Šioje apžvalgoje pateikiamos rekomendacijos dėl saugaus vandenilio paskirstymo vamzdynų sistemų projektavimo.
Vandenilis yra labai lakus skystis, turintis didelę tendenciją nutekėti. Tai labai pavojingas ir mirtinas polinkių derinys, lakus skystis, kurį sunku kontroliuoti. Į šias tendencijas reikia atsižvelgti renkantis medžiagas, tarpiklius ir sandariklius, taip pat tokių sistemų projektavimo charakteristikas. Šios temos apie dujinio H2 pasiskirstymą yra šios diskusijos dėmesio centre, o ne H2, skysto H2 ar skysto H2 gamyba (žr. dešinę šoninę juostą).
Štai keli svarbūs punktai, padėsiantys suprasti vandenilio ir H₂-oro mišinį. Vandenilis dega dviem būdais: deflagracija ir sprogimas.
Deflagracija. Deflagracija yra įprastas degimo būdas, kai liepsna mišinyje sklinda ikigarsiniu greičiu. Tai įvyksta, pavyzdžiui, kai laisvą vandenilio ir oro mišinio debesį uždega mažas uždegimo šaltinis. Tokiu atveju liepsna judės nuo dešimties iki kelių šimtų pėdų per sekundę greičiu. Greitas karštų dujų plitimas sukuria slėgio bangas, kurių stiprumas yra proporcingas debesies dydžiui. Kai kuriais atvejais smūginės bangos jėgos gali pakakti, kad būtų pažeistos pastato konstrukcijos ir kiti objektai jos kelyje bei sužaloti žmones.
sprogti. Jam sprogus, liepsnos ir smūginės bangos per mišinį sklido viršgarsiniu greičiu. Detonacijos bangos slėgio santykis yra daug didesnis nei detonacijos metu. Dėl padidėjusios jėgos sprogimas yra pavojingesnis žmonėms, pastatams ir šalia esantiems objektams. Įprasta deflagracija sukelia sprogimą, kai užsidega uždaroje erdvėje. Tokioje siauroje erdvėje užsidegimą gali sukelti mažiausias energijos kiekis. Tačiau vandenilio ir oro mišinio detonacijai neribotoje erdvėje reikalingas galingesnis uždegimo šaltinis.
Vandenilio ir oro mišinio detonacijos bangos slėgio santykis yra apie 20. Esant atmosferos slėgiui, santykis 20 yra 300 psi. Kai ši slėgio banga susiduria su nejudančiu objektu, slėgio santykis padidėja iki 40–60. Taip yra dėl slėgio bangos atspindžio nuo nejudančios kliūties.
Polinkis nutekėti. Dėl mažo klampumo ir mažo molekulinio svorio H2 dujos turi didelę tendenciją nutekėti ir netgi prasiskverbti pro įvairias medžiagas.
Vandenilis yra 8 kartus lengvesnis už gamtines dujas, 14 kartų lengvesnis už orą, 22 kartus lengvesnis už propaną ir 57 kartus lengvesnis už benzino garus. Tai reiškia, kad įrengus lauke, H2 dujos greitai pakils ir išsisklaidys, sumažindamos bet kokius nuotėkio požymius. Tačiau tai gali būti dviašmenis kardas. Sprogimas gali įvykti, jei suvirinimo darbai bus atliekami lauko instaliacijoje virš arba pavėjui nuo H2 nuotėkio, prieš tai neatlikus nuotėkio aptikimo tyrimo. Uždaroje erdvėje H2 dujos gali pakilti ir kauptis nuo lubų žemyn, todėl jos gali susikaupti dideliais kiekiais, kol yra didesnė tikimybė, kad jos liesis su uždegimo šaltiniais šalia žemės.
Atsitiktinis gaisras. Savaiminis užsidegimas yra reiškinys, kai dujų arba garų mišinys užsidega savaime be išorinio uždegimo šaltinio. Jis taip pat žinomas kaip „savaiminis užsidegimas“ arba „savaiminis užsidegimas“. Savaiminis užsidegimas priklauso nuo temperatūros, o ne nuo slėgio.
Savaiminio užsidegimo temperatūra yra minimali temperatūra, kurioje kuras savaime užsidega prieš užsidegdamas nesant išorinio uždegimo šaltinio ir kontaktuodamas su oru arba oksidatoriumi. Atskirų miltelių savaiminio užsidegimo temperatūra yra temperatūra, kurioje jis savaime užsidega nesant oksidatoriaus. Dujinio H2 savaiminio užsidegimo temperatūra ore yra 585 °C.
Uždegimo energija – tai energija, reikalinga liepsnai plisti degiame mišinyje inicijuoti. Minimali uždegimo energija – tai minimali energija, reikalinga konkrečiam degiam mišiniui uždegti esant tam tikrai temperatūrai ir slėgiui. Minimali dujinio H2 kibirkštinio uždegimo energija 1 atmosferos ore = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Sprogstamumo ribos yra didžiausia ir mažiausia garų, rūko ar dulkių koncentracija ore ar deguonyje, kuriai esant įvyksta sprogimas. Aplinkos dydis ir geometrija, taip pat kuro koncentracija, kontroliuoja ribas. „Sprogimo riba“ kartais vartojama kaip „sprogimo ribos“ sinonimas.
H2 mišinių sprogstamumo ribos ore yra 18,3 tūrio % (apatinė riba) ir 59 tūrio % (viršutinė riba).
Projektuojant vamzdynų sistemas (1 pav.), pirmiausia reikia nustatyti kiekvienam skysčio tipui reikalingas statybines medžiagas. Kiekvienas skystis bus klasifikuojamas pagal ASME B31.3 pastraipą. 300(b)(1) punkte teigiama: „Savininkas taip pat yra atsakingas už D, M, aukšto slėgio ir didelio grynumo vamzdynų nustatymą ir tai, ar reikia naudoti konkrečią kokybės sistemą.“
Skysčių kategorizavimas apibrėžia reikalingų bandymų laipsnį ir tipą, taip pat daugelį kitų reikalavimų, pagrįstų skysčio kategorija. Savininko atsakomybė už tai paprastai tenka savininko inžinerijos skyriui arba samdomam inžinieriui.
Nors B31.3 Proceso vamzdynų kodekse savininkui nenurodoma, kokią medžiagą naudoti konkrečiam skysčiui, jame pateikiamos gairės dėl stiprumo, storio ir medžiagų jungčių reikalavimų. Kodekso įvade taip pat yra du teiginiai, kuriuose aiškiai nurodoma:
Ir papildydami pirmąją pastraipą aukščiau, B31.3. 300(b)(1) pastraipoje taip pat teigiama: „Vamzdynų įrengimo savininkas yra vienintelis atsakingas už šio kodekso laikymąsi ir už projektavimo, statybos, tikrinimo, apžiūros ir bandymo reikalavimų, reglamentuojančių visą skysčių tvarkymą ar procesus, kurių dalis yra vamzdynas, nustatymą.“ Taigi, nustatę kai kurias pagrindines atsakomybės taisykles ir reikalavimus skysčių eksploatavimo kategorijoms apibrėžti, pažiūrėkime, kur tinka vandenilio dujos.
Kadangi vandenilio dujos yra lakus skystis su nuotėkiais, vandenilio dujos gali būti laikomos įprastu skysčiu arba M klasės skysčiu pagal B31.3 kategoriją, skirtą skysčių tiekimui. Kaip minėta pirmiau, skysčių tvarkymo klasifikacija yra savininko reikalavimas, jei ji atitinka pasirinktų kategorijų, aprašytų B31.3, 3 pastraipoje, gaires. 300.2 Apibrėžtys skyriuje „Hidraulinės sistemos“. Toliau pateikiamos įprastų skysčių ir M klasės skysčių naudojimo apibrėžtys:
„Įprastas skysčių tiekimas: skysčių tiekimas, taikomas daugumai vamzdynų, kuriems taikomas šis kodeksas, t. y. netaikomas D, M klasių, aukštos temperatūros, aukšto slėgio ar didelio skysčių švarumo reglamentams.“
(1) Skysčio toksiškumas yra toks didelis, kad vienkartinis labai mažo skysčio kiekio, kurį sukelia nuotėkis, poveikis gali sukelti rimtus negrįžtamus sužalojimus tiems, kurie jį įkvepia ar su juo liečiasi, net jei imamasi neatidėliotinų pagalbos priemonių.
(2) Atsižvelgdamas į vamzdyno konstrukciją, patirtį, eksploatavimo sąlygas ir vietą, savininkas nustato, kad įprasto skysčio naudojimo reikalavimai nėra pakankami, kad būtų užtikrintas sandarumas, būtinas personalo apsaugai nuo poveikio.
Pagal aukščiau pateiktą M apibrėžimą vandenilio dujos neatitinka (1) pastraipos kriterijų, nes jos nelaikomos toksišku skysčiu. Tačiau taikant (2) poskyrį, Kodeksas leidžia priskirti hidraulines sistemas M klasei, tinkamai atsižvelgiant į „...vamzdynų konstrukciją, patirtį, eksploatavimo sąlygas ir vietą...“. Savininkas leidžia nustatyti įprastą skysčių tvarkymą. Reikalavimų nepakanka, kad būtų patenkintas aukštesnio vientisumo lygio poreikis projektuojant, konstruojant, tikrinant, tikrinant ir bandant vandenilio dujų vamzdynų sistemas.
Prieš aptardami aukštatemperatūrinę vandenilio koroziją (HTHA), žr. 1 lentelę. Šioje lentelėje išvardyti kodeksai, standartai ir reglamentai, įskaitant šešis dokumentus vandenilio trapumo (HE) tema – dažna korozijos anomalija, apimanti ir HTHA. OH gali atsirasti žemoje ir aukštoje temperatūroje. Laikoma korozijos forma, ji gali prasidėti keliais būdais ir paveikti įvairias medžiagas.
HE būna įvairių formų, kurias galima suskirstyti į vandenilio krekingą (HAC), vandenilio įtempių krekingą (HSC), įtempių korozijos krekingą (SCC), vandenilio korozijos krekingą (HACC), vandenilio burbuliavimą (HB), vandenilio krekingą (HIC). ), įtempių orientuotą vandenilio krekingą (SOHIC), progresyvų krekingą (SWC), sulfidų įtempių krekingą (SSC), minkštųjų zonų krekingą (SZC) ir aukštos temperatūros vandenilio koroziją (HTHA).
Paprasčiausia forma vandenilio trapumas yra metalo grūdelių ribų sunaikinimo mechanizmas, dėl kurio dėl atominio vandenilio prasiskverbimo sumažėja tąsumas. Šio proceso būdai yra įvairūs ir iš dalies apibrėžiami atitinkamais pavadinimais, pavyzdžiui, HTHA, kur trapumui vienu metu reikalingas aukštos temperatūros ir aukšto slėgio vandenilis, ir SSC, kur atominis vandenilis susidaro uždarų dujų ir vandenilio pavidalu. Dėl rūgštinės korozijos jie prasiskverbia į metalinius korpusus, o tai gali sukelti trapumą. Tačiau bendras rezultatas yra toks pat, kaip ir visais aukščiau aprašytais vandenilio trapumo atvejais, kai metalo stiprumas sumažėja dėl trapumo žemiau leistino įtempio diapazono, o tai savo ruožtu sudaro sąlygas potencialiai katastrofiškam įvykiui, atsižvelgiant į skysčio lakumą.
Renkantis medžiagas H2 dujų tiekimui, be sienelės storio ir mechaninių jungčių savybių, reikia atsižvelgti į du pagrindinius veiksnius: 1. Aukštos temperatūros vandenilio (HTHA) poveikį ir 2. Rimtą susirūpinimą dėl galimo nuotėkio. Abi temos šiuo metu yra svarstomos.
Skirtingai nuo molekulinio vandenilio, atominis vandenilis gali plėstis, veikiamas aukštos temperatūros ir slėgio, taip sukurdamas pagrindą potencialiam HTHA (karščiuojančiai anglies dioksido susidarymui). Tokiomis sąlygomis atominis vandenilis gali difunduoti į anglinio plieno vamzdynų medžiagas ar įrangą, kur reaguoja su anglimi metalo tirpale ir sudaro metano dujas ties grūdelių ribomis. Negalėdamas ištrūkti, dujos plečiasi, sukeldamos įtrūkimus ir plyšius vamzdžių ar indų sienelėse – tai yra HTGA (karščiuojančiai anglies dioksido susidarymas). HTHA rezultatus galite aiškiai matyti 2 paveiksle, kur 8 colių sienelėje matomi įtrūkimai ir plyšiai. Nominalaus dydžio (NPS) vamzdžio dalis, kuri tokiomis sąlygomis genda.
Anglinis plienas gali būti naudojamas vandenilio tiekimui, kai darbinė temperatūra palaikoma žemesnė nei 500 °F. Kaip minėta pirmiau, HTHA (aukšto parcialinio slėgio vandenilis) įvyksta, kai vandenilio dujos laikomos esant aukštam daliniam slėgiui ir aukštai temperatūrai. Anglinis plienas nerekomenduojamas, kai numatomas vandenilio dalinis slėgis yra apie 3000 psi, o temperatūra viršija apie 450 °F (tai yra avarijos sąlyga 2 paveiksle).
Kaip matyti iš modifikuotos Nelsono diagramos 3 paveiksle, iš dalies paimtos iš API 941, aukšta temperatūra turi didžiausią įtaką vandenilio slėgiui. Vandenilio dujų dalinis slėgis gali viršyti 1000 psi, kai jis naudojamas su angliniais plienais, veikiančiais iki 500 °F temperatūroje.
3 pav. Ši modifikuota Nelsono diagrama (adaptuota iš API 941) gali būti naudojama tinkamoms medžiagoms vandeniliui parinkti esant įvairioms temperatūroms.
3 pav. parodytas plienų, kurie garantuotai išvengs vandenilio atakos, pasirinkimas, priklausomai nuo darbinės temperatūros ir vandenilio dalinio slėgio. Austenitiniai nerūdijantys plienai yra nejautrūs HTHA ir yra tinkamos medžiagos esant bet kokiai temperatūrai ir slėgiui.
Austenitinis 316/316L nerūdijantis plienas yra praktiškiausia medžiaga vandenilio panaudojimui ir turi įrodytą naudojimo patirtį. Nors angliniams plienams rekomenduojamas terminis apdorojimas po suvirinimo (PWHT), siekiant kalcinuoti likusį vandenilį suvirinimo metu ir sumažinti karščio paveiktos zonos (HAZ) kietumą po suvirinimo, austenitiniam nerūdijančiam plienui tai nereikalinga.
Terminio apdorojimo ir suvirinimo sukeliami termoterminiai efektai mažai veikia austenitinių nerūdijančiojo plieno mechanines savybes. Tačiau šaltasis apdirbimas gali pagerinti austenitinių nerūdijančiojo plieno mechanines savybes, tokias kaip stiprumas ir kietumas. Lenkiant ir formuojant vamzdžius iš austenitinio nerūdijančiojo plieno, jų mechaninės savybės keičiasi, įskaitant medžiagos plastiškumo sumažėjimą.
Jei austenitinį nerūdijantį plieną reikia formuoti šaltuoju būdu, tirpalo atkaitinimas (kaitinimas iki maždaug 1045 °C, po to grūdinimas arba greitas aušinimas) atkurs medžiagos mechanines savybes iki pradinių verčių. Tai taip pat pašalins lydinio segregaciją, jautrinimą ir sigma fazę, pasiektą po šaltojo apdirbimo. Atkaitinant tirpalą, reikia žinoti, kad greitas aušinimas, jei nebus tinkamai elgiamasi, gali sukelti liekamąjį įtempį medžiagoje.
H2 eksploatacinėms medžiagoms pasirinkti tinkamų medžiagų sąrašą rasite ASME B31 standarto GR-2.1.1-1 lentelėse „Vamzdynų ir vamzdynų mazgų medžiagų specifikacijos indeksas“ ir GR-2.1.1-2 lentelėse „Vamzdynų medžiagų specifikacijos indeksas“. Vamzdžiai yra gera pradžia.
Vandenilis, kurio standartinė atominė masė yra 1,008 atominės masės vieneto (amu), yra lengviausias ir mažiausias periodinės lentelės elementas, todėl turi didelę polinkį nutekėti, o tai gali turėti pražūtingų pasekmių, pridurčiau. Todėl dujotiekio sistema turi būti suprojektuota taip, kad būtų apribotas mechaninio tipo jungčių skaičius ir patobulintos tos jungtys, kurios iš tikrųjų reikalingos.
Ribojant galimus nuotėkio taškus, sistema turėtų būti visiškai suvirinta, išskyrus įrangos, vamzdynų elementų ir jungiamųjų detalių flanšines jungtis. Srieginių jungčių reikėtų vengti kiek įmanoma, o gal net ir visiškai. Jei dėl kokių nors priežasčių srieginių jungčių išvengti negalima, rekomenduojama jas visiškai sujungti be sriegių sandariklio, o tada užsandarinti suvirinimo siūlę. Naudojant anglinio plieno vamzdžius, vamzdžių jungtys turi būti suvirintos užpakaliniu suvirinimu ir po suvirinimo termiškai apdorotos (PWHT). Po suvirinimo vamzdžiai karščio paveiktoje zonoje (HAZ) yra veikiami vandenilio net ir aplinkos temperatūroje. Nors vandenilio poveikis daugiausia vyksta aukštoje temperatūroje, PWHT etapas visiškai sumažins, o gal net panaikins, šią galimybę net ir aplinkos sąlygomis.
Silpnoji šios visiškai suvirintos sistemos vieta yra flanšo jungtis. Siekiant užtikrinti aukštą flanšo jungčių sandarumo laipsnį, reikėtų naudoti „Kammprofile“ tarpiklius (4 pav.) arba kitos rūšies tarpiklius. Ši tarpinė, kurią gamina beveik vienodai keli gamintojai, yra labai patvari. Ją sudaro dantyti metaliniai žiedai, įterpti tarp minkštų, deformuojamų sandarinimo medžiagų. Dantys sutelkia varžto apkrovą mažesniame plote, kad būtų užtikrintas tvirtas sujungimas su mažesne įtemptimi. Ji suprojektuota taip, kad galėtų kompensuoti nelygius flanšo paviršius ir svyruojančias eksploatavimo sąlygas.
4 pav. „Kammprofile“ tarpinės turi metalinę šerdį, iš abiejų pusių sujungtą minkštu užpildu.
Kitas svarbus sistemos vientisumo veiksnys yra vožtuvas. Nuotėkiai aplink koto sandariklį ir korpuso flanšus yra reali problema. Norint to išvengti, rekomenduojama pasirinkti vožtuvą su silfoniniu sandarikliu.
Naudokite 1 colio. Mūsų pavyzdyje, pateiktame „School 80“ anglinio plieno vamzdyje, atsižvelgiant į gamybos tolerancijas, korozijos ir mechanines tolerancijas pagal ASTM A106 Gr B, maksimalų leistiną darbinį slėgį (DLDS) galima apskaičiuoti dviem etapais esant temperatūrai iki 300 °F (pastaba: „...temperatūrai iki 300 °F...“ priežastis yra ta, kad ASTM A106 Gr B medžiagos leistinas įtempis (S) pradeda mažėti, kai temperatūra viršija 300 °F (S), todėl pagal (1) lygtį reikia pritaikyti prie temperatūros, viršijančios 300 °F.)
Remiantis (1) formule, pirmiausia reikia apskaičiuoti teorinį vamzdyno trūkimo slėgį.
T = vamzdžio sienelės storis atėmus mechaninius, korozijos ir gamybos nuokrypius, coliais.
Antroji proceso dalis – apskaičiuoti maksimalų leistiną vamzdyno darbinį slėgį Pa, pritaikant saugos koeficientą S f rezultatui P pagal (2) lygtį:
Taigi, naudojant 1 colio storio 80 klasės medžiagą, trūkimo slėgis apskaičiuojamas taip:
Tada pagal ASME slėginių indų rekomendacijų VIII-1 skyriaus 2019 8 pastraipą taikomas saugos Sf, lygus 4. UG-101 apskaičiuojamas taip:
Gauta maksimali darbinio slėgio (MLS) vertė yra 810 psi (psi). colis taikomas tik vamzdžiui. Flanšo jungtis arba komponentas, turintis mažiausią sistemos vardinį slėgį, bus lemiamas veiksnys nustatant leistiną slėgį sistemoje.
Pagal ASME B16.5, maksimalus leistinas 150 anglinio plieno flanšo jungiamųjų detalių darbinis slėgis yra 285 psi colio, esant -20 °F iki 100 °F temperatūrai. 300 klasės maksimalus leistinas darbinis slėgis yra 740 psi. Tai bus sistemos slėgio ribinis koeficientas pagal toliau pateiktą medžiagos specifikacijos pavyzdį. Be to, tik atliekant hidrostatinius bandymus šios vertės gali viršyti 1,5 karto.
Kaip pagrindinės anglinio plieno medžiagos specifikacijos pavyzdys, H2 dujų tiekimo linijos, veikiančios esant žemesnei nei 740 psi colių projektiniam slėgiui, specifikacija gali apimti 2 lentelėje pateiktus medžiagų reikalavimus. Specifikacijoje gali reikėti atkreipti dėmesį į šiuos tipus:
Be paties vamzdyno, vamzdynų sistemą sudaro daug elementų, tokių kaip jungiamosios detalės, vožtuvai, linijų įranga ir kt. Nors daugelis šių elementų bus sujungti į bendrą vamzdyną, kad būtų galima juos išsamiai aptarti, tam prireiks daugiau puslapių, nei galima sutalpinti. Šis straipsnis.