Ky përmbledhje ofron rekomandime për projektimin e sigurt të sistemeve të tubacioneve për shpërndarjen e hidrogjenit.
Hidrogjeni është një lëng shumë i paqëndrueshëm me një tendencë të lartë për rrjedhje. Është një kombinim shumë i rrezikshëm dhe vdekjeprurës i tendencave, një lëng i paqëndrueshëm që është i vështirë për t'u kontrolluar. Këto janë tendenca që duhen marrë në konsideratë kur zgjidhni materialet, guarnicionet dhe guarnicionet, si dhe karakteristikat e projektimit të sistemeve të tilla. Këto tema rreth shpërndarjes së H2 të gaztë janë në fokus të këtij diskutimi, jo prodhimi i H2, H2 të lëngshëm ose H2 të lëngshëm (shih shiritin anësor djathtas).
Ja disa pika kyçe për t'ju ndihmuar të kuptoni përzierjen e hidrogjenit dhe ajrit H2. Hidrogjeni digjet në dy mënyra: me djegie dhe shpërthim.
Deflagrimi. Deflagrimi është një mënyrë e zakonshme djegieje në të cilën flakët udhëtojnë nëpër përzierje me shpejtësi subsonike. Kjo ndodh, për shembull, kur një re e lirë e përzierjes hidrogjen-ajër ndizet nga një burim i vogël ndezjeje. Në këtë rast, flaka do të lëvizë me një shpejtësi prej dhjetë deri në disa qindra metra në sekondë. Zgjerimi i shpejtë i gazit të nxehtë krijon valë presioni, forca e të cilave është proporcionale me madhësinë e resë. Në disa raste, forca e valës së goditjes mund të jetë e mjaftueshme për të dëmtuar strukturat e ndërtesave dhe objekte të tjera në rrugën e saj dhe për të shkaktuar lëndime.
shpërthejnë. Kur shpërtheu, flakët dhe valët goditëse udhëtuan nëpër përzierje me shpejtësi supersonike. Raporti i presionit në një valë shpërthimi është shumë më i madh se në një detonim. Për shkak të forcës së shtuar, shpërthimi është më i rrezikshëm për njerëzit, ndërtesat dhe objektet e afërta. Shpërthimi normal shkakton një shpërthim kur ndizet në një hapësirë ​​të kufizuar. Në një zonë kaq të ngushtë, ndezja mund të shkaktohet nga sasia më e vogël e energjisë. Por për shpërthimin e një përzierjeje hidrogjen-ajër në një hapësirë ​​të pakufizuar, kërkohet një burim ndezjeje më i fuqishëm.
Raporti i presionit përgjatë valës së shpërthimit në një përzierje hidrogjen-ajër është rreth 20. Në presionin atmosferik, një raport prej 20 është 300 psi. Kur kjo valë presioni përplaset me një objekt të palëvizshëm, raporti i presionit rritet në 40-60. Kjo për shkak të reflektimit të një vale presioni nga një pengesë e palëvizshme.
Tendencë për rrjedhje. Për shkak të viskozitetit të ulët dhe peshës së ulët molekulare, gazi H2 ka një tendencë të lartë për të rrjedhur dhe madje për të depërtuar në materiale të ndryshme.
Hidrogjeni është 8 herë më i lehtë se gazi natyror, 14 herë më i lehtë se ajri, 22 herë më i lehtë se propani dhe 57 herë më i lehtë se avujt e benzinës. Kjo do të thotë që kur instalohet jashtë, gazi H2 do të ngrihet dhe do të shpërndahet shpejt, duke zvogëluar çdo shenjë të rrjedhjeve të barabarta. Por mund të jetë një shpatë me dy tehe. Një shpërthim mund të ndodhë nëse saldimi do të kryhet në një instalim të jashtëm sipër ose poshtë erës së një rrjedhjeje H2 pa një studim zbulimi të rrjedhjeve para saldimit. Në një hapësirë ​​të mbyllur, gazi H2 mund të ngrihet dhe të grumbullohet nga tavani poshtë, një gjendje që e lejon atë të grumbullohet në vëllime të mëdha përpara se të ketë më shumë gjasa të bjerë në kontakt me burimet e ndezjes pranë tokës.
Zjarr aksidental. Vetëndezja është një fenomen në të cilin një përzierje gazesh ose avujsh ndizet spontanisht pa një burim të jashtëm ndezjeje. Njihet edhe si "djegie spontane" ose "djegie spontane". Vetëndezja varet nga temperatura, jo nga presioni.
Temperatura e vetëndezjes është temperatura minimale në të cilën një lëndë djegëse do të ndizet spontanisht para ndezjes në mungesë të një burimi të jashtëm ndezjeje pas kontaktit me ajrin ose një agjent oksidues. Temperatura e vetëndezjes së një pluhuri të vetëm është temperatura në të cilën ai ndizet spontanisht në mungesë të një agjenti oksidues. Temperatura e vetëndezjes së H2 në gjendje të gaztë në ajër është 585°C.
Energjia e ndezjes është energjia e nevojshme për të filluar përhapjen e një flake përmes një përzierjeje të djegshme. Energjia minimale e ndezjes është energjia minimale e nevojshme për të ndezur një përzierje të caktuar të djegshme në një temperaturë dhe presion të caktuar. Energjia minimale e ndezjes së shkëndijës për H2 të gaztë në 1 atmosferë ajri = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ).
Kufijtë shpërthyes janë përqendrimet maksimale dhe minimale të avujve, mjegullave ose pluhurave në ajër ose oksigjen në të cilat ndodh një shpërthim. Madhësia dhe gjeometria e mjedisit, si dhe përqendrimi i karburantit, kontrollojnë kufijtë. "Kufiri i shpërthimit" nganjëherë përdoret si sinonim për "kufirin e shpërthimit".
Limitet shpërthyese për përzierjet H2 në ajër janë 18.3% vol. (kufiri i poshtëm) dhe 59% vol. (kufiri i sipërm).
Gjatë projektimit të sistemeve të tubacioneve (Figura 1), hapi i parë është përcaktimi i materialeve të ndërtimit të nevojshme për secilin lloj lëngu. Dhe secili lëng do të klasifikohet në përputhje me paragrafin ASME B31.3. 300(b)(1) thotë, "Pronari është gjithashtu përgjegjës për përcaktimin e tubacioneve të klasës D, M, presionit të lartë dhe pastërtisë së lartë, dhe përcaktimin nëse duhet të përdoret një sistem i caktuar cilësie."
Kategorizimi i lëngjeve përcakton shkallën e testimit dhe llojin e testimit të kërkuar, si dhe shumë kërkesa të tjera bazuar në kategorinë e lëngut. Përgjegjësia e pronarit për këtë zakonisht i takon departamentit të inxhinierisë së pronarit ose një inxhinieri të jashtëm.
Ndërsa Kodi i Tubacioneve të Procesit B31.3 nuk i tregon pronarit se cilin material duhet të përdorë për një lëng të caktuar, ai ofron udhëzime mbi kërkesat e fortësisë, trashësisë dhe lidhjes së materialit. Ekzistojnë gjithashtu dy deklarata në hyrje të kodit që përcaktojnë qartë:
Dhe duke u zgjeruar në paragrafin e parë më sipër, paragrafi B31.3. 300(b)(1) gjithashtu thotë: “Pronari i një instalimi tubacioni është përgjegjës vetëm për përmbushjen e këtij Kodi dhe për përcaktimin e kërkesave të projektimit, ndërtimit, inspektimit, inspektimit dhe testimit që rregullojnë të gjithë trajtimin ose procesin e lëngjeve, pjesë e të cilit është tubacioni. Instalimi.” Pra, pasi të përcaktohen disa rregulla bazë për përgjegjësinë dhe kërkesat për përcaktimin e kategorive të shërbimit të lëngjeve, le të shohim se ku futet gazi i hidrogjenit.
Meqenëse gazi i hidrogjenit vepron si një lëng i paqëndrueshëm me rrjedhje, gazi i hidrogjenit mund të konsiderohet një lëng normal ose një lëng i Klasës M sipas kategorisë B31.3 për shërbimin e lëngjeve. Siç u tha më sipër, klasifikimi i trajtimit të lëngjeve është një kërkesë e pronarit, me kusht që të përmbushë udhëzimet për kategoritë e zgjedhura të përshkruara në B31.3, paragrafi 3. 300.2 Përkufizime në seksionin "Shërbimet hidraulike". Më poshtë janë përkufizimet për shërbimin normal të lëngjeve dhe shërbimin e lëngjeve të Klasës M:
“Shërbim Normal i Lëngjeve: Shërbimi i lëngjeve i zbatueshëm për shumicën e tubacioneve që i nënshtrohen këtij kodi, d.m.th. nuk i nënshtrohet rregulloreve për klasat D, M, temperaturë të lartë, presion të lartë ose pastërti të lartë të lëngjeve.”
(1) Toksiciteti i lëngut është aq i madh sa një ekspozim i vetëm ndaj një sasie shumë të vogël të lëngut të shkaktuar nga një rrjedhje mund të shkaktojë dëmtime serioze të përhershme tek ata që e thithin ose bien në kontakt me të, edhe nëse merren masa të menjëhershme rikuperimi.
(2) Pas shqyrtimit të projektimit të tubacionit, përvojës, kushteve të funksionimit dhe vendndodhjes, pronari përcakton se kërkesat për përdorim normal të lëngut nuk janë të mjaftueshme për të siguruar ngushtësinë e nevojshme për të mbrojtur personelin nga ekspozimi.
Në përkufizimin e mësipërm të M, gazi i hidrogjenit nuk i plotëson kriteret e paragrafit (1) sepse nuk konsiderohet lëng toksik. Megjithatë, duke zbatuar nënseksionin (2), Kodi lejon klasifikimin e sistemeve hidraulike në klasën M pas shqyrtimit të duhur të "...projektimit të tubacioneve, përvojës, kushteve të funksionimit dhe vendndodhjes...". Pronari lejon përcaktimin e trajtimit normal të lëngjeve. Kërkesat janë të pamjaftueshme për të përmbushur nevojën për një nivel më të lartë integriteti në projektimin, ndërtimin, inspektimin, inspektimin dhe testimin e sistemeve të tubacioneve të gazit të hidrogjenit.
Ju lutemi referojuni Tabelës 1 përpara se të diskutoni Korrozionin e Hidrogjenit në Temperaturë të Lartë (HTHA). Kodet, standardet dhe rregulloret janë renditur në këtë tabelë, e cila përfshin gjashtë dokumente mbi temën e brishtësisë së hidrogjenit (HE), një anomali e zakonshme e korrozionit që përfshin HTHA. OH mund të ndodhë në temperatura të ulëta dhe të larta. I konsideruar si një formë korrozioni, ai mund të iniciohet në disa mënyra dhe gjithashtu të ndikojë në një gamë të gjerë materialesh.
HE ka forma të ndryshme, të cilat mund të ndahen në plasaritje nga hidrogjeni (HAC), plasaritje nga stresi i hidrogjenit (HSC), plasaritje nga korrozioni i stresit (SCC), plasaritje nga korrozioni i hidrogjenit (HACC), flluskim i hidrogjenit (HB), plasaritje nga hidrogjeni (HIC). )), plasaritje nga hidrogjeni e orientuar ndaj stresit (SOHIC), plasaritje progresive (SWC), plasaritje nga stresi i sulfurit (SSC), plasaritje në zonën e butë (SZC) dhe korrozion nga hidrogjeni në temperaturë të lartë (HTHA).
Në formën e tij më të thjeshtë, brishtësia e hidrogjenit është një mekanizëm për shkatërrimin e kufijve të kokrrizave të metalit, duke rezultuar në ulje të duktilitetit për shkak të depërtimit të hidrogjenit atomik. Mënyrat se si ndodh kjo janë të ndryshme dhe përcaktohen pjesërisht nga emrat e tyre përkatës, të tilla si HTHA, ku hidrogjeni në temperaturë të lartë dhe presion të lartë është i nevojshëm për brishtësinë, dhe SSC, ku hidrogjeni atomik prodhohet si gaz i mbyllur dhe hidrogjeni për shkak të korrozionit acid, ato depërtojnë në kutitë metalike, gjë që mund të çojë në brishtësi. Por rezultati i përgjithshëm është i njëjtë me të gjitha rastet e brishtësisë së hidrogjenit të përshkruara më sipër, ku forca e metalit zvogëlohet nga brishtësia nën diapazonin e tij të lejuar të stresit, gjë që nga ana tjetër përgatit terrenin për një ngjarje potencialisht katastrofike duke pasur parasysh paqëndrueshmërinë e lëngut.
Përveç trashësisë së murit dhe performancës mekanike të nyjeve, ka dy faktorë kryesorë që duhen marrë në konsideratë kur zgjidhni materialet për shërbimin e gazit H2: 1. Ekspozimi ndaj hidrogjenit në temperaturë të lartë (HTHA) dhe 2. Shqetësime serioze në lidhje me rrjedhje të mundshme. Të dyja temat janë aktualisht në diskutim.
Ndryshe nga hidrogjeni molekular, hidrogjeni atomik mund të zgjerohet, duke e ekspozuar hidrogjenin ndaj temperaturave dhe presioneve të larta, duke krijuar bazën për HTHA të mundshme. Në këto kushte, hidrogjeni atomik është në gjendje të shpërndahet në materialet ose pajisjet e tubave të çelikut të karbonit, ku reagon me karbonin në tretësirë ​​metalike për të formuar gaz metani në kufijtë e kokrrizave. I paaftë për të dalë, gazi zgjerohet, duke krijuar çarje dhe gropa në muret e tubave ose enëve - ky është HTGA. Mund t'i shihni qartë rezultatet e HTHA në Figurën 2 ku çarjet dhe plasaritjet janë të dukshme në murin 8″. Pjesa e tubit me madhësi nominale (NPS) që dështon në këto kushte.
Çeliku i karbonit mund të përdoret për shërbimin e hidrogjenit kur temperatura e funksionimit mbahet nën 500°F. Siç u përmend më sipër, HTHA ndodh kur gazi i hidrogjenit mbahet në presion të lartë të pjesshëm dhe temperaturë të lartë. Çeliku i karbonit nuk rekomandohet kur presioni i pjesshëm i hidrogjenit pritet të jetë rreth 3000 psi dhe temperatura është mbi rreth 450°F (që është gjendja e aksidentit në Figurën 2).
Siç mund të shihet nga grafiku i modifikuar i Nelsonit në Figurën 3, i marrë pjesërisht nga API 941, temperatura e lartë ka efektin më të madh në forcimin e hidrogjenit. Presioni i pjesshëm i gazit të hidrogjenit mund të kalojë 1000 psi kur përdoret me çelik karboni që veprojnë në temperatura deri në 500°F.
Figura 3. Ky grafik i modifikuar i Nelsonit (i adaptuar nga API 941) mund të përdoret për të zgjedhur materiale të përshtatshme për shërbimin me hidrogjen në temperatura të ndryshme.
Në fig. 3 tregohet zgjedhja e çelikëve që garantojnë shmangien e sulmit nga hidrogjeni, varësisht nga temperatura e funksionimit dhe presioni i pjesshëm i hidrogjenit. Çeliqet inox austenitike janë të pandjeshme ndaj HTHA-së dhe janë materiale të kënaqshme në të gjitha temperaturat dhe presionet.
Çeliku inox austenitik 316/316L është materiali më praktik për aplikimet me hidrogjen dhe ka një histori të provuar. Ndërsa trajtimi termik pas saldimit (PWHT) rekomandohet për çeliqet e karbonit për të kalcinuar hidrogjenin e mbetur gjatë saldimit dhe për të zvogëluar fortësinë e zonës së prekur nga nxehtësia (HAZ) pas saldimit, ky trajtim nuk është i detyrueshëm për çeliqet inox austenitikë.
Efektet termotermale të shkaktuara nga trajtimi termik dhe saldimi kanë pak efekt në vetitë mekanike të çelikëve inox austenitikë. Megjithatë, përpunimi në të ftohtë mund të përmirësojë vetitë mekanike të çelikëve inox austenitikë, siç janë rezistenca dhe fortësia. Gjatë përkuljes dhe formimit të tubave nga çeliku inox austenitik, vetitë e tyre mekanike ndryshojnë, duke përfshirë uljen e plasticitetit të materialit.
Nëse çeliku inox austenitik kërkon formësim të ftohtë, kalitja në tretësirë ​​(ngrohja në afërsisht 1045°C e ndjekur nga shuarja ose ftohja e shpejtë) do të rikthejë vetitë mekanike të materialit në vlerat e tyre origjinale. Gjithashtu do të eliminojë ndarjen e aliazhit, sensibilizimin dhe fazën sigma të arritur pas përpunimit të ftohtë. Kur kryeni kalitje në tretësirë, kini kujdes se ftohja e shpejtë mund të ushtrojë përsëri stres të mbetur në material nëse nuk trajtohet siç duhet.
Referojuni tabelave GR-2.1.1-1 Indeksi i Specifikimit të Materialit të Tubave dhe Indeksi i Specifikimit të Materialit të Tubave GR-2.1.1-2 në ASME B31 për përzgjedhjet e materialeve të pranueshme për shërbimin H2. Tubat janë një vend i mirë për të filluar.
Me një peshë atomike standarde prej 1.008 njësive të masës atomike (amu), hidrogjeni është elementi më i lehtë dhe më i vogël në tabelën periodike, dhe për këtë arsye ka një prirje të lartë për rrjedhje, me pasoja potencialisht shkatërruese, mund të shtoj. Prandaj, sistemi i tubacionit të gazit duhet të projektohet në një mënyrë të tillë që të kufizojë lidhjet e tipit mekanik dhe të përmirësojë ato lidhje që janë vërtet të nevojshme.
Kur kufizohen pikat e mundshme të rrjedhjes, sistemi duhet të saldohet plotësisht, përveç lidhjeve me flanxha në pajisje, elementë tubacionesh dhe pajisje. Lidhjet me fileto duhet të shmangen sa më shumë që të jetë e mundur, nëse jo plotësisht. Nëse lidhjet me fileto nuk mund të shmangen për ndonjë arsye, rekomandohet që ato të lidhen plotësisht pa izolues filetosh dhe më pas të vuloset saldimi. Kur përdoret tub çeliku karboni, nyjet e tubave duhet të saldohen me anë të saldimit dhe të trajtohen me nxehtësi pas saldimit (PWHT). Pas saldimit, tubat në zonën e prekur nga nxehtësia (HAZ) janë të ekspozuar ndaj sulmit të hidrogjenit edhe në temperaturë ambienti. Ndërsa sulmi i hidrogjenit ndodh kryesisht në temperatura të larta, faza PWHT do ta zvogëlojë plotësisht, nëse jo ta eliminojë, këtë mundësi edhe në kushte ambienti.
Pika e dobët e sistemit tërësisht të salduar është lidhja me flanxha. Për të siguruar një shkallë të lartë ngushtësie në lidhjet me flanxha, duhet të përdoren guarnicione Kammprofile (fig. 4) ose një formë tjetër guarnicionesh. I prodhuar pothuajse në të njëjtën mënyrë nga disa prodhues, ky jastëk është shumë tolerant. Ai përbëhet nga unaza të dhëmbëzuara tërësisht metalike të vendosura midis materialeve të buta dhe të deformueshme të vulosjes. Dhëmbët përqendrojnë ngarkesën e bulonit në një zonë më të vogël për të siguruar një përshtatje të ngushtë me më pak stres. Është projektuar në një mënyrë të tillë që të mund të kompensojë sipërfaqet e pabarabarta të flanxhave, si dhe kushtet e luhatshme të funksionimit.
Figura 4. Guarnicionet Kammprofile kanë një bërthamë metalike të lidhur në të dyja anët me një mbushës të butë.
Një faktor tjetër i rëndësishëm në integritetin e sistemit është valvula. Rrjedhjet rreth guarnicionit të boshtit dhe flanxhave të trupit janë një problem i vërtetë. Për ta parandaluar këtë, rekomandohet të zgjidhni një valvul me guarnicion me formë shakulli.
Përdorni tub çeliku karboni School 80 me diametër 1 inç, në shembullin tonë më poshtë, duke pasur parasysh tolerancat e prodhimit, korrozionit dhe tolerancat mekanike në përputhje me ASTM A106 Gr B, presioni maksimal i lejuar i punës (MAWP) mund të llogaritet në dy hapa në temperatura deri në 300°F (Shënim: Arsyeja për "...për temperatura deri në 300ºF..." është sepse stresi i lejuar (S) i materialit ASTM A106 Gr B fillon të përkeqësohet kur temperatura tejkalon 300ºF.(S), kështu që Ekuacioni (1) kërkon Përshtatje në temperatura mbi 300ºF.)
Duke iu referuar formulës (1), hapi i parë është llogaritja e presionit teorik të shpërthimit të tubacionit.
T = trashësia e murit të tubit minus tolerancat mekanike, të korrozionit dhe të prodhimit, në inç.
Pjesa e dytë e procesit është llogaritja e presionit maksimal të lejuar të punës Pa të tubacionit duke aplikuar faktorin e sigurisë Sf në rezultatin P sipas ekuacionit (2):
Kështu, kur përdoret material 1″ school 80, presioni i shpërthimit llogaritet si më poshtë:
Një Sf sigurie prej 4 zbatohet më pas në përputhje me Rekomandimet e Enëve nën Presion të ASME, Seksioni VIII-1 2019, Paragrafi 8. UG-101 llogaritet si më poshtë:
Vlera që rezulton nga MAWP është 810 psi. inç dhe i referohet vetëm tubit. Lidhja me flanxhë ose përbërësi me vlerësimin më të ulët në sistem do të jetë faktori përcaktues në përcaktimin e presionit të lejuar në sistem.
Sipas ASME B16.5, presioni maksimal i lejuar i punës për pajisje flanxhore çeliku karboni 150 është 285 psi. inç në -20°F deri në 100°F. Klasa 300 ka një presion maksimal të lejuar të punës prej 740 psi. Ky do të jetë faktori limit i presionit të sistemit sipas shembullit të specifikimit të materialit më poshtë. Gjithashtu, vetëm në testet hidrostatike, këto vlera mund të tejkalojnë 1.5 herë.
Si një shembull i një specifikimi bazë të materialit të çelikut të karbonit, një specifikim i linjës së shërbimit të gazit H2 që funksionon në një temperaturë ambienti nën një presion të projektuar prej 740 psi. inç, mund të përmbajë kërkesat e materialit të treguara në Tabelën 2. Më poshtë janë llojet që mund të kërkojnë vëmendje për t'u përfshirë në specifikim:
Përveç vetë tubacioneve, ka shumë elementë që përbëjnë sistemin e tubacioneve, siç janë pajisjet, valvulat, pajisjet e linjës, etj. Ndërsa shumë nga këta elementë do të bashkohen në një tubacion për t'i diskutuar ato në detaje, kjo do të kërkojë më shumë faqe sesa mund të akomodohen. Ky artikull.