Овај преглед даје препоруке за безбедно пројектовање цевоводних система за дистрибуцију водоника.
Водоник је веома испарљива течност са великом склоношћу ка цурењу. То је веома опасна и смртоносна комбинација тенденција, испарљива течност коју је тешко контролисати. То су трендови које треба узети у обзир при избору материјала, заптивки и заптивача, као и карактеристике дизајна таквих система. Ове теме о дистрибуцији гасовитог H2 су фокус ове дискусије, а не производња H2, течног H2 или течног H2 (видети десну бочну траку).
Ево неколико кључних тачака које ће вам помоћи да разумете смешу водоника и H2-ваздуха. Водоник гори на два начина: дефлаграцијом и експлозијом.
Дефлаграција. Дефлаграција је уобичајени начин сагоревања у коме пламен путује кроз смешу подзвучном брзином. То се дешава, на пример, када се слободан облак смеше водоника и ваздуха запали малим извором паљења. У овом случају, пламен ће се кретати брзином од десет до неколико стотина стопа у секунди. Брзо ширење врућег гаса ствара таласе притиска чија је јачина пропорционална величини облака. У неким случајевима, сила ударног таласа може бити довољна да оштети грађевинске конструкције и друге објекте на свом путу и ​​изазове повреде.
експлодирати. Када је експлодирало, пламенови и ударни таласи су путовали кроз смешу надзвучном брзином. Однос притиска у детонационом таласу је много већи него у детонацији. Због повећане силе, експлозија је опаснија за људе, зграде и оближње објекте. Нормална дефлаграција изазива експлозију када се запали у ограниченом простору. У тако уском подручју, паљење може бити изазвано најмањом количином енергије. Али за детонацију смеше водоника и ваздуха у неограниченом простору, потребан је снажнији извор паљења.
Однос притиска преко детонационог таласа у смеши водоника и ваздуха је око 20. При атмосферском притиску, однос од 20 је једнак 300 psi. Када се овај талас притиска судари са непокретним објектом, однос притиска се повећава на 40-60. То је због одбијања таласа притиска од непокретне препреке.
Склоност ка цурењу. Због ниске вискозности и мале молекулске тежине, гас H2 има велику склоност ка цурењу, па чак и продирању или пенетрирању различитих материјала.
Водоник је 8 пута лакши од природног гаса, 14 пута лакши од ваздуха, 22 пута лакши од пропана и 57 пута лакши од бензинске паре. То значи да ће се, када се инсталира на отвореном, гас H2 брзо подићи и распршити, смањујући чак и знаке цурења. Али то може бити мач са две оштрице. Може доћи до експлозије ако се заваривање врши на спољној инсталацији изнад или низ ветар од цурења H2 без студије детекције цурења пре заваривања. У затвореном простору, гас H2 може да се подиже и акумулира од плафона надоле, што му омогућава да се накупи до великих количина пре него што је вероватније да ће доћи у контакт са изворима паљења близу тла.
Случајни пожар. Самопаљење је појава у којој се смеша гасова или пара спонтано запали без спољашњег извора паљења. Такође је познато као „спонтано сагоревање“ или „спонтано сагоревање“. Самопаљење зависи од температуре, а не од притиска.
Температура самопаљења је минимална температура на којој ће се гориво спонтано запалити пре паљења у одсуству спољашњег извора паљења при контакту са ваздухом или оксидационим средством. Температура самопаљења појединачног праха је температура на којој се он спонтано запали у одсуству оксидационог средства. Температура самопаљења гасовитог H2 у ваздуху је 585°C.
Енергија паљења је енергија потребна за покретање ширења пламена кроз запаљиву смешу. Минимална енергија паљења је минимална енергија потребна за паљење одређене запаљиве смеше на одређеној температури и притиску. Минимална енергија паљења варницом за гасовити H2 у 1 атм ваздуха = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Границе експлозивности су максималне и минималне концентрације пара, магле или прашине у ваздуху или кисеонику при којима долази до експлозије. Величина и геометрија околине, као и концентрација горива, контролишу границе. „Граница експлозије“ се понекад користи као синоним за „границу експлозије“.
Границе експлозивности за смеше H2 у ваздуху су 18,3 вол.% (доња граница) и 59 вол.% (горња граница).
Приликом пројектовања цевоводних система (слика 1), први корак је одређивање грађевинског материјала потребног за сваку врсту флуида. Сваки флуид ће бити класификован у складу са ASME B31.3 ставом. 300(b)(1) наводи: „Власник је такође одговоран за одређивање цеви класе D, M, високог притиска и високе чистоће, као и за одређивање да ли треба користити одређени систем квалитета.“
Категоризација флуида дефинише степен испитивања и врсту потребног испитивања, као и многе друге захтеве на основу категорије флуида. Одговорност власника за ово обично пада на инжењерско одељење власника или ангажованог инжењера.
Иако Кодекс о процесним цевоводима B31.3 не говори власнику који материјал да користи за одређену течност, он пружа смернице о захтевима за чврстоћу, дебљину и повезивање материјала. У уводу кода постоје и две изјаве које јасно наводе:
И проширите први пасус изнад, пасус Б31.3. 300(б)(1) такође наводи: „Власник цевоводне инсталације је искључиво одговоран за поштовање овог Кодекса и за успостављање захтева за пројектовање, изградњу, инспекцију, инспекцију и испитивање који регулишу све руковање флуидима или процесе чији је цевовод део. Инсталација.“ Дакле, након што смо утврдили нека основна правила за одговорност и захтеве за дефинисање категорија флуидних услуга, хајде да видимо где се водоник уклапа.
Пошто водоник делује као испарљива течност са цурењима, водоник се може сматрати нормалном течношћу или течношћу класе М према категорији Б31.3 за рад са течностима. Као што је горе наведено, класификација руковања течностима је захтев власника, под условом да испуњава смернице за одабране категорије описане у Б31.3, став 3. 300.2 Дефиниције у одељку „Хидраулични сервиси“. Следе дефиниције за нормалан рад са течностима и рад са течностима класе М:
„Нормални рад са флуидима: Рад са флуидима који се примењује на већину цевовода који подлежу овом кодексу, тј. не подлеже прописима за класе D, M, високу температуру, висок притисак или високу чистоћу флуида.“
(1) Токсичност течности је толико велика да једнократно излагање веома малој количини течности изазваној цурењем може изазвати озбиљне трајне повреде код оних који је удахну или дођу у контакт са њом, чак и ако се предузму хитне мере за спасавање.
(2) Након разматрања дизајна цевовода, искуства, услова рада и локације, власник утврђује да захтеви за нормалну употребу флуида нису довољни да обезбеде непропусност неопходну за заштиту особља од изложености.
У горе наведеној дефиницији М, водоник као гас не испуњава критеријуме из става (1) јер се не сматра токсичном течношћу. Међутим, применом подчлана (2), Кодекс дозвољава класификацију хидрауличних система у класу М након дужног разматрања „...дизајна цеви, искуства, услова рада и локације...“. Власник дозвољава одређивање нормалног руковања флуидом. Захтеви нису довољни да задовоље потребу за вишим нивоом интегритета у пројектовању, изградњи, инспекцији, прегледу и испитивању система цевовода за водоник.
Молимо погледајте Табелу 1 пре него што почнете са дискусијом о водоничној корозији на високим температурама (HTHA). Кодови, стандарди и прописи су наведени у овој табели, која укључује шест докумената на тему водоничне кртости (HE), уобичајене аномалије корозије која укључује HTHA. OH се може јавити на ниским и високим температурама. Сматра се обликом корозије, може се покренути на неколико начина и такође утицати на широк спектар материјала.
HE има различите облике, који се могу поделити на водонично пуцање (HAC), водонично напонско пуцање (HSC), напонска корозија (SCC), водонично корозијско пуцање (HACC), пуцање услед кључања водоника (HB), водонично пуцање (HIC). )), водонично пуцање оријентисано на напон (SOHIC), прогресивно пуцање (SWC), сулфидно напонско пуцање (SSC), пуцање у мекој зони (SZC) и водоничну корозију на високим температурама (HTHA).
У свом најједноставнијем облику, водонична кртост је механизам за уништавање граница металних зрна, што резултира смањеном дуктилношћу због продора атомског водоника. Начини на које се ово дешава су различити и делимично су дефинисани њиховим одговарајућим називима, као што су HTHA, где је за кртост потребан истовремени водоник на високој температури и високом притиску, и SSC, где се атомски водоник производи као затворени гасови и водоник. Због киселинске корозије, они продиру у металне кућишта, што може довести до кртости. Али укупни резултат је исти као и за све горе описане случајеве водоничне кртости, где се чврстоћа метала смањује кртошћу испод дозвољеног опсега напона, што заузврат поставља темеље за потенцијално катастрофалан догађај с обзиром на испарљивост течности.
Поред дебљине зида и механичких перформанси споја, постоје два главна фактора која треба узети у обзир при избору материјала за рад са H2 гасом: 1. Изложеност водонику високе температуре (HTHA) и 2. Озбиљна забринутост због потенцијалног цурења. Обе теме су тренутно у фази разматрања.
За разлику од молекуларног водоника, атомски водоник се може ширити, излажући га високим температурама и притисцима, стварајући основу за потенцијално брзо попуштање у цевима (HTHA). Под овим условима, атомски водоник може да дифундује у материјале или опрему од угљеничног челика, где реагује са угљеником у металном раствору и формира метан на границама зрна. Неспособан да побегне, гас се шири, стварајући пукотине и шупљине у зидовима цеви или посуда – ово је HTGA. Резултате HTHA можете јасно видети на слици 2 где су пукотине и ломови видљиви у зиду цеви од 8 инча. Део цеви номиналне величине (NPS) који се поквари под овим условима.
Угљенични челик се може користити за рад са водоником када се радна температура одржава испод 500°F (260°C). Као што је горе поменуто, до високог парцијалног притиска (HTHA) долази када се водоник држи под високим парцијалним притиском и високом температуром. Угљенични челик се не препоручује када се очекује да ће парцијални притисак водоника бити око 3000 psi (3000 psi), а температура изнад око 450°F (што је услов акцидента на слици 2).
Као што се може видети из модификованог Нелсоновог дијаграма на слици 3, делимично преузетог из API 941, висока температура има највећи утицај на форсирање водоника. Парцијални притисак водоника може прећи 1000 psi када се користи са угљеничним челицима који раде на температурама до 500°F.
Слика 3. Ова модификована Нелсонова карта (адаптирана из API 941) може се користити за избор одговарајућих материјала за рад са водоником на различитим температурама.
На слици 3 приказан је избор челика који гарантовано избегавају напад водоника, у зависности од радне температуре и парцијалног притиска водоника. Аустенитни нерђајући челици су неосетљиви на високотемпературно термично излагање (HTHA) и задовољавајући су материјали на свим температурама и притисцима.
Аустенитни нерђајући челик 316/316L је најпрактичнији материјал за примену водоника и има доказане резултате. Иако се термичка обрада након заваривања (PWHT) препоручује за угљеничне челике ради калцинације преосталог водоника током заваривања и смањења тврдоће зоне утицаја топлоте (HAZ) након заваривања, она није потребна за аустенитни нерђајући челик.
Термотермални ефекти изазвани термичком обрадом и заваривањем имају мали утицај на механичка својства аустенитних нерђајућих челика. Међутим, хладна обрада може побољшати механичка својства аустенитних нерђајућих челика, као што су чврстоћа и тврдоћа. Приликом савијања и обликовања цеви од аустенитног нерђајућег челика, њихова механичка својства се мењају, укључујући смањење пластичности материјала.
Ако аустенитни нерђајући челик захтева хладно обликовање, жарење у раствору (загревање на приближно 1045°C праћено каљењем или брзим хлађењем) ће вратити механичка својства материјала на њихове првобитне вредности. Такође ће елиминисати сегрегацију легуре, сензибилизацију и сигма фазу постигнуту након хладне обраде. Приликом жарења у раствору, имајте на уму да брзо хлађење може вратити заостала напрезања у материјал ако се не рукује правилно.
Погледајте табеле GR-2.1.1-1 Индекс спецификација материјала за цеви и склопове цеви и GR-2.1.1-2 Индекс спецификација материјала за цеви у ASME B31 за прихватљиве изборе материјала за H2 рад. Цеви су добро место за почетак.
Са стандардном атомском тежином од 1,008 атомских масених јединица (amu), водоник је најлакши и најмањи елемент у периодном систему елемената и стога има велику склоност ка цурењу, са потенцијално разарајућим последицама, додао бих. Стога, систем гасовода мора бити пројектован на такав начин да ограничи механичке везе и побољша оне везе које су заиста потребне.
Приликом ограничавања потенцијалних тачака цурења, систем треба да буде потпуно заварен, осим прирубничких спојева на опреми, елементима цеви и фитинзима. Навојне спојеве треба избегавати колико год је то могуће, ако не и у потпуности. Ако се навојни спојеви из било ког разлога не могу избећи, препоручује се да се потпуно заваре без заптивача навоја, а затим да се заварени спој запечати. ​​Приликом коришћења цеви од угљеничног челика, спојеви цеви морају бити чеоно заварени и термички обрађени након заваривања (PWHT). Након заваривања, цеви у зони утицаја топлоте (HAZ) су изложене нападу водоника чак и на собној температури. Док се напад водоника првенствено јавља на високим температурама, PWHT фаза ће потпуно смањити, ако не и елиминисати, ову могућност чак и у собним условима.
Слаба тачка потпуно завареног система је прирубнички спој. Да би се осигурао висок степен заптивности код прирубничких спојева, треба користити Kammprofile заптивке (слика 4) или други облик заптивки. Направљена на готово исти начин од стране неколико произвођача, ова подлога је веома попустљива. Састоји се од назубљених прстенова од целог метала смештених између меких, деформабилних заптивних материјала. Зуби концентришу оптерећење вијка на мањој површини како би се обезбедило чврсто прилегање са мање напрезања. Дизајнирана је на такав начин да може да компензује неравне површине прирубница, као и променљиве радне услове.
Слика 4. Кампрофилне заптивке имају метално језгро везано са обе стране меким пунилом.
Још један важан фактор у интегритету система је вентил. Цурење око заптивке вретена и прирубница тела представља прави проблем. Да би се то спречило, препоручује се избор вентила са заптивком у облику меха.
Користите 1 инч. Цев од угљеничног челика School 80, у нашем примеру испод, с обзиром на толеранције производње, корозије и механичке толеранције у складу са ASTM A106 Gr B, максимални дозвољени радни притисак (MAWP) може се израчунати у два корака на температурама до 300°F (Напомена: Разлог за „...за температуре до 300ºF...“ је тај што дозвољени напон (S) материјала ASTM A106 Gr B почиње да се погоршава када температура пређе 300ºF (S), тако да једначина (1) захтева прилагођавање температурама изнад 300ºF.)
Позивајући се на формулу (1), први корак је израчунавање теоретског притиска пуцања цевовода.
Т = дебљина зида цеви умањена за механичке, корозивне и производне толеранције, у инчима.
Други део процеса је израчунавање максимално дозвољеног радног притиска Pa цевовода применом фактора сигурности S f на резултат P према једначини (2):
Дакле, када се користи материјал School 80 дебљине 1″, притисак пуцања се израчунава на следећи начин:
Затим се примењује безбедносни Sf од 4 у складу са ASME препорукама за посуде под притиском, одељак VIII-1 2019, став 8, UG-101, израчунат на следећи начин:
Добијена вредност MAWP је 810 psi. Инч се односи само на цев. Прирубнички спој или компонента са најнижом оценом у систему биће одлучујући фактор у одређивању дозвољеног притиска у систему.
Према ASME B16.5, максимални дозвољени радни притисак за прирубничке фитинге од угљеничног челика класе 150 је 285 psi на инч на температурама од -20°F до 100°F. Класа 300 има максимални дозвољени радни притисак од 740 psi. Ово ће бити фактор ограничења притиска система према примеру спецификације материјала испод. Такође, само код хидростатичких тестова, ове вредности могу бити веће од 1,5 пута.
Као пример основне спецификације материјала од угљеничног челика, спецификација водоводне гасне цеви која ради на температури околине испод пројектованог притиска од 740 psi у инчима, може садржати захтеве за материјал приказане у Табели 2. Следе типови којима може бити потребно обратити пажњу на укључивање у спецификацију:
Поред самих цеви, постоји много елемената који чине систем цеви, као што су фитинги, вентили, опрема за цевоводе итд. Иако ће многи од ових елемената бити спојени у цевовод како би се детаљно објаснили, то ће захтевати више страница него што може да се смести. Овај чланак.