Gambaran umum ini memberikan rekomendasi untuk desain sistem perpipaan yang aman untuk distribusi hidrogen.
Hidrogen adalah cairan yang sangat mudah menguap dengan kecenderungan tinggi untuk bocor. Hidrogen merupakan kombinasi kecenderungan yang sangat berbahaya dan mematikan, cairan yang mudah menguap dan sulit dikendalikan. Ini adalah tren yang perlu dipertimbangkan saat memilih bahan, gasket dan segel, serta karakteristik desain sistem tersebut. Topik-topik tentang distribusi gas H2 ini menjadi fokus diskusi ini, bukan produksi H2, H2 cair, atau H2 cair (lihat bilah sisi kanan).
Berikut ini beberapa poin penting untuk membantu Anda memahami campuran hidrogen dan H2-udara. Hidrogen terbakar dalam dua cara: deflagrasi dan ledakan.
deflagrasi. Deflagrasi adalah mode pembakaran umum di mana api bergerak melalui campuran pada kecepatan subsonik. Ini terjadi, misalnya, ketika awan bebas campuran hidrogen-udara dinyalakan oleh sumber pengapian kecil. Dalam kasus ini, api akan bergerak pada kecepatan sepuluh hingga beberapa ratus kaki per detik. Ekspansi cepat gas panas menciptakan gelombang tekanan yang kekuatannya sebanding dengan ukuran awan. Dalam beberapa kasus, kekuatan gelombang kejut dapat cukup untuk merusak struktur bangunan dan objek lain di jalurnya dan menyebabkan cedera.
meledak. Ketika meledak, api dan gelombang kejut menjalar melalui campuran dengan kecepatan supersonik. Rasio tekanan dalam gelombang detonasi jauh lebih besar daripada dalam detonasi. Karena gaya yang meningkat, ledakan lebih berbahaya bagi orang, bangunan, dan benda di dekatnya. Deflagrasi normal menyebabkan ledakan ketika dinyalakan di ruang terbatas. Di area yang begitu sempit, penyalaan dapat disebabkan oleh jumlah energi yang paling sedikit. Namun untuk detonasi campuran hidrogen-udara di ruang yang tidak terbatas, diperlukan sumber penyalaan yang lebih kuat.
Rasio tekanan pada gelombang detonasi dalam campuran hidrogen-udara adalah sekitar 20. Pada tekanan atmosfer, rasio 20 adalah 300 psi. Ketika gelombang tekanan ini bertabrakan dengan benda diam, rasio tekanan meningkat menjadi 40-60. Hal ini disebabkan oleh pantulan gelombang tekanan dari penghalang diam.
Kecenderungan bocor. Karena viskositasnya rendah dan berat molekulnya rendah, gas H2 memiliki kecenderungan tinggi untuk bocor dan bahkan meresap atau menembus berbagai material.
Hidrogen 8 kali lebih ringan dari gas alam, 14 kali lebih ringan dari udara, 22 kali lebih ringan dari propana, dan 57 kali lebih ringan dari uap bensin. Ini berarti bahwa ketika dipasang di luar ruangan, gas H2 akan cepat naik dan menghilang, mengurangi tanda-tanda kebocoran. Namun, ini bisa menjadi pedang bermata dua. Ledakan dapat terjadi jika pengelasan dilakukan pada instalasi luar ruangan di atas atau di bawah arah angin dari kebocoran H2 tanpa studi deteksi kebocoran sebelum pengelasan. Di ruang tertutup, gas H2 dapat naik dan terkumpul dari langit-langit ke bawah, suatu kondisi yang memungkinkannya menumpuk hingga volume besar sebelum kemungkinan besar bersentuhan dengan sumber penyulutan di dekat tanah.
Kebakaran yang tidak disengaja. Penyalaan sendiri adalah fenomena di mana campuran gas atau uap terbakar secara spontan tanpa sumber penyalaan eksternal. Hal ini juga dikenal sebagai "pembakaran spontan" atau "pembakaran spontan". Penyalaan sendiri bergantung pada suhu, bukan tekanan.
Suhu penyalaan otomatis adalah suhu minimum di mana bahan bakar akan menyala secara spontan sebelum dinyalakan tanpa adanya sumber penyalaan eksternal saat bersentuhan dengan udara atau zat pengoksidasi. Suhu penyalaan otomatis serbuk tunggal adalah suhu di mana serbuk tersebut menyala secara spontan tanpa adanya zat pengoksidasi. Suhu penyalaan sendiri gas H2 di udara adalah 585°C.
Energi pengapian adalah energi yang dibutuhkan untuk memulai penyebaran api melalui campuran yang mudah terbakar. Energi pengapian minimum adalah energi minimum yang dibutuhkan untuk menyalakan campuran mudah terbakar tertentu pada suhu dan tekanan tertentu. Energi pengapian percikan minimum untuk gas H2 dalam 1 atm udara = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Batasan eksplosif adalah konsentrasi maksimum dan minimum uap, kabut, atau debu di udara atau oksigen saat ledakan terjadi. Ukuran dan geometri lingkungan, serta konsentrasi bahan bakar, mengendalikan batasan tersebut. "Batas eksplosif" terkadang digunakan sebagai sinonim untuk "batas eksplosif".
Batas ledakan untuk campuran H2 di udara adalah 18,3 vol.% (batas bawah) dan 59 vol.% (batas atas).
Saat merancang sistem perpipaan (Gambar 1), langkah pertama adalah menentukan bahan bangunan yang dibutuhkan untuk setiap jenis fluida. Dan setiap fluida akan diklasifikasikan sesuai dengan paragraf ASME B31.3. 300(b)(1) menyatakan, “Pemilik juga bertanggung jawab untuk menentukan kelas D, M, tekanan tinggi, dan perpipaan dengan kemurnian tinggi, dan menentukan apakah sistem mutu tertentu harus digunakan.”
Kategorisasi fluida menentukan tingkat pengujian dan jenis pengujian yang diperlukan, serta banyak persyaratan lain berdasarkan kategori fluida. Tanggung jawab pemilik untuk hal ini biasanya berada di bawah departemen teknik pemilik atau teknisi yang dialihdayakan.
Meskipun Kode Perpipaan Proses B31.3 tidak memberi tahu pemilik material mana yang harus digunakan untuk cairan tertentu, kode tersebut memberikan panduan tentang kekuatan, ketebalan, dan persyaratan sambungan material. Ada juga dua pernyataan dalam pendahuluan kode yang menyatakan dengan jelas:
Dan perluas paragraf pertama di atas, paragraf B31.3. 300(b)(1) juga menyatakan: “Pemilik instalasi pipa bertanggung jawab penuh untuk mematuhi Kode ini dan untuk menetapkan persyaratan desain, konstruksi, inspeksi, pemeriksaan, dan pengujian yang mengatur semua penanganan atau proses fluida yang menjadi bagian dari pipa tersebut. Instalasi.” Jadi, setelah menetapkan beberapa aturan dasar untuk tanggung jawab dan persyaratan untuk mendefinisikan kategori layanan fluida, mari kita lihat di mana gas hidrogen cocok.
Karena gas hidrogen bertindak sebagai cairan yang mudah menguap dan bocor, gas hidrogen dapat dianggap sebagai cairan normal atau cairan Kelas M berdasarkan kategori B31.3 untuk layanan cairan. Seperti yang dinyatakan di atas, klasifikasi penanganan fluida merupakan persyaratan pemilik, asalkan memenuhi pedoman untuk kategori terpilih yang dijelaskan dalam B31.3, paragraf 3. 300.2 Definisi dalam bagian “Layanan hidrolik”. Berikut ini adalah definisi untuk layanan fluida normal dan layanan fluida Kelas M:
“Layanan Fluida Normal: Layanan fluida yang berlaku untuk sebagian besar perpipaan yang tunduk pada kode ini, yaitu tidak tunduk pada peraturan untuk kelas D, M, suhu tinggi, tekanan tinggi, atau kebersihan fluida tinggi.
(1) Toksisitas cairan tersebut sangat besar sehingga paparan tunggal terhadap sejumlah kecil cairan yang disebabkan oleh kebocoran dapat menyebabkan cedera permanen yang serius bagi mereka yang menghirup atau bersentuhan dengannya, bahkan jika tindakan pemulihan segera dilakukan.
(2) Setelah mempertimbangkan desain pipa, pengalaman, kondisi operasi, dan lokasi, pemilik menentukan bahwa persyaratan untuk penggunaan normal cairan tidak cukup untuk memberikan kekencangan yang diperlukan untuk melindungi personel dari paparan. ”
Dalam definisi M di atas, gas hidrogen tidak memenuhi kriteria paragraf (1) karena tidak dianggap sebagai cairan beracun. Namun, dengan menerapkan ayat (2), Kode mengizinkan klasifikasi sistem hidrolik dalam kelas M setelah mempertimbangkan dengan saksama “…desain perpipaan, pengalaman, kondisi pengoperasian, dan lokasi…” Pemilik mengizinkan penentuan penanganan cairan normal. Persyaratan tersebut tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan akan tingkat integritas yang lebih tinggi dalam desain, konstruksi, inspeksi, pemeriksaan, dan pengujian sistem perpipaan gas hidrogen.
Harap rujuk Tabel 1 sebelum membahas Korosi Hidrogen Suhu Tinggi (HTHA). Kode, standar, dan peraturan tercantum dalam tabel ini, yang mencakup enam dokumen tentang topik kerapuhan hidrogen (HE), anomali korosi umum yang mencakup HTHA. OH dapat terjadi pada suhu rendah dan tinggi. Dianggap sebagai bentuk korosi, korosi ini dapat dimulai dengan beberapa cara dan juga memengaruhi berbagai macam material.
HE memiliki berbagai bentuk, yang dapat dibagi menjadi perengkahan hidrogen (HAC), perengkahan tegangan hidrogen (HSC), perengkahan korosi tegangan (SCC), perengkahan korosi hidrogen (HACC), gelembung hidrogen (HB), perengkahan hidrogen (HIC)), perengkahan hidrogen berorientasi tegangan (SOHIC), perengkahan progresif (SWC), perengkahan tegangan sulfida (SSC), perengkahan zona lunak (SZC), dan korosi hidrogen suhu tinggi (HTHA).
Dalam bentuknya yang paling sederhana, kerapuhan hidrogen adalah mekanisme penghancuran batas butiran logam, yang mengakibatkan berkurangnya keuletan karena penetrasi atom hidrogen. Cara terjadinya hal ini bervariasi dan sebagian didefinisikan oleh nama masing-masing, seperti HTHA, di mana hidrogen suhu tinggi dan tekanan tinggi secara bersamaan diperlukan untuk kerapuhan, dan SSC, di mana atom hidrogen diproduksi sebagai gas tertutup dan hidrogen. karena korosi asam, mereka meresap ke dalam casing logam, yang dapat menyebabkan kerapuhan. Namun, hasil keseluruhannya sama seperti untuk semua kasus kerapuhan hidrogen yang dijelaskan di atas, di mana kekuatan logam berkurang karena kerapuhan di bawah rentang tegangan yang diijinkan, yang pada gilirannya menyiapkan panggung untuk peristiwa yang berpotensi membawa bencana mengingat volatilitas cairan.
Selain ketebalan dinding dan kinerja sambungan mekanis, ada dua faktor utama yang perlu dipertimbangkan saat memilih material untuk layanan gas H2: 1. Paparan hidrogen suhu tinggi (HTHA) dan 2. Kekhawatiran serius tentang potensi kebocoran. Kedua topik tersebut saat ini sedang dibahas.
Tidak seperti hidrogen molekuler, hidrogen atomik dapat mengembang, memaparkan hidrogen pada suhu dan tekanan tinggi, menciptakan dasar bagi potensi HTHA. Dalam kondisi ini, hidrogen atomik dapat berdifusi ke dalam material pipa atau peralatan baja karbon, di mana ia bereaksi dengan karbon dalam larutan logam untuk membentuk gas metana pada batas butiran. Karena tidak dapat keluar, gas mengembang, menciptakan retakan dan celah pada dinding pipa atau bejana – ini adalah HTGA. Anda dapat melihat dengan jelas hasil HTHA pada Gambar 2 di mana retakan dan retakan terlihat jelas pada dinding 8″. Bagian pipa berukuran nominal (NPS) yang rusak dalam kondisi ini.
Baja karbon dapat digunakan untuk layanan hidrogen jika suhu operasi dipertahankan di bawah 500°F. Seperti disebutkan di atas, HTHA terjadi saat gas hidrogen ditahan pada tekanan parsial dan suhu tinggi. Baja karbon tidak direkomendasikan jika tekanan parsial hidrogen diperkirakan sekitar 3000 psi dan suhu di atas sekitar 450°F (yang merupakan kondisi kecelakaan pada Gambar 2).
Seperti yang dapat dilihat dari diagram Nelson yang dimodifikasi pada Gambar 3, yang sebagian diambil dari API 941, suhu tinggi memiliki efek terbesar pada pemaksaan hidrogen. Tekanan parsial gas hidrogen dapat melebihi 1000 psi bila digunakan dengan baja karbon yang beroperasi pada suhu hingga 500°F.
Gambar 3. Bagan Nelson yang dimodifikasi ini (diadaptasi dari API 941) dapat digunakan untuk memilih bahan yang sesuai untuk layanan hidrogen pada berbagai suhu.
Pada gambar 3 menunjukkan pilihan baja yang dijamin terhindar dari serangan hidrogen, tergantung pada suhu operasi dan tekanan parsial hidrogen. Baja tahan karat austenitik tidak sensitif terhadap HTHA dan merupakan material yang memuaskan pada semua suhu dan tekanan.
Baja tahan karat austenitik 316/316L merupakan material yang paling praktis untuk aplikasi hidrogen dan memiliki rekam jejak yang terbukti. Sementara perlakuan panas pasca-pengelasan (PWHT) direkomendasikan untuk baja karbon guna membakar sisa hidrogen selama pengelasan dan mengurangi kekerasan zona yang terkena panas (HAZ) setelah pengelasan, hal ini tidak diperlukan untuk baja tahan karat austenitik.
Efek termotermal yang disebabkan oleh perlakuan panas dan pengelasan memiliki sedikit pengaruh pada sifat mekanis baja tahan karat austenitik. Namun, pengerjaan dingin dapat meningkatkan sifat mekanis baja tahan karat austenitik, seperti kekuatan dan kekerasan. Saat membengkokkan dan membentuk pipa dari baja tahan karat austenitik, sifat mekanisnya berubah, termasuk penurunan plastisitas material.
Jika baja tahan karat austenitik memerlukan pembentukan dingin, pemanasan larutan (pemanasan hingga sekitar 1045°C diikuti dengan pendinginan cepat) akan mengembalikan sifat mekanis material ke nilai aslinya. Ini juga akan menghilangkan segregasi paduan, sensitisasi, dan fase sigma yang terjadi setelah pengerjaan dingin. Saat melakukan pemanasan larutan, perlu diperhatikan bahwa pendinginan cepat dapat mengembalikan tegangan sisa ke material jika tidak ditangani dengan benar.
Lihat tabel GR-2.1.1-1 Indeks Spesifikasi Material Perakitan Perpipaan dan Tabung dan GR-2.1.1-2 Indeks Spesifikasi Material Perpipaan dalam ASME B31 untuk pilihan material yang dapat diterima untuk layanan H2. Pipa adalah tempat yang baik untuk memulai.
Dengan berat atom standar 1,008 satuan massa atom (sma), hidrogen adalah unsur paling ringan dan terkecil pada tabel periodik, dan karena itu memiliki kecenderungan tinggi untuk bocor, dengan konsekuensi yang berpotensi menghancurkan, saya tambahkan. Oleh karena itu, sistem pipa gas harus dirancang sedemikian rupa untuk membatasi sambungan jenis mekanis dan meningkatkan sambungan yang benar-benar dibutuhkan.
Saat membatasi titik kebocoran potensial, sistem harus dilas sepenuhnya, kecuali untuk sambungan bergelang pada peralatan, elemen perpipaan, dan fitting. Sambungan berulir harus dihindari sejauh mungkin, jika tidak sepenuhnya. Jika sambungan berulir tidak dapat dihindari karena alasan apa pun, disarankan untuk mengikatnya sepenuhnya tanpa sealant ulir dan kemudian menyegel las. Saat menggunakan pipa baja karbon, sambungan pipa harus dilas tumpul dan diberi perlakuan panas pasca las (PWHT). Setelah pengelasan, pipa di zona yang terpengaruh panas (HAZ) terkena serangan hidrogen bahkan pada suhu sekitar. Sementara serangan hidrogen terjadi terutama pada suhu tinggi, tahap PWHT akan sepenuhnya mengurangi, jika tidak menghilangkan, kemungkinan ini bahkan dalam kondisi sekitar.
Titik lemah dari sistem yang dilas seluruhnya adalah sambungan flensa. Untuk memastikan tingkat kekencangan yang tinggi pada sambungan flensa, gasket Kammprofile (gbr. 4) atau bentuk gasket lainnya harus digunakan. Dibuat dengan cara yang hampir sama oleh beberapa produsen, bantalan ini sangat pemaaf. Bantalan ini terdiri dari cincin logam bergigi yang diapit di antara bahan penyegel yang lembut dan dapat dideformasi. Gigi-gigi tersebut memusatkan beban baut di area yang lebih kecil untuk memberikan kecocokan yang rapat dengan tekanan yang lebih sedikit. Bantalan ini dirancang sedemikian rupa sehingga dapat mengimbangi permukaan flensa yang tidak rata serta kondisi pengoperasian yang berfluktuasi.
Gambar 4. Gasket Kammprofile memiliki inti logam yang diikat pada kedua sisi dengan pengisi lunak.
Faktor penting lainnya dalam integritas sistem adalah katup. Kebocoran di sekitar segel batang dan flensa badan merupakan masalah nyata. Untuk mencegah hal ini, disarankan untuk memilih katup dengan segel bellow.
Gunakan pipa baja karbon School 80 1 inci, dalam contoh di bawah ini, dengan toleransi produksi, korosi, dan toleransi mekanis sesuai dengan ASTM A106 Gr B, tekanan kerja maksimum yang diizinkan (MAWP) dapat dihitung dalam dua langkah pada suhu hingga 300°F (Catatan: Alasan untuk “…untuk suhu hingga 300ºF…” adalah karena tegangan yang diizinkan (S) dari material ASTM A106 Gr B mulai memburuk saat suhu melebihi 300ºF.(S), jadi Persamaan (1) memerlukan Penyesuaian ke suhu di atas 300ºF.)
Mengacu pada rumus (1), langkah pertama yang dilakukan adalah menghitung tekanan pecah teoritis pipa.
T = ketebalan dinding pipa dikurangi toleransi mekanis, korosi dan manufaktur, dalam inci.
Bagian kedua dari proses ini adalah menghitung tekanan kerja maksimum yang diijinkan Pa dari pipa dengan menerapkan faktor keamanan S f pada hasil P sesuai dengan persamaan (2):
Oleh karena itu, saat menggunakan material sekolah 80 1″, tekanan pecah dihitung sebagai berikut:
Nilai Sf pengaman sebesar 4 kemudian diterapkan sesuai dengan Rekomendasi Bejana Tekan ASME Bagian VIII-1 2019, Paragraf 8. UG-101 dihitung sebagai berikut:
Nilai MAWP yang dihasilkan adalah 810 psi. inci hanya mengacu pada pipa. Sambungan flensa atau komponen dengan peringkat terendah dalam sistem akan menjadi faktor penentu dalam menentukan tekanan yang diizinkan dalam sistem.
Menurut ASME B16.5, tekanan kerja maksimum yang diizinkan untuk fitting flensa baja karbon 150 adalah 285 psi. inci pada suhu -20°F hingga 100°F. Kelas 300 memiliki tekanan kerja maksimum yang diizinkan sebesar 740 psi. Ini akan menjadi faktor batas tekanan sistem menurut contoh spesifikasi material di bawah ini. Selain itu, hanya dalam uji hidrostatik, nilai-nilai ini dapat melebihi 1,5 kali.
Sebagai contoh spesifikasi material baja karbon dasar, spesifikasi saluran layanan gas H2 yang beroperasi pada suhu sekitar di bawah tekanan desain 740 psi. inci, dapat memuat persyaratan material yang ditunjukkan pada Tabel 2. Berikut ini adalah jenis material yang mungkin memerlukan perhatian untuk disertakan dalam spesifikasi:
Selain perpipaan itu sendiri, ada banyak elemen yang membentuk sistem perpipaan seperti fitting, katup, peralatan saluran, dll. Meskipun banyak dari elemen ini akan disatukan dalam sebuah saluran pipa untuk dibahas secara terperinci, ini akan membutuhkan lebih banyak halaman daripada yang dapat ditampung. Artikel ini.