Denna översikt ger rekommendationer för säker utformning av rörsystem för vätgasdistribution.
Väte är en mycket flyktig vätska med hög tendens att läcka. Det är en mycket farlig och dödlig kombination av tendenser, en flyktig vätska som är svår att kontrollera. Dessa är trender att beakta när man väljer material, packningar och tätningar, såväl som designegenskaperna hos sådana system. Dessa ämnen om distributionen av gasformig H2 är fokus för denna diskussion, inte produktionen av H2, flytande H2 eller flytande H2 (se högra sidofältet).
Här är några viktiga punkter som hjälper dig att förstå blandningen av väte och H2-luft. Väte brinner på två sätt: deflagration och explosion.
Deflagration. Deflagration är ett vanligt förbränningsläge där lågor färdas genom blandningen med subsoniska hastigheter. Detta inträffar till exempel när ett fritt moln av väte-luftblandning antänds av en liten antändningskälla. I detta fall rör sig lågan med en hastighet av tio till flera hundra fot per sekund. Den snabba expansionen av het gas skapar tryckvågor vars styrka är proportionell mot molnets storlek. I vissa fall kan stötvågens kraft vara tillräcklig för att skada byggnadskonstruktioner och andra föremål i dess väg och orsaka skador.
explodera. När den exploderade färdades lågor och chockvågor genom blandningen med överljudshastigheter. Tryckförhållandet i en detonationsvåg är mycket större än i en detonation. På grund av den ökade kraften är explosionen farligare för människor, byggnader och närliggande föremål. Normal deflagration orsakar en explosion vid antändning i ett begränsat utrymme. I ett så smalt område kan antändning orsakas av den minsta mängd energi. Men för detonation av en väte-luftblandning i ett obegränsat utrymme krävs en kraftfullare antändningskälla.
Tryckförhållandet över detonationsvågen i en väte-luftblandning är cirka 20. Vid atmosfärstryck är ett förhållande på 20 300 psi. När denna tryckvåg kolliderar med ett stillastående föremål ökar tryckförhållandet till 40-60. Detta beror på reflektionen av en tryckvåg från ett stillastående hinder.
Tendens att läcka. På grund av sin låga viskositet och låga molekylvikt har H2-gas en hög tendens att läcka och till och med penetrera eller tränga igenom olika material.
Vätgas är 8 gånger lättare än naturgas, 14 gånger lättare än luft, 22 gånger lättare än propan och 57 gånger lättare än bensinånga. Det betyder att H2-gasen snabbt stiger upp och försvinner när den installeras utomhus, vilket minskar eventuella tecken på läckor. Men det kan vara ett tveeggat svärd. En explosion kan inträffa om svetsning ska utföras på en utomhusinstallation ovanför eller medvind från en H2-läcka utan en läckagedetekteringsstudie före svetsning. I ett slutet utrymme kan H2-gas stiga upp och ansamlas från taket och ner, ett tillstånd som gör att den kan byggas upp till stora volymer innan den är mer benägen att komma i kontakt med antändningskällor nära marken.
Oavsiktlig brand. Självantändning är ett fenomen där en blandning av gaser eller ångor antänds spontant utan en extern antändningskälla. Det är också känt som "spontan förbränning" eller "spontan förbränning". Självantändning beror på temperatur, inte tryck.
Självantändningstemperaturen är den lägsta temperatur vid vilken ett bränsle spontant antänds före antändning i frånvaro av en extern antändningskälla vid kontakt med luft eller ett oxidationsmedel. Självantändningstemperaturen för ett enskilt pulver är den temperatur vid vilken det spontant antänds i frånvaro av ett oxidationsmedel. Självantändningstemperaturen för gasformig H2 i luft är 585 °C.
Tändenergin är den energi som krävs för att initiera spridningen av en låga genom en brännbar blandning. Minsta tändenergi är den minsta energi som krävs för att antända en viss brännbar blandning vid en viss temperatur och tryck. Minsta gnisttändenergi för gasformig H2 i 1 atm luft = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Explosionsgränser är de maximala och minimala koncentrationerna av ångor, dimmor eller damm i luft eller syre vid vilka en explosion inträffar. Omgivningens storlek och geometri, såväl som bränslets koncentration, styr gränserna. "Explosionsgräns" används ibland som en synonym för "explosionsgräns".
Explosionsgränserna för H2-blandningar i luft är 18,3 vol.% (nedre gräns) och 59 vol.% (övre gräns).
Vid konstruktion av rörsystem (Figur 1) är det första steget att bestämma vilka byggmaterial som behövs för varje typ av vätska. Varje vätska klassificeras i enlighet med ASME B31.3 paragraf. 300(b)(1) anger: ”Ägaren ansvarar också för att fastställa rör av klass D, M, högtryck och hög renhet, och för att avgöra om ett visst kvalitetssystem ska användas.”
Vätskekategorisering definierar graden av testning och vilken typ av testning som krävs, såväl som många andra krav baserade på vätskekategorin. Ägarens ansvar för detta faller vanligtvis på ägarens tekniska avdelning eller en extern ingenjör.
Även om B31.3-processrörkoden inte anger vilket material som ska användas för en viss vätska, ger den vägledning om krav på hållfasthet, tjocklek och materialanslutning. Det finns också två påståenden i inledningen till koden som tydligt anger:
Och utöka det första stycket ovan, punkt B31.3. 300(b)(1) anger också: ”Ägaren av en rörledningsanläggning är ensam ansvarig för att följa denna kod och för att fastställa de krav på design, konstruktion, inspektion, inspektion och testning som styr all vätskehantering eller process som rörledningen är en del av. Installation.” Så, efter att ha fastställt några grundregler för ansvar och krav för att definiera vätskekategorier, låt oss se var vätgas passar in.
Eftersom vätgas fungerar som en flyktig vätska med läckor, kan vätgas betraktas som en normal vätska eller en klass M-vätska enligt kategori B31.3 för vätskeanvändning. Som anges ovan är klassificeringen av vätskehantering ett krav från ägaren, förutsatt att den uppfyller riktlinjerna för de valda kategorierna som beskrivs i B31.3, punkt 3. 300.2 Definitioner i avsnittet "Hydrauliska tjänster". Följande är definitioner för normal vätskeanvändning och klass M-vätskeanvändning:
"Normal vätskeanvändning: Vätskeanvändning som är tillämplig på de flesta rörledningar som omfattas av denna kod, dvs. inte omfattas av föreskrifter för klasserna D, M, hög temperatur, högt tryck eller hög vätskerenhet."
(1) Vätskan är så toxisk att en enda exponering för en mycket liten mängd vätska orsakad av ett läckage kan orsaka allvarliga permanenta skador för dem som inandas eller kommer i kontakt med den, även om omedelbara återställningsåtgärder vidtas.
(2) Efter att ha beaktat rörledningens utformning, erfarenhet, driftsförhållanden och placering, fastställer ägaren att kraven för normal användning av vätskan inte är tillräckliga för att ge den täthet som krävs för att skydda personal från exponering.
I ovanstående definition av M uppfyller vätgas inte kriterierna i punkt (1) eftersom den inte anses vara en giftig vätska. Genom att tillämpa underavsnitt (2) tillåter dock koden klassificering av hydrauliska system i klass M efter vederbörlig hänsyn till "...rörkonstruktion, erfarenhet, driftsförhållanden och plats..." Ägaren tillåter bestämning av normal vätskehantering. Kraven är otillräckliga för att möta behovet av en högre integritetsnivå vid design, konstruktion, inspektion, kontroll och provning av vätgasrörsystem.
Se tabell 1 innan du diskuterar högtemperaturvätekorrosion (HTHA). Koder, standarder och föreskrifter listas i denna tabell, som innehåller sex dokument om ämnet väteförsprödning (HE), en vanlig korrosionsanomali som inkluderar HTHA. OH kan uppstå vid låga och höga temperaturer. Den betraktas som en form av korrosion och kan initieras på flera sätt och även påverka ett brett spektrum av material.
HE har olika former, vilka kan delas in i vätekorrosion (HAC), vätespänningssprickbildning (HSC), spänningskorrosionssprickbildning (SCC), vätekorrosionssprickbildning (HACC), vätebubblan (HB), vätesprickbildning (HIC), spänningsorienterad vätekorrosion (SOHIC), progressiv sprickbildning (SWC), sulfidspänningssprickbildning (SSC), mjukzonssprickbildning (SZC) och högtemperaturvätekorrosion (HTHA).
I sin enklaste form är väteförsprödning en mekanism för att förstöra metallens korngränser, vilket resulterar i minskad duktilitet på grund av penetration av atomärt väte. Sätten på vilka detta sker varierar och definieras delvis av deras respektive namn, såsom HTHA, där samtidig högtemperatur- och högtrycksväte behövs för försprödning, och SSC, där atomärt väte produceras som slutna gaser och väte. På grund av syrakorrosion sipprar de in i metallhöljen, vilket kan leda till sprödhet. Men det övergripande resultatet är detsamma som för alla fall av väteförsprödning som beskrivs ovan, där metallens hållfasthet minskar genom försprödning under dess tillåtna spänningsområde, vilket i sin tur banar väg för en potentiellt katastrofal händelse med tanke på vätskans flyktighet.
Förutom väggtjocklek och mekanisk fogprestanda finns det två huvudfaktorer att beakta vid val av material för H2-gasanvändning: 1. Exponering för högtemperaturväte (HTHA) och 2. Allvarlig oro för potentiellt läckage. Båda ämnena diskuteras för närvarande.
Till skillnad från molekylärt väte kan atomärt väte expandera och utsätta vätet för höga temperaturer och tryck, vilket skapar grunden för potentiell HTHA (Nominal Size Thought, HTHA). Under dessa förhållanden kan atomärt väte diffundera in i rörledningar eller utrustning av kolstål, där det reagerar med kol i metallisk lösning för att bilda metangas vid korngränserna. Eftersom gasen inte kan släppa ut expanderar den och skapar sprickor och springor i väggarna på rör eller kärl – detta är HTGA. Du kan tydligt se HTHA-resultaten i figur 2 där sprickor och hål är tydliga i 8-tumsväggen. Den del av nominell storlek (NPS) rör som brister under dessa förhållanden.
Kolstål kan användas för vätgasanvändning när driftstemperaturen hålls under 500°F. Som nämnts ovan uppstår HTHA när vätgas hålls vid högt partialtryck och hög temperatur. Kolstål rekommenderas inte när vätgaspartialtrycket förväntas vara runt 3000 psi och temperaturen är över cirka 450°F (vilket är olycksfallet i figur 2).
Som framgår av det modifierade Nelson-diagrammet i figur 3, delvis hämtat från API 941, har hög temperatur störst effekt på vätgaspåverkan. Vätgaspartialtrycket kan överstiga 1000 psi vid användning med kolstål som arbetar vid temperaturer upp till 500°F.
Figur 3. Detta modifierade Nelson-diagram (anpassat från API 941) kan användas för att välja lämpliga material för vätgasanvändning vid olika temperaturer.
Figur 3 visar valet av stål som garanterat undviker vätgasangrepp, beroende på driftstemperatur och vätgasens partialtryck. Austenitiska rostfria stål är okänsliga för HTHA och är tillfredsställande material vid alla temperaturer och tryck.
Austenitiskt 316/316L rostfritt stål är det mest praktiska materialet för vätgasapplikationer och har en dokumenterad meritlista. Medan värmebehandling efter svetsning (PWHT) rekommenderas för kolstål för att kalcinera kvarvarande väte under svetsning och minska hårdheten i den värmepåverkade zonen (HAZ) efter svetsning, krävs det inte för austenitiska rostfria stål.
Termotermiska effekter orsakade av värmebehandling och svetsning har liten effekt på de mekaniska egenskaperna hos austenitiska rostfria stål. Däremot kan kallbearbetning förbättra de mekaniska egenskaperna hos austenitiska rostfria stål, såsom hållfasthet och hårdhet. Vid böjning och formning av rör av austenitiskt rostfritt stål förändras deras mekaniska egenskaper, inklusive minskning av materialets plasticitet.
Om austenitiskt rostfritt stål kräver kallformning, kommer lösningsglödgning (uppvärmning till cirka 1045 °C följt av kylning eller snabb kylning) att återställa materialets mekaniska egenskaper till deras ursprungliga värden. Det kommer också att eliminera legeringssegregationen, sensibiliseringen och sigmafasen som uppnås efter kallbearbetning. Var medveten om att snabb kylning kan återställa kvarvarande spänningar i materialet vid lösningsglödgning om det inte hanteras korrekt.
Se tabellerna GR-2.1.1-1 Piping and Tubing Assembly Material Specification Index och GR-2.1.1-2 Piping Material Specification Index i ASME B31 för acceptabla materialval för H2-användning. Rör är en bra utgångspunkt.
Med en standardatomvikt på 1,008 atommassenheter (amu) är väte det lättaste och minsta grundämnet i det periodiska systemet, och har därför en hög benägenhet att läcka, med potentiellt förödande konsekvenser, skulle jag vilja tillägga. Därför måste gasledningssystemet utformas på ett sådant sätt att mekaniska anslutningar begränsas och de anslutningar som verkligen behövs förbättras.
Vid begränsning av potentiella läckagepunkter bör systemet helsvetsas, med undantag för flänsanslutningar på utrustning, rörledningselement och kopplingar. Gängade anslutningar bör undvikas så långt det är möjligt, om inte helt. Om gängade anslutningar av någon anledning inte kan undvikas rekommenderas att de griper in helt utan gängtätning och sedan täta svetsen. Vid användning av kolstålsrör måste rörskarvarna stumsvetsas och värmebehandlas efter svetsning (PWHT). Efter svetsning utsätts rör i den värmepåverkade zonen (HAZ) för vätgasangrepp även vid omgivningstemperatur. Medan vätgasangrepp främst sker vid höga temperaturer, kommer PWHT-steget att helt minska, om inte eliminera, denna möjlighet även under omgivande förhållanden.
Den svaga punkten hos det helsvetsade systemet är flänsförbindningen. För att säkerställa en hög grad av täthet i flänsförbindningar bör Kammprofile-packningar (fig. 4) eller någon annan form av packning användas. Denna packning, som tillverkas på nästan samma sätt av flera tillverkare, är mycket förlåtande. Den består av tandade helmetallringar inklämda mellan mjuka, deformerbara tätningsmaterial. Tänderna koncentrerar bultens belastning på ett mindre område för att ge en tät passform med mindre spänning. Den är utformad på ett sådant sätt att den kan kompensera för ojämna flänsytor samt fluktuerande driftsförhållanden.
Figur 4. Kammprofile-packningar har en metallkärna som är limmad på båda sidor med ett mjukt fyllmedel.
En annan viktig faktor för systemets integritet är ventilen. Läckage runt spindeltätningen och ventilhusets flänsar är ett verkligt problem. För att förhindra detta rekommenderas att välja en ventil med bälgtätning.
Använd 1 tum. School 80 kolstålsrör, i vårt exempel nedan, givet tillverkningstoleranser, korrosion och mekaniska toleranser i enlighet med ASTM A106 Gr B, kan det maximala tillåtna arbetstrycket (MAWP) beräknas i två steg vid temperaturer upp till 300°F (Obs: Anledningen till "...för temperaturer upp till 300ºF..." är att den tillåtna spänningen (S) för ASTM A106 Gr B-materialet börjar försämras när temperaturen överstiger 300ºF. (S), så ekvation (1) kräver justering till temperaturer över 300ºF.)
Med hänvisning till formel (1) är det första steget att beräkna rörledningens teoretiska sprängtryck.
T = rörväggtjocklek minus mekaniska, korrosions- och tillverkningstoleranser, i tum.
Den andra delen av processen är att beräkna det maximalt tillåtna arbetstrycket Pa för rörledningen genom att tillämpa säkerhetsfaktorn S f på resultatet P enligt ekvation (2):
Således, när man använder 1″ school 80-material, beräknas sprängtrycket enligt följande:
En säkerhets-Sf på 4 tillämpas sedan i enlighet med ASME:s rekommendationer för tryckkärl, avsnitt VIII-1 2019, punkt 8. UG-101 beräknas enligt följande:
Det resulterande MAWP-värdet är 810 psi. tum avser endast rör. Flänsanslutningen eller komponenten med lägst klassificering i systemet kommer att vara den avgörande faktorn för att bestämma det tillåtna trycket i systemet.
Enligt ASME B16.5 är det maximalt tillåtna arbetstrycket för flänskopplingar i kolstål med 150 psi 285 psi tum vid -20°F till 100°F. Klass 300 har ett maximalt tillåtet arbetstryck på 740 psi. Detta kommer att vara systemets tryckgränsfaktor enligt materialspecifikationsexemplet nedan. Dessutom kan dessa värden, endast i hydrostatiska tester, överstiga 1,5 gånger.
Som ett exempel på en grundläggande materialspecifikation för kolstål kan en H2-gasledningsspecifikation som arbetar vid en omgivningstemperatur under ett konstruktionstryck på 740 psi. tum innehålla de materialkrav som visas i tabell 2. Följande är typer som kan kräva uppmärksamhet för att inkluderas i specifikationen:
Förutom själva rörsystemet finns det många element som utgör rörsystemet, såsom kopplingar, ventiler, ledningsutrustning etc. Även om många av dessa element kommer att sättas samman i en pipeline för att diskutera dem i detalj, kommer detta att kräva fler sidor än vad som kan rymmas. Den här artikeln.