Šajā pārskatā sniegti ieteikumi ūdeņraža sadales cauruļvadu sistēmu drošai projektēšanai.
Ūdeņradis ir ļoti gaistošs šķidrums ar augstu tieksmi uz noplūdi. Tas ir ļoti bīstams un nāvējošs tendenču apvienojums, gaistošs šķidrums, kuru ir grūti kontrolēt. Šīs tendences jāņem vērā, izvēloties materiālus, blīves un blīves, kā arī šādu sistēmu konstrukcijas raksturlielumus. Šīs tēmas par gāzveida H2 izplatību ir šīs diskusijas uzmanības centrā, nevis H2, šķidrā H2 vai šķidrā H2 ražošana (skatīt labo sānjoslu).
Šeit ir daži svarīgi punkti, kas palīdzēs jums izprast ūdeņraža un H2-gaisa maisījumu. Ūdeņradis deg divos veidos: uzliesmojumā un eksplodējot.
Uzliesmošana. Uzliesmošana ir izplatīts degšanas režīms, kurā liesmas pārvietojas maisījumā ar zemskaņas ātrumu. Tas notiek, piemēram, kad brīvu ūdeņraža un gaisa maisījuma mākoni aizdedzina neliels aizdegšanās avots. Šajā gadījumā liesma pārvietosies ar ātrumu no desmit līdz vairākiem simtiem pēdu sekundē. Karstas gāzes straujā izplešanās rada spiediena viļņus, kuru stiprums ir proporcionāls mākoņa lielumam. Dažos gadījumos triecienviļņa spēks var būt pietiekams, lai sabojātu ēku konstrukcijas un citus objektus tā ceļā un izraisītu traumas.
eksplodēt. Kad tas eksplodēja, liesmas un triecienviļņi izplatījās maisījumā ar virsskaņas ātrumu. Spiediena attiecība detonācijas vilnī ir daudz lielāka nekā detonācijā. Palielinātā spēka dēļ sprādziens ir bīstamāks cilvēkiem, ēkām un tuvumā esošiem objektiem. Parasta uzliesmošana izraisa sprādzienu, ja tā aizdegas slēgtā telpā. Tik šaurā vietā aizdegšanos var izraisīt vismazākais enerģijas daudzums. Bet ūdeņraža un gaisa maisījuma detonācijai neierobežotā telpā ir nepieciešams jaudīgāks aizdegšanās avots.
Spiediena attiecība detonācijas vilnī ūdeņraža un gaisa maisījumā ir aptuveni 20. Atmosfēras spiedienā attiecība 20 ir 300 psi. Kad šis spiediena vilnis saduras ar nekustīgu objektu, spiediena attiecība palielinās līdz 40–60. Tas ir saistīts ar spiediena viļņa atstarošanos no nekustīga šķēršļa.
Tendence uz noplūdi. Zemās viskozitātes un mazās molekulmasas dēļ H2 gāzei ir liela tendence uz noplūdi un pat iekļūt dažādos materiālos.
Ūdeņradis ir 8 reizes vieglāks par dabasgāzi, 14 reizes vieglāks par gaisu, 22 reizes vieglāks par propānu un 57 reizes vieglāks par benzīna tvaikiem. Tas nozīmē, ka, uzstādot H2 gāzi ārpus telpām, tā ātri pacelsies un izkliedēsies, samazinot pat noplūžu pazīmes. Taču tas var būt divvirzienu zobens. Sprādziens var notikt, ja metināšana jāveic āra instalācijā virs H2 noplūdes vai vēja virzienā no tās, pirms metināšanas neveicot noplūdes noteikšanas pētījumu. Slēgtā telpā H2 gāze var pacelties un uzkrāties no griestiem uz leju, kas ļauj tai uzkrāties lielos apjomos, pirms tā, visticamāk, nonāks saskarē ar aizdegšanās avotiem zemes tuvumā.
Nejauša aizdegšanās. Pašaizdegšanās ir parādība, kurā gāzu vai tvaiku maisījums spontāni aizdegas bez ārēja aizdegšanās avota. To sauc arī par "spontānu aizdegšanos" vai "spontānu aizdegšanos". Pašaizdegšanās ir atkarīga no temperatūras, nevis spiediena.
Pašaizdegšanās temperatūra ir minimālā temperatūra, kurā degviela spontāni aizdegas pirms aizdegšanās bez ārēja aizdegšanās avota, nonākot saskarē ar gaisu vai oksidētāju. Atsevišķa pulvera pašaizdegšanās temperatūra ir temperatūra, kurā tas spontāni aizdegas bez oksidētāja klātbūtnes. Gāzveida H2 pašaizdegšanās temperatūra gaisā ir 585 °C.
Aizdegšanās enerģija ir enerģija, kas nepieciešama, lai ierosinātu liesmas izplatīšanos degošā maisījumā. Minimālā aizdegšanās enerģija ir minimālā enerģija, kas nepieciešama, lai aizdedzinātu konkrētu degošu maisījumu noteiktā temperatūrā un spiedienā. Gāzveida H2 minimālā dzirksteles aizdegšanās enerģija 1 atm gaisa = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Sprādzienbīstamības robežas ir maksimālā un minimālā tvaiku, miglas vai putekļu koncentrācija gaisā vai skābeklī, pie kuras notiek sprādziens. Robežas nosaka vides lielums un ģeometrija, kā arī degvielas koncentrācija. “Sprādzienbīstamības robeža” dažreiz tiek lietota kā “sprādzienbīstamības robežas” sinonīms.
H2 maisījumu sprādzienbīstamības robeža gaisā ir 18,3 tilp.% (apakšējā robeža) un 59 tilp.% (augšējā robeža).
Projektējot cauruļvadu sistēmas (1. attēls), pirmais solis ir noteikt katram šķidruma veidam nepieciešamos būvmateriālus. Un katrs šķidrums tiks klasificēts saskaņā ar ASME B31.3 punktu. 300(b)(1) punktā teikts: “Īpašnieks ir atbildīgs arī par D, M klases, augstspiediena un augstas tīrības pakāpes cauruļvadu noteikšanu un to, vai jāizmanto konkrēta kvalitātes sistēma.”
Šķidruma kategorizācija nosaka nepieciešamo testēšanas pakāpi un veidu, kā arī daudzas citas prasības, pamatojoties uz šķidruma kategoriju. Īpašnieka atbildība par to parasti gulstas uz īpašnieka inženiertehnisko nodaļu vai ārpakalpojuma inženieri.
Lai gan B31.3 Procesa cauruļvadu kodekss nenorāda īpašniekam, kādu materiālu izmantot konkrētam šķidrumam, tas sniedz norādījumus par izturības, biezuma un materiāla savienojuma prasībām. Kodeksa ievadā ir arī divi skaidri norādīti apgalvojumi:
Un, papildinot iepriekšējo pirmo rindkopu, B31.3. 300(b)(1) punktā arī teikts: “Cauruļvada iekārtas īpašnieks ir pilnībā atbildīgs par šī kodeksa ievērošanu un par projektēšanas, būvniecības, pārbaudes, inspekcijas un testēšanas prasību noteikšanu, kas reglamentē visu šķidrumu apstrādi vai procesu, kura daļa ir cauruļvads. Uzstādīšana.” Tātad, pēc tam, kad ir noteikti daži pamatnoteikumi par atbildību un prasības šķidrumu apkalpošanas kategoriju definēšanai, aplūkosim, kur iederas ūdeņraža gāze.
Tā kā ūdeņraža gāze darbojas kā gaistošs šķidrums ar noplūdēm, ūdeņraža gāzi var uzskatīt par parastu šķidrumu vai M klases šķidrumu saskaņā ar B31.3 kategoriju šķidrumu apkalpošanai. Kā minēts iepriekš, šķidrumu apstrādes klasifikācija ir īpašnieka prasība, ja tā atbilst izvēlēto kategoriju vadlīnijām, kas aprakstītas B31.3 3. punktā. 300.2 Definīcijas sadaļā “Hidrauliskie pakalpojumi”. Tālāk ir sniegtas normāla šķidruma pakalpojuma un M klases šķidrumu pakalpojuma definīcijas:
“Normāls šķidrumu pakalpojums: šķidrumu pakalpojums, kas piemērojams lielākajai daļai cauruļvadu, uz kuriem attiecas šis kodekss, t. i., uz kuru neattiecas D, M klases, augstas temperatūras, augsta spiediena vai augstas šķidrumu tīrības noteikumi.”
(1) Šķidruma toksicitāte ir tik liela, ka vienreizēja saskare ar ļoti nelielu šķidruma daudzumu noplūdes gadījumā var radīt nopietnus neatgriezeniskus ievainojumus tiem, kas to ieelpo vai nonāk saskarē ar to, pat ja tiek veikti tūlītēji glābšanas pasākumi.
(2) Izskatījis cauruļvada konstrukciju, pieredzi, ekspluatācijas apstākļus un atrašanās vietu, īpašnieks nosaka, ka šķidruma normālas lietošanas prasības nav pietiekamas, lai nodrošinātu nepieciešamo hermētiskumu personāla aizsardzībai no iedarbības.
Iepriekš minētajā M definīcijā ūdeņraža gāze neatbilst (1) punkta kritērijiem, jo ​​tā netiek uzskatīta par toksisku šķidrumu. Tomēr, piemērojot (2) apakšpunktu, Kodekss atļauj klasificēt hidrauliskās sistēmas M klasē, pienācīgi ņemot vērā "...cauruļvadu konstrukciju, pieredzi, ekspluatācijas apstākļus un atrašanās vietu...". Īpašnieks atļauj noteikt normālu šķidruma apstrādi. Prasības nav pietiekamas, lai apmierinātu nepieciešamību pēc augstāka integritātes līmeņa ūdeņraža gāzes cauruļvadu sistēmu projektēšanā, būvniecībā, pārbaudē, inspekcijā un testēšanā.
Pirms augstas temperatūras ūdeņraža korozijas (HTHA) apspriešanas, lūdzu, skatiet 1. tabulu. Šajā tabulā ir uzskaitīti kodi, standarti un noteikumi, tostarp seši dokumenti par ūdeņraža trauslumu (HE) — izplatītu korozijas anomāliju, kas ietver arī HTHA. OH var rasties gan zemā, gan augstā temperatūrā. To uzskata par korozijas veidu, un tā var rasties vairākos veidos, kā arī ietekmēt plašu materiālu klāstu.
HE ir dažādas formas, kuras var iedalīt ūdeņraža plaisāšanā (HAC), ūdeņraža sprieguma plaisāšanā (HSC), sprieguma korozijas plaisāšanā (SCC), ūdeņraža korozijas plaisāšanā (HACC), ūdeņraža burbuļošanā (HB), ūdeņraža plaisāšanā (HIC). )), sprieguma orientētā ūdeņraža plaisāšanā (SOHIC), progresīvajā plaisāšanā (SWC), sulfīda sprieguma plaisāšanā (SSC), mīkstās zonas plaisāšanā (SZC) un augstas temperatūras ūdeņraža korozijā (HTHA).
Vienkāršākajā formā ūdeņraža trauslums ir mehānisms metāla graudu robežu iznīcināšanai, kā rezultātā samazinās plastiskums atomārā ūdeņraža iekļūšanas dēļ. Veidi, kā tas notiek, ir dažādi un daļēji definēti ar to attiecīgajiem nosaukumiem, piemēram, HTHA, kur trauslumam nepieciešams vienlaicīgs augstas temperatūras un augsta spiediena ūdeņradis, un SSC, kur atomārais ūdeņradis tiek ražots kā slēgtas gāzes un ūdeņradis. Skābes korozijas dēļ tie iesūcas metāla korpusos, kas var izraisīt trauslumu. Taču kopējais rezultāts ir tāds pats kā visos iepriekš aprakstītajos ūdeņraža trausluma gadījumos, kad metāla izturība samazinās trausluma dēļ zem pieļaujamā sprieguma diapazona, kas savukārt rada augsni potenciāli katastrofālam notikumam, ņemot vērā šķidruma gaistamību.
Papildus sienas biezumam un mehāniskajām savienojumu īpašībām, izvēloties materiālus H2 gāzes pakalpojumiem, jāņem vērā divi galvenie faktori: 1. Pakļaušana augstas temperatūras ūdeņradim (HTHA) un 2. Nopietnas bažas par iespējamu noplūdi. Abas tēmas pašlaik tiek apspriestas.
Atšķirībā no molekulārā ūdeņraža, atomārais ūdeņradis var izplesties, pakļaujot ūdeņradi augstām temperatūrām un spiedienam, radot pamatu potenciālai HTHA (karstas ķīmiskās atteces) veidošanās iespējai. Šādos apstākļos atomārais ūdeņradis spēj difundēt oglekļa tērauda cauruļvadu materiālos vai iekārtās, kur tas reaģē ar oglekli metāliskā šķīdumā, veidojot metāna gāzi pie graudu robežām. Nespējot izkļūt, gāze izplešas, radot plaisas un spraugas cauruļu vai tvertņu sienās – tas ir HTGA. HTHA rezultātus var skaidri redzēt 2. attēlā, kur 8 collu sienā ir redzamas plaisas un spraugas. Nominālā izmēra (NPS) caurules daļa, kas šādos apstākļos sabojājas.
Oglekļa tēraudu var izmantot ūdeņraža darbināšanai, ja darba temperatūra tiek uzturēta zem 500°F. Kā minēts iepriekš, HTHA rodas, ja ūdeņraža gāze tiek turēta augstā parciālajā spiedienā un augstā temperatūrā. Oglekļa tērauds nav ieteicams, ja paredzams, ka ūdeņraža parciālais spiediens būs aptuveni 3000 psi un temperatūra ir virs aptuveni 450°F (kas ir avārijas stāvoklis 2. attēlā).
Kā redzams modificētajā Nelsona diagrammā 3. attēlā, kas daļēji ņemts no API 941, augstajai temperatūrai ir vislielākā ietekme uz ūdeņraža piespiešanu. Ūdeņraža gāzes parciālais spiediens var pārsniegt 1000 psi, ja to izmanto ar oglekļa tēraudiem, kas darbojas temperatūrā līdz 500°F.
3. attēls. Šo modificēto Nelsona diagrammu (adaptētu no API 941) var izmantot, lai izvēlētos piemērotus materiālus ūdeņraža lietošanai dažādās temperatūrās.
3. attēlā parādīta tēraudu izvēle, kas garantēti izvairīsies no ūdeņraža uzbrukuma atkarībā no darba temperatūras un ūdeņraža parciālā spiediena. Austenīta nerūsējošie tēraudi nav jutīgi pret HTHA un ir apmierinoši materiāli visās temperatūrās un spiedienos.
Austenīta 316/316L nerūsējošais tērauds ir vispraktiskākais materiāls ūdeņraža pielietojumiem, un tam ir pierādīta tā efektivitāte. Lai gan oglekļa tēraudiem ieteicams veikt termisko apstrādi pēc metināšanas, lai kalcinētu atlikušo ūdeņradi metināšanas laikā un samazinātu termiski ietekmētās zonas (HAZ) cietību pēc metināšanas, austenīta nerūsējošajiem tēraudiem tas nav nepieciešams.
Termotermiskā iedarbība, ko izraisa termiskā apstrāde un metināšana, maz ietekmē austenīta nerūsējošā tērauda mehāniskās īpašības. Tomēr aukstā apstrāde var uzlabot austenīta nerūsējošā tērauda mehāniskās īpašības, piemēram, izturību un cietību. Liekot un veidojot caurules no austenīta nerūsējošā tērauda, ​​mainās to mehāniskās īpašības, tostarp samazinās materiāla plastiskums.
Ja austenīta nerūsējošajam tēraudam nepieciešama aukstā formēšana, šķīdināšanas atkvēlināšana (karsēšana līdz aptuveni 1045 °C, kam seko rūdīšana vai ātra atdzesēšana) atjaunos materiāla mehāniskās īpašības to sākotnējās vērtībās. Tā arī novērsīs sakausējuma segregāciju, sensibilizāciju un sigma fāzi, kas sasniegta pēc aukstās apstrādes. Veicot šķīdināšanas atkvēlināšanu, ņemiet vērā, ka ātra dzesēšana var radīt materiālā atlikušo spriegumu, ja ar to netiek pareizi rīkoties.
Lai uzzinātu par pieņemamu materiālu izvēli H2 pakalpojumam, skatiet ASME B31 tabulas GR-2.1.1-1 “Cauruļvadu un cauruļvadu komplektu materiālu specifikācijas indekss” un GR-2.1.1-2 “Cauruļvadu materiālu specifikācijas indekss”. Caurules ir labs sākumpunkts.
Ar standarta atommasu 1,008 atommasas vienības (amu), ūdeņradis ir vieglākais un mazākais elements periodiskajā tabulā, un tāpēc tam ir liela tieksme uz noplūdi, kas, es varētu piebilst, var radīt postošas ​​sekas. Tāpēc gāzes cauruļvadu sistēmai jābūt projektētai tā, lai ierobežotu mehāniskā tipa savienojumus un uzlabotu tos savienojumus, kas patiešām ir nepieciešami.
Ierobežojot potenciālās noplūdes vietas, sistēmai jābūt pilnībā sametinātai, izņemot atloku savienojumus uz iekārtām, cauruļvadu elementiem un veidgabaliem. Cik vien iespējams, jāizvairās no vītņotiem savienojumiem, ja ne pilnībā. Ja kāda iemesla dēļ no vītņotiem savienojumiem nevar izvairīties, ieteicams tos pilnībā savienot bez vītņu hermētiķa un pēc tam noblīvēt metinājumu. Izmantojot oglekļa tērauda caurules, cauruļu savienojumiem jābūt sametinātiem ar mucu un pēc metināšanas jāveic termiskā apstrāde (PWHT). Pēc metināšanas caurules termiski ietekmētajā zonā (HAZ) ir pakļautas ūdeņraža iedarbībai pat apkārtējās vides temperatūrā. Lai gan ūdeņraža iedarbība galvenokārt notiek augstā temperatūrā, PWHT posms pilnībā samazinās, ja ne novērsīs, šo iespēju pat apkārtējās vides apstākļos.
Pilnībā metinātās sistēmas vājā vieta ir atloka savienojums. Lai nodrošinātu augstu hermētiskuma pakāpi atloka savienojumos, jāizmanto Kammprofile blīves (4. att.) vai cita veida blīves. Šo blīvi, ko vairāki ražotāji ražo gandrīz vienādi, ir ļoti viegli piedodoša. Tā sastāv no zobainiem, pilnībā metāla gredzeniem, kas ievietoti starp mīkstiem, deformējamiem blīvēšanas materiāliem. Zobi koncentrē skrūves slodzi mazākā laukumā, lai nodrošinātu ciešu savienojumu ar mazāku spriegumu. Tā ir konstruēta tā, lai kompensētu nelīdzenas atloka virsmas, kā arī mainīgus ekspluatācijas apstākļus.
4. attēls. Kammprofile blīvēm ir metāla serde, kas abās pusēs salīmēta ar mīkstu pildvielu.
Vēl viens svarīgs sistēmas integritātes faktors ir vārsts. Noplūdes ap kāta blīvējumu un korpusa atlokiem ir reāla problēma. Lai to novērstu, ieteicams izvēlēties vārstu ar silfonu blīvējumu.
Izmantojiet 1 collu. School 80 oglekļa tērauda caurule. Mūsu tālāk redzamajā piemērā, ņemot vērā ražošanas pielaides, korozijas un mehāniskās pielaides saskaņā ar ASTM A106 Gr B, maksimālo pieļaujamo darba spiedienu (MAWP) var aprēķināt divos posmos temperatūrā līdz 300 °F (Piezīme. Iemesls "...temperatūrā līdz 300 °F..." ir tāds, ka ASTM A106 Gr B materiāla pieļaujamais spriegums (S) sāk pasliktināties, kad temperatūra pārsniedz 300 °F. (S), tāpēc vienādojums (1) prasa pielāgot temperatūru virs 300 °F.)
Atsaucoties uz formulu (1), pirmais solis ir aprēķināt cauruļvada teorētisko plīšanas spiedienu.
T = caurules sienas biezums, no kura atskaitītas mehāniskās, korozijas un ražošanas pielaides, collās.
Procesa otrajā daļā tiek aprēķināts cauruļvada maksimāli pieļaujamais darba spiediens Pa, rezultātam P piemērojot drošības koeficientu S f saskaņā ar vienādojumu (2):
Tādējādi, izmantojot 1 collas biezu 80. klases materiālu, plīšanas spiedienu aprēķina šādi:
Pēc tam saskaņā ar ASME spiedtvertņu ieteikumu VIII-1. sadaļas 2019. gada 8. punktu tiek piemērots drošības Sf 4. UG-101 tiek aprēķināts šādi:
Iegūtā maksimālā pieļaujamā darba spiediena (MAWP) vērtība ir 810 psi. collas attiecas tikai uz cauruli. Atloka savienojums vai komponents ar zemāko nominālo vērtību sistēmā būs noteicošais faktors, nosakot pieļaujamo spiedienu sistēmā.
Saskaņā ar ASME B16.5, maksimālais pieļaujamais darba spiediens 150 oglekļa tērauda atloka savienojumiem ir 285 psi collas temperatūrā no -20°F līdz 100°F. 300. klases maksimālais pieļaujamais darba spiediens ir 740 psi. Šis būs sistēmas spiediena robežfaktors saskaņā ar tālāk sniegto materiāla specifikācijas piemēru. Turklāt tikai hidrostatiskajos testos šīs vērtības var pārsniegt 1,5 reizes.
Kā pamata oglekļa tērauda materiāla specifikācijas piemērs, H2 gāzes padeves līnijas specifikācija, kas darbojas apkārtējās vides temperatūrā zem projektētā spiediena 740 psi collas, var ietvert 2. tabulā norādītās materiālu prasības. Specifikācijā var būt jāiekļauj šādi veidi, kuriem var būt jāpievērš uzmanība:
Papildus pašiem cauruļvadiem cauruļvadu sistēmu veido daudzi elementi, piemēram, veidgabali, vārsti, līniju aprīkojums utt. Lai gan daudzi no šiem elementiem tiks apkopoti cauruļvadā, lai tos detalizēti apspriestu, tam būs nepieciešamas vairāk lappušu, nekā var ievietot. Šis raksts.