이 개요에서는 수소 분배를 위한 배관 시스템의 안전한 설계에 대한 권장 사항을 제공합니다.
수소는 누출 경향이 높은 매우 휘발성이 높은 액체입니다. 매우 위험하고 치명적인 경향의 조합이며, 제어하기 어려운 휘발성 액체입니다. 이러한 경향은 재료, 개스킷, 씰을 선택할 때 고려해야 할 사항이며, 이러한 시스템의 설계 특성도 고려해야 합니다. 본 논의의 초점은 기체 H2의 분포에 관한 것이며, H2의 생성, 액체 H2 또는 액체 H2의 생성(오른쪽 사이드바 참조)이 아닙니다.
수소와 H₂-공기의 혼합물을 이해하는 데 도움이 되는 몇 가지 핵심 사항을 소개합니다. 수소는 폭연과 폭발, 두 가지 방식으로 연소됩니다.
폭연. 폭연은 화염이 아음속으로 혼합기체를 통과하는 일반적인 연소 방식입니다. 예를 들어, 수소-공기 혼합물의 자유 구름이 작은 점화원에 의해 점화될 때 발생합니다. 이 경우 화염은 초당 10~수백 피트의 속도로 이동합니다. 고온 가스의 빠른 팽창은 압력파를 생성하며, 그 강도는 구름의 크기에 비례합니다. 경우에 따라 충격파의 힘은 건물 구조물 및 경로상의 다른 물체를 손상시키고 부상을 입힐 만큼 강력할 수 있습니다.
폭발합니다. 폭발 시, 화염과 충격파가 혼합물 속을 초음속으로 이동했습니다. 폭발파의 압력비는 폭발보다 훨씬 큽니다. 증가된 힘으로 인해 폭발은 사람, 건물, 그리고 주변 물체에 더 큰 위험을 초래합니다. 일반적인 폭연은 밀폐된 공간에서 발화될 때 폭발을 일으킵니다. 이처럼 좁은 공간에서는 최소한의 에너지로도 발화가 ​​가능합니다. 그러나 무한한 공간에서 수소-공기 혼합물의 폭발에는 더 강력한 발화원이 필요합니다.
수소-공기 혼합물에서 폭발파의 압력비는 약 20입니다. 대기압에서 20은 300psi입니다. 이 압력파가 정지한 물체와 충돌하면 압력비는 40~60으로 증가합니다. 이는 정지한 장애물에서 압력파가 반사되기 때문입니다.
누출 경향. H2 가스는 점도와 분자량이 낮기 때문에 누출될 가능성이 높고, 심지어 다양한 물질에 침투하거나 침투할 가능성도 높습니다.
수소는 천연가스보다 8배, 공기보다 14배, 프로판보다 22배, 가솔린 증기보다 57배 가볍습니다. 즉, 옥외에 설치하면 H2 가스가 빠르게 상승하여 소멸되어 누출의 징후조차 최소화됩니다. 하지만 이는 양날의 검이 될 수 있습니다. H2 누출 지점 위나 바람 하류에 있는 옥외 설비에서 용접 작업 전 누출 탐지 검사를 하지 않고 용접을 수행하면 폭발이 발생할 수 있습니다. 밀폐된 공간에서는 H2 가스가 천장에서 아래로 상승하여 축적될 수 있으며, 이로 인해 지면 근처의 발화원과 접촉하기 전에 많은 양의 H2 가스가 축적될 수 있습니다.
우발화. 자기발화는 외부 점화원 없이 기체 또는 증기 혼합물이 자연적으로 발화하는 현상입니다. "자연 연소" 또는 "자연 연소"라고도 합니다. 자기발화는 압력이 아닌 온도에 따라 결정됩니다.
자연발화 온도는 연료가 외부 점화원 없이 공기 또는 산화제와 접촉할 때 점화 전에 자연 발화하는 최소 온도입니다. 단일 분말의 자연발화 온도는 산화제가 없을 때 자연 발화하는 온도입니다. 공기 중 기체 수소(H₂)의 자연 발화 온도는 585°C입니다.
점화 에너지는 가연성 혼합물 내에서 화염 전파를 시작하는 데 필요한 에너지입니다. 최소 점화 에너지는 특정 온도와 압력에서 특정 가연성 혼합물을 점화하는 데 필요한 최소 에너지입니다. 1기압 공기 중 기체 수소(H2)의 최소 점화 에너지는 1.9 × 10–8 BTU(0.02 mJ)입니다.
폭발 한계는 폭발이 발생하는 공기 또는 산소 중 증기, 미스트 또는 분진의 최대 및 최소 농도입니다. 환경의 크기와 기하학적 구조, 그리고 연료의 농도가 한계를 결정합니다. "폭발 한계"는 때때로 "폭발 한계"와 동의어로 사용됩니다.
공기 중 H2 혼합물의 폭발 한계는 18.3 vol.%(하한) 및 59 vol.%(상한)입니다.
배관 시스템(그림 1)을 설계할 때 첫 번째 단계는 각 유체 유형에 필요한 건축 자재를 결정하는 것입니다. 각 유체는 ASME B31.3항에 따라 분류됩니다. 300(b)(1)에 따르면, "소유주는 D, M 등급, 고압 및 고순도 배관을 결정하고 특정 품질 시스템을 사용해야 하는지 여부를 결정할 책임이 있습니다."
유체 분류는 필요한 테스트의 정도와 유형을 정의하며, 유체 분류에 따라 여러 가지 요건을 제시합니다. 이에 대한 책임은 일반적으로 소유주의 엔지니어링 부서나 외주 엔지니어에게 있습니다.
B31.3 공정 배관 규정은 소유주에게 특정 유체에 어떤 재료를 사용해야 하는지 명시하지는 않지만, 강도, 두께 및 재료 연결 요건에 대한 지침을 제공합니다. 또한 규정 서문에는 다음과 같은 두 가지 내용이 명확하게 명시되어 있습니다.
위의 첫 번째 문단인 B31.3항을 자세히 살펴보겠습니다. 300(b)(1)은 또한 다음과 같이 명시하고 있습니다. "파이프라인 설비 소유주는 본 규정을 준수하고, 해당 파이프라인이 포함된 모든 유체 취급 또는 공정에 적용되는 설계, 시공, 검사, 검사 및 시험 요건을 수립할 전적인 책임이 있습니다." 따라서 책임에 대한 몇 가지 기본 규칙과 유체 서비스 범주 정의 요건을 정립한 후, 수소 가스가 어디에 해당되는지 살펴보겠습니다.
수소 가스는 누출이 있는 휘발성 액체로 작용하기 때문에, 수소 가스는 액체 서비스 범주 B31.3에 따라 일반 액체 또는 M급 액체로 간주될 수 있습니다. 위에서 언급했듯이, 유체 취급 분류는 B31.3 3항에 명시된 특정 범주에 대한 지침을 충족하는 경우 소유주의 요건입니다. 300.2 "유압 서비스" 섹션의 정의. 다음은 일반 유체 서비스 및 M급 유체 서비스에 대한 정의입니다.
"일반 유체 서비스: 이 코드의 적용을 받는 대부분의 배관에 적용되는 유체 서비스, 즉 D, M 등급, 고온, 고압 또는 고유체 청정도에 대한 규정의 적용을 받지 않습니다.
(1) 유체의 독성은 누출로 인해 극히 소량의 유체에 단 한 번 노출되면 즉각적인 회복 조치를 취하더라도 유체를 흡입하거나 접촉한 사람에게 심각한 영구적 부상을 입힐 수 있을 정도로 큽니다.
(2) 소유자는 파이프라인 설계, 경험, 운영 조건 및 위치를 고려한 후 유체의 정상적인 사용에 대한 요구 사항이 인원을 노출로부터 보호하는 데 필요한 견고성을 제공하기에 충분하지 않다고 판단합니다.
위의 M 정의에서 수소 가스는 독성 액체로 간주되지 않으므로 (1)항의 기준을 충족하지 않습니다. 그러나 (2)항을 적용함으로써, 본 규정은 "...배관 설계, 경험, 작동 조건 및 위치..."를 충분히 고려한 후 유압 시스템을 M 등급으로 분류할 수 있도록 허용합니다. 소유주는 정상적인 유체 취급을 결정할 수 있도록 허용합니다. 이러한 요건은 수소 가스 배관 시스템의 설계, 시공, 검사, 시험 및 시험에서 더 높은 수준의 무결성에 대한 요구를 충족하기에 충분하지 않습니다.
고온 수소 부식(HTHA)에 대해 논의하기 전에 표 1을 참조하십시오. 이 표에는 관련 법규, 표준 및 규정이 나열되어 있으며, HTHA를 포함하는 일반적인 부식 이상 현상인 수소 취성(HE)에 대한 6개의 문서가 포함되어 있습니다. OH는 저온 및 고온에서 발생할 수 있습니다. 부식의 한 형태로 간주되며, 여러 가지 방식으로 시작될 수 있으며 광범위한 재료에 영향을 미칩니다.
HE에는 다양한 형태가 있으며, 수소 균열(HAC), 수소 응력 균열(HSC), 응력 부식 균열(SCC), 수소 부식 균열(HACC), 수소 버블링(HB), 수소 균열(HIC)으로 나눌 수 있습니다. )), 응력 지향 수소 균열(SOHIC), 진행성 균열(SWC), 황화물 응력 균열(SSC), 연질 구역 균열(SZC), 고온 수소 부식(HTHA)입니다.
가장 단순한 형태의 수소 취성은 금속 결정립계를 파괴하는 메커니즘으로, 수소 원자의 침투로 인해 연성이 감소합니다. 이러한 현상이 발생하는 방식은 다양하며, 각각의 명칭으로 부분적으로 정의됩니다. 예를 들어, 고온 고압의 수소가 동시에 필요한 HTHA(수소 취성화)와 수소 원자가 폐쇄 기체로 생성되는 SSC(수소 취성화)가 있습니다. 산성 부식으로 인해 수소가 금속 케이스 내부로 스며들어 취성을 유발할 수 있습니다. 그러나 전체적인 결과는 위에서 설명한 모든 수소 취성 사례와 동일합니다. 즉, 금속의 강도는 허용 응력 범위 미만으로 취화되어 감소하고, 이는 액체의 휘발성을 고려할 때 잠재적으로 치명적인 사고의 원인이 됩니다.
벽 두께와 기계적 접합 성능 외에도 H2 가스 공급용 재료를 선택할 때 고려해야 할 두 가지 주요 요소가 있습니다. 1. 고온 수소(HTHA) 노출, 2. 잠재적 누출에 대한 심각한 우려. 두 가지 주제 모두 현재 논의 중입니다.
분자 수소와 달리, 원자 수소는 팽창하여 고온 고압에 노출될 수 있으며, 이는 잠재적인 고온고압(HTHA)의 원인이 됩니다. 이러한 조건에서 원자 수소는 탄소강 배관 재료 또는 장비로 확산되어 금속 용액 속 탄소와 반응하여 결정립계에서 메탄 가스를 형성합니다. 가스가 빠져나가지 못하면서 팽창하여 배관이나 용기 벽에 균열과 틈을 발생시키는데, 이것이 바로 HTGA입니다. 그림 2에서 8인치 벽면에 균열이 뚜렷하게 보이는 HTHA 결과를 명확하게 확인할 수 있습니다. 이러한 조건에서 파손되는 공칭 크기(NPS) 배관 부분입니다.
탄소강은 작동 온도가 500°F(244°C) 미만으로 유지될 때 수소 서비스에 사용될 수 있습니다. 앞서 언급했듯이, 고온고압(HTHA)은 수소 가스가 높은 분압과 고온으로 유지될 때 발생합니다. 수소 분압이 약 3000psi(3000psi)로 예상되고 온도가 약 450°F(450°F) 이상일 경우(그림 2의 사고 조건) 탄소강은 권장되지 않습니다.
그림 3의 수정된 넬슨 플롯(API 941에서 부분적으로 발췌)에서 볼 수 있듯이, 고온은 수소 강제력에 가장 큰 영향을 미칩니다. 최대 500°F(244°C)의 온도에서 작동하는 탄소강에 수소 가스 분압을 사용할 경우 1000psi를 초과할 수 있습니다.
그림 3. 이 수정된 넬슨 차트(API 941에서 수정)는 다양한 온도에서 수소 서비스에 적합한 재료를 선택하는 데 사용할 수 있습니다.
그림 3은 작동 온도와 수소 분압에 따라 수소 부식을 방지하는 강재의 선택을 보여줍니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 고온 열처리(HTHA)에 민감하지 않으며 모든 온도와 압력에서 만족스러운 재료입니다.
오스테나이트계 316/316L 스테인리스강은 수소 응용 분야에 가장 실용적인 소재이며, 그 성능이 입증되었습니다. 탄소강의 경우 용접 중 잔류 수소를 소성하고 용접 후 열영향부(HAZ) 경도를 낮추기 위해 용접 후 열처리(PWHT)가 권장되지만, 오스테나이트계 스테인리스강에는 필수가 아닙니다.
열처리 및 용접으로 인한 열열 효과는 오스테나이트계 스테인리스 강의 기계적 성질에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 냉간 가공은 강도 및 경도와 같은 오스테나이트계 스테인리스 강의 기계적 성질을 향상시킬 수 있습니다. 오스테나이트계 스테인리스 강의 파이프를 굽힘 가공하거나 성형할 때, 재료의 가소성 감소를 포함한 기계적 성질이 변화합니다.
오스테나이트계 스테인리스강의 냉간 성형이 필요한 경우, 용액 어닐링(약 1045°C로 가열한 후 담금질 또는 급냉)을 통해 재료의 기계적 성질을 원래 상태로 복원할 수 있습니다. 또한 냉간 가공 후 발생하는 합금 편석, 예민화, 시그마상도 제거됩니다. 용액 어닐링을 수행할 때는 적절하게 처리하지 않으면 급냉으로 인해 재료에 잔류 응력이 발생할 수 있으므로 주의해야 합니다.
H2 서비스에 허용되는 재료 선택에 대해서는 ASME B31의 표 GR-2.1.1-1 파이프 및 튜빙 조립 재료 사양 색인과 GR-2.1.1-2 파이프 재료 사양 색인을 참조하세요. 파이프는 시작하기에 좋은 곳입니다.
표준 원자량이 1.008 원자질량단위(amu)인 수소는 주기율표에서 가장 가볍고 작은 원소이기 때문에 누출 가능성이 높고, 이는 잠재적으로 치명적인 결과를 초래할 수 있다고 덧붙이고 싶습니다. 따라서 가스 파이프라인 시스템은 기계적 연결 방식을 제한하고 실제로 필요한 연결 방식을 개선하도록 설계되어야 합니다.
잠재적 누출 지점을 제한하기 위해 장비, 배관 요소 및 부속품의 플랜지 연결부를 제외하고 시스템을 완전히 용접해야 합니다. 나사산 연결부는 완전히는 아니더라도 가능한 한 피해야 합니다. 어떤 이유로든 나사산 연결을 피할 수 없는 경우, 나사산 실란트를 사용하지 않고 완전히 맞물린 후 용접부를 밀봉하는 것이 좋습니다. 탄소강 파이프를 사용하는 경우, 파이프 이음부는 맞대기 용접 후 용접 후 열처리(PWHT)를 해야 합니다. 용접 후 열영향부(HAZ)의 파이프는 상온에서도 수소 부식에 노출됩니다. 수소 부식은 주로 고온에서 발생하지만, PWHT 단계를 거치면 상온 조건에서도 이러한 가능성을 완전히 줄이거나 없앨 수 있습니다.
전체 용접 시스템의 약점은 플랜지 연결부입니다. 플랜지 연결부의 높은 기밀성을 보장하려면 캄프로파일(Kammprofile) 개스킷(그림 4)이나 다른 형태의 개스킷을 사용해야 합니다. 여러 제조업체에서 거의 동일한 방식으로 제작하는 이 패드는 매우 유연합니다. 부드럽고 변형 가능한 씰링 재료 사이에 톱니 모양의 금속 링이 끼워져 있습니다. 톱니는 볼트의 하중을 더 작은 면적에 집중시켜 응력을 줄이면서 단단히 고정합니다. 플랜지 표면의 불균일성과 작동 조건의 변동을 보정할 수 있도록 설계되었습니다.
그림 4. 캄프로파일 개스킷은 양쪽에 부드러운 필러로 결합된 금속 코어를 가지고 있습니다.
시스템 무결성에 중요한 또 다른 요소는 밸브입니다. 스템 씰과 바디 플랜지 주변의 누출은 심각한 문제입니다. 이를 방지하려면 벨로즈 씰이 있는 밸브를 선택하는 것이 좋습니다.
1인치를 사용하십시오. 아래 예시에서처럼, ASTM A106 Gr B에 따른 제조 공차, 부식 및 기계적 공차가 주어졌을 때, 최대 허용 작동 압력(MAWP)은 최대 300°F(섭씨 140도)까지의 온도에서 두 단계로 계산할 수 있습니다. (참고: "...최대 300°F(섭씨 140도)의 온도에서..."라는 표현이 나오는 이유는 ASTM A106 Gr B 재료의 허용 응력(S)이 온도가 300°F(섭씨 140도)를 초과하면 저하되기 시작하므로, 방정식 (1)은 "300°F 이상의 온도로 조정"을 요구하기 때문입니다.)
공식(1)을 참조하면, 첫 번째 단계는 파이프라인의 이론적 파열 압력을 계산하는 것입니다.
T = 파이프 벽 두께에서 기계적, 부식 및 제조 허용 오차를 뺀 값(인치)입니다.
프로세스의 두 번째 부분은 방정식(2)에 따라 결과 P에 안전 계수 S f를 적용하여 파이프라인의 최대 허용 작동 압력 Pa를 계산하는 것입니다.
따라서 1인치 스쿨 80 소재를 사용할 때 파열 압력은 다음과 같이 계산됩니다.
그런 다음 ASME 압력 용기 권장 사항 섹션 VIII-1 2019, 단락 8에 따라 안전 Sf 4가 적용됩니다. UG-101은 다음과 같이 계산됩니다.
결과적인 MAWP 값은 810 psi입니다. 인치는 파이프에만 적용됩니다. 시스템에서 가장 낮은 정격을 가진 플랜지 연결부 또는 부품이 시스템의 허용 압력을 결정하는 결정적인 요소입니다.
ASME B16.5에 따르면, 150 탄소강 플랜지 피팅의 최대 허용 작동 압력은 -20°F ~ 100°F에서 285psi입니다. Class 300의 최대 허용 작동 압력은 740psi입니다. 이는 아래 재료 사양 예시에 따른 시스템의 압력 한계 계수입니다. 또한, 정수압 시험에서만 이 값이 1.5배를 초과할 수 있습니다.
기본 탄소강 재료 사양의 예로, 설계 압력이 740psi/인치 미만인 주변 온도에서 작동하는 H2 가스 서비스 라인 사양에는 표 2에 나와 있는 재료 요구 사항이 포함될 수 있습니다. 다음은 사양에 포함하기 위해 주의가 필요할 수 있는 유형입니다.
배관 자체 외에도 배관 시스템을 구성하는 요소는 피팅, 밸브, 라인 장비 등 다양합니다. 이러한 요소들을 자세히 살펴보기 위해 파이프라인에 통합하여 설명하겠지만, 이 글에서는 더 많은 페이지가 필요할 것입니다.