Ez az áttekintés ajánlásokat tartalmaz a hidrogénelosztáshoz használt csővezeték-rendszerek biztonságos tervezésére.
A hidrogén egy rendkívül illékony folyadék, amely hajlamos a szivárgásra. Nagyon veszélyes és halálos tulajdonságok kombinációja, egy illékony folyadék, amelyet nehéz szabályozni. Ezeket a trendeket figyelembe kell venni az anyagok, tömítések és szigetelések kiválasztásakor, valamint az ilyen rendszerek tervezési jellemzőinek meghatározásakor. A gáz halmazállapotú H2 eloszlásával kapcsolatos témák képezik a jelen megbeszélés középpontját, nem pedig a H2, folyékony H2 vagy folyékony H2 előállításával (lásd a jobb oldalsávot).
Íme néhány fontos pont, amelyek segítenek megérteni a hidrogén és a H2-levegő keverékét. A hidrogén kétféleképpen ég: deflagrációval és robbanással.
deflagráció. A deflagráció egy gyakori égési mód, amelyben a lángok szubszonikus sebességgel terjednek a keverékben. Ez például akkor fordul elő, amikor egy szabad hidrogén-levegő keverékfelhőt egy kis gyújtóforrás meggyújt. Ebben az esetben a láng másodpercenként három-három száz láb sebességgel mozog. A forró gáz gyors tágulása nyomáshullámokat hoz létre, amelyek erőssége arányos a felhő méretével. Bizonyos esetekben a lökéshullám ereje elegendő lehet ahhoz, hogy károsítsa az épületszerkezeteket és az útjába kerülő egyéb tárgyakat, és sérülést okozzon.
felrobbant. Amikor felrobbant, lángok és lökéshullámok szuperszonikus sebességgel terjedtek a keveréken keresztül. A detonációs hullámban a nyomásviszony sokkal nagyobb, mint egy detonációnál. A megnövekedett erő miatt a robbanás veszélyesebb az emberekre, az épületekre és a közeli tárgyakra nézve. A normál deflagráció zárt térben történő meggyulladás esetén okoz robbanást. Ilyen szűk térben a gyulladás a legkisebb energiamennyiséggel is bekövetkezhet. De egy hidrogén-levegő keverék korlátlan térben történő felrobbantásához erősebb gyújtóforrásra van szükség.
Egy hidrogén-levegő keverékben a detonációs hullám nyomásviszonya körülbelül 20. Légköri nyomáson ez a 20-as arány 300 psi-nek felel meg. Amikor ez a nyomáshullám egy álló tárggyal ütközik, a nyomásviszony 40-60-ra nő. Ez a nyomáshullám álló akadályról való visszaverődésének köszönhető.
Szivárgási hajlam. Alacsony viszkozitása és kis molekulatömege miatt a H2 gáz nagy hajlammal rendelkezik a szivárgásra, sőt, akár áthatolhat különféle anyagokon.
A hidrogén 8-szor könnyebb a földgáznál, 14-szer könnyebb a levegőnél, 22-szer könnyebb a propánnál és 57-szer könnyebb a benzingőznél. Ez azt jelenti, hogy kültéri telepítés esetén a H2 gáz gyorsan felemelkedik és eloszlik, csökkentve a szivárgás jeleit is. De ez egy kétélű fegyver lehet. Robbanás következhet be, ha egy kültéri telepítésen hegesztést kell végezni H2 szivárgás felett vagy attól szélirányban anélkül, hogy a hegesztés előtt szivárgásvizsgálatot végeznének. Zárt térben a H2 gáz felemelkedhet és felhalmozódhat a mennyezetről lefelé, ami lehetővé teszi, hogy nagy mennyiségben halmozódjon fel, mielőtt nagyobb valószínűséggel érintkezne a talaj közelében lévő gyújtóforrásokkal.
Véletlen tűz. Az öngyulladás olyan jelenség, amelyben gázok vagy gőzök keveréke külső gyújtóforrás nélkül spontán meggyullad. „Spontán égésnek” vagy „önkéntes égésnek” is nevezik. Az öngyulladás a hőmérséklettől, nem a nyomástól függ.
Az öngyulladási hőmérséklet az a minimális hőmérséklet, amelyen egy üzemanyag spontán meggyullad, mielőtt külső gyújtóforrás hiányában levegővel vagy oxidálószerrel érintkezve meggyulladna. Egyetlen por öngyulladási hőmérséklete az a hőmérséklet, amelyen oxidálószer hiányában spontán meggyullad. A gáz halmazállapotú H2 öngyulladási hőmérséklete levegőben 585 °C.
A gyújtási energia az az energia, amely ahhoz szükséges, hogy a láng terjedését elindítsa egy éghető keveréken keresztül. A minimális gyújtási energia az a minimális energia, amely egy adott éghető keverék meggyújtásához szükséges egy adott hőmérsékleten és nyomáson. Gáz halmazállapotú H2 minimális szikragyújtási energiája 1 atm levegőben = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
A robbanási határértékek a gőzök, ködök vagy porok maximális és minimális koncentrációi a levegőben vagy oxigénben, amelynél robbanás következik be. A környezet mérete és geometriája, valamint az üzemanyag koncentrációja szabályozza a határértékeket. A „robbanási határérték” kifejezést néha a „robbanási határérték” szinonimájaként használják.
A H2 keverékek robbanási határa levegőben 18,3 térfogat% (alsó határ) és 59 térfogat% (felső határ).
Csővezeték-rendszerek tervezésekor (1. ábra) az első lépés az egyes folyadéktípusokhoz szükséges építőanyagok meghatározása. Minden egyes folyadékot az ASME B31.3 bekezdés szerint osztályoznak. A 300(b)(1) kimondja: „A tulajdonos felelős a D, M osztályú, nagynyomású és nagy tisztaságú csövek meghatározásáért, valamint annak megállapításáért, hogy egy adott minőségbiztosítási rendszert kell-e használni.”
A folyadékkategorizálás meghatározza a szükséges vizsgálatok mértékét és típusát, valamint számos egyéb követelményt a folyadékkategórián alapulva. A tulajdonos felelőssége ezért általában a tulajdonos mérnöki osztályára vagy egy külsős mérnökre hárul.
Bár a B31.3 Folyamatcsővezetékekre vonatkozó kódex nem mondja meg a tulajdonosnak, hogy milyen anyagot kell használnia egy adott folyadékhoz, útmutatást ad a szilárdságra, a vastagságra és az anyagcsatlakozási követelményekre vonatkozóan. A kódex bevezetőjében két olyan állítás is található, amelyek egyértelműen kimondják:
És a fenti első bekezdés kibővítése után, a B31.3. 300(b)(1) bekezdés azt is kimondja: „A csővezeték-létesítmény tulajdonosa kizárólagosan felelős a jelen kódex betartásáért, valamint a csővezeték részét képező összes folyadékkezelésre vagy folyamatra vonatkozó tervezési, kivitelezési, ellenőrzési, vizsgálati és tesztelési követelmények megállapításáért.” Tehát, miután lefektettünk néhány alapvető felelősségi szabályt és a folyadékszolgáltatási kategóriák meghatározására vonatkozó követelményt, nézzük meg, hol illik a hidrogéngáz.
Mivel a hidrogéngáz illékony folyadékként viselkedik, szivárgásokkal, a hidrogéngáz normál folyadéknak vagy a B31.3 kategóriába tartozó M osztályú folyadéknak tekinthető folyékony üzem esetén. A fentiekben említettek szerint a folyadékkezelés besorolása tulajdonosi követelmény, feltéve, hogy megfelel a B31.3, 3. bekezdésben leírt kiválasztott kategóriákra vonatkozó irányelveknek. 300.2 Fogalommeghatározások a „Hidraulikus alkalmazások” című szakaszban. A következők a normál folyadéküzem és az M osztályú folyadéküzem fogalommeghatározásai:
„Normál folyadéküzem: A jelen szabályzat hatálya alá tartozó legtöbb csővezetékre alkalmazható folyadéküzem, azaz nem tartozik a D, M osztályú, magas hőmérsékletű, nagy nyomású vagy nagy folyadéktisztaságú előírások hatálya alá.”
(1) A folyadék mérgezősége olyan nagy, hogy a szivárgás okozta nagyon kis mennyiségű folyadéknak való egyszeri kitettség súlyos, maradandó sérülést okozhat azoknál, akik belélegzik vagy érintkezésbe kerülnek vele, még akkor is, ha azonnali helyreállítási intézkedéseket tesznek.
(2) A csővezeték kialakításának, a tapasztalatoknak, az üzemi körülményeknek és az elhelyezkedésnek a mérlegelése után a tulajdonos megállapítja, hogy a folyadék normál használatára vonatkozó követelmények nem elegendőek a személyzet expozíciótól való védelméhez szükséges tömörség biztosításához.
A fenti M definícióban a hidrogéngáz nem felel meg az (1) bekezdés kritériumainak, mivel nem tekinthető mérgező folyadéknak. A (2) alszakasz alkalmazásával azonban a Szabályzat lehetővé teszi a hidraulikus rendszerek M osztályba sorolását a „…csővezeték-tervezés, tapasztalat, üzemeltetési feltételek és elhelyezkedés…” kellő figyelembevétele után. A tulajdonos engedélyezi a normál folyadékkezelés meghatározását. A követelmények nem elegendőek ahhoz, hogy megfeleljenek a hidrogéngáz csővezeték-rendszerek tervezése, kivitelezése, ellenőrzése, vizsgálata és tesztelése során a magasabb szintű integritás iránti igénynek.
A magas hőmérsékletű hidrogénkorrózió (HTHA) tárgyalása előtt kérjük, olvassa el az 1. táblázatot. Ez a táblázat felsorolja a szabványokat, előírásokat és előírásokat, amelyek hat dokumentumot tartalmaznak a hidrogénridegedés (HE) témájában, amely egy gyakori korróziós anomália, és magában foglalja a HTHA-t is. Az OH alacsony és magas hőmérsékleten is előfordulhat. A korrózió egyik formájának tekintve többféleképpen is kialakulhat, és számos anyagot érinthet.
A HE-nek különféle formái vannak, amelyek a következőkre oszthatók: hidrogénrepedés (HAC), hidrogénfeszültség-repedés (HSC), feszültségkorróziós repedés (SCC), hidrogénkorróziós repedés (HACC), hidrogénbuborékolás (HB), hidrogénrepedés (HIC). ), feszültségorientált hidrogénrepedés (SOHIC), progresszív repedés (SWC), szulfidos feszültségrepedés (SSC), lágyzónás repedés (SZC) és magas hőmérsékletű hidrogénkorrózió (HTHA).
Legegyszerűbb formájában a hidrogén-ridegedés a fémszemcsehatárok lebomlásának mechanizmusa, ami az atomos hidrogén behatolása miatt csökkenti a képlékenységet. Ennek módjai változatosak, és részben a megfelelő nevük is meghatározza őket, például a HTHA, ahol az ridegséghez egyidejű magas hőmérsékletű és nagy nyomású hidrogénre van szükség, és az SSC, ahol az atomos hidrogén zárt gázok és hidrogén formájában keletkezik. A savas korrózió miatt ezek beszivárognak a fémburkolatokba, ami ridegséghez vezethet. Az eredmény azonban ugyanaz, mint a fent leírt összes hidrogén-ridegedés esetén, ahol a fém szilárdsága a megengedett feszültségtartomány alá csökken a ridegedés miatt, ami viszont a folyadék illékonysága miatt potenciálisan katasztrofális eseményt teremt.
A falvastagság és a mechanikai illesztések teljesítménye mellett két fő tényezőt kell figyelembe venni a H2 gázzal történő közműszolgáltatáshoz szükséges anyagok kiválasztásakor: 1. Magas hőmérsékletű hidrogénnek való kitettség (HTHA) és 2. A potenciális szivárgás komoly aggályai. Mindkét téma jelenleg vita tárgyát képezi.
A molekuláris hidrogénnel ellentétben az atomos hidrogén kitágulhat, magas hőmérsékletnek és nyomásnak téve ki a hidrogént, ami megalapozza a potenciális HTHA kialakulását. Ilyen körülmények között az atomos hidrogén képes bediffundálni a szénacél csővezetékekbe vagy berendezésekbe, ahol reakcióba lép a fémes oldatban lévő szénnel, metángázt képezve a szemcsehatárokon. Mivel a gáz nem tud eltávozni, kitágul, repedéseket és hasadékokat hozva létre a csövek vagy tartályok falában – ez a HTGA. A HTHA eredményei jól láthatók a 2. ábrán, ahol repedések és hasadékok láthatók a 8 hüvelykes falban. A névleges méretű (NPS) cső azon része, amely ilyen körülmények között meghibásodik.
A szénacél hidrogénezéshez akkor használható, ha az üzemi hőmérséklet 500°F alatt marad. Amint fentebb említettük, a HTHA (áthatolás nélküli hidrogéngáz) akkor következik be, ha a hidrogéngázt magas parciális nyomáson és magas hőmérsékleten tartják. A szénacél használata nem ajánlott, ha a hidrogén parciális nyomása várhatóan 3000 psi körül van, és a hőmérséklet meghaladja a 450°F-ot (ami a 2. ábrán látható baleseti feltétel).
Amint az a 3. ábrán látható módosított Nelson-diagramon látható, amely részben az API 941 szabványból származik, a magas hőmérsékletnek van a legnagyobb hatása a hidrogénkényszerítésre. A hidrogéngáz parciális nyomása meghaladhatja a 1000 psi-t, ha szénacélokkal használják 500°F-ig terjedő hőmérsékleten.
3. ábra. Ez a módosított Nelson-diagram (az API 941 szabványból adaptálva) felhasználható a megfelelő anyagok kiválasztására hidrogénezéshez különböző hőmérsékleteken.
A 3. ábra a hidrogéntámadástól garantáltan ellenálló acélok választékát mutatja, a hidrogén üzemi hőmérsékletétől és parciális nyomásától függően. Az ausztenites rozsdamentes acélok érzéketlenek a HTHA-ra, és minden hőmérsékleten és nyomáson megfelelő anyagok.
Az ausztenites 316/316L rozsdamentes acél a legpraktikusabb anyag hidrogénezési alkalmazásokhoz, és bizonyítottan hatékony. Míg a hegesztés utáni hőkezelés (PWHT) ajánlott szénacélok esetében a hegesztés során megmaradt hidrogén kalcinálására és a hegesztés utáni hőhatásövezet (HAZ) keménységének csökkentésére, az ausztenites rozsdamentes acélok esetében ez nem szükséges.
A hőkezelés és a hegesztés okozta termotermikus hatások csekély hatással vannak az ausztenites rozsdamentes acélok mechanikai tulajdonságaira. A hidegalakítás azonban javíthatja az ausztenites rozsdamentes acélok mechanikai tulajdonságait, például a szilárdságot és a keménységet. Az ausztenites rozsdamentes acélból készült csövek hajlításakor és alakításakor azok mechanikai tulajdonságai megváltoznak, beleértve az anyag képlékenységének csökkenését is.
Ha az ausztenites rozsdamentes acél hidegalakítást igényel, az oldó lágyítás (körülbelül 1045 °C-ra történő melegítés, majd edzés vagy gyors hűtés) visszaállítja az anyag mechanikai tulajdonságait eredeti értékükre. Emellett kiküszöböli az ötvözet szegregációját, szenzitizációját és a hidegalakítás után kialakuló szigma fázist. Oldó lágyítás végrehajtásakor vegye figyelembe, hogy a gyors hűtés nem megfelelő kezelés esetén maradék feszültséget hozhat létre az anyagban.
A H2 üzemhez elfogadható anyagválasztáshoz lásd az ASME B31 szabvány GR-2.1.1-1 Csőszerelvények anyagspecifikációs indexe és GR-2.1.1-2 Csővezeték-anyagok specifikációs indexe táblázatait. A csövek jó kiindulópontot jelentenek.
A hidrogén, amelynek standard atomtömege 1,008 atomtömegegység (amu), a periódusos rendszer legkönnyebb és legkisebb eleme, ezért nagy a szivárgási hajlama, ami – hozzátenném – potenciálisan pusztító következményekkel járhat. Ezért a gázvezeték-rendszert úgy kell megtervezni, hogy korlátozza a mechanikus típusú csatlakozásokat, és javítsa azokat a csatlakozásokat, amelyekre valóban szükség van.
A potenciális szivárgási pontok korlátozása során a rendszert teljesen hegeszteni kell, kivéve a berendezések, csővezeték-elemek és szerelvények karimás csatlakozásait. A menetes csatlakozásokat amennyire csak lehetséges, ha nem teljesen, kerülni kell. Ha a menetes csatlakozások bármilyen okból nem kerülhetők el, ajánlott azokat teljesen menettömítő anyag nélkül összeilleszteni, majd a hegesztést lezárni. Szénacél cső használata esetén a csőkötéseket tompahegesztéssel és hegesztés utáni hőkezeléssel (PWHT) kell ellátni. Hegesztés után a hőhatásövezetben (HAZ) lévő csövek már környezeti hőmérsékleten is hidrogéntámadásnak vannak kitéve. Míg a hidrogéntámadás elsősorban magas hőmérsékleten következik be, a PWHT szakasz teljesen csökkenti, ha nem is szünteti meg ezt a lehetőséget még környezeti körülmények között is.
A teljesen hegesztett rendszer gyenge pontja a peremes csatlakozás. A peremes csatlakozások nagyfokú tömítettségének biztosítása érdekében Kammprofil tömítéseket (4. ábra) vagy más típusú tömítéseket kell használni. Ez a betét, amelyet több gyártó is szinte ugyanúgy gyárt, nagyon megbocsátó. Fogazott, teljesen fémből készült gyűrűkből áll, amelyeket puha, deformálható tömítőanyagok közé szorítanak. A fogak kisebb területre koncentrálják a csavar terhelését, így kisebb feszültséggel biztosítják a szoros illeszkedést. Úgy van kialakítva, hogy kompenzálja az egyenetlen peremfelületeket, valamint az ingadozó üzemi körülményeket.
4. ábra. A Kammprofil tömítések fémmaggal rendelkeznek, amely mindkét oldalon lágy töltőanyaggal van rögzítve.
A rendszer integritásának egy másik fontos tényezője a szelep. A szelepszár tömítése és a ház karimái körüli szivárgások valódi problémát jelentenek. Ennek elkerülése érdekében ajánlott harmonikatömítésű szelepet választani.
Használjon 1 hüvelykes School 80 szénacél csövet. Az alábbi példánkban az ASTM A106 Gr B szabvány szerinti gyártási tűréshatárok, korróziós és mechanikai tűréshatárok mellett a maximálisan megengedhető üzemi nyomás (MAWP) két lépésben számítható ki legfeljebb 300°F hőmérsékleten. (Megjegyzés: A „…legfeljebb 300ºF hőmérsékleten…” jelzés oka az, hogy az ASTM A106 Gr B anyag megengedhető feszültsége (S) romlani kezd, amikor a hőmérséklet meghaladja a 300ºF-ot. (S) tehát az (1) egyenlet megköveteli a 300ºF feletti hőmérséklethez való beállítást.)
Az (1) képletre hivatkozva az első lépés a csővezeték elméleti repesztési nyomásának kiszámítása.
T = csőfal vastagsága mínusz a mechanikai, korróziós és gyártási tűrések, hüvelykben.
A folyamat második része a csővezeték maximálisan megengedett üzemi nyomásának (Pa) kiszámítása az S f biztonsági tényezőnek a P eredményre való alkalmazásával a (2) egyenlet szerint:
Így 1 hüvelykes School 80 anyag használata esetén a repesztési nyomást a következőképpen számítjuk ki:
Ezután az ASME Pressure Vessel Recommendations VIII-1. szakasz 2019, 8. bekezdésének megfelelően 4-es biztonsági Sf értéket alkalmaznak. Az UG-101 a következőképpen számítja ki:
Az így kapott maximálisan megengedett munkanyomás (MAWP) 810 psi. Az „inch” csak a csőre vonatkozik. A rendszerben megengedett nyomás meghatározásakor a legalacsonyabb névleges nyomású karimás csatlakozás vagy alkatrész lesz a meghatározó tényező.
Az ASME B16.5 szabvány szerint a 150 szénacél karimás szerelvények maximálisan megengedett üzemi nyomása 285 psi hüvelyk -20°F és 100°F között. A 300-as osztály maximálisan megengedett üzemi nyomása 740 psi. Ez lesz a rendszer nyomáshatár-tényezője az alábbi anyagspecifikációs példa szerint. Ezenkívül, csak hidrosztatikai vizsgálatoknál ezek az értékek meghaladhatják az 1,5-szeresét.
Példaként egy alapvető szénacél anyagspecifikációra, egy 740 psi hüvelyk tervezési nyomás alatti környezeti hőmérsékleten működő H2 gázszolgáltató vezeték specifikációja tartalmazhatja a 2. táblázatban feltüntetett anyagkövetelményeket. Az alábbi típusok esetében szükséges lehet a specifikációba belefoglalni a figyelmet:
Magán a csővezetéken kívül számos elem alkotja a csőrendszert, például szerelvények, szelepek, vezetékberendezések stb. Bár ezek közül az elemek közül sokat egy csővezetékbe fogunk csoportosítani részletes tárgyalás céljából, ez több oldalt igényelne, mint amennyit el tudunk helyezni. Ez a cikk.