Denne oversikten gir anbefalinger for sikker utforming av rørsystemer for hydrogendistribusjon.
Hydrogen er en svært flyktig væske med høy tendens til lekkasje. Det er en svært farlig og dødelig kombinasjon av tendenser, en flyktig væske som er vanskelig å kontrollere. Dette er trender å vurdere når man velger materialer, pakninger og tetninger, samt designegenskapene til slike systemer. Disse temaene om distribusjon av gassformig H2 er fokus for denne diskusjonen, ikke produksjonen av H2, flytende H2 eller flytende H2 (se høyre sidefelt).
Her er noen viktige punkter som hjelper deg å forstå blandingen av hydrogen og H2-luft. Hydrogen brenner på to måter: deflagrasjon og eksplosjon.
deflagrasjon. Deflagrasjon er en vanlig forbrenningsmåte der flammer beveger seg gjennom blandingen med subsoniske hastigheter. Dette skjer for eksempel når en fri sky av hydrogen-luft-blanding antennes av en liten tennkilde. I dette tilfellet vil flammen bevege seg med en hastighet på ti til flere hundre fot per sekund. Den raske ekspansjonen av varm gass skaper trykkbølger hvis styrke er proporsjonal med størrelsen på skyen. I noen tilfeller kan kraften fra sjokkbølgen være nok til å skade bygningskonstruksjoner og andre gjenstander i dens vei og forårsake personskade.
eksplodere. Da den eksploderte, beveget flammer og sjokkbølger seg gjennom blandingen med supersoniske hastigheter. Trykkforholdet i en detonasjonsbølge er mye større enn i en detonasjon. På grunn av den økte kraften er eksplosjonen farligere for mennesker, bygninger og gjenstander i nærheten. Normal deflagrasjon forårsaker en eksplosjon når den antennes i et begrenset rom. I et så smalt område kan antennelse forårsakes av den minste mengden energi. Men for detonasjon av en hydrogen-luft-blanding i et ubegrenset rom kreves en kraftigere tennkilde.
Trykkforholdet over detonasjonsbølgen i en hydrogen-luft-blanding er omtrent 20. Ved atmosfærisk trykk er et forhold på 20 300 psi. Når denne trykkbølgen kolliderer med et stasjonært objekt, øker trykkforholdet til 40-60. Dette skyldes refleksjonen av en trykkbølge fra en stasjonær hindring.
Tendens til lekkasje. På grunn av sin lave viskositet og lave molekylvekt har H2-gass en høy tendens til å lekke og til og med trenge gjennom eller gjennomtrenge forskjellige materialer.
Hydrogen er 8 ganger lettere enn naturgass, 14 ganger lettere enn luft, 22 ganger lettere enn propan og 57 ganger lettere enn bensindamp. Dette betyr at H2-gassen raskt vil stige opp og forsvinne når den installeres utendørs, noe som reduserer tegn på lekkasjer. Men det kan være et tveegget sverd. En eksplosjon kan oppstå hvis sveising skal utføres på en utendørs installasjon over eller med vinden fra en H2-lekkasje uten en lekkasjedeteksjonsundersøkelse før sveising. I et lukket rom kan H2-gass stige opp og samle seg fra taket og ned, en tilstand som gjør at den kan bygge seg opp til store volumer før den er mer sannsynlig å komme i kontakt med tennkilder nær bakken.
Utilsiktet brann. Selvantennelse er et fenomen der en blanding av gasser eller damper antennes spontant uten en ekstern tennkilde. Det er også kjent som «spontan forbrenning» eller «spontan forbrenning». Selvantennelse avhenger av temperatur, ikke trykk.
Selvantennelsestemperaturen er minimumstemperaturen der et brensel vil selvantennes før antennelse i fravær av en ekstern tennkilde ved kontakt med luft eller et oksidasjonsmiddel. Selvantennelsestemperaturen for et enkelt pulver er temperaturen der det selvantennes i fravær av et oksidasjonsmiddel. Selvantennelsestemperaturen for gassformig H2 i luft er 585 °C.
Tennenergien er energien som kreves for å starte spredningen av en flamme gjennom en brennbar blanding. Minimum tennenergi er minimum energien som kreves for å antenne en bestemt brennbar blanding ved en bestemt temperatur og trykk. Minimum gnisttennenergi for gassformig H2 i 1 atm luft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Eksplosjonsgrenser er maksimal- og minimumskonsentrasjonen av damper, tåke eller støv i luft eller oksygen der en eksplosjon oppstår. Størrelsen og geometrien til miljøet, samt konsentrasjonen av drivstoffet, styrer grensene. «Eksplosjonsgrense» brukes noen ganger som et synonym for «eksplosjonsgrense».
Eksplosjonsgrensene for H2-blandinger i luft er 18,3 vol.% (nedre grense) og 59 vol.% (øvre grense).
Når man designer rørsystemer (figur 1), er det første trinnet å bestemme byggematerialene som trengs for hver type væske. Og hver væske vil bli klassifisert i samsvar med ASME B31.3 avsnitt. 300(b)(1) sier: «Eieren er også ansvarlig for å bestemme rør av klasse D, M, høytrykk og høy renhet, og avgjøre om et bestemt kvalitetssystem skal brukes.»
Væskekategorisering definerer graden av testing og typen testing som kreves, samt mange andre krav basert på væskekategorien. Eierens ansvar for dette faller vanligvis på eierens ingeniøravdeling eller en ekstern ingeniør.
Selv om B31.3-prosessrørforskriften ikke forteller eieren hvilket materiale som skal brukes til en bestemt væske, gir den veiledning om styrke, tykkelse og krav til materialtilkobling. Det er også to utsagn i innledningen til forskriften som tydelig sier:
Og utdyp det første avsnittet ovenfor, avsnitt B31.3. 300(b)(1) sier også: «Eieren av et rørledningsanlegg er eneansvarlig for å overholde denne koden og for å etablere krav til design, konstruksjon, inspeksjon, inspeksjon og testing som styrer all væskehåndtering eller prosess som rørledningen er en del av. Installasjon.» Så, etter å ha fastsatt noen grunnregler for ansvar og krav for å definere væsketjenestekategorier, la oss se hvor hydrogengass passer inn.
Fordi hydrogengass fungerer som en flyktig væske med lekkasjer, kan hydrogengass betraktes som en normal væske eller en klasse M-væske under kategori B31.3 for væskebruk. Som nevnt ovenfor er klassifiseringen av væskehåndtering et krav fra eieren, forutsatt at den oppfyller retningslinjene for de valgte kategoriene beskrevet i B31.3, avsnitt 3. 300.2 Definisjoner i avsnittet «Hydrauliske tjenester». Følgende er definisjoner for normal væskebruk og klasse M-væskebruk:
«Normal væskebruk: Væskebruk som gjelder for de fleste rør som er underlagt denne koden, dvs. ikke underlagt forskrifter for klasse D, M, høy temperatur, høyt trykk eller høy væskerens.»
(1) Væskens giftighet er så stor at en enkelt eksponering for en svært liten mengde væske forårsaket av en lekkasje kan forårsake alvorlig varig skade på de som inhalerer eller kommer i kontakt med den, selv om det iverksettes umiddelbare tiltak for gjenoppretting.
(2) Etter å ha vurdert rørledningens design, erfaring, driftsforhold og plassering, fastslår eieren at kravene til normal bruk av væsken ikke er tilstrekkelige til å gi den nødvendige tettheten for å beskytte personell mot eksponering.
I definisjonen av M ovenfor oppfyller ikke hydrogengass kriteriene i avsnitt (1) fordi det ikke regnes som en giftig væske. Ved å anvende underavsnitt (2) tillater imidlertid koden klassifisering av hydrauliske systemer i klasse M etter behørig vurdering av "...rørdesign, erfaring, driftsforhold og plassering..." Eieren tillater bestemmelse av normal væskehåndtering. Kravene er ikke tilstrekkelige til å dekke behovet for et høyere integritetsnivå i design, konstruksjon, inspeksjon, inspeksjon og testing av hydrogengassrørsystemer.
Se tabell 1 før du diskuterer høytemperaturhydrogenkorrosjon (HTHA). Koder, standarder og forskrifter er listet opp i denne tabellen, som inkluderer seks dokumenter om emnet hydrogenforsprøhet (HE), en vanlig korrosjonsanomali som inkluderer HTHA. OH kan oppstå ved lave og høye temperaturer. Den regnes som en form for korrosjon, og kan initieres på flere måter og også påvirke et bredt spekter av materialer.
HE har ulike former, som kan deles inn i hydrogensprekkdannelse (HAC), hydrogenspenningssprekkdannelse (HSC), spenningskorrosjonssprekkdannelse (SCC), hydrogenkorrosjonssprekkdannelse (HACC), hydrogenbobling (HB), hydrogensprekkdannelse (HIC), spenningsorientert hydrogensprekkdannelse (SOHIC), progressiv sprekkdannelse (SWC), sulfidspenningssprekkdannelse (SSC), myk sonesprekkdannelse (SZC) og høytemperaturhydrogenkorrosjon (HTHA).
I sin enkleste form er hydrogenforsprøning en mekanisme for ødeleggelse av metallkorngrenser, noe som resulterer i redusert duktilitet på grunn av penetrering av atomært hydrogen. Måtene dette skjer på er varierte og er delvis definert av deres respektive navn, for eksempel HTHA, hvor samtidig høytemperatur- og høytrykkshydrogen er nødvendig for forsprøning, og SSC, hvor atomært hydrogen produseres som lukkede gasser og hydrogen. På grunn av syrekorrosjon siver de inn i metallkapsler, noe som kan føre til sprøhet. Men det samlede resultatet er det samme som for alle tilfeller av hydrogenforsprøning beskrevet ovenfor, hvor metallets styrke reduseres ved forsprøning under det tillatte spenningsområdet, noe som igjen legger grunnlaget for en potensielt katastrofal hendelse gitt væskens flyktighet.
I tillegg til veggtykkelse og mekanisk fugeytelse, er det to hovedfaktorer å vurdere når man velger materialer for H2-gass: 1. Eksponering for høytemperaturhydrogen (HTHA) og 2. Alvorlig bekymring for potensiell lekkasje. Begge temaene er for tiden under diskusjon.
I motsetning til molekylært hydrogen kan atomært hydrogen ekspandere, og dermed utsette hydrogenet for høye temperaturer og trykk, noe som skaper grunnlaget for potensiell HTHA. Under disse forholdene kan atomært hydrogen diffundere inn i rørmaterialer eller utstyr i karbonstål, hvor det reagerer med karbon i metallisk løsning for å danne metangass ved korngrensene. Gassen klarer ikke å slippe ut, og ekspanderer dermed og skaper sprekker og hulrom i veggene til rør eller beholdere – dette er HTGA. Du kan tydelig se HTHA-resultatene i figur 2, hvor sprekker og hulrom er tydelige i 8-tommers veggen. Den delen av rør med nominell størrelse (NPS) som svikter under disse forholdene.
Karbonstål kan brukes til hydrogenbruk når driftstemperaturen holdes under 500 °F. Som nevnt ovenfor oppstår HTHA når hydrogengass holdes ved høyt partialtrykk og høy temperatur. Karbonstål anbefales ikke når hydrogenpartialtrykket forventes å være rundt 3000 psi og temperaturen er over omtrent 450 °F (som er ulykkestilstanden i figur 2).
Som det fremgår av det modifiserte Nelson-plottet i figur 3, delvis hentet fra API 941, har høy temperatur størst effekt på hydrogenpåvirkning. Partialtrykket til hydrogengass kan overstige 1000 psi når det brukes med karbonstål som opererer ved temperaturer opptil 500 °F.
Figur 3. Dette modifiserte Nelson-diagrammet (tilpasset fra API 941) kan brukes til å velge passende materialer for hydrogenbruk ved ulike temperaturer.
Figur 3 viser valget av stål som garantert unngår hydrogenangrep, avhengig av driftstemperatur og partialtrykk for hydrogen. Austenittiske rustfrie stål er ufølsomme for HTHA og er tilfredsstillende materialer ved alle temperaturer og trykk.
Austenittisk 316/316L rustfritt stål er det mest praktiske materialet for hydrogenapplikasjoner og har dokumenterte resultater. Selv om varmebehandling etter sveising (PWHT) anbefales for karbonstål for å kalsinere gjenværende hydrogen under sveising og redusere hardheten i den varmepåvirkede sonen (HAZ) etter sveising, er det ikke nødvendig for austenittisk rustfritt stål.
Termotermiske effekter forårsaket av varmebehandling og sveising har liten effekt på de mekaniske egenskapene til austenittisk rustfritt stål. Kaldbearbeiding kan imidlertid forbedre de mekaniske egenskapene til austenittisk rustfritt stål, som styrke og hardhet. Ved bøying og forming av rør av austenittisk rustfritt stål endres deres mekaniske egenskaper, inkludert reduksjon i materialets plastisitet.
Hvis austenittisk rustfritt stål krever kaldforming, vil løsningsgløding (oppvarming til omtrent 1045 °C etterfulgt av bråkjøling eller rask avkjøling) gjenopprette materialets mekaniske egenskaper til deres opprinnelige verdier. Det vil også eliminere legeringssegregeringen, sensibiliseringen og sigmafasen som oppnås etter kaldbearbeiding. Når du utfører løsningsgløding, må du være oppmerksom på at rask avkjøling kan føre til restspenninger i materialet hvis det ikke håndteres riktig.
Se tabellene GR-2.1.1-1 Spesifikasjonsindeks for rør og slangemonteringsmaterialer og GR-2.1.1-2 Spesifikasjonsindeks for rørmaterialer i ASME B31 for akseptable materialvalg for H2-tjeneste. Rør er et godt sted å starte.
Med en standard atomvekt på 1,008 atommasseenheter (amu) er hydrogen det letteste og minste grunnstoffet i periodesystemet, og har derfor en høy tilbøyelighet til å lekke, med potensielt ødeleggende konsekvenser, må jeg legge til. Derfor må gassrørledningssystemet utformes på en slik måte at det begrenser mekaniske forbindelser og forbedrer de forbindelsene som virkelig trengs.
Når potensielle lekkasjepunkter begrenses, bør systemet helsveises, med unntak av flensforbindelser på utstyr, rørelementer og beslag. Gjengede forbindelser bør unngås så langt som mulig, om ikke helt. Hvis gjengede forbindelser av en eller annen grunn ikke kan unngås, anbefales det å feste dem helt uten gjengetetning og deretter forsegle sveisen. Ved bruk av karbonstålrør må rørskjøtene buttsveises og varmebehandles etter sveising (PWHT). Etter sveising utsettes rør i den varmepåvirkede sonen (HAZ) for hydrogenangrep selv ved omgivelsestemperatur. Selv om hydrogenangrep primært forekommer ved høye temperaturer, vil PWHT-stadiet redusere, om ikke eliminere, denne muligheten fullstendig, selv under omgivelsesforhold.
Det svake punktet ved det helsveisede systemet er flensforbindelsen. For å sikre høy grad av tetthet i flensforbindelser bør Kammprofile-pakninger (fig. 4) eller en annen form for pakninger brukes. Denne puten, som er laget på nesten samme måte av flere produsenter, er svært tilgivende. Den består av tannede helmetallringer klemt mellom myke, deformerbare tetningsmaterialer. Tennene konsentrerer boltens last på et mindre område for å gi en tett passform med mindre belastning. Den er utformet på en slik måte at den kan kompensere for ujevne flensoverflater samt svingende driftsforhold.
Figur 4. Kammprofile-pakninger har en metallkjerne bundet på begge sider med et mykt fyllstoff.
En annen viktig faktor for systemets integritet er ventilen. Lekkasjer rundt spindelpakningen og ventilhusets flenser er et reelt problem. For å forhindre dette anbefales det å velge en ventil med belgpakning.
Bruk 1 tomme. School 80 karbonstålrør, i vårt eksempel nedenfor, gitt produksjonstoleranser, korrosjon og mekaniske toleranser i samsvar med ASTM A106 Gr B, kan det maksimalt tillatte arbeidstrykket (MAWP) beregnes i to trinn ved temperaturer opptil 300 °F (Merk: Årsaken til "...for temperaturer opptil 300 ºF..." er fordi den tillatte spenningen (S) for ASTM A106 Gr B-materialet begynner å forringes når temperaturen overstiger 300 ºF. (S), så ligning (1) krever justering til temperaturer over 300 ºF.)
Med henvisning til formel (1) er det første trinnet å beregne rørledningens teoretiske sprengtrykk.
T = rørveggtykkelse minus mekaniske, korrosjons- og produksjonstoleranser, i tommer.
Den andre delen av prosessen er å beregne det maksimalt tillatte arbeidstrykket Pa for rørledningen ved å anvende sikkerhetsfaktoren S f på resultatet P i henhold til ligning (2):
Når man bruker 1″ School 80-materiale, beregnes sprengtrykket derfor som følger:
En sikkerhets-Sf på 4 påføres deretter i samsvar med ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8. UG-101 beregnet som følger:
Den resulterende MAWP-verdien er 810 psi. Tommer refererer kun til rør. Flensforbindelsen eller komponenten med lavest klassifisering i systemet vil være den avgjørende faktoren for å bestemme det tillatte trykket i systemet.
I henhold til ASME B16.5 er det maksimalt tillatte arbeidstrykket for 150 karbonstålflensbeslag 285 psi tommer ved -20°F til 100°F. Klasse 300 har et maksimalt tillatt arbeidstrykk på 740 psi. Dette vil være systemets trykkgrensefaktor i henhold til materialspesifikasjonseksemplet nedenfor. I tillegg kan disse verdiene overstige 1,5 ganger bare i hydrostatiske tester.
Som et eksempel på en grunnleggende materialspesifikasjon for karbonstål, kan en H2-gassledningsspesifikasjon som opererer ved en omgivelsestemperatur under et designtrykk på 740 psi tommer, inneholde materialkravene vist i tabell 2. Følgende er typer som kan kreve oppmerksomhet for å bli inkludert i spesifikasjonen:
Bortsett fra selve rørsystemet, er det mange elementer som utgjør rørsystemet, som fittings, ventiler, linjeutstyr osv. Selv om mange av disse elementene vil bli satt sammen i en rørledning for å diskutere dem i detalj, vil dette kreve flere sider enn det som er plass til. Denne artikkelen.