približno 1045 °C nakon čega slijedi kaljenje ili brzo hlađenje) vratit će mehanička svojstva materijala na njihove izvorne vrijednosti. Također će ukloniti segregaciju legure, senzibilizaciju i sigma fazu postignutu nakon hladne obrade. Prilikom žarenja u otopini imajte na umu da brzo hlađenje može vratiti zaostala naprezanja u materijal ako se s njim ne postupa pravilno.
Za prihvatljive odabire materijala za H2 primjenu pogledajte tablice GR-2.1.1-1 Indeks specifikacija materijala za cijevi i GR-2.1.1-2 Indeks specifikacija materijala za cijevi u ASME B31. Cijevi su dobro mjesto za početak.
Sa standardnom atomskom težinom od 1,008 atomskih masenih jedinica (amu), vodik je najlakši i najmanji element u periodnom sustavu elemenata te stoga ima veliku sklonost curenju, s potencijalno razornim posljedicama, dodao bih. Stoga plinovodni sustav mora biti projektiran na način da ograniči mehaničke spojeve i poboljša one spojeve koji su stvarno potrebni.
Prilikom ograničavanja potencijalnih točaka propuštanja, sustav treba biti potpuno zavaren, osim prirubničkih spojeva na opremi, cjevovodnim elementima i spojnicama. Navojne spojeve treba izbjegavati koliko god je to moguće, ako ne i u potpunosti. Ako se navojni spojevi iz bilo kojeg razloga ne mogu izbjeći, preporučuje se da se potpuno zavare bez brtvila za navoje, a zatim zabrtve zavara. Pri korištenju cijevi od ugljičnog čelika, spojevi cijevi moraju biti sučeono zavareni i toplinski obrađeni nakon zavarivanja (PWHT). Nakon zavarivanja, cijevi u zoni utjecaja topline (HAZ) izložene su napadu vodika čak i na sobnoj temperaturi. Dok se napad vodika prvenstveno događa na visokim temperaturama, PWHT faza će potpuno smanjiti, ako ne i eliminirati, ovu mogućnost čak i u ambijentalnim uvjetima.
Slaba točka potpuno zavarenog sustava je prirubnički spoj. Kako bi se osigurao visok stupanj nepropusnosti prirubničkih spojeva, treba koristiti Kammprofile brtve (slika 4) ili neki drugi oblik brtvi. Izrađena na gotovo isti način od strane nekoliko proizvođača, ova pločica je vrlo tolerantna. Sastoji se od nazubljenih metalnih prstenova smještenih između mekih, deformabilnih brtvenih materijala. Zubi koncentriraju opterećenje vijka na manjem području kako bi se osiguralo čvrsto prianjanje s manje naprezanja. Dizajnirana je na način da može kompenzirati neravne površine prirubnica kao i promjenjive radne uvjete.
Slika 4. Kammprofile brtve imaju metalnu jezgru spojenu s obje strane mekim punilom.
Još jedan važan faktor u integritetu sustava je ventil. Curenja oko brtve vretena i prirubnica tijela predstavljaju pravi problem. Kako bi se to spriječilo, preporučuje se odabir ventila s mijehom.
Koristite 1 inč. Cijev od ugljičnog čelika School 80, u našem primjeru u nastavku, s obzirom na proizvodne tolerancije, tolerancije korozije i mehaničke tolerancije u skladu s ASTM A106 Gr B, maksimalni dopušteni radni tlak (MAWP) može se izračunati u dva koraka na temperaturama do 300°F (Napomena: Razlog za "...za temperature do 300ºF..." je taj što dopušteno naprezanje (S) materijala ASTM A106 Gr B počinje se pogoršavati kada temperatura prijeđe 300ºF (S), pa jednadžba (1) zahtijeva prilagodbu temperaturama iznad 300ºF.)
Prema formuli (1), prvi korak je izračunati teorijski tlak pucanja cjevovoda.
T = debljina stijenke cijevi umanjena za mehaničke, korozijske i proizvodne tolerancije, u inčima.
Drugi dio postupka je izračunati maksimalni dopušteni radni tlak Pa cjevovoda primjenom faktora sigurnosti S f na rezultat P prema jednadžbi (2):
Dakle, kada se koristi materijal School 80 debljine 1″, tlak pucanja izračunava se na sljedeći način:
Sigurnosni Sf od 4 se zatim primjenjuje u skladu s ASME Preporukama za tlačne posude, Odjeljak VIII-1 2019, Stavak 8. UG-101, izračunava se na sljedeći način:
Rezultirajuća MAWP vrijednost je 810 psi. inč se odnosi samo na cijev. Prirubnički spoj ili komponenta s najnižom nazivnom vrijednošću u sustavu bit će odlučujući faktor u određivanju dopuštenog tlaka u sustavu.
Prema ASME B16.5, maksimalni dopušteni radni tlak za prirubničke spojnice od ugljičnog čelika 150 iznosi 285 psi na inč pri -20°F do 100°F. Klasa 300 ima maksimalni dopušteni radni tlak od 740 psi. To će biti faktor ograničenja tlaka sustava prema primjeru specifikacije materijala u nastavku. Također, samo u hidrostatskim ispitivanjima, ove vrijednosti mogu premašiti 1,5 puta.
Kao primjer osnovne specifikacije materijala od ugljičnog čelika, specifikacija priključka plinskog voda H2 koji radi na temperaturi okoline ispod projektiranog tlaka od 740 psi inča, može sadržavati zahtjeve za materijal prikazane u Tablici 2. Sljedeće su vrste na koje treba obratiti pozornost kako bi se uključile u specifikaciju:
Osim samih cijevi, cjevovodni sustav čine mnogi elementi poput spojnica, ventila, opreme za cijevi itd. Iako će mnogi od ovih elemenata biti sastavljeni u cjevovod kako bi se detaljno raspravili, to će zahtijevati više stranica nego što se može smjestiti. Ovaj članak.