Овој преглед дава препораки за безбеден дизајн на цевководни системи за дистрибуција на водород.
Водородот е многу испарлива течност со голема тенденција за истекување. Тоа е многу опасна и смртоносна комбинација од тенденции, испарлива течност која е тешко да се контролира. Ова се трендови што треба да се земат предвид при изборот на материјали, дихтунзи и заптивки, како и карактеристиките на дизајнот на таквите системи. Овие теми за дистрибуција на гасовит H2 се во фокусот на оваа дискусија, а не производството на H2, течен H2 или течен H2 (видете ја десната странична лента).
Еве неколку клучни точки што ќе ви помогнат да ја разберете мешавината од водород и H2-воздух. Водородот гори на два начина: дефлаграција и експлозија.
дефлаграција. Дефлаграцијата е вообичаен начин на согорување во кој пламените се движат низ смесата со субсонични брзини. Ова се случува, на пример, кога слободен облак од смеса од водород-воздух се запали од мал извор на палење. Во овој случај, пламенот ќе се движи со брзина од десет до неколку стотици стапки во секунда. Брзото ширење на жешкиот гас создава бранови на притисок чија јачина е пропорционална на големината на облакот. Во некои случаи, силата на ударниот бран може да биде доволна за да ги оштети градежните конструкции и другите предмети на нејзиниот пат и да предизвика повреда.
експлодира. Кога експлодирала, пламенот и ударните бранови патувале низ смесата со суперсонична брзина. Односот на притисокот во детонацискиот бран е многу поголем отколку во детонацијата. Поради зголемената сила, експлозијата е поопасна за луѓето, зградите и блиските објекти. Нормалната дефлаграција предизвикува експлозија кога се запали во ограничен простор. Во толку тесен простор, палењето може да биде предизвикано од најмалата количина на енергија. Но, за детонација на смеса од водород-воздух во неограничен простор, потребен е помоќен извор на палење.
Односот на притисокот преку детонацискиот бран во смесата од водород и воздух е околу 20. При атмосферски притисок, односот од 20 е 300 psi. Кога овој бран на притисок се судира со стационарен објект, односот на притисок се зголемува на 40-60. Ова се должи на одбивањето на бранот на притисок од стационарна пречка.
Склоност кон протекување. Поради нискиот вискозитет и ниската молекуларна тежина, гасот H2 има голема тенденција да протекува, па дури и да продира или да пенетрира низ разни материјали.
Водородот е 8 пати полесен од природниот гас, 14 пати полесен од воздухот, 22 пати полесен од пропанот и 57 пати полесен од пареата од бензинот. Ова значи дека кога е инсталиран на отворено, гасот H2 брзо ќе се крева и ќе се распрснува, намалувајќи ги сите знаци на рамномерно истекување. Но, тоа може да биде меч со две острици. Може да се случи експлозија ако заварувањето треба да се изврши на надворешна инсталација над или под ветерот од истекување на H2 без студија за откривање на истекување пред заварувањето. Во затворен простор, гасот H2 може да се крева и акумулира од таванот надолу, состојба што му овозможува да се насобира во големи количини пред да биде поверојатно да дојде во контакт со извори на палење во близина на земјата.
Случаен пожар. Самопалењето е феномен во кој мешавина од гасови или пареи спонтано се пали без надворешен извор на палење. Познато е и како „спонтано согорување“ или „спонтано согорување“. Самопалењето зависи од температурата, а не од притисокот.
Температурата на самозапалување е минималната температура на која горивото спонтано ќе се запали пред палењето во отсуство на надворешен извор на палење при контакт со воздух или оксидирачки агенс. Температурата на самозапалување на еден прав е температурата на која тој спонтано се запалува во отсуство на оксидирачки агенс. Температурата на самозапалување на гасовит H2 во воздух е 585°C.
Енергијата на палење е енергијата потребна за да се иницира ширење на пламен низ запалива смеса. Минималната енергија на палење е минималната енергија потребна за да се запали одредена запалива смеса на одредена температура и притисок. Минимална енергија на палење со искра за гасовит H2 во 1 atm воздух = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Експлозивните граници се максималните и минималните концентрации на пареи, магла или прашина во воздухот или кислородот при кои се случува експлозија. Големината и геометријата на околината, како и концентрацијата на горивото, ги контролираат границите. „Граница на експлозија“ понекогаш се користи како синоним за „граница на експлозија“.
Границите на експлозивност за H2 смеси во воздух се 18,3 vol.% (долна граница) и 59 vol.% (горна граница).
При дизајнирање на цевководни системи (Слика 1), првиот чекор е да се одредат градежните материјали потребни за секој тип на течност. Секој течност ќе биде класифициран во согласност со ставот ASME B31.3. 300(b)(1) наведува: „Сопственикот е исто така одговорен за одредување на цевководите од класа D, M, висок притисок и висока чистота, како и за утврдување дали треба да се користи одреден систем за квалитет.“
Категоризацијата на флуиди го дефинира степенот на тестирање и видот на потребното тестирање, како и многу други барања врз основа на категоријата на флуидот. Одговорноста на сопственикот за ова обично паѓа на инженерскиот оддел на сопственикот или на надворешен инженер.
Иако B31.3 Процесниот Кодекс за цевки не му кажува на сопственикот кој материјал да го користи за одреден флуид, тој дава упатства за цврстината, дебелината и барањата за поврзување на материјалот. Исто така, во воведот на кодексот постојат две изјави кои јасно наведуваат:
И подетално на првиот став погоре, став Б31.3. 300(б)(1) исто така наведува: „Сопственикот на инсталацијата на цевковод е единствено одговорен за усогласување со овој Кодекс и за утврдување на барањата за проектирање, изградба, инспекција, инспекција и тестирање што го регулираат ракувањето со течности или процесот од кој цевководот е дел. Инсталација.“ Значи, откако ќе се утврдат некои основни правила за одговорност и барања за дефинирање на категориите на услуги за флуиди, да видиме каде се вклопува водородниот гас.
Бидејќи водородниот гас делува како испарлива течност со протекување, водородниот гас може да се смета за нормална течност или течност од класа М според категоријата Б31.3 за сервисирање со течности. Како што е наведено погоре, класификацијата на ракувањето со течности е услов на сопственикот, под услов да ги исполнува упатствата за избраните категории опишани во Б31.3, став 3. 300.2 Дефиниции во делот „Хидраулични услуги“. Следните се дефиниции за нормален сервис со течности и сервисирање со течности од класа М:
„Нормален сервис за флуиди: Сервисот за флуиди е применлив за повеќето цевководи што се предмет на овој код, т.е. не е предмет на прописи за класи D, M, висока температура, висок притисок или висока чистота на флуидот.“
(1) Токсичноста на течноста е толку голема што еднократното изложување на многу мала количина на течност предизвикана од истекување може да предизвика сериозна трајна повреда кај оние кои ја вдишуваат или доаѓаат во контакт со неа, дури и ако се преземат итни мерки за закрепнување.
(2) Откако ќе го разгледа дизајнот на цевководот, искуството, условите за работа и локацијата, сопственикот утврдува дека барањата за нормална употреба на флуидот не се доволни за да се обезбеди неопходна затегнатост за заштита на персоналот од изложеност.
Во горенаведената дефиниција на М, водородниот гас не ги исполнува критериумите од став (1) бидејќи не се смета за токсична течност. Сепак, со примена на подточка (2), Кодексот дозволува класификација на хидрауличните системи во класа М по соодветно разгледување на „...дизајн на цевки, искуство, услови за работа и локација...“ Сопственикот дозволува утврдување на нормално ракување со течност. Барањата се недоволни за да се задоволи потребата за повисоко ниво на интегритет во дизајнот, изградбата, инспекцијата, инспекцијата и тестирањето на цевководните системи за водороден гас.
Ве молиме погледнете ја Табела 1 пред да дискутирате за корозија на водород на висока температура (HTHA). Кодовите, стандардите и регулативите се наведени во оваа табела, која вклучува шест документи на тема водородна кршливост (HE), честа аномалија на корозија што ја вклучува и HTHA. OH може да се појави на ниски и високи температури. Сметајќи се за форма на корозија, може да се иницира на неколку начини и да влијае на широк спектар на материјали.
HE има различни форми, кои можат да се поделат на водородно пукање (HAC), пукање поради водородно стресирање (HSC), пукање поради стресна корозија (SCC), пукање поради водородна корозија (HACC), меурчиња од водород (HB), пукање поради водород (HIC). )), пукање поради водородно стресирање (SOHIC), прогресивно пукање (SWC), пукање поради стресирање на сулфид (SSC), пукање поради мека зона (SZC) и корозија поради водород на висока температура (HTHA).
Во својата наједноставна форма, водородната кршливост е механизам за уништување на границите на металните зрна, што резултира со намалена еластичност поради пенетрацијата на атомскиот водород. Начините на кои ова се случува се различни и делумно се дефинирани од нивните соодветни имиња, како што се HTHA, каде што за кршливост е потребен истовремено водород на висока температура и висок притисок, и SSC, каде што атомскиот водород се произведува како затворени гасови, а водородот поради киселинска корозија, тие навлегуваат во металните куќишта, што може да доведе до кршливост. Но, целокупниот резултат е ист како и за сите случаи на водородна кршливост опишани погоре, каде што цврстината на металот е намалена поради кршливост под дозволениот опсег на напрегање, што пак ја поставува основата за потенцијално катастрофален настан со оглед на испарливоста на течноста.
Покрај дебелината на ѕидот и механичките перформанси на спојот, постојат два главни фактори што треба да се земат предвид при изборот на материјали за услуга со H2 гас: 1. Изложеност на водород на висока температура (HTHA) и 2. Сериозни загрижености за потенцијално истекување. Двете теми се моментално во фаза на дискусија.
За разлика од молекуларниот водород, атомскиот водород може да се прошири, изложувајќи го водородот на високи температури и притисоци, создавајќи основа за потенцијален HTHA. Под овие услови, атомскиот водород е способен да дифундира во материјали или опрема од јаглероден челик за цевки, каде што реагира со јаглерод во метален раствор за да формира метан гас на границите на зрната. Не можејќи да излезе, гасот се шири, создавајќи пукнатини и вдлабнатини во ѕидовите на цевките или садовите - ова е HTGA. Јасно можете да ги видите резултатите од HTHA на Слика 2 каде што пукнатините и расцепите се очигледни во ѕидот од 8 инчи. Делот од цевката со номинална големина (NPS) што откажува под овие услови.
Јаглеродниот челик може да се користи за водородно работење кога работната температура се одржува под 500°F. Како што споменавме погоре, HTHA се јавува кога водородниот гас се одржува на висок парцијален притисок и висока температура. Јаглеродниот челик не се препорачува кога се очекува парцијалниот притисок на водородот да биде околу 3000 psi и температурата е над околу 450°F (што е состојбата на несреќата на Слика 2).
Како што може да се види од изменетиот Нелсон дијаграм на Слика 3, делумно земен од API 941, високата температура има најголем ефект врз водородното форсирање. Парцијалниот притисок на водородниот гас може да надмине 1000 psi кога се користи со јаглеродни челици кои работат на температури до 500°F.
Слика 3. Оваа модифициран Нелсонов дијаграм (адаптирана од API 941) може да се користи за избор на соодветни материјали за водородно работење на различни температури.
На сл. 3 е прикажан изборот на челици кои гарантирано избегнуваат напад на водород, во зависност од работната температура и парцијалниот притисок на водородот. Аустенитните не'рѓосувачки челици се нечувствителни на HTHA и се задоволителни материјали на сите температури и притисоци.
Аустенитскиот нерѓосувачки челик 316/316L е најпрактичниот материјал за апликации со водород и има докажана евиденција. Иако термичката обработка по заварувањето (PWHT) се препорачува за јаглеродни челици за калцинирање на преостанатиот водород за време на заварувањето и намалување на тврдоста на зоната погодена од топлина (HAZ) по заварувањето, таа не е потребна за аустенитни нерѓосувачки челици.
Термотермалните ефекти предизвикани од термичката обработка и заварувањето имаат мал ефект врз механичките својства на аустенитските нерѓосувачки челици. Сепак, ладната обработка може да ги подобри механичките својства на аустенитските нерѓосувачки челици, како што се цврстината и тврдоста. При свиткување и формирање цевки од аустенитен нерѓосувачки челик, нивните механички својства се менуваат, вклучително и намалувањето на пластичноста на материјалот.
Доколку аустенитскиот не'рѓосувачки челик бара ладно обликување, жарењето во раствор (загревање до приближно 1045°C проследено со гаснење или брзо ладење) ќе ги врати механичките својства на материјалот на нивните оригинални вредности. Исто така, ќе ја елиминира сегрегацијата на легурата, сензибилизацијата и сигма фазата што се постигнуваат по ладното обработување. При вршење на жарење во раствор, имајте предвид дека брзото ладење може да предизвика преостанат стрес назад во материјалот доколку не се ракува правилно.
Погледнете ги табелите GR-2.1.1-1 Индекс на спецификација на материјал за цевки и склопови на цевки и GR-2.1.1-2 Индекс на спецификација на материјал за цевки во ASME B31 за прифатлив избор на материјали за H2 услугата. Цевките се добро место за почеток.
Со стандардна атомска тежина од 1,008 атомски масени единици (amu), водородот е најлесниот и најмал елемент во периодниот систем и затоа има голема склоност кон истекување, со потенцијално катастрофални последици, би додал. Затоа, системот на гасоводи мора да биде дизајниран на таков начин што ќе ги ограничи врските од механички тип и ќе ги подобри оние врски што се навистина потребни.
При ограничување на потенцијалните точки на истекување, системот треба да биде целосно заварен, освен за прирабничките врски на опремата, цевководните елементи и фитинзите. Навојните врски треба да се избегнуваат колку што е можно повеќе, ако не и целосно. Ако навојните врски не можат да се избегнат од која било причина, се препорачува целосно да се затегнат без средство за заптивање на навој, а потоа да се запечати заварот. Кога се користат цевки од јаглероден челик, спојките на цевките мора да бидат заварени со челно заварување и термички обработени по заварувањето (PWHT). По заварувањето, цевките во зоната погодена од топлина (HAZ) се изложени на водороден напад дури и на собна температура. Додека водородниот напад се јавува првенствено на високи температури, фазата PWHT целосно ќе ја намали, ако не и ќе ја елиминира, оваа можност дури и во собни услови.
Слабата точка на целосно заварениот систем е прирабничкото поврзување. За да се обезбеди висок степен на затегнатост во прирабничките поврзувања, треба да се користат Kammprofile дихтунзи (сл. 4) или друга форма на дихтунзи. Направена на речиси ист начин од неколку производители, оваа подлога е многу толерантна. Се состои од забирани целосно метални прстени сместени помеѓу меки, деформабилни материјали за заптивање. Забите го концентрираат оптоварувањето на завртката во помала површина за да обезбедат цврсто прилепување со помалку напрегање. Дизајнирана е на таков начин што може да ги компензира нерамните површини на прирабницата, како и флуктуирачките услови на работа.
Слика 4. Дихтунзите Kammprofile имаат метално јадро споено од двете страни со мек филер.
Друг важен фактор во интегритетот на системот е вентилот. Протекувањата околу заптивката на стеблото и прирабниците на телото се вистински проблем. За да се спречи ова, се препорачува да се избере вентил со мех-заптивка.
Користете цевка од јаглероден челик School 80 од 1 инч, во нашиот пример подолу, со оглед на производствените толеранции, корозија и механички толеранции во согласност со ASTM A106 Gr B, максималниот дозволен работен притисок (MAWP) може да се пресмета во два чекора на температури до 300°F (Забелешка: Причината за „...за температури до 300ºF...“ е затоа што дозволениот напон (S) на материјалот ASTM A106 Gr B почнува да се влошува кога температурата надминува 300ºF.(S), па затоа равенката (1) бара прилагодување на температури над 300ºF.)
Според формулата (1), првиот чекор е да се пресмета теоретскиот притисок на пукање на цевководот.
T = дебелина на ѕидот на цевката минус механички, корозивни и производствени толеранции, во инчи.
Вториот дел од процесот е да се пресмета максималниот дозволен работен притисок Pa на цевководот со примена на факторот на безбедност S f на резултатот P според равенката (2):
Според тоа, кога се користи материјал од 1″ School 80, притисокот на пукање се пресметува на следниов начин:
Потоа се применува безбедносен Sf од 4 во согласност со Препораките за садови под притисок на ASME, дел VIII-1 2019, став 8. UG-101 се пресметува на следниов начин:
Добиената вредност на MAWP е 810 psi. инчи и се однесува само на цевката. Прирабничката врска или компонентата со најнизок номинален притисок во системот ќе биде одлучувачки фактор при одредувањето на дозволениот притисок во системот.
Според ASME B16.5, максималниот дозволен работен притисок за прирабнички фитинзи од јаглероден челик 150 е 285 psi. инчи на температура од -20°F до 100°F. Класата 300 има максимален дозволен работен притисок од 740 psi. Ова ќе биде факторот на ограничување на притисокот на системот според примерот за спецификација на материјалот подолу. Исто така, само при хидростатски тестови, овие вредности можат да надминат 1,5 пати.
Како пример за основна спецификација на материјал од јаглероден челик, спецификацијата на линијата за гас H2 што работи на собна температура под проектен притисок од 740 psi. инчи, може да ги содржи барањата за материјали прикажани во Табела 2. Следните се типови на кои може да им се посвети внимание за да бидат вклучени во спецификацијата:
Освен самите цевки, постојат многу елементи што го сочинуваат системот на цевки, како што се фитинзи, вентили, опрема за линии итн. Иако многу од овие елементи ќе бидат составени во цевковод за да се разгледаат детално, ова ќе бара повеќе страници отколку што може да се смести. Оваа статија.