Dësen Iwwerbléck gëtt Empfehlungen fir de sécheren Design vu Leitungssystemer fir d'Waasserstoffverdeelung.
Waasserstoff ass eng héichflüchteg Flëssegkeet mat enger héijer Tendenz zum Lecken. Et ass eng ganz geféierlech a déidlech Kombinatioun vun Tendenzen, eng flüchteg Flëssegkeet, déi schwéier ze kontrolléieren ass. Dëst sinn Trends, déi berécksiichtegt solle ginn, wann een Materialien, Dichtungen an Dichtungen auswielt, souwéi d'Designcharakteristike vun esou Systemer. Dës Themen iwwer d'Verdeelung vu gasfërmegem H2 stinn am Mëttelpunkt vun dëser Diskussioun, net d'Produktioun vun H2, flëssegem H2 oder flëssegem H2 (kuckt déi riets Säitebar).
Hei sinn e puer Schlësselpunkten, déi Iech hëllefen, d'Mëschung aus Waasserstoff an H2-Loft ze verstoen. Waasserstoff verbrennt op zwou Weeër: Deflagratioun an Explosioun.
Deflagratioun. Deflagratioun ass eng üblech Verbrennungsmethod, bei där Flamen duerch d'Mëschung mat subschallgeschwindegkeete beweegen. Dëst geschitt zum Beispill, wann eng fräi Wollek aus Waasserstoff-Loft-Mëschung vun enger klenger Zündquell entzündet gëtt. An dësem Fall beweegt sech d'Flam mat enger Geschwindegkeet vun zéng bis e puer honnert Fouss pro Sekonn. Déi séier Expansioun vum waarme Gas erstellt Drockwellen, deenen hir Stäerkt proportional zu der Gréisst vun der Wollek ass. A verschiddene Fäll kann d'Kraaft vun der Schockwell genuch sinn, fir Gebaierstrukturen an aner Objeten op hirem Wee ze beschiedegen a Verletzungen ze verursaachen.
explodéieren. Wéi et explodéiert ass, hunn sech Flamen a Schockwellen mat iwwerschallgeschwindegkeete duerch d'Mëschung beweegt. Den Drockverhältnis an enger Detonatiounswell ass vill méi grouss wéi bei enger Detonatioun. Wéinst der erhéichter Kraaft ass d'Explosioun méi geféierlech fir Mënschen, Gebaier an Objeten an der Géigend. Normal Deflagratioun verursaacht eng Explosioun, wann se an engem zouene Raum entzündegt gëtt. An esou engem enke Beräich kann d'Entzündung mat der geréngster Energiequantitéit ausgeléist ginn. Awer fir d'Detonatioun vun engem Waasserstoff-Loft-Mëschung an engem onlimitéierte Raum ass eng méi staark Zündquell erfuerderlech.
Den Drockverhältnis iwwer d'Detonatiounswell an engem Waasserstoff-Loft-Mëschung ass ongeféier 20. Bei Atmosphärendrock ass e Verhältnis vun 20 300 psi. Wann dës Drockwell mat engem stationären Objet kollidéiert, klëmmt den Drockverhältnis op 40-60. Dëst ass wéinst der Reflexioun vun enger Drockwell vun engem stationären Hindernis.
Tendenz zum Lecken. Wéinst senger gerénger Viskositéit a sengem niddrege Molekulargewiicht huet H2-Gas eng héich Tendenz ze lecken an och verschidde Materialien ze permeéieren oder ze penetréieren.
Waasserstoff ass 8 Mol méi liicht wéi Äerdgas, 14 Mol méi liicht wéi Loft, 22 Mol méi liicht wéi Propan a 57 Mol méi liicht wéi Benzindamp. Dëst bedeit, datt wann et dobausse installéiert ass, den H2-Gas séier eropgeet a sech opléist, wouduerch all Zeeche vu Lecke reduzéiert ginn. Awer et kann e zweeschneidegt Schwäert sinn. Eng Explosioun kann optrieden, wann op enger Outdoor-Installatioun iwwer oder hannert engem H2-Leck geschweesst gëtt, ouni datt eng Leckdetektiounsstudie virum Schweessen duerchgefouert gëtt. An engem zouene Raum kann den H2-Gas eropgoen an sech vun der Plafong no ënnen sammelen, eng Konditioun, déi et erlaabt, grouss Volumen opzebauen, ier et méi wahrscheinlech a Kontakt mat Zündquellen no beim Buedem kënnt.
Accidentell Feier. Selbstentzündung ass e Phänomen, bei deem eng Mëschung aus Gasen oder Dämp spontan ouni extern Zündquell entzündt. Et ass och bekannt als "spontan Verbrennung" oder "spontan Verbrennung". Selbstentzündung hänkt vun der Temperatur of, net vun der Drock.
D'Selbstentzündungstemperatur ass déi minimal Temperatur, bei där e Brennstoff spontan virum Zünden entzündet, wann et keng extern Zündquell gëtt, wann et a Kontakt mat Loft oder engem Oxidatiounsmëttel kënnt. D'Selbstentzündungstemperatur vun engem eenzele Pulver ass déi Temperatur, bei där et spontan entzündet, wann et keng Oxidatiounsmëttel gëtt. D'Selbstentzündungstemperatur vu gasfërmegem H2 an der Loft ass 585°C.
D'Zündenergie ass d'Energie, déi néideg ass, fir d'Ausbreedung vun enger Flam duerch e brennbart Gemësch ze initiéieren. Déi minimal Zündenergie ass déi minimal Energie, déi néideg ass, fir e bestëmmte brennbart Gemësch bei enger bestëmmter Temperatur an Drock ze zünden. Déi minimal Funkenzündenergie fir gasfërmegt H2 an 1 atm Loft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Explosiounsgrenzen sinn déi maximal a minimal Konzentratioune vu Dämp, Niwwel oder Stëbs an der Loft oder Sauerstoff, bei deenen eng Explosioun stattfënnt. D'Gréisst an d'Geometrie vun der Ëmwelt, souwéi d'Konzentratioun vum Brennstoff, bestëmmen d'Grenze. "Explosiounsgrenz" gëtt heiansdo als Synonym fir "Explosiounsgrenz" benotzt.
D'Explosiounsgrenze fir H2-Mëschungen an der Loft sinn 18,3 Vol.-% (ënnescht Grenz) an 59 Vol.-% (iewescht Grenz).
Beim Design vu Leitungssystemer (Figur 1) ass den éischte Schrëtt d'Bestimmung vun de Baumaterialien, déi fir all Zort vu Flëssegkeet gebraucht ginn. An all Flëssegkeet gëtt no dem ASME B31.3 Paragraf klasséiert. 300(b)(1) seet: "De Proprietär ass och verantwortlech fir d'Bestimmung vun de Klassen D, M, Héichdrock- a Rengheetleitungen, an d'Bestimmung, ob e bestëmmte Qualitéitssystem soll benotzt ginn."
D'Kategoriséierung vu Flëssegkeeten definéiert de Grad vun den Tester an d'Aart vun den Tester, déi erfuerderlech sinn, souwéi vill aner Ufuerderungen op Basis vun der Flëssegkeetskategorie. D'Verantwortung vum Besëtzer dofir läit normalerweis bei der Ingenieursofdeelung vum Besëtzer oder engem externen Ingenieur.
Obwuel de B31.3 Prozessleitungscode dem Besëtzer net seet, wéi e Material fir eng bestëmmt Flëssegkeet benotzt soll ginn, gëtt en awer Richtlinnen zu Stäerkt, Déckt a Materialverbindungsufuerderungen. Et ginn och zwou Aussoen an der Aféierung vum Code, déi kloer soen:
An erweidert den éischte Paragraf uewen, Paragraf B31.3. 300(b)(1) seet och: „De Besëtzer vun enger Pipeline-Anlag ass eleng verantwortlech fir d'Konformitéit mat dësem Code a fir d'Festleeë vun den Design-, Bau-, Inspektiouns-, Inspektiouns- an Testufuerderungen, déi all Flëssegkeetsbehandlung oder Prozesser regelen, vun deenen d'Pipeline en Deel ass. Installatioun.“ Also, nodeems mir e puer Grondregelen fir d'Haftung an d'Ufuerderunge fir d'Definitioun vu Flëssegkeetsservicekategorien festgeluecht hunn, kucke mer elo wou Waasserstoffgas an d'Spill kënnt.
Well Waasserstoffgas als flüchteg Flëssegkeet mat Lecke wierkt, kann Waasserstoffgas als normal Flëssegkeet oder als Klass M Flëssegkeet ënner der Kategorie B31.3 fir Flëssegkeetsbetrieb ugesi ginn. Wéi uewe scho gesot, ass d'Klassifikatioun vum Flëssegkeetsbetrieb eng Ufuerderung vum Besëtzer, virausgesat datt se d'Richtlinne fir déi ausgewielte Kategorien erfëllt, déi am B31.3, Paragraf 3, beschriwwe sinn. 300.2 Definitiounen an der Sektioun "Hydraulikbetrieb". Folgend sinn Definitioune fir normal Flëssegkeetsbetrieb a Klass M Flëssegkeetsbetrieb:
„Normalen Flëssegkeetsservice: Flëssegkeetsservice, deen op déi meescht Päifleitungen uwendbar ass, déi dësem Code ënnerleien, d.h. net de Reglementer fir d'Klassen D, M, Héichtemperatur, Héichdrock oder héich Flëssegkeetsreinheet.“
(1) D'Gëftegkeet vun der Flëssegkeet ass sou grouss, datt eng eenzeg Belaaschtung mat enger ganz klenger Quantitéit vun der Flëssegkeet, déi duerch e Leck verursaacht gëtt, eescht permanent Verletzunge bei deenen verursaache kann, déi se inhaléieren oder domat a Kontakt kommen, och wann direkt Sanéierungsmoossname getraff ginn.
(2) Nodeems de Proprietär den Design vun der Pipeline, d'Erfahrung, d'Betribsbedingungen an d'Lag berécksiichtegt huet, stellt hien fest, datt d'Ufuerderunge fir den normale Gebrauch vun der Flëssegkeet net ausreechend sinn, fir déi néideg Dichtheet ze garantéieren, fir d'Personal virun der Belaaschtung ze schützen.
An der uewe genannter Definitioun vun M erfëllt Waasserstoffgas net d'Kriterien vum Paragraf (1), well et net als gëfteg Flëssegkeet ugesi gëtt. Wéi och ëmmer, andeems den Ënnerparagraf (2) ugewannt gëtt, erlaabt de Code d'Klassifikatioun vun hydraulesche Systemer an der Klass M no enger entspriechender Berécksiichtegung vun "...Päifdesign, Erfahrung, Betribsbedingungen a Standuert...". De Proprietär erlaabt d'Bestimmung vum normale Flëssegkeetsbehandlung. D'Ufuerderunge sinn net genuch fir de Besoin un engem méi héijen Niveau vun Integritéit beim Design, der Konstruktioun, der Inspektioun, der Inspektioun an dem Testen vu Waasserstoffgasleitungssystemer ze decken.
Kuckt w.e.g. Tabelle 1 ier Dir iwwer Héichtemperaturwasserstoffkorrosioun (HTHA) schwätzt. Coden, Normen a Reglementer sinn an dëser Tabelle opgezielt, déi sechs Dokumenter zum Thema Waasserstoffversprëdegung (HE) enthält, eng heefeg Korrosiounsanomalie, zu där HTHA gehéiert. OH kann bei niddregen an héijen Temperaturen optrieden. Als Form vu Korrosioun betruecht, kann se op verschidde Weeër ausgeléist ginn an och eng breet Palette vu Materialien beaflossen.
HE huet verschidde Formen, déi sech a Waasserstoffrëss (HAC), Waasserstoffspannungsrëss (HSC), Spannungskorrosiounsrëss (SCC), Waasserstoffkorrosiounsrëss (HACC), Waasserstoffblasen (HB), Waasserstoffrëss (HIC), stressorientéiert Waasserstoffrëss (SOHIC), progressiv Rëss (SWC), Sulfidspannungsrëss (SSC), Weichzonenrëss (SZC) an Héichtemperaturwaasserstoffkorrosioun (HTHA) ënnerdeele kënnen.
An senger einfachster Form ass Waasserstoffversprëdegung e Mechanismus fir d'Zerstéierung vu Metallkäregrenzen, wat zu enger reduzéierter Duktilitéit féiert wéinst der Penetratioun vun atomarer Waasserstoff. D'Aart a Weis, wéi dëst geschitt, si variéiert a ginn deelweis duerch hir jeeweileg Nimm definéiert, wéi zum Beispill HTHA, wou gläichzäiteg Waasserstoff bei héijer Temperatur an héijem Drock fir d'Versprëdegung gebraucht gëtt, an SSC, wou atomarer Waasserstoff als zougemaach Gaser a Waasserstoff produzéiert gëtt. Wéinst Säurekorrosioun sickeren se an d'Metallgehäuse an, wat zu Bréchegkeet féiere kann. Awer d'Gesamtresultat ass datselwecht wéi fir all uewe beschriwwe Fäll vu Waasserstoffversprëdegung, wou d'Festigkeit vum Metall duerch d'Versprëdegung ënner säin zulässege Spannungsberäich reduzéiert gëtt, wat dann d'Bühn fir e potenziell katastrophalen Evenement virbereet, well d'Flëssegkeet vun der Flëssegkeet grouss ass.
Nieft der Wanddicke an der mechanescher Leeschtung vun de Verbindungen ginn et zwou Haaptfaktoren, déi berécksiichtegt solle ginn, wann een Material fir H2-Gas-Servicer auswielt: 1. Belaaschtung duerch héichtemperaturéiert Waasserstoff (HTHA) an 2. Eescht Bedenken iwwer potenziell Leckage. Béid Themen ginn de Moment diskutéiert.
Am Géigesaz zu molekulare Waasserstoff kann atomare Waasserstoff sech ausdehnen, wouduerch de Waasserstoff héijen Temperaturen an Drock ausgesat gëtt, wat d'Basis fir potenziell HTHA schaaft. Ënner dëse Konditioune kann atomare Waasserstoff sech a Kuelestol-Päifmaterialien oder Ausrüstung diffundéieren, wou e mat Kuelestoff a metallescher Léisung reagéiert fir Methangas op de Kärengrenzen ze bilden. Well de Gas net entkomme kann, dehnt et sech aus a verursaacht Rëss a Spalten an de Wänn vu Päifen oder Behälter – dat ass HTGA. Dir kënnt d'HTHA-Resultater kloer an der Figur 2 gesinn, wou Rëss a Spalten an der 8-Zoll-Wand evident sinn. Den Deel vun der nominaler Gréisst (NPS) Päif, deen ënner dëse Konditioune futti geet.
Kuelestol kann fir Waasserstoff benotzt ginn, wann d'Betribstemperatur ënner 500°F gehale gëtt. Wéi uewe scho gesot, trëtt HTHA op, wann Waasserstoffgas bei héijem Partialdrock an héijer Temperatur gehale gëtt. Kuelestol gëtt net recommandéiert, wann de Partialdrock vum Waasserstoff ongeféier 3000 psi an d'Temperatur iwwer ongeféier 450°F läit (wat den Accidentzoustand an der Figur 2 ass).
Wéi um modifizéierten Nelson-Diagramm an der Figur 3 ze gesinn ass, deen deelweis aus dem API 941 staamt, huet eng héich Temperatur den gréissten Afloss op d'Waasserstoffzwingung. De Partialdrock vum Waasserstoffgas kann 1000 psi iwwerschreiden, wann e mat Kuelestol benotzt gëtt, déi bei Temperaturen bis zu 500°F funktionéieren.
Figur 3. Dës modifizéiert Nelson-Diagramm (adaptéiert vun API 941) kann benotzt ginn, fir gëeegent Materialien fir de Waasserstoffverbrauch bei verschiddenen Temperaturen auszewielen.
Op der Fig. 3 ass d'Auswiel vu Stähle gewisen, déi garantéiert Waasserstoffattacke vermeiden, ofhängeg vun der Betribstemperatur an dem Partialdrock vum Waasserstoff. Austenitesch Edelstahl si net empfindlech op HTHA a si bei all Temperaturen an Drock zefriddestellend Materialien.
Austenitesche 316/316L Edelstol ass dat prakteschst Material fir Waasserstoffapplikatiounen a kann sech bewisen. Wärend eng Wärmebehandlung nom Schweessen (PWHT) fir Kuelestol recommandéiert ass, fir de Reschtwaasserstoff beim Schweessen ze kalzinéieren an d'Häert vun der Hëtztbeaflosster Zon (HAZ) nom Schweessen ze reduzéieren, ass se fir austenitesche Edelstol net erfuerderlech.
Thermothermesch Effekter, déi duerch Hëtztbehandlung a Schweess verursaacht ginn, hunn wéineg Afloss op déi mechanesch Eegeschafte vun austenitesche Stol. Wéi och ëmmer, kann d'Kaltbearbechtung déi mechanesch Eegeschafte vun austenitesche Stol verbesseren, wéi z. B. d'Festigkeit an d'Häert. Beim Béien a Formen vu Päifen aus austenitesche Stol änneren sech hir mechanesch Eegeschaften, dorënner d'Ofsenkung vun der Plastizitéit vum Material.
Wann austenitescht Edelstol kalformt muss ginn, bréngt d'Léisungsglühung (Erhëtzen op ongeféier 1045 °C, gefollegt vun engem Ofkillen oder enger schneller Ofkillung) déi mechanesch Eegeschafte vum Material op hir ursprénglech Wäerter zréck. Et eliminéiert och d'Legierungssegregatioun, d'Sensibiliséierung an d'Sigmaphase, déi no der Kaltveraarbechtung erreecht ginn. Beim Léisungsglühung sollt een sech bewosst sinn, datt eng schnell Ofkillung Reschtspannungen am Material zréckbrénge kann, wann et net richteg behandelt gëtt.
Kuckt d'Tabellen GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index an GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index an ASME B31 fir akzeptabel Materialauswiel fir H2-Service. Päifen sinn e gudde Startpunkt.
Mat engem Standardatomgewiicht vun 1,008 Atommasseenheeten (amu) ass Waasserstoff dat liichtst an klengst Element am Periodesystem a dofir huet et eng héich Leckresistenz, mat potenziell zerstéierende Konsequenzen, géif ech derbäisetzen. Dofir muss de Gasleitungssystem sou entworf ginn, datt mechanesch Verbindungen limitéiert sinn an déi Verbindungen, déi wierklech gebraucht ginn, verbessert ginn.
Bei der Begrenzung vu potenziellen Leckpunkten soll de System komplett geschweesst ginn, ausser bei Flanschverbindungen op Ausrüstung, Päifelementer an Armaturen. Gewënnverbindunge solle sou wäit wéi méiglech, wann net komplett, vermeit ginn. Wann Gewënnverbindunge aus iergendengem Grond net vermeit kënne ginn, ass et recommandéiert, se ouni Gewënndichtung komplett anzespäeren an dann d'Schweißnaht ofzedichten. Beim Verwenden vu Kuelestolrohren mussen d'Rohrverbindunge stompgeschweesst an no der Schweess hëtzebehandelt (PWHT) ginn. Nom Schweessen sinn d'Rohren an der hëtzebeaflosster Zon (HAZ) souguer bei Raumtemperatur engem Waasserstoffattack ausgesat. Wärend de Waasserstoffattack haaptsächlech bei héijen Temperaturen geschitt, reduzéiert d'PWHT-Stuf dës Méiglechkeet komplett, wann net souguer ënner Raumbedingungen.
De Schwachpunkt vum vollgeschweesste System ass d'Flanschverbindung. Fir eng héich Dichtheet bei de Flanschverbindungen ze garantéieren, sollten Kammprofile-Dichtungen (Fig. 4) oder eng aner Form vun Dichtungen benotzt ginn. Dëse Dichtungspolster, dee vu verschiddene Produzenten op bal déiselwecht Aart a Weis hiergestallt gëtt, ass ganz verzeihend. E besteet aus gezähnten Ganzmetallréng, déi tëscht mëllen, deforméierbare Dichtungsmaterialien ageklemmt sinn. D'Zänn konzentréieren d'Laascht vum Bolzen op eng méi kleng Fläch, fir eng fest Passung mat manner Belaaschtung ze garantéieren. E ass sou konzipéiert, datt e souwuel ongläich Flanschflächen wéi och schwankend Betribsbedingungen ausgläiche kann.
Figur 4. Kammprofile-Dichtungen hunn e Metallkär, deen op béide Säite mat engem mëllen Fëllstoff gebonnen ass.
En anere wichtege Faktor fir d'Integritéit vum System ass de Ventil. Lecke ronderëm d'Dichtung vum Ventilstamm an d'Flanschkierper sinn e richtegt Problem. Fir dëst ze vermeiden, ass et recommandéiert e Ventil mat enger Balgdichtung ze wielen.
Benotzt 1 Zoll. School 80 Kuelestolrohr, an eisem Beispill hei ënnendrënner, kann, ënner Berécksiichtegung vun den Herstellungstoleranzen, Korrosiouns- a mechaneschen Toleranzen am Aklang mat ASTM A106 Gr B, den maximal zulässege Betriebsdrock (MAWP) a zwou Schrëtt bei Temperaturen bis zu 300°F berechent ginn (Bemierkung: De Grond fir "...fir Temperaturen bis zu 300ºF..." ass well déi zulässeg Spannung (S) vum ASTM A106 Gr B Material ufänkt sech ze verschlechteren wann d'Temperatur iwwer 300ºF (S) geet, dofir verlaangt d'Equatioun (1) eng Upassung un Temperaturen iwwer 300ºF.)
Mat Bezuch op d'Formel (1), ass den éischte Schrëtt d'Berechnung vum theoretesche Barstdrock vun der Pipeline.
T = Päifwanddicke minus mechanesch, Korrosiouns- a Fabrikatiounstoleranzen, an Zoll.
Den zweeten Deel vum Prozess ass d'Berechnung vum maximal zulässege Betriebsdrock Pa vun der Pipeline andeems de Sécherheetsfaktor S f op d'Resultat P no der Equatioun (2) ugewannt gëtt:
Dofir gëtt de Sprengdrock beim Gebrauch vun 1″ School 80 Material wéi follegt berechent:
E Sécherheets-Sf vu 4 gëtt dann am Aklang mat den ASME Pressure Vessel Empfehlungen Sektioun VIII-1 2019, Paragraf 8, ugewannt. UG-101 gëtt wéi follegt berechent:
De resultéierende MAWP-Wäert ass 810 psi. Zoll bezitt sech nëmmen op d'Päif. D'Flanschverbindung oder d'Komponent mat der niddregster Bewäertung am System ass den entscheedende Faktor fir den zulässege Drock am System ze bestëmmen.
Laut ASME B16.5 ass den maximal zulässege Betriebsdrock fir 150 Kuelestol-Flangenfittings 285 psi. Zoll bei -20°F bis 100°F. Klass 300 huet en maximal zulässege Betriebsdrock vun 740 psi. Dëst ass den Drocklimitfaktor vum System laut dem Materialspezifikatiounsbeispill hei ënnendrënner. Ausserdeem kënnen dës Wäerter nëmmen an hydrostateschen Tester 1,5 Mol méi héich sinn.
Als Beispill vun enger Basisspezifikatioun fir Kuelestolmaterial kann eng Spezifikatioun fir H2-Gasleitung, déi bei enger Ëmgéigungstemperatur ënner engem Designdrock vu 740 psi. Zoll funktionéiert, d'Materialufuerderungen enthalen, déi an der Tabell 2 gewisen sinn. Folgend sinn Typen, déi eventuell Opmierksamkeet erfuerderen, fir an der Spezifikatioun abegraff ze ginn:
Nieft de Päifleitungen selwer ginn et vill Elementer, déi de Päifleitungssystem ausmaachen, wéi z. B. Armaturen, Ventiler, Leitungsausrüstung, etc. Vill vun dësen Elementer ginn zwar an enger Pipeline zesummegesat, fir se am Detail ze diskutéieren, awer dat erfuerdert méi Säiten, wéi drop kënne stoen. Dësen Artikel.