W niniejszym przeglądzie przedstawiono zalecenia dotyczące bezpiecznego projektowania systemów rurociągowych do dystrybucji wodoru.
Wodór jest wysoce lotną cieczą o dużej tendencji do wycieków. Jest to bardzo niebezpieczna i śmiertelna kombinacja tendencji, lotna ciecz, którą trudno kontrolować. Są to trendy, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiałów, uszczelek i uszczelnień, a także cech konstrukcyjnych takich systemów. Tematy dotyczące dystrybucji gazowego H2 są przedmiotem tej dyskusji, a nie produkcji H2, ciekłego H2 lub ciekłego H2 (patrz prawy pasek boczny).
Oto kilka kluczowych punktów, które pomogą Ci zrozumieć mieszankę wodoru i H2-powietrza. Wodór pali się na dwa sposoby: deflagracja i wybuch.
deflagracja. Deflagracja to powszechny tryb spalania, w którym płomienie przemieszczają się przez mieszankę z prędkością poddźwiękową. Dzieje się tak na przykład, gdy wolna chmura mieszanki wodoru i powietrza zostaje zapalona przez małe źródło zapłonu. W takim przypadku płomień będzie się poruszał z prędkością od dziesięciu do kilkuset stóp na sekundę. Szybkie rozszerzanie się gorącego gazu tworzy fale ciśnienia, których siła jest proporcjonalna do rozmiaru chmury. W niektórych przypadkach siła fali uderzeniowej może być wystarczająca, aby uszkodzić konstrukcje budynków i inne obiekty na swojej drodze i spowodować obrażenia.
eksplodować. Kiedy wybuchł, płomienie i fale uderzeniowe przemieszczały się przez mieszaninę z prędkością naddźwiękową. Współczynnik ciśnień w fali detonacyjnej jest znacznie większy niż w detonacji. Ze względu na zwiększoną siłę eksplozja jest bardziej niebezpieczna dla ludzi, budynków i pobliskich obiektów. Normalna deflagracja powoduje eksplozję, gdy zapala się w ograniczonej przestrzeni. W tak wąskim obszarze zapłon może być spowodowany najmniejszą ilością energii. Jednak do detonacji mieszanki wodoru z powietrzem w nieograniczonej przestrzeni wymagane jest mocniejsze źródło zapłonu.
Stosunek ciśnień w poprzek fali detonacyjnej w mieszance wodoru i powietrza wynosi około 20. Przy ciśnieniu atmosferycznym stosunek 20 wynosi 300 psi. Gdy ta fala ciśnienia zderzy się ze stacjonarnym obiektem, stosunek ciśnień wzrasta do 40-60. Jest to spowodowane odbiciem fali ciśnienia od stacjonarnej przeszkody.
Tendencja do przeciekania. Ze względu na niską lepkość i niską masę cząsteczkową gaz H2 ma dużą tendencję do przeciekania, a nawet przenikania lub penetrowania różnych materiałów.
Wodór jest 8 razy lżejszy od gazu ziemnego, 14 razy lżejszy od powietrza, 22 razy lżejszy od propanu i 57 razy lżejszy od pary benzyny. Oznacza to, że po zainstalowaniu na zewnątrz gaz H2 szybko uniesie się i rozproszy, zmniejszając wszelkie oznaki wycieków. Może to być jednak miecz obosieczny. Może dojść do wybuchu, jeśli spawanie ma być wykonywane na instalacji zewnętrznej powyżej lub po zawietrznej od wycieku H2 bez badania wykrywającego wycieki przed spawaniem. W zamkniętej przestrzeni gaz H2 może unosić się i gromadzić od sufitu w dół, co pozwala mu na gromadzenie się do dużych objętości, zanim będzie bardziej prawdopodobne, że wejdzie w kontakt ze źródłami zapłonu w pobliżu ziemi.
Przypadkowy pożar. Samozapłon to zjawisko, w którym mieszanina gazów lub par zapala się samoistnie bez zewnętrznego źródła zapłonu. Znane jest również jako „samozapłon” lub „samozapłon”. Samozapłon zależy od temperatury, a nie ciśnienia.
Temperatura samozapłonu to minimalna temperatura, w której paliwo samozapłonie przed zapłonem w przypadku braku zewnętrznego źródła zapłonu po kontakcie z powietrzem lub środkiem utleniającym. Temperatura samozapłonu pojedynczego proszku to temperatura, w której samozapłon następuje w przypadku braku środka utleniającego. Temperatura samozapłonu gazowego H2 w powietrzu wynosi 585°C.
Energia zapłonu to energia wymagana do zainicjowania rozprzestrzeniania się płomienia przez mieszankę palną. Minimalna energia zapłonu to minimalna energia wymagana do zapalenia określonej mieszanki palnej w określonej temperaturze i ciśnieniu. Minimalna energia zapłonu iskry dla gazowego H2 w 1 atm powietrza = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Granice wybuchowości to maksymalne i minimalne stężenia par, mgieł lub pyłów w powietrzu lub tlenie, przy których następuje wybuch. Wielkość i geometria środowiska, a także stężenie paliwa kontrolują granice. „Granica wybuchowości” jest czasami używana jako synonim „granicy wybuchowości”.
Granice wybuchowości mieszanin H2 w powietrzu wynoszą 18,3% obj. (granica dolna) i 59% obj. (granica górna).
Podczas projektowania systemów rurociągowych (rysunek 1) pierwszym krokiem jest określenie materiałów budowlanych potrzebnych dla każdego rodzaju cieczy. Każda ciecz będzie klasyfikowana zgodnie z paragrafem ASME B31.3. Paragraf 300(b)(1) stanowi, że „właściciel jest również odpowiedzialny za określenie klasy D, M, wysokiego ciśnienia i wysokiej czystości rurociągów oraz za określenie, czy należy zastosować konkretny system jakości”.
Kategoryzacja płynów definiuje stopień testowania i rodzaj wymaganego testowania, a także wiele innych wymagań opartych na kategorii płynów. Odpowiedzialność właściciela za to zwykle spada na dział inżynieryjny właściciela lub zewnętrznego inżyniera.
Chociaż B31.3 Process Piping Code nie mówi właścicielowi, jakiego materiału użyć do konkretnego płynu, to jednak zawiera wskazówki dotyczące wytrzymałości, grubości i wymagań dotyczących połączeń materiałowych. We wstępie do kodeksu znajdują się również dwa oświadczenia, które wyraźnie stwierdzają:
I rozwiń pierwszy akapit powyżej, akapit B31.3. 300(b)(1) stanowi również: „Właściciel instalacji rurociągu ponosi wyłączną odpowiedzialność za przestrzeganie niniejszego Kodeksu i za ustanowienie wymagań dotyczących projektowania, budowy, inspekcji, kontroli i testowania, regulujących wszelkie przetwarzanie płynów lub procesy, których częścią jest rurociąg. Instalacja.” Tak więc po ustaleniu kilku podstawowych zasad dotyczących odpowiedzialności i wymagań dotyczących definiowania kategorii usług płynnych, zobaczmy, gdzie pasuje wodór gazowy.
Ponieważ gaz wodorowy działa jako lotna ciecz z wyciekami, gaz wodorowy można uznać za normalną ciecz lub ciecz klasy M w kategorii B31.3 dla obsługi cieczy. Jak wspomniano powyżej, klasyfikacja obsługi cieczy jest wymogiem właściciela, pod warunkiem, że spełnia wytyczne dla wybranych kategorii opisanych w B31.3, paragraf 3. 300.2 Definicje w sekcji „Usługi hydrauliczne”. Poniżej przedstawiono definicje dla normalnej obsługi cieczy i obsługi cieczy klasy M:
„Normalna obsługa płynów: Obsługa płynów stosowana w przypadku większości rurociągów podlegających temu kodeksowi, tj. niepodlegająca przepisom dotyczącym klas D, M, wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia lub wysokiej czystości płynów.
(1) Toksyczność płynu jest tak duża, że ​​jednorazowe narażenie na bardzo małą ilość płynu spowodowaną wyciekiem może spowodować poważne i trwałe obrażenia u osób, które go wdychają lub wejdą z nim w kontakt, nawet jeśli zostaną podjęte natychmiastowe środki zaradcze.
(2) Po rozważeniu konstrukcji rurociągu, doświadczenia, warunków eksploatacji i lokalizacji właściciel ustala, że ​​wymagania dotyczące normalnego użytkowania płynu nie są wystarczające, aby zapewnić szczelność niezbędną do ochrony personelu przed narażeniem.
W powyższej definicji M, gaz wodorowy nie spełnia kryteriów ust. (1), ponieważ nie jest uważany za ciecz toksyczną. Jednakże, stosując podpunkt (2), Kodeks zezwala na klasyfikację układów hydraulicznych w klasie M po należytym rozważeniu „…projektu rurociągów, doświadczenia, warunków pracy i lokalizacji…” Właściciel zezwala na określenie normalnego postępowania z płynem. Wymagania są niewystarczające, aby spełnić potrzebę wyższego poziomu integralności w projektowaniu, budowie, inspekcji, kontroli i testowaniu układów rurociągów gazu wodorowego.
Przed omówieniem korozji wodorowej w wysokiej temperaturze (HTHA) zapoznaj się z Tabelą 1. W tej tabeli wymieniono kody, normy i przepisy, które obejmują sześć dokumentów na temat kruchości wodorowej (HE), powszechnej anomalii korozyjnej obejmującej HTHA. OH może występować w niskich i wysokich temperaturach. Uważana za formę korozji, może być inicjowana na kilka sposobów i wpływać również na szeroką gamę materiałów.
HE występuje w różnych postaciach, które można podzielić na pękanie wodorowe (HAC), pękanie naprężeniowe wodorowe (HSC), pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC), pękanie korozyjne wodorowe (HACC), pęcherzykowanie wodoru (HB), pękanie wodorowe (HIC). )), pękanie wodorowe zorientowane na naprężenie (SOHIC), pękanie postępujące (SWC), pękanie naprężeniowe siarczkowe (SSC), pękanie w strefie miękkiej (SZC) i korozję wodorową w wysokiej temperaturze (HTHA).
W najprostszej formie kruchość wodorowa jest mechanizmem niszczenia granic ziaren metalu, co skutkuje zmniejszoną ciągliwością z powodu penetracji wodoru atomowego. Sposoby, w jakie to następuje, są różne i częściowo zdefiniowane przez ich odpowiednie nazwy, takie jak HTHA, gdzie do kruchości potrzebny jest jednocześnie wodór o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu, oraz SSC, gdzie wodór atomowy jest wytwarzany jako zamknięte gazy i wodór. z powodu korozji kwasowej, przedostają się do obudów metalowych, co może prowadzić do kruchości. Jednak ogólny wynik jest taki sam, jak we wszystkich przypadkach kruchości wodorowej opisanych powyżej, gdzie wytrzymałość metalu jest zmniejszona przez kruchość poniżej dopuszczalnego zakresu naprężeń, co z kolei przygotowuje grunt pod potencjalnie katastrofalne zdarzenie, biorąc pod uwagę lotność cieczy.
Oprócz grubości ścianki i wydajności połączeń mechanicznych, istnieją dwa główne czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiałów do obsługi gazu H2: 1. Narażenie na działanie wodoru o wysokiej temperaturze (HTHA) i 2. Poważne obawy dotyczące potencjalnego wycieku. Oba tematy są obecnie przedmiotem dyskusji.
W przeciwieństwie do wodoru cząsteczkowego, wodór atomowy może się rozprężać, wystawiając wodór na działanie wysokich temperatur i ciśnień, tworząc podstawę potencjalnego HTHA. W tych warunkach wodór atomowy może dyfundować do materiałów rurowych lub urządzeń ze stali węglowej, gdzie reaguje z węglem w roztworze metalicznym, tworząc gaz metanowy na granicach ziaren. Nie mogąc uciec, gaz się rozpręża, tworząc pęknięcia i szczeliny w ścianach rur lub naczyń – to jest HTGA. Wyniki HTHA można wyraźnie zobaczyć na rysunku 2, gdzie pęknięcia i szczeliny są widoczne w ścianie 8″. Część rury o nominalnym rozmiarze (NPS), która ulega uszkodzeniu w tych warunkach.
Stal węglowa może być używana do obsługi wodoru, gdy temperatura robocza jest utrzymywana poniżej 500°F. Jak wspomniano powyżej, HTHA występuje, gdy gaz wodorowy jest utrzymywany pod wysokim ciśnieniem parcjalnym i wysoką temperaturą. Stal węglowa nie jest zalecana, gdy spodziewane ciśnienie parcjalne wodoru wynosi około 3000 psi, a temperatura przekracza około 450°F (co jest stanem awaryjnym na rysunku 2).
Jak widać na zmodyfikowanym wykresie Nelsona na rysunku 3, częściowo zaczerpniętym z API 941, wysoka temperatura ma największy wpływ na wymuszanie wodoru. Ciśnienie parcjalne wodoru może przekroczyć 1000 psi, gdy jest stosowany ze stalami węglowymi pracującymi w temperaturach do 500°F.
Rysunek 3. Zmodyfikowany wykres Nelsona (opracowany na podstawie normy API 941) można wykorzystać do doboru odpowiednich materiałów do pracy z wodorem w różnych temperaturach.
Na rys. 3 przedstawiono wybór stali, które gwarantują uniknięcie ataku wodoru, w zależności od temperatury roboczej i ciśnienia parcjalnego wodoru. Stale nierdzewne austenityczne są niewrażliwe na HTHA i są zadowalającymi materiałami we wszystkich temperaturach i ciśnieniach.
Austenityczna stal nierdzewna 316/316L jest najbardziej praktycznym materiałem do zastosowań wodorowych i ma udokumentowaną historię. Podczas gdy obróbka cieplna po spawaniu (PWHT) jest zalecana dla stali węglowych w celu kalcynacji resztkowego wodoru podczas spawania i zmniejszenia twardości strefy wpływu ciepła (HAZ) po spawaniu, nie jest ona wymagana w przypadku austenitycznych stali nierdzewnych.
Efekty termotermiczne wywołane obróbką cieplną i spawaniem mają niewielki wpływ na właściwości mechaniczne stali nierdzewnych austenitycznych. Jednak obróbka na zimno może poprawić właściwości mechaniczne stali nierdzewnych austenitycznych, takie jak wytrzymałość i twardość. Podczas gięcia i formowania rur ze stali nierdzewnej austenitycznej zmieniają się ich właściwości mechaniczne, w tym zmniejsza się plastyczność materiału.
Jeśli austenityczna stal nierdzewna wymaga formowania na zimno, wyżarzanie rozpuszczające (ogrzewanie do około 1045°C, a następnie hartowanie lub szybkie chłodzenie) przywróci pierwotne właściwości mechaniczne materiału. Wyeliminuje również segregację stopu, sensytyzację i fazę sigma powstałe po obróbce na zimno. Podczas wyżarzania rozpuszczającego należy pamiętać, że szybkie chłodzenie może przywrócić naprężenia szczątkowe do materiału, jeśli nie zostanie odpowiednio przeprowadzone.
Dopuszczalne wybory materiałów do pracy w środowisku H2 można znaleźć w tabelach GR-2.1.1-1 Indeks specyfikacji materiałowej rurociągów i zespołów rur oraz GR-2.1.1-2 Indeks specyfikacji materiałowej rurociągów w normie ASME B31. Rury są dobrym punktem wyjścia.
Przy standardowej masie atomowej 1,008 jednostek masy atomowej (amu) wodór jest najlżejszym i najmniejszym pierwiastkiem w układzie okresowym, a zatem ma dużą skłonność do przeciekania, co może mieć potencjalnie katastrofalne skutki, mógłbym dodać. Dlatego system gazociągów musi być zaprojektowany w taki sposób, aby ograniczyć połączenia typu mechanicznego i ulepszyć te połączenia, które są naprawdę potrzebne.
Ograniczając potencjalne punkty wycieku, system powinien być w pełni spawany, z wyjątkiem połączeń kołnierzowych na sprzęcie, elementach rurociągów i armaturze. Należy unikać połączeń gwintowanych, o ile to możliwe, jeśli nie całkowicie. Jeśli z jakiegokolwiek powodu nie można uniknąć połączeń gwintowanych, zaleca się ich pełne połączenie bez uszczelniacza gwintów, a następnie uszczelnienie spoiny. W przypadku stosowania rur ze stali węglowej złącza rurowe muszą być spawane doczołowo i poddane obróbce cieplnej po spawaniu (PWHT). Po spawaniu rury w strefie wpływu ciepła (HAZ) są narażone na atak wodoru nawet w temperaturze otoczenia. Podczas gdy atak wodoru występuje głównie w wysokich temperaturach, etap PWHT całkowicie zredukuje, jeśli nie wyeliminuje, tę możliwość nawet w warunkach otoczenia.
Słabym punktem całkowicie spawanego systemu jest połączenie kołnierzowe. Aby zapewnić wysoki stopień szczelności połączeń kołnierzowych, należy stosować uszczelki Kammprofile (rys. 4) lub inną formę uszczelek. Ta podkładka, wykonana niemal w ten sam sposób przez kilku producentów, jest bardzo wyrozumiała. Składa się z zębatych pierścieni całkowicie metalowych umieszczonych pomiędzy miękkimi, odkształcalnymi materiałami uszczelniającymi. Zęby koncentrują obciążenie śruby na mniejszym obszarze, aby zapewnić ciasne dopasowanie przy mniejszym naprężeniu. Jest zaprojektowana w taki sposób, aby mogła kompensować nierówne powierzchnie kołnierzy, a także zmienne warunki pracy.
Rysunek 4. Uszczelki Kammprofile posiadają rdzeń metalowy połączony obustronnie miękkim wypełniaczem.
Innym ważnym czynnikiem wpływającym na integralność systemu jest zawór. Wycieki wokół uszczelnienia trzpienia i kołnierzy korpusu stanowią prawdziwy problem. Aby temu zapobiec, zaleca się wybór zaworu z uszczelnieniem mieszkowym.
Użyj 1 cala. Rura ze stali węglowej 80, w naszym przykładzie poniżej, biorąc pod uwagę tolerancje produkcyjne, korozję i tolerancje mechaniczne zgodnie z ASTM A106 Gr B, maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze (MAWP) można obliczyć w dwóch krokach w temperaturach do 300°F (Uwaga: Powodem „…dla temperatur do 300ºF…” jest to, że dopuszczalne naprężenie (S) materiału ASTM A106 Gr B zaczyna się pogarszać, gdy temperatura przekracza 300ºF.(S), więc równanie (1) wymaga dostosowania do temperatur powyżej 300ºF.)
Nawiązując do wzoru (1), pierwszym krokiem jest obliczenie teoretycznego ciśnienia rozrywającego rurociąg.
T = grubość ścianki rury pomniejszona o tolerancje mechaniczne, korozyjne i produkcyjne, w calach.
Drugą częścią procesu jest obliczenie maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia roboczego Pa rurociągu poprzez zastosowanie współczynnika bezpieczeństwa S f do wyniku P zgodnie z równaniem (2):
Zatem przy użyciu materiału szkolnego 80 o grubości 1 cala ciśnienie rozrywające oblicza się w następujący sposób:
Następnie stosuje się współczynnik bezpieczeństwa Sf równy 4 zgodnie z sekcją VIII-1 z 2019 r., paragrafem 8 zaleceń dotyczących zbiorników ciśnieniowych ASME. Współczynnik UG-101 oblicza się w następujący sposób:
Wynikowa wartość MAWP wynosi 810 psi. cal odnosi się tylko do rury. Połączenie kołnierzowe lub komponent o najniższej wartości znamionowej w systemie będzie czynnikiem decydującym przy określaniu dopuszczalnego ciśnienia w systemie.
Zgodnie z normą ASME B16.5 maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze dla 150 kołnierzy ze stali węglowej wynosi 285 psi. cala przy temperaturze od -20°F do 100°F. Klasa 300 ma maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze 740 psi. Będzie to współczynnik graniczny ciśnienia systemu zgodnie z poniższym przykładem specyfikacji materiałowej. Ponadto tylko w testach hydrostatycznych wartości te mogą przekraczać 1,5 raza.
Jako przykład podstawowej specyfikacji materiałowej stali węglowej, specyfikacja linii serwisowej gazu H2 działającej w temperaturze otoczenia poniżej ciśnienia projektowego 740 psi. cali może zawierać wymagania materiałowe przedstawione w Tabeli 2. Poniżej przedstawiono typy, na które należy zwrócić uwagę, aby uwzględnić je w specyfikacji:
Oprócz samych rurociągów, istnieje wiele elementów, które składają się na system rurociągów, takich jak złączki, zawory, wyposażenie liniowe itp. Podczas gdy wiele z tych elementów zostanie połączonych w rurociąg, aby omówić je szczegółowo, będzie to wymagało więcej stron, niż można pomieścić. Ten artykuł.