Þessi yfirlitsgrein veitir ráðleggingar um örugga hönnun pípulagnakerfa fyrir vetnisdreifingu.
Vetni er mjög rokgjörn vökvi með mikla tilhneigingu til leka. Það er mjög hættuleg og banvæn blanda af tilhneigingum, rokgjörn vökvi sem erfitt er að stjórna. Þetta eru þróun sem þarf að hafa í huga þegar efni, þéttingar og innsigli eru valin, sem og hönnunareiginleikar slíkra kerfa. Þessi efni um dreifingu gaskennds vetnis (H2) eru í brennidepli þessarar umræðu, ekki framleiðsla H2, fljótandi H2 eða fljótandi H2 (sjá hægri hliðarstiku).
Hér eru nokkur lykilatriði til að hjálpa þér að skilja blöndu vetnis og H2-lofts. Vetni brennur á tvo vegu: við bruna og sprengingu.
Eldsneyti. Eldsneyti er algeng brunaaðferð þar sem logar ferðast í gegnum blönduna á undirhljóðshraða. Þetta gerist til dæmis þegar laust ský af vetnis-loftblöndu kviknar af litlum kveikjugjafa. Í þessu tilfelli mun loginn hreyfast á hraða sem er tíu til nokkur hundruð fet á sekúndu. Hröð útþensla heits gass skapar þrýstibylgjur sem eru styrkleiki þeirra í réttu hlutfalli við stærð skýsins. Í sumum tilfellum getur kraftur höggbylgjunnar verið nægur til að skemma byggingarmannvirki og aðra hluti í vegi þess og valda meiðslum.
sprengja. Þegar það sprakk fóru logar og höggbylgjur í gegnum blönduna á ofurhljóðhraða. Þrýstingshlutfallið í sprengibylgju er mun meira en í sprengingu. Vegna aukins krafts er sprengingin hættulegri fyrir fólk, byggingar og nálæga hluti. Venjuleg eldsvoði veldur sprengingu þegar kveikt er í henni í lokuðu rými. Á svo þröngu svæði getur íkveikja stafað af minnstu orku. En til að sprengja vetnis-loftblöndu í ótakmörkuðu rými þarf öflugri kveikjugjafa.
Þrýstingshlutfallið yfir sprengibylgjuna í vetnis-loftblöndu er um 20. Við andrúmsloftsþrýsting er hlutfallið 20 300 psi. Þegar þessi þrýstibylgja rekst á kyrrstæðan hlut eykst þrýstingshlutfallið í 40-60. Þetta er vegna endurkasts þrýstibylgjunnar frá kyrrstæðri hindrun.
Tilhneiging til leka. Vegna lágrar seigju og lágs mólþunga hefur H2 gas mikla tilhneigingu til að leka og jafnvel smjúga í gegnum eða komast í gegnum ýmis efni.
Vetni er 8 sinnum léttara en jarðgas, 14 sinnum léttara en loft, 22 sinnum léttara en própan og 57 sinnum léttara en bensíngufa. Þetta þýðir að þegar það er sett upp utandyra mun H2 gasið fljótt stíga upp og hverfa, sem dregur úr öllum merkjum um leka, jafnvel þó það sé ekki til staðar. En þetta getur verið tvíeggjað sverð. Sprenging getur átt sér stað ef suða á að framkvæma á utandyra uppsetningu fyrir ofan eða meðfram H2 leka án þess að lekagreining hafi verið gerð áður en suða hefst. Í lokuðu rými getur H2 gasið stígið upp og safnast fyrir frá loftinu og niður, sem gerir það kleift að myndast í mikið magn áður en það er líklegra til að komast í snertingu við kveikjugjafa nálægt jörðu.
Slysatilvik. Sjálfsíkveikja er fyrirbæri þar sem blanda af lofttegundum eða gufum kviknar sjálfkrafa án utanaðkomandi kveikjugjafa. Þetta er einnig þekkt sem „sjálfsuppkveikja“ eða „sjálfsbrjótandi bruni“. Sjálfsíkveikja er háð hitastigi, ekki þrýstingi.
Sjálfkveikjuhitastig er lágmarkshitastig þar sem eldsneyti kviknar sjálfkrafa við áður en það kviknar í, án utanaðkomandi kveikjugjafa, við snertingu við loft eða oxunarefni. Sjálfkveikjuhitastig einstaks dufts er hitastigið þar sem það kviknar sjálfkrafa við án oxunarefnis. Sjálfkveikjuhitastig gaskennds H2 í lofti er 585°C.
Kveikjuorka er sú orka sem þarf til að hefja útbreiðslu loga í gegnum eldfimt efni. Lágmarkskveikjuorka er sú lágmarksorka sem þarf til að kveikja í tiltekinni eldfimri blöndu við ákveðið hitastig og þrýsting. Lágmarksneistakveikjuorka fyrir gaskennt H2 í 1 atm af lofti = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Sprengimörk eru hámarks- og lágmarksstyrkur gufu, þoku eða ryks í lofti eða súrefni þar sem sprenging á sér stað. Stærð og lögun umhverfisins, sem og styrkur eldsneytisins, stjórna mörkunum. „Sprengimörk“ eru stundum notuð sem samheiti yfir „sprengimörk“.
Sprengimörk fyrir H2 blöndur í lofti eru 18,3 rúmmáls% (neðri mörk) og 59 rúmmáls% (efri mörk).
Við hönnun pípulagnakerfa (mynd 1) er fyrsta skrefið að ákvarða byggingarefnin sem þarf fyrir hverja tegund vökva. Og hver vökvi verður flokkaður í samræmi við ASME B31.3 málsgrein. 300(b)(1) segir: „Eigandinn ber einnig ábyrgð á að ákvarða pípur í flokki D, M, háþrýstings og hágæða pípur og ákvarða hvort nota eigi tiltekið gæðakerfi.“
Flokkun vökva skilgreinir umfang prófana og tegund prófana sem krafist er, sem og margar aðrar kröfur sem byggjast á vökvaflokknum. Ábyrgð eiganda á þessu fellur venjulega á verkfræðideild eiganda eða útvistaðs verkfræðings.
Þó að B31.3 kóðinn um ferlislagnir segi ekki eigandanum hvaða efni eigi að nota fyrir tiltekinn vökva, þá veitir hann leiðbeiningar um styrk, þykkt og kröfur um efnistengingu. Einnig eru tvær fullyrðingar í inngangi kóðans sem segja skýrt til um:
Og útfærið fyrstu málsgreinina hér að ofan, í málsgrein B31.3. 300(b)(1) segir einnig: „Eigandi leiðslumannvirkis ber einn ábyrgð á að fara að þessum kóða og á að setja kröfur um hönnun, smíði, eftirlit, skoðun og prófun sem gilda um alla meðhöndlun vökva eða ferli sem leiðslan er hluti af. Uppsetning.“ Eftir að hafa sett fram nokkrar grundvallarreglur um ábyrgð og kröfur um skilgreiningu á flokkum vökvaþjónustu, skulum við sjá hvar vetnisgas passar inn í myndina.
Þar sem vetnisgas virkar sem rokgjörn vökvi með leka, getur vetnisgas talist vera venjulegur vökvi eða M-flokks vökva samkvæmt flokki B31.3 fyrir vökvanotkun. Eins og fram kemur hér að ofan er flokkun vökvameðhöndlunar krafa eiganda, að því tilskildu að hún uppfylli leiðbeiningar fyrir valda flokka sem lýst er í B31.3, 3. mgr. 300.2 Skilgreiningar í kaflanum „Vökvakerfisþjónusta“. Eftirfarandi eru skilgreiningar á venjulegri vökvanotkun og M-flokks vökvanotkun:
„Venjuleg vökvaþjónusta: Vökvaþjónusta sem á við um flestar pípur sem falla undir þennan staðal, þ.e. ekki undir reglur um flokka D, M, hátt hitastig, hátt þrýsting eða mikla vökvahreinleika.“
(1) Eituráhrif vökvans eru svo mikil að ein snerting við mjög lítið magn af vökvanum, sem stafar af leka, getur valdið alvarlegum varanlegum meiðslum á þeim sem anda að sér vökvanum eða komast í snertingu við hann, jafnvel þótt gripið sé til tafarlausra viðbragða.
(2) Eftir að hafa íhugað hönnun leiðslna, reynslu, rekstrarskilyrði og staðsetningu, telur eigandinn að kröfur um eðlilega notkun vökvans séu ekki nægjanlegar til að tryggja nauðsynlega þéttleika til að vernda starfsfólk gegn váhrifum.
Í ofangreindri skilgreiningu á M uppfyllir vetnisgas ekki skilyrði í 1. mgr. þar sem það telst ekki eitraður vökvi. Hins vegar, með því að beita 2. mgr., heimilar reglugerðin flokkun vökvakerfa í M-flokk eftir að hafa tekið tillit til „...hönnunar pípa, reynslu, rekstrarskilyrða og staðsetningar...“ Eigandinn heimilar ákvörðun um eðlilega meðhöndlun vökva. Kröfurnar eru ófullnægjandi til að uppfylla þörfina fyrir hærra stig heiðarleika í hönnun, smíði, skoðun, eftirliti og prófun á vetnisgaspípukerfum.
Vinsamlegast vísið til töflu 1 áður en fjallað er um vetnistæringu við háan hita (HTHA). Í þessari töflu eru taldar upp reglur, staðlar og reglugerðir, sem inniheldur sex skjöl um vetnissprúðun (HE), algengt tæringarfrávik sem felur í sér HTHA. OH getur komið fram við lágt og hátt hitastig. Það er talið vera tegund tæringar og getur komið af stað á nokkra vegu og einnig haft áhrif á fjölbreytt efni.
HE hefur ýmsar gerðir sem má skipta í vetnissprungur (HAC), vetnisspennusprungur (HSC), spennutæringarsprungur (SCC), vetnistæringarsprungur (HACC), vetnisbólusprungur (HB), vetnissprungur (HIC), spennutengdar vetnissprungur (SOHIC), stigvaxandi sprungur (SWC), súlfíðspennusprungur (SSC), mjúksvæðasprungur (SZC) og háhitavetnistæringu (HTHA).
Í sinni einföldustu mynd er vetnissprúðun aðferð til að eyðileggja kornamörk málms, sem leiðir til minnkaðrar teygjanleika vegna gegndræpis vetnis í frumeindum. Leiðirnar sem þetta gerist eru mismunandi og eru að hluta til skilgreindar með nöfnum þeirra, svo sem HTHA, þar sem samtímis þarf vetni við háan hita og háan þrýsting til sprúðunar, og SSC, þar sem vetni í frumeindum myndast sem lokaðar lofttegundir og vetni. Vegna sýrutæringar síast þau inn í málmhylki, sem getur leitt til sprúðleika. En heildarniðurstaðan er sú sama og í öllum tilvikum vetnissprúðunar sem lýst er hér að ofan, þar sem styrkur málmsins minnkar við sprúðun niður fyrir leyfilegt spennubil, sem aftur setur brautina fyrir hugsanlega hörmulega atburði miðað við rokgjarnleika vökvans.
Auk veggþykktar og vélrænnar frammistöðu samskeyta eru tveir meginþættir sem þarf að hafa í huga þegar efni eru valin fyrir notkun á vetnisgasi (H2): 1. Váhrif á háhita vetnis (HTHA) og 2. Alvarlegar áhyggjur af hugsanlegum leka. Báðir þættir eru nú til umræðu.
Ólíkt sameindavetni getur atómvetni þanist út og útsett vetnið fyrir miklum hita og þrýstingi, sem skapar grunn fyrir hugsanlega HTHA (National High-End Hydrogenation) myndun. Við þessar aðstæður getur atómvetni dreifst inn í pípulagnir eða búnað úr kolefnisstáli, þar sem það hvarfast við kolefni í málmlausn til að mynda metangas við kornamörk. Þar sem gasið getur ekki sloppið út þenst það út og myndar sprungur og rifur í veggjum pípa eða íláta – þetta er HTGA. Þú getur greinilega séð HTHA niðurstöðurnar á mynd 2 þar sem sprungur og rifur eru augljósar í 8″ veggnum. Sá hluti nafnstærðarpípu (NPS) sem bilar við þessar aðstæður.
Kolefnisstál er hægt að nota í vetnisnotkun þegar rekstrarhitastigið er haldið undir 500°F. Eins og áður hefur komið fram á vetnisgasið HTHA þegar það er haldið við háan hlutþrýsting og hátt hitastig. Kolefnisstál er ekki mælt með þegar búist er við að vetnishlutþrýstingurinn sé um 3000 psi og hitastigið er yfir um 450°F (sem er slysatilvikið á mynd 2).
Eins og sjá má á breyttu Nelson-myndinni á mynd 3, sem að hluta til er tekin úr API 941, hefur hátt hitastig mest áhrif á vetnisþrýsting. Hlutþrýstingur vetnisgass getur farið yfir 1000 psi þegar það er notað með kolefnisstáli sem starfar við hitastig allt að 500°F.
Mynd 3. Þetta breytta Nelson-rit (aðlagað frá API 941) er hægt að nota til að velja hentug efni fyrir vetnisnotkun við mismunandi hitastig.
Á mynd 3 er sýnt val á stáli sem er tryggt að forðast vetnisárás, allt eftir rekstrarhita og hlutþrýstingi vetnis. Austenískt ryðfrítt stál er ónæmt fyrir HTHA og er fullnægjandi efni við öll hitastig og þrýsting.
Austenítískt 316/316L ryðfrítt stál er hagnýtasta efnið fyrir vetnisnotkun og hefur sannað sig. Þó að hitameðferð eftir suðu (PWHT) sé ráðlögð fyrir kolefnisstál til að brenna leifar af vetni við suðu og draga úr hörku hitaáhrifasvæðisins (HAZ) eftir suðu, er það ekki krafist fyrir austenítískt ryðfrítt stál.
Varmaáhrif af völdum hitameðferðar og suðu hafa lítil áhrif á vélræna eiginleika austenítísks ryðfrís stáls. Hins vegar getur kaltvinnsla bætt vélræna eiginleika austenítísks ryðfrís stáls, svo sem styrk og hörku. Þegar beygt er og mótað úr austenítísku ryðfríu stáli breytast vélrænir eiginleikar þeirra, þar á meðal minnkar mýkt efnisins.
Ef austenítískt ryðfrítt stál þarfnast kaldmótunar, mun glæðing í lausn (upphitun í um það bil 1045°C og síðan slökkvun eða hraðkæling) endurheimta upprunaleg vélræn einkenni efnisins. Það mun einnig útrýma aðskilnaði málmblöndunnar, næmingu og sigma-fasa sem næst eftir kaldvinnslu. Þegar glæðing í lausn er framkvæmd skal hafa í huga að hraðkæling getur valdið eftirstandandi spennu í efnið ef það er ekki meðhöndlað rétt.
Vísað er til töflu GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index og GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index í ASME B31 fyrir ásættanlegt efnisval fyrir H2 þjónustu. Pípur eru góður staður til að byrja.
Með staðlaða atómþyngd upp á 1,008 atómmassaeiningar (amu) er vetni léttasta og minnsta frumefnið í lotukerfinu og hefur því mikla tilhneigingu til leka, sem getur haft skelfilegar afleiðingar, ætti ég að bæta við. Þess vegna verður að hanna gasleiðslukerfið þannig að takmarkað sé vélrænar tengingar og bætt sé þær tengingar sem raunverulega eru nauðsynlegar.
Þegar hugsanlegir lekapunktar eru takmarkaðir ætti kerfið að vera fullsuðið, nema hvað varðar flanstengingar á búnaði, pípulagnir og tengihluti. Forðast skal skrúfgangatengingar eins og mögulegt er, ef ekki alveg. Ef ekki er hægt að forðast skrúfgangatengingar af einhverjum ástæðum er mælt með því að festa þær alveg án skrúfgangaþéttiefnis og síðan þétta suðuna. Þegar notaðar eru kolefnisstálpípur verða pípusamskeytin að vera stubbsuðuð og hitameðhöndluð eftir suðu (PWHT). Eftir suðu eru pípur í hitaáhrifasvæðinu (HAZ) útsettar fyrir vetnisáhrifum jafnvel við stofuhita. Þó að vetnisáhrif eigi sér aðallega stað við hátt hitastig, mun PWHT-stigið draga alveg úr, ef ekki útrýma, þessum möguleika, jafnvel við stofuhita.
Veikleiki al-suðukerfisins er flanstengingin. Til að tryggja mikla þéttleika í flanstengingum ætti að nota Kammprofile þéttingar (mynd 4) eða aðra gerð af þéttingum. Þessi púði er framleiddur á næstum sama hátt af nokkrum framleiðendum og er mjög fyrirgefandi. Hann samanstendur af tönnuðum málmhringjum sem eru klemmdir á milli mjúkra, aflögunarhæfra þéttiefna. Tennurnar einbeita álaginu frá boltanum á minna svæði til að veita þétta passa með minni álagi. Hann er hannaður þannig að hann geti bætt upp fyrir ójafna flansfleti sem og sveiflukenndar rekstraraðstæður.
Mynd 4. Kammprofile þéttingar eru með málmkjarna sem er límdur báðum megin með mjúku fyllingarefni.
Annar mikilvægur þáttur í heilleika kerfisins er lokinn. Lekar í kringum stilkþétti og flansa á húsinu eru raunverulegt vandamál. Til að koma í veg fyrir þetta er mælt með því að velja lok með belgsþétti.
Notið 1 tommu. School 80 kolefnisstálpípa, í dæminu okkar hér að neðan, miðað við framleiðsluþol, tæringu og vélræn þol í samræmi við ASTM A106 Gr B, er hægt að reikna út leyfilegan hámarksvinnuþrýsting (MAWP) í tveimur skrefum við hitastig allt að 300°F (Athugið: Ástæðan fyrir „...fyrir hitastig allt að 300ºF…“ er sú að leyfileg spenna (S) ASTM A106 Gr B efnisins byrjar að versna þegar hitastigið fer yfir 300ºF. (S), þannig að jafna (1) krefst aðlögunar við hitastig yfir 300ºF.)
Með vísan til formúlu (1) er fyrsta skrefið að reikna út fræðilegan sprengiþrýsting í leiðslunni.
T = þykkt pípuveggja að frádregnum vélrænum, tæringar- og framleiðsluvikmörkum, í tommum.
Annar hluti ferlisins er að reikna út leyfilegan hámarksvinnuþrýsting Pa í leiðslunni með því að beita öryggisstuðlinum S f á niðurstöðuna P samkvæmt jöfnu (2):
Þannig, þegar notað er 1″ school 80 efni, er sprunguþrýstingurinn reiknaður út á eftirfarandi hátt:
Öryggis-Sf upp á 4 er síðan beitt í samræmi við ASME Pressure Tank Recommendations kafla VIII-1 2019, 8. mgr. UG-101 reiknað út á eftirfarandi hátt:
Niðurstöðugildið MAWP er 810 psi. Tommur vísar eingöngu til pípu. Flanstengingin eða íhluturinn með lægsta styrkleika í kerfinu verður ákvarðandi þáttur við ákvörðun leyfilegs þrýstings í kerfinu.
Samkvæmt ASME B16.5 er leyfilegur hámarksvinnuþrýstingur fyrir flansfestingar úr 150 kolefnisstáli 285 psi. tommur við -20°F til 100°F. Hámarks leyfilegur vinnuþrýstingur í flokki 300 er 740 psi. Þetta verður þrýstimörk kerfisins samkvæmt dæminu um efnislýsingu hér að neðan. Einnig, aðeins í vatnsstöðugleikaprófum, geta þessi gildi farið yfir 1,5 sinnum.
Sem dæmi um grunnefnislýsingu fyrir kolefnisstál, getur forskrift fyrir H2 gasleiðslu sem starfar við umhverfishita undir hönnunarþrýstingi 740 psi. tommu, innihaldið efniskröfurnar sem sýndar eru í töflu 2. Eftirfarandi eru gerðir sem gætu þurft að vera með í forskriftinni:
Auk pípulagnanna sjálfra eru margir þættir sem mynda pípulagnakerfið, svo sem tengihlutir, lokar, búnaður o.s.frv. Þó að margir þessara þátta verði settir saman í pípulagnir til að fjalla um þá í smáatriðum, þá þarfnast það fleiri blaðsíðna en hægt er að rúma. Þessi grein.