סקירה זו מספקת המלצות לתכנון בטוח של מערכות צנרת להפצת מימן.
מימן הוא נוזל נדיף מאוד עם נטייה גבוהה לדליפות. זהו שילוב מסוכן וקטלני מאוד של נטיות, נוזל נדיף שקשה לשלוט בו. אלו הן מגמות שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת חומרים, אטמים ואטימות, כמו גם מאפייני התכנון של מערכות כאלה. נושאים אלה הנוגעים לפיזור מימן בגז הם מוקד הדיון הזה, ולא ייצור מימן, מימן נוזלי או מימן נוזלי (ראה סרגל צד ימין).
הנה כמה נקודות מפתח שיעזרו לכם להבין את התערובת של מימן ו-H2-אוויר. מימן נשרף בשתי דרכים: שריפה ופיצוץ.
שריפה. שריפה היא מצב בעירה נפוץ שבו להבות נעות דרך התערובת במהירויות תת-קוליות. זה קורה, למשל, כאשר ענן חופשי של תערובת מימן-אוויר נדלק על ידי מקור הצתה קטן. במקרה זה, הלהבה תנוע במהירות של שלושה עד כמה מאות רגל לשנייה. ההתפשטות המהירה של גז חם יוצרת גלי לחץ שעוצמתם פרופורציונלית לגודל הענן. במקרים מסוימים, עוצמת גל ההלם יכולה להספיק כדי לפגוע במבני בניינים ובעצמים אחרים בדרכו ולגרום לפציעה.
התפוצצות. כאשר התפוצצה, להבות וגלי הלם עברו דרך התערובת במהירויות על-קוליות. יחס הלחצים בגל פיצוץ גדול בהרבה מאשר בפיצוץ. בשל העוצמה המוגברת, הפיצוץ מסוכן יותר לאנשים, מבנים וחפצים סמוכים. שריפה רגילה גורמת לפיצוץ כאשר היא נדלקת בחלל סגור. באזור צר שכזה, הצתה יכולה להיגרם על ידי כמות האנרגיה הנמוכה ביותר. אך לצורך פיצוץ תערובת מימן-אוויר במרחב בלתי מוגבל, נדרש מקור הצתה חזק יותר.
יחס הלחצים על פני גל הפיצוץ בתערובת מימן-אוויר הוא כ-20. בלחץ אטמוספרי, יחס של 20 הוא 300 psi. כאשר גל לחץ זה מתנגש בעצם נייח, יחס הלחצים עולה ל-40-60. זאת בשל החזרת גל הלחץ ממכשול נייח.
נטייה לדליפה. בשל צמיגותו הנמוכה ומשקלו המולקולרי הנמוך, לגז H2 יש נטייה גבוהה לדלוף ואף לחדור לחומרים שונים.
מימן קל פי 8 מגז טבעי, פי 14 מאוויר, פי 22 מפרופאן ופי 57 מאדי בנזין. משמעות הדבר היא שכאשר הוא מותקן בחוץ, גז ה-H2 יעלה ויתפזר במהירות, מה שמפחית כל סימן של דליפות. אך זוהי חרב פיפיות. פיצוץ עלול להתרחש אם יש לבצע ריתוך במתקן חיצוני מעל או עם הרוח של דליפת H2 ללא בדיקת גילוי דליפות לפני הריתוך. בחלל סגור, גז H2 יכול לעלות ולהצטבר מהתקרה ומטה, מצב המאפשר לו להצטבר לנפחים גדולים לפני שיבוא במגע עם מקורות הצתה ליד הקרקע.
שריפה מקרית. הצתה עצמית היא תופעה שבה תערובת של גזים או אדים נדלקת באופן ספונטני ללא מקור הצתה חיצוני. היא ידועה גם בשם "בעירה ספונטנית" או "בעירה ספונטנית". הצתה עצמית תלויה בטמפרטורה, לא בלחץ.
טמפרטורת ההצתה העצמית היא הטמפרטורה המינימלית שבה דלק יתלקח באופן ספונטני לפני הצתה בהיעדר מקור הצתה חיצוני במגע עם אוויר או חומר חמצון. טמפרטורת ההצתה העצמית של אבקה בודדת היא הטמפרטורה שבה היא מתלקחת באופן ספונטני בהיעדר חומר חמצון. טמפרטורת ההצתה העצמית של H2 גזי באוויר היא 585 מעלות צלזיוס.
אנרגיית ההצתה היא האנרגיה הנדרשת כדי להתחיל את התפשטות הלהבה דרך תערובת דליקה. אנרגיית הצתה מינימלית היא האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי להצית תערובת דליקה מסוימת בטמפרטורה ולחץ מסוימים. אנרגיית הצתה מינימלית עבור גז H2 ב-1 אטמוספרה של אוויר = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
גבולות פיצוץ הם הריכוזים המקסימליים והמינימליים של אדים, ערפילים או אבק באוויר או בחמצן שבהם מתרחש פיצוץ. גודל וגיאומטריה של הסביבה, כמו גם ריכוז הדלק, קובעים את הגבולות. "גבול פיצוץ" משמש לעיתים כמילה נרדפת ל"גבול פיצוץ".
גבולות הפיצוץ של תערובות H2 באוויר הם 18.3% נפח (גבול תחתון) ו-59% נפח (גבול עליון).
בעת תכנון מערכות צנרת (איור 1), הצעד הראשון הוא לקבוע את חומרי הבניין הדרושים לכל סוג נוזל. וכל נוזל יסווג בהתאם לתקן ASME B31.3. פסקה 300(b)(1) קובעת, "הבעלים אחראי גם לקביעת צנרת מסוג D, M, בלחץ גבוה ובטוהר גבוה, ולקבוע האם יש להשתמש במערכת איכות מסוימת."
סיווג נוזלים מגדיר את מידת הבדיקה ואת סוג הבדיקה הנדרשת, כמו גם דרישות רבות אחרות המבוססות על קטגוריית הנוזל. האחריות של הבעלים לכך נופלת בדרך כלל על מחלקת ההנדסה של הבעלים או על מהנדס חיצוני.
בעוד שקוד צנרת התהליך B31.3 אינו מציין לבעלים באיזה חומר להשתמש עבור נוזל מסוים, הוא מספק הנחיות לגבי חוזק, עובי ודרישות חיבור חומרים. ישנן גם שתי הצהרות במבוא לקוד המציינות בבירור:
ולהרחיב על הפסקה הראשונה לעיל, פסקה B31.3. 300(b)(1) קובעת גם: "בעל מתקן צינור אחראי בלעדית על עמידה בקוד זה ועל קביעת דרישות התכנון, הבנייה, הבדיקה, הבדיקה והבדיקה המסדירות את כל הטיפול בנוזלים או התהליך שהצינור הוא חלק ממנו. התקנה." אז, לאחר קביעת כמה כללי יסוד לאחריות ודרישות להגדרת קטגוריות שירות נוזלים, בואו נראה היכן גז מימן משתלב.
מכיוון שגז מימן פועל כנוזל נדיף עם דליפות, גז מימן יכול להיחשב כנוזל רגיל או נוזל Class M תחת קטגוריה B31.3 לשירות נוזלים. כפי שצוין לעיל, סיווג הטיפול בנוזלים הוא דרישת בעלים, בתנאי שהוא עומד בהנחיות לקטגוריות שנבחרו המתוארות ב-B31.3, פסקה 3. 300.2 הגדרות בסעיף "שירותים הידראוליים". להלן הגדרות לשירות נוזלים רגיל ולשירות נוזלים Class M:
שירות נוזלים רגיל: שירות נוזלים החל על רוב הצנרת הכפופה לקוד זה, כלומר אינה כפופה לתקנות עבור מחלקות D, M, טמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה או ניקיון נוזלים גבוה.
(1) רעילות הנוזל כה גדולה, עד שחשיפה חד פעמית לכמות קטנה מאוד של הנוזל הנגרמת מדליפה עלולה לגרום לפגיעה בלתי פוסקת חמורה באנשים השואפים אותו או באים איתו במגע, גם אם ננקטים צעדי החלמה מיידיים.
(2) לאחר בחינת תכנון הצינור, הניסיון, תנאי ההפעלה והמיקום, קובע הבעלים כי הדרישות לשימוש רגיל בנוזל אינן מספיקות כדי לספק את האטימות הנדרשת להגנה על אנשי הצוות מפני חשיפה.
בהגדרה של M לעיל, גז מימן אינו עומד בקריטריונים של פסקה (1) מכיוון שאינו נחשב לנוזל רעיל. עם זאת, על ידי יישום סעיף קטן (2), הקוד מתיר סיווג של מערכות הידראוליות בדרגה M לאחר התחשבות נאותה ב"...תכנון צנרת, ניסיון, תנאי הפעלה ומיקום..." הבעלים מתיר קביעת טיפול רגיל בנוזלים. הדרישות אינן מספיקות כדי לענות על הצורך ברמת שלמות גבוהה יותר בתכנון, בנייה, בדיקה, בדיקה ובדיקה של מערכות צנרת גז מימן.
אנא עיינו בטבלה 1 לפני דיון בקורוזיה במימן בטמפרטורה גבוהה (HTHA). קודים, תקנים ותקנות מופיעים בטבלה זו, הכוללת שישה מסמכים בנושא שבירות מימן (HE), אנומליה נפוצה של קורוזיה הכוללת HTHA. OH יכול להתרחש בטמפרטורות נמוכות וגבוהות. נחשב לסוג של קורוזיה, הוא יכול להתחיל בכמה דרכים וגם להשפיע על מגוון רחב של חומרים.
ל-HE יש צורות שונות, אותן ניתן לחלק לפיצוח מימן (HAC), פיצוח מאמץ מימן (HSC), פיצוח קורוזיה במאמץ (SCC), פיצוח קורוזיה במימן (HACC), פיצוח בועות מימן (HB), פיצוח מימן (HIC), פיצוח מימן מונחה מאמץ (SOHIC), פיצוח פרוגרסיבי (SWC), פיצוח מאמץ סולפידי (SSC), פיצוח אזור רך (SZC) וקורוזיה בטמפרטורה גבוהה (HTHA).
בצורתו הפשוטה ביותר, שבירות מימן היא מנגנון להרס גבולות גרגירי מתכת, וכתוצאה מכך מופחתת משיכות עקב חדירת מימן אטומי. הדרכים בהן זה מתרחש מגוונות ומוגדרות בחלקן על ידי שמותיהן, כגון HTHA, שבו נדרש מימן בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה בו זמנית לצורך השבירות, ו-SSC, שבו מימן אטומי מיוצר כגזים סגורים ומימן. עקב קורוזיה חומצית, הם מחלחלים לתוך מעטפת המתכת, מה שעלול להוביל לשבירות. אך התוצאה הכוללת זהה לזו של כל מקרי השבירות המימנית שתוארו לעיל, שבהם חוזק המתכת מצטמצם עקב השבירות מתחת לטווח המאמץ המותר שלה, מה שבתורו מכין את הבמה לאירוע שעלול להיות קטסטרופלי בהתחשב בתנודתיות הנוזל.
בנוסף לעובי הדופן ולביצועי החיבור המכניים, ישנם שני גורמים עיקריים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת חומרים לשירות בגז H2: 1. חשיפה למימן בטמפרטורה גבוהה (HTHA) ו-2. חששות רציניים לגבי דליפה אפשרית. שני הנושאים נמצאים כעת בדיונים.
בניגוד למימן מולקולרי, מימן אטומי יכול להתפשט, לחשוף את המימן לטמפרטורות וללחצים גבוהים, ויוצר את הבסיס ל-HTHA פוטנציאלי. בתנאים אלה, מימן אטומי מסוגל להתפזר לתוך חומרי צנרת או ציוד מפלדת פחמן, שם הוא מגיב עם פחמן בתמיסה מתכתית ליצירת גז מתאן בגבולות הגרעינים. הגז, שאינו מסוגל להימלט, מתפשט ויוצר סדקים וסדקים בדפנות הצינורות או הכלי - זהו HTGA. ניתן לראות בבירור את תוצאות ה-HTHA באיור 2, שם נראים סדקים וסדקים בקיר 8 אינץ'. החלק של צינור בגודל נומינלי (NPS) שנכשל בתנאים אלה.
ניתן להשתמש בפלדת פחמן לשירות מימן כאשר טמפרטורת ההפעלה נשמרת מתחת ל-500°F. כפי שצוין לעיל, HTHA מתרחש כאשר גז מימן מוחזק בלחץ חלקי גבוה ובטמפרטורה גבוהה. פלדת פחמן אינה מומלצת כאשר לחץ חלקי המימן צפוי להיות סביב 3000 psi והטמפרטורה מעל כ-450°F (שהוא מצב התאונה באיור 2).
כפי שניתן לראות מתרשים נלסון המתוקן באיור 3, שנלקח חלקית מ-API 941, לטמפרטורה גבוהה יש את ההשפעה הגדולה ביותר על כפיית מימן. לחץ חלקי של גז מימן יכול לעלות על 1000 psi כאשר משתמשים בו עם פלדות פחמן הפועלות בטמפרטורות של עד 500°F.
איור 3. ניתן להשתמש בתרשים נלסון שונה זה (מעובד מ-API 941) לבחירת חומרים מתאימים לשירות מימן בטמפרטורות שונות.
איור 3 מציג את בחירת הפלדות המובטחות להימנע מהתקפת מימן, בהתאם לטמפרטורת ההפעלה וללחץ החלקי של המימן. פלדות אל חלד אוסטניטיות אינן רגישות ל-HTHA והן חומרים משביעי רצון בכל הטמפרטורות והלחצים.
פלדת אל-חלד אוסטניטית 316/316L היא החומר הפרקטי ביותר עבור יישומי מימן ויש לה רקורד מוכח. בעוד שטיפול בחום לאחר ריתוך (PWHT) מומלץ עבור פלדות פחמן כדי לסנן מימן שיורי במהלך הריתוך ולהפחית את קשיות האזור המושפע מחום (HAZ) לאחר הריתוך, הוא אינו נדרש עבור פלדות אל-חלד אוסטניטיות.
להשפעות תרמו-תרמיות הנגרמות מטיפול בחום וריתוך יש השפעה מועטה על התכונות המכניות של פלדות אל-חלד אוסטניטיות. עם זאת, עיבוד קר יכול לשפר את התכונות המכניות של פלדות אל-חלד אוסטניטיות, כגון חוזק וקשיחות. בעת כיפוף ועיצוב צינורות מפלדת אל-חלד אוסטניטית, התכונות המכניות שלהם משתנות, כולל ירידה בפלסטיות של החומר.
אם פלדת אל-חלד אוסטניטית דורשת עיצוב קר, חישול בתמיסה (חימום לכ-1045 מעלות צלזיוס ולאחר מכן קירור מהיר) ישיב את התכונות המכניות של החומר לערכים המקוריים שלהן. זה גם יבטל את הפרדת הסגסוגת, הרגישות ושלב הסיגמא המושגים לאחר עיבוד קר. בעת ביצוע חישול בתמיסה, יש להיות מודעים לכך שקירור מהיר יכול להחזיר לחומר מאמץ שיורי אם לא מטופל כראוי.
עיין בטבלאות GR-2.1.1-1 מפרט חומרי צנרת ומכלולי אבובים ו-GR-2.1.1-2 מפרט חומרי צנרת ב-ASME B31 לקבלת בחירות חומרים מקובלות עבור שירות H2. צינורות הם מקום טוב להתחיל.
עם משקל אטומי סטנדרטי של 1.008 יחידות מסה אטומית (amu), מימן הוא היסוד הקל והקטן ביותר בטבלה המחזורית, ולכן יש לו נטייה גבוהה לדליפה, עם השלכות הרסניות שעלולות להתרחש, אני חייב להוסיף. לכן, מערכת צינורות הגז חייבת להיות מתוכננת באופן שיגביל חיבורים מסוג מכני ותשפר את החיבורים שבאמת נחוצים.
בעת הגבלת נקודות דליפה פוטנציאליות, יש לרתך את המערכת במלואה, למעט חיבורים עם אוגנים על ציוד, רכיבי צנרת ואביזרים. יש להימנע מחיבורי הברגה ככל האפשר, אם לא לחלוטין. אם לא ניתן להימנע מחיבורי הברגה מכל סיבה שהיא, מומלץ לרתך אותם במלואם ללא חומר איטום להברגה ולאחר מכן לאטום את הריתוך. בעת שימוש בצינור פלדת פחמן, יש לרתך את חיבורי הצינור בעזרת ריתוך קת ולקבל טיפול בחום לאחר הריתוך (PWHT). לאחר הריתוך, צינורות באזור המושפע מחום (HAZ) חשופים להתקפת מימן גם בטמפרטורת הסביבה. בעוד שהתקפת מימן מתרחשת בעיקר בטמפרטורות גבוהות, שלב ה-PWHT יפחית לחלוטין, אם לא יבטל, אפשרות זו גם בתנאי סביבה.
נקודת התורפה של המערכת המרותכת כולה היא חיבור האוגן. כדי להבטיח רמת אטימות גבוהה בחיבורי האוגן, יש להשתמש באטמי Kammprofile (איור 4) או בסוג אחר של אטמים. רפידה זו, המיוצרת כמעט באותו אופן על ידי מספר יצרנים, היא סלחנית מאוד. היא מורכבת מטבעות מתכת משוננות המותקנות בין חומרי איטום רכים וניתנים לעיוות. השיניים מרכזות את עומס הבורג בשטח קטן יותר כדי לספק התאמה הדוקה עם פחות מאמץ. היא מתוכננת בצורה כזו שהיא יכולה לפצות על משטחי אוגן לא אחידים כמו גם על תנאי הפעלה משתנים.
איור 4. לאטמי Kammprofile יש ליבת מתכת המודבקת משני הצדדים בחומר מילוי רך.
גורם חשוב נוסף בשלמות המערכת הוא השסתום. דליפות סביב אטם הגזע ואוגני הגוף הן בעיה של ממש. כדי למנוע זאת, מומלץ לבחור שסתום עם אטם מפוח.
השתמשו בצינור פלדת פחמן School 80 בקוטר 1 אינץ'. בדוגמה שלנו למטה, בהינתן סבילות ייצור, קורוזיה וסבילות מכניות בהתאם ל- ASTM A106 Gr B, ניתן לחשב את לחץ העבודה המרבי המותר (MAWP) בשני שלבים בטמפרטורות של עד 300°F (הערה: הסיבה ל"...לטמפרטורות של עד 300ºF..." היא שהמאמץ המותר (S) של חומר ASTM A106 Gr B מתחיל להתדרדר כאשר הטמפרטורה עולה על 300ºF (S), ולכן משוואה (1) דורשת התאמה לטמפרטורות מעל 300ºF.)
בהתייחס לנוסחה (1), הצעד הראשון הוא לחשב את לחץ ההתפרצות התאורטי של הצינור.
T = עובי דופן הצינור פחות סבילות מכניות, קורוזיה וייצור, באינצ'ים.
החלק השני של התהליך הוא חישוב לחץ העבודה המרבי המותר Pa של הצינור על ידי החלת מקדם הבטיחות S f על התוצאה P בהתאם למשוואה (2):
לכן, בעת שימוש בחומר 1 אינץ' school 80, לחץ ההתפרצות מחושב באופן הבא:
לאחר מכן מיושם Sf בטיחותי של 4 בהתאם להמלצות ASME לכלי לחץ סעיף VIII-1 2019, פסקה 8. UG-101 מחושב באופן הבא:
ערך ה-MAWP המתקבל הוא 810 psi. אינץ' מתייחס לצינור בלבד. חיבור האוגן או הרכיב בעל הדירוג הנמוך ביותר במערכת יהיו הגורם הקובע בקביעת הלחץ המותר במערכת.
לפי תקן ASME B16.5, לחץ העבודה המרבי המותר עבור אביזרי אוגן מפלדת פחמן 150 הוא 285 psi. אינץ' בטמפרטורות של -20°F עד 100°F. לדרגה 300 לחץ עבודה מרבי מותר של 740 psi. זהו גורם מגבלת הלחץ של המערכת בהתאם לדוגמה של מפרט החומר להלן. כמו כן, רק בבדיקות הידרוסטטיות, ערכים אלה יכולים לעלות על פי 1.5.
כדוגמה למפרט חומר בסיסי של פלדת פחמן, מפרט קו שירות גז H2 הפועל בטמפרטורת סביבה מתחת ללחץ תכנוני של 740 psi. אינץ', עשוי להכיל את דרישות החומר המוצגות בטבלה 2. להלן הסוגים שעשויים לדרוש תשומת לב כדי להיכלל במפרט:
מלבד הצנרת עצמה, ישנם אלמנטים רבים המרכיבים את מערכת הצנרת כגון אביזרים, שסתומים, ציוד קו וכו'. בעוד שרבים מהאלמנטים הללו יאוחדו יחד בצנרת כדי לדון בהם בפירוט, הדבר ידרוש עמודים רבים יותר ממה שניתן להכיל. מאמר זה.