Tento prehľad poskytuje odporúčania pre bezpečný návrh potrubných systémov na distribúciu vodíka.
Vodík je vysoko prchavá kvapalina s vysokým sklonom k ​​úniku. Je to veľmi nebezpečná a smrteľná kombinácia sklonov, prchavá kvapalina, ktorú je ťažké kontrolovať. Tieto trendy treba zvážiť pri výbere materiálov, tesnení a upchávok, ako aj konštrukčných charakteristík takýchto systémov. Tieto témy o distribúcii plynného H2 sú predmetom tejto diskusie, nie výroba H2, kvapalného H2 alebo kvapalného H2 (pozri pravý bočný panel).
Tu je niekoľko kľúčových bodov, ktoré vám pomôžu pochopiť zmes vodíka a H2-vzduchu. Vodík horí dvoma spôsobmi: deflagráciou a explóziou.
deflagrácia. Deflagrácia je bežný režim horenia, pri ktorom plamene prechádzajú zmesou podzvukovou rýchlosťou. K tomu dochádza napríklad vtedy, keď sa voľný oblak zmesi vodíka a vzduchu zapáli malým zdrojom zapálenia. V tomto prípade sa plameň pohybuje rýchlosťou desať až niekoľko stoviek stôp za sekundu. Rýchla expanzia horúceho plynu vytvára tlakové vlny, ktorých sila je úmerná veľkosti oblaku. V niektorých prípadoch môže sila rázovej vlny stačiť na poškodenie stavebných konštrukcií a iných objektov v jej ceste a spôsobiť zranenie.
explodovať. Keď explodovala, plamene a rázové vlny sa šírili zmesou nadzvukovou rýchlosťou. Pomer tlakov v detonačnej vlne je oveľa väčší ako pri detonácii. Vzhľadom na zvýšenú silu je explózia nebezpečnejšia pre ľudí, budovy a blízke objekty. Normálna deflagrácia spôsobuje explóziu pri zapálení v uzavretom priestore. V takom úzkom priestore môže byť zapálenie spôsobené najmenším množstvom energie. Ale na detonáciu zmesi vodíka a vzduchu v neobmedzenom priestore je potrebný silnejší zdroj zapálenia.
Tlakový pomer naprieč detonačnou vlnou v zmesi vodíka a vzduchu je približne 20. Pri atmosférickom tlaku je pomer 20 300 psi. Keď sa táto tlaková vlna zrazí so stacionárnym objektom, tlakový pomer sa zvýši na 40 – 60. Je to spôsobené odrazom tlakovej vlny od stacionárnej prekážky.
Tendencia k úniku. Vzhľadom na svoju nízku viskozitu a nízku molekulovú hmotnosť má plynný H2 vysoký sklon k úniku a dokonca k prenikaniu alebo penetrácii rôznych materiálov.
Vodík je 8-krát ľahší ako zemný plyn, 14-krát ľahší ako vzduch, 22-krát ľahší ako propán a 57-krát ľahší ako benzínové pary. To znamená, že pri vonkajšej inštalácii sa plynný H2 rýchlo uvoľní a rozptýli, čím sa znížia akékoľvek známky únikov. Môže to však byť dvojsečná zbraň. Ak sa zváranie vykonáva na vonkajšej inštalácii nad únikom H2 alebo po vetre bez vykonania štúdie detekcie úniku pred zváraním, môže dôjsť k výbuchu. V uzavretom priestore môže plynný H2 stúpať a hromadiť sa od stropu nadol, čo mu umožňuje hromadiť sa vo veľkých objemoch skôr, ako je pravdepodobnejšie, že príde do kontaktu so zdrojmi zapálenia v blízkosti zeme.
Náhodný požiar. Samovznietenie je jav, pri ktorom sa zmes plynov alebo pár spontánne vznieti bez vonkajšieho zdroja zapálenia. Je tiež známy ako „spontánne vznietenie“ alebo „samovznietenie“. Samovznietenie závisí od teploty, nie od tlaku.
Teplota samovznietenia je minimálna teplota, pri ktorej sa palivo spontánne vznieti pred zapálením bez prítomnosti vonkajšieho zdroja zapálenia pri kontakte so vzduchom alebo oxidačným činidlom. Teplota samovznietenia jedného prášku je teplota, pri ktorej sa spontánne vznieti bez prítomnosti oxidačného činidla. Teplota samovznietenia plynného H2 vo vzduchu je 585 °C.
Energia zapálenia je energia potrebná na začatie šírenia plameňa horľavou zmesou. Minimálna energia zapálenia je minimálna energia potrebná na zapálenie konkrétnej horľavej zmesi pri určitej teplote a tlaku. Minimálna energia zapálenia iskry pre plynný H2 v 1 atm vzduchu = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Medze výbušnosti sú maximálne a minimálne koncentrácie pár, hmly alebo prachu vo vzduchu alebo kyslíku, pri ktorých dochádza k výbuchu. Tieto limity sú ovplyvnené veľkosťou a geometriou prostredia, ako aj koncentráciou paliva. „Meza výbušnosti“ sa niekedy používa ako synonymum pre „limit výbušnosti“.
Limity výbušnosti pre zmesi H2 vo vzduchu sú 18,3 obj. % (dolná hranica) a 59 obj. % (horná hranica).
Pri navrhovaní potrubných systémov (obrázok 1) je prvým krokom určenie stavebných materiálov potrebných pre každý typ kvapaliny. Každá kvapalina bude klasifikovaná v súlade s odsekom ASME B31.3. Článok 300(b)(1) uvádza: „Vlastník je tiež zodpovedný za určenie potrubia triedy D, M, vysokého tlaku a vysokej čistoty a za určenie, či by sa mal použiť konkrétny systém kvality.“
Kategorizácia tekutín definuje stupeň testovania a typ požadovaného testovania, ako aj mnoho ďalších požiadaviek na základe kategórie kvapaliny. Zodpovednosť za to zvyčajne nesie technické oddelenie vlastníka alebo externý inžinier.
Hoci predpis B31.3 o procesných potrubiach nehovorí vlastníkovi, aký materiál má použiť pre konkrétnu kvapalinu, poskytuje usmernenia týkajúce sa pevnosti, hrúbky a požiadaviek na spojenie materiálov. V úvode predpisu sú tiež dve jasne uvedené vyhlásenia:
A rozviňte prvý odsek vyššie, odsek B31.3. 300(b)(1) tiež uvádza: „Vlastník potrubného zariadenia je výlučne zodpovedný za dodržiavanie tohto kódexu a za stanovenie požiadaviek na projektovanie, výstavbu, kontrolu, inšpekciu a testovanie, ktoré upravujú všetku manipuláciu s kvapalinami alebo proces, ktorého je potrubie súčasťou. Inštalácia.“ Po stanovení niektorých základných pravidiel zodpovednosti a požiadaviek na definovanie kategórií kvapalných služieb sa teda pozrime, kam patrí plynný vodík.
Keďže plynný vodík sa správa ako prchavá kvapalina s únikmi, možno ho považovať za bežnú kvapalinu alebo kvapalinu triedy M podľa kategórie B31.3 pre kvapalnú prevádzku. Ako je uvedené vyššie, klasifikácia manipulácie s kvapalinami je požiadavkou vlastníka za predpokladu, že spĺňa pokyny pre vybrané kategórie opísané v B31.3, odsek 3. 300.2 Definície v časti „Hydraulické služby“. Nasledujú definície pre bežnú kvapalnú prevádzku a kvapalnú prevádzku triedy M:
„Normálna prevádzka s kvapalinami: Prevádzka s kvapalinami použiteľná pre väčšinu potrubí, na ktoré sa vzťahuje tento predpis, t. j. nepodlieha predpisom pre triedy D, M, vysokú teplotu, vysoký tlak alebo vysokú čistotu kvapaliny.“
(1) Toxicita kvapaliny je taká veľká, že jednorazové vystavenie veľmi malému množstvu kvapaliny spôsobenému únikom môže spôsobiť vážne trvalé zranenie tým, ktorí ju vdýchnu alebo s ňou prídu do kontaktu, a to aj v prípade, že sa prijmú okamžité záchranné opatrenia.
(2) Po zvážení návrhu potrubia, skúseností, prevádzkových podmienok a umiestnenia vlastník rozhodne, že požiadavky na bežné používanie kvapaliny nie sú dostatočné na zabezpečenie tesnosti potrebnej na ochranu personálu pred vystavením.“
Vo vyššie uvedenej definícii M plynný vodík nespĺňa kritériá odseku (1), pretože sa nepovažuje za toxickú kvapalinu. Avšak uplatnením pododseku (2) kódex povoľuje klasifikáciu hydraulických systémov v triede M po riadnom zvážení „...konštrukcie potrubia, skúseností, prevádzkových podmienok a umiestnenia...“. Vlastník povoľuje určenie bežnej manipulácie s kvapalinou. Požiadavky nie sú dostatočné na splnenie potreby vyššej úrovne integrity pri návrhu, konštrukcii, kontrole, prehliadke a testovaní potrubných systémov pre plynný vodík.
Pred diskusiou o vodíkovej korózii pri vysokých teplotách (HTHA) si pozrite tabuľku 1. V tejto tabuľke sú uvedené predpisy, normy a predpisy, ktoré obsahujú šesť dokumentov na tému vodíkového krehnutia (HE), čo je bežná anomália korózie, ktorá zahŕňa HTHA. OH sa môže vyskytovať pri nízkych aj vysokých teplotách. Považuje sa za formu korózie, môže byť iniciovaná niekoľkými spôsobmi a môže ovplyvniť aj širokú škálu materiálov.
HE má rôzne formy, ktoré možno rozdeliť na vodíkové praskanie (HAC), vodíkové praskanie v dôsledku napätia (HSC), praskanie v dôsledku korózie v dôsledku napätia (SCC), vodíkové korózne praskanie (HACC), bublanie vodíka (HB), vodíkové praskanie (HIC).), vodíkové praskanie orientované na napätie (SOHIC), progresívne praskanie (SWC), sulfidové praskanie v dôsledku napätia (SSC), praskanie v dôsledku mäkkej zóny (SZC) a vodíkovú koróziu pri vysokých teplotách (HTHA).
Vo svojej najjednoduchšej forme je vodíkové krehnutie mechanizmom na zničenie hraníc kovových zŕn, čo vedie k zníženej ťažnosti v dôsledku prenikania atómového vodíka. Spôsoby, akými k tomu dochádza, sú rôzne a čiastočne sú definované ich príslušnými názvami, ako napríklad HTHA, kde je na krehnutie potrebný súčasný vodík pri vysokej teplote a vysokom tlaku, a SSC, kde sa atómový vodík vytvára ako uzavreté plyny a vodík. V dôsledku kyslej korózie prenikajú do kovových puzdier, čo môže viesť ku krehkosti. Celkový výsledok je však rovnaký ako vo všetkých vyššie opísaných prípadoch vodíkového krehnutia, kde sa pevnosť kovu znižuje krehnutím pod jeho povolený rozsah napätia, čo zase vytvára podmienky pre potenciálne katastrofickú udalosť vzhľadom na prchavosť kvapaliny.
Okrem hrúbky steny a mechanických vlastností spoja existujú dva hlavné faktory, ktoré treba pri výbere materiálov pre plynný H2 zvážiť: 1. Vystavenie vysokoteplotnému vodíku (HTHA) a 2. Vážne obavy z možného úniku. Obe témy sú v súčasnosti predmetom diskusie.
Na rozdiel od molekulárneho vodíka sa atómový vodík môže rozpínať a vystavovať ho vysokým teplotám a tlakom, čím vytvára základ pre potenciálnu vysokotlakovú tepelnú stabilizáciu (HTHA). Za týchto podmienok je atómový vodík schopný difundovať do materiálov alebo zariadení z uhlíkovej ocele, kde reaguje s uhlíkom v kovovom roztoku za vzniku metánu na hraniciach zŕn. Keďže plyn nemôže uniknúť, rozpína ​​sa a vytvára praskliny a štrbiny v stenách potrubí alebo nádob – toto je HTGA. Výsledky HTHA môžete jasne vidieť na obrázku 2, kde sú praskliny a trhliny zrejmé v stene 8″. Časť potrubia s menovitou veľkosťou (NPS), ktorá za týchto podmienok poruší.
Uhlíková oceľ sa môže použiť na prevádzku s vodíkom, ak sa prevádzková teplota udržiava pod 500 °F. Ako už bolo uvedené, k vysokotlakovej tepelnej výmene (HTHA) dochádza, keď sa plynný vodík udržiava pri vysokom parciálnom tlaku a vysokej teplote. Uhlíková oceľ sa neodporúča, ak sa očakáva parciálny tlak vodíka okolo 3000 psi a teplota je nad približne 450 °F (čo je havarijný stav na obrázku 2).
Ako je vidieť z upraveného Nelsonovho grafu na obrázku 3, čiastočne prevzatého z API 941, vysoká teplota má najväčší vplyv na pôsobenie vodíka. Parciálny tlak plynného vodíka môže prekročiť 1000 psi, ak sa použije s uhlíkovými oceľami pracujúcimi pri teplotách do 500 °F.
Obrázok 3. Tento upravený Nelsonov diagram (upravený z API 941) sa môže použiť na výber vhodných materiálov pre vodíkovú prevádzku pri rôznych teplotách.
Na obr. 3 je znázornený výber ocelí, u ktorých je zaručené, že sa vyhnú pôsobeniu vodíka v závislosti od prevádzkovej teploty a parciálneho tlaku vodíka. Austenitické nehrdzavejúce ocele sú necitlivé na HTHA a sú uspokojivými materiálmi pri všetkých teplotách a tlakoch.
Austenitická nehrdzavejúca oceľ 316/316L je najpraktickejším materiálom pre vodíkové aplikácie a má preukázateľné výsledky. Zatiaľ čo tepelné spracovanie po zváraní (PWHT) sa odporúča pre uhlíkové ocele na kalcináciu zvyškového vodíka počas zvárania a zníženie tvrdosti tepelne ovplyvnenej zóny (HAZ) po zváraní, pre austenitické nehrdzavejúce ocele sa nevyžaduje.
Termotermické účinky spôsobené tepelným spracovaním a zváraním majú malý vplyv na mechanické vlastnosti austenitických nehrdzavejúcich ocelí. Tvárnenie za studena však môže zlepšiť mechanické vlastnosti austenitických nehrdzavejúcich ocelí, ako je pevnosť a tvrdosť. Pri ohýbaní a tvarovaní rúr z austenitickej nehrdzavejúcej ocele sa ich mechanické vlastnosti menia vrátane zníženia plasticity materiálu.
Ak austenitická nehrdzavejúca oceľ vyžaduje tvárnenie za studena, žíhanie v roztoku (zahriatie na približne 1045 °C s následným kalením alebo rýchlym ochladením) obnoví mechanické vlastnosti materiálu na ich pôvodné hodnoty. Taktiež sa eliminuje segregácia zliatiny, senzibilizácia a sigma fáza dosiahnutá po tvárnení za studena. Pri žíhaní v roztoku si uvedomte, že rýchle ochladenie môže pri nesprávnom zaobchádzaní spôsobiť opätovné vytvorenie zvyškového napätia v materiáli.
Prijateľný výber materiálov pre prevádzku H2 nájdete v tabuľkách GR-2.1.1-1 Index špecifikácií materiálov potrubí a rúrok a GR-2.1.1-2 Index špecifikácií materiálov potrubí v norme ASME B31. Dobrým východiskovým bodom sú rúry.
So štandardnou atómovou hmotnosťou 1,008 atómových hmotnostných jednotiek (amu) je vodík najľahším a najmenším prvkom v periodickej tabuľke, a preto má vysoký sklon k úniku, čo môže mať potenciálne ničivé následky, musím dodať. Preto musí byť systém plynovodov navrhnutý tak, aby sa obmedzili mechanické spoje a zlepšili tie spoje, ktoré sú skutočne potrebné.
Pri obmedzovaní potenciálnych miest úniku by mal byť systém úplne zvarený, s výnimkou prírubových spojov na zariadeniach, potrubných prvkoch a tvarovkách. Závitovým spojom by sa malo čo najviac, ak nie úplne, vyhnúť. Ak sa závitovým spojom z akéhokoľvek dôvodu nedá vyhnúť, odporúča sa ich úplne zasunúť bez tmelu na závity a potom utesniť zvar. Pri použití rúr z uhlíkovej ocele musia byť spoje rúr tupým zvarením a po zváraní tepelne upravené (PWHT). Po zváraní sú rúry v tepelne ovplyvnenej zóne (HAZ) vystavené pôsobeniu vodíka aj pri okolitej teplote. Zatiaľ čo k pôsobeniu vodíka dochádza predovšetkým pri vysokých teplotách, fáza PWHT túto možnosť úplne zníži, ak nie úplne eliminuje, a to aj za okolitých podmienok.
Slabou stránkou celozváraného systému je prírubový spoj. Na zabezpečenie vysokého stupňa tesnosti prírubových spojov by sa mali použiť tesnenia Kammprofile (obr. 4) alebo iný typ tesnenia. Táto podložka, vyrobená takmer rovnakým spôsobom niekoľkými výrobcami, je veľmi tolerantná. Pozostáva z ozubených celokovových krúžkov vložených medzi mäkké, deformovateľné tesniace materiály. Zuby sústreďujú zaťaženie skrutky na menšiu plochu, aby sa zabezpečilo tesné uloženie s menším namáhaním. Je navrhnutá tak, aby dokázala kompenzovať nerovné povrchy prírub, ako aj kolísavé prevádzkové podmienky.
Obrázok 4. Tesnenia Kammprofile majú kovové jadro spojené na oboch stranách mäkkou výplňou.
Ďalším dôležitým faktorom integrity systému je ventil. Netesnosti okolo tesnenia vretena a prírub tela predstavujú skutočný problém. Aby sa tomu predišlo, odporúča sa vybrať ventil s vlnovcovým tesnením.
Použite 1 palec. V našom príklade nižšie použite rúru z uhlíkovej ocele School 80, pri daných výrobných toleranciách, toleranciách korózie a mechanických toleranciách v súlade s normou ASTM A106 Gr B, maximálny povolený pracovný tlak (MAWP) sa môže vypočítať v dvoch krokoch pri teplotách do 300 °F (Poznámka: Dôvodom pre „…pre teploty do 300 °F…“ je to, že povolené napätie (S) materiálu ASTM A106 Gr B sa začína zhoršovať, keď teplota prekročí 300 °F (S), takže rovnica (1) vyžaduje úpravu na teploty nad 300 °F.)
Podľa vzorca (1) je prvým krokom výpočet teoretického tlaku prasknutia potrubia.
T = hrúbka steny potrubia mínus mechanické, korózne a výrobné tolerancie v palcoch.
Druhou časťou procesu je výpočet maximálneho povoleného pracovného tlaku Pa potrubia aplikovaním bezpečnostného faktora S f na výsledok P podľa rovnice (2):
Pri použití materiálu School 80 s hrúbkou 1″ sa teda tlak pri roztrhnutí vypočíta takto:
Potom sa použije bezpečnostný koeficient Sf 4 v súlade s odporúčaniami ASME pre tlakové nádoby, oddiel VIII-1 2019, odsek 8. UG-101 sa vypočíta takto:
Výsledná hodnota MAWP je 810 psi. To sa vzťahuje len na potrubie. Prírubové spojenie alebo komponent s najnižším hodnotením v systéme bude určujúcim faktorom pri určovaní povoleného tlaku v systéme.
Podľa normy ASME B16.5 je maximálny povolený prevádzkový tlak pre prírubové tvarovky z uhlíkovej ocele 150 285 psi na palec pri teplote -20 °F až 100 °F. Trieda 300 má maximálny povolený prevádzkový tlak 740 psi. Toto bude limitný faktor tlaku systému podľa nižšie uvedeného príkladu materiálovej špecifikácie. Tieto hodnoty môžu byť tiež 1,5-násobne prekročené iba pri hydrostatických skúškach.
Ako príklad základnej materiálovej špecifikácie uhlíkovej ocele môže byť špecifikácia prípojky plynu H2 prevádzkovanej pri okolitej teplote pod projektovaným tlakom 740 psi. inch, ktorá môže obsahovať materiálové požiadavky uvedené v tabuľke 2. Nasledujú typy, ktorým môže byť potrebné venovať pozornosť v špecifikácii:
Okrem samotného potrubia existuje mnoho prvkov, ktoré tvoria potrubný systém, ako sú armatúry, ventily, potrubné zariadenia atď. Hoci mnohé z týchto prvkov budú v potrubí zostavené, aby sa podrobne prediskutovali, bude to vyžadovať viac strán, ako sa zmestí. Tento článok.