ภาพรวมนี้ให้คำแนะนำสำหรับการออกแบบระบบท่อสำหรับการจ่ายไฮโดรเจนอย่างปลอดภัย
ไฮโดรเจนเป็นของเหลวที่ระเหยได้ง่ายและมีแนวโน้มที่จะรั่วไหลได้ง่าย ไฮโดรเจนเป็นของเหลวที่อันตรายและเป็นอันตรายถึงชีวิตได้มาก ไฮโดรเจนเป็นของเหลวที่ระเหยได้ง่ายและควบคุมได้ยาก สิ่งเหล่านี้เป็นแนวโน้มที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุ ปะเก็นและซีล รวมถึงลักษณะการออกแบบของระบบดังกล่าว หัวข้อเกี่ยวกับการกระจายตัวของก๊าซ H2 เป็นจุดเน้นของการอภิปรายนี้ ไม่ใช่การผลิต H2 ของเหลว H2 หรือของเหลว H2 (ดูแถบด้านข้างขวา)
ต่อไปนี้เป็นประเด็นสำคัญบางประการที่จะช่วยให้คุณเข้าใจส่วนผสมของไฮโดรเจนและอากาศ H2 ไฮโดรเจนเผาไหม้ได้ 2 วิธี ได้แก่ การเผาไหม้แบบยุบตัวและการระเบิด
การเผาไหม้แบบระเบิด การเผาไหม้แบบระเบิดเป็นรูปแบบการเผาไหม้ทั่วไปที่เปลวไฟจะเคลื่อนที่ผ่านส่วนผสมด้วยความเร็วต่ำกว่าเสียง ตัวอย่างเช่น เกิดขึ้นเมื่อกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนและอากาศที่เป็นอิสระถูกจุดไฟโดยแหล่งกำเนิดไฟขนาดเล็ก ในกรณีนี้ เปลวไฟจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 10 ถึงหลายร้อยฟุตต่อวินาที การขยายตัวอย่างรวดเร็วของก๊าซร้อนจะสร้างคลื่นความดันซึ่งมีความเข้มข้นเป็นสัดส่วนกับขนาดของเมฆ ในบางกรณี แรงของคลื่นกระแทกอาจเพียงพอที่จะสร้างความเสียหายให้กับโครงสร้างอาคารและวัตถุอื่นๆ ในเส้นทางของมันและทำให้เกิดการบาดเจ็บได้
ระเบิด เมื่อเกิดการระเบิด เปลวไฟและคลื่นกระแทกจะเคลื่อนที่ผ่านส่วนผสมด้วยความเร็วเหนือเสียง อัตราส่วนความดันในคลื่นการระเบิดจะมากกว่าการระเบิดแบบปกติมาก เนื่องจากแรงที่เพิ่มขึ้น การระเบิดจึงอันตรายต่อผู้คน อาคาร และวัตถุใกล้เคียงมากกว่า การระเบิดแบบปกติจะทำให้เกิดการระเบิดเมื่อจุดไฟในพื้นที่จำกัด ในพื้นที่แคบเช่นนี้ การจุดไฟสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยพลังงานน้อยที่สุด แต่สำหรับการระเบิดส่วนผสมของไฮโดรเจนและอากาศในพื้นที่ไม่จำกัด จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดไฟที่มีพลังมากกว่า
อัตราส่วนความดันข้ามคลื่นการระเบิดในส่วนผสมของไฮโดรเจนและอากาศอยู่ที่ประมาณ 20 ที่ความดันบรรยากาศ อัตราส่วน 20 คือ 300 psi เมื่อคลื่นความดันนี้ชนกับวัตถุที่หยุดนิ่ง อัตราส่วนความดันจะเพิ่มขึ้นเป็น 40-60 ซึ่งเกิดจากการสะท้อนของคลื่นความดันจากสิ่งกีดขวางที่หยุดนิ่ง
แนวโน้มที่จะรั่วไหล เนื่องจากมีความหนืดต่ำและมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ก๊าซ H2 จึงมีแนวโน้มที่จะรั่วไหลและแทรกซึมหรือทะลุวัสดุต่างๆ ได้ดี
ไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบากว่าก๊าซธรรมชาติ 8 เท่า เบากว่าอากาศ 14 เท่า เบากว่าโพรเพน 22 เท่า และเบากว่าไอของน้ำมันเบนซิน 57 เท่า ซึ่งหมายความว่าเมื่อติดตั้งไว้กลางแจ้ง ก๊าซ H2 จะลอยขึ้นและกระจายตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ไม่มีสัญญาณของการรั่วไหลเลย แต่สิ่งนี้อาจเป็นดาบสองคมได้ การระเบิดอาจเกิดขึ้นได้หากต้องเชื่อมในสถานที่กลางแจ้งเหนือหรือใต้ลมที่ก๊าซ H2 รั่วไหลโดยไม่ได้ตรวจสอบการรั่วไหลก่อนทำการเชื่อม ในพื้นที่ปิด ก๊าซ H2 สามารถลอยขึ้นและสะสมจากเพดานลงมา ซึ่งเป็นสภาวะที่ทำให้ก๊าซ H2 สะสมตัวในปริมาณมากก่อนที่จะสัมผัสกับแหล่งกำเนิดไฟใกล้พื้นดิน
ไฟไหม้โดยบังเอิญ การติดไฟเองเป็นปรากฏการณ์ที่ส่วนผสมของก๊าซหรือไอเกิดการติดไฟเองโดยไม่มีแหล่งกำเนิดไฟภายนอก ปรากฏการณ์นี้เรียกอีกอย่างว่า “การติดไฟเอง” หรือ “การติดไฟเอง” การติดไฟเองขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ไม่ใช่แรงดัน
อุณหภูมิการติดไฟเองคืออุณหภูมิต่ำสุดที่เชื้อเพลิงจะติดไฟได้เองก่อนการติดไฟในกรณีที่ไม่มีแหล่งกำเนิดไฟภายนอกเมื่อสัมผัสกับอากาศหรือตัวออกซิไดซ์ อุณหภูมิการติดไฟเองของผงเดี่ยวคืออุณหภูมิที่มันติดไฟได้เองในกรณีที่ไม่มีตัวออกซิไดซ์ อุณหภูมิการติดไฟเองของก๊าซ H2 ในอากาศคือ 585°C
พลังงานจุดระเบิดคือพลังงานที่จำเป็นในการเริ่มการลุกลามของเปลวไฟผ่านส่วนผสมที่ติดไฟได้ พลังงานจุดระเบิดขั้นต่ำคือพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการจุดไฟส่วนผสมที่ติดไฟได้ที่อุณหภูมิและความดันเฉพาะ พลังงานจุดระเบิดประกายไฟขั้นต่ำสำหรับก๊าซ H2 ในอากาศ 1 บรรยากาศ = 1.9 × 10–8 BTU (0.02 mJ)
ขีดจำกัดการระเบิดคือความเข้มข้นสูงสุดและต่ำสุดของไอระเหย หมอก หรือฝุ่นละอองในอากาศหรือออกซิเจนที่ทำให้เกิดการระเบิด ขนาดและรูปทรงของสภาพแวดล้อม รวมถึงความเข้มข้นของเชื้อเพลิงเป็นตัวกำหนดขีดจำกัดดังกล่าว บางครั้งคำว่า "ขีดจำกัดการระเบิด" ใช้เป็นคำพ้องความหมายกับคำว่า "ขีดจำกัดการระเบิด"
ขีดจำกัดการระเบิดของส่วนผสม H2 ในอากาศคือ 18.3% ปริมาตร (ขีดจำกัดล่าง) และ 59% ปริมาตร (ขีดจำกัดบน)
เมื่อออกแบบระบบท่อ (รูปที่ 1) ขั้นตอนแรกคือการกำหนดวัสดุก่อสร้างที่จำเป็นสำหรับของเหลวแต่ละประเภท และของเหลวแต่ละประเภทจะถูกจำแนกตาม ASME B31.3 ย่อหน้า 300(b)(1) ระบุว่า “เจ้าของยังต้องรับผิดชอบในการกำหนดคลาส D, M, แรงดันสูง และท่อที่มีความบริสุทธิ์สูง และกำหนดว่าควรใช้ระบบคุณภาพเฉพาะหรือไม่”
การแบ่งประเภทของไหลจะกำหนดระดับของการทดสอบและประเภทของการทดสอบที่จำเป็น รวมถึงข้อกำหนดอื่นๆ อีกมากมายตามประเภทของไหล โดยปกติแล้ว ความรับผิดชอบของเจ้าของสำหรับเรื่องนี้จะตกอยู่ที่แผนกวิศวกรรมของเจ้าของหรือวิศวกรที่รับจ้างภายนอก
แม้ว่าประมวลกฎหมายท่อกระบวนการ B31.3 จะไม่ได้บอกเจ้าของว่าควรใช้วัสดุใดสำหรับของเหลวแต่ละชนิด แต่ก็จะให้คำแนะนำเกี่ยวกับความแข็งแรง ความหนา และข้อกำหนดการเชื่อมต่อวัสดุ นอกจากนี้ ยังมีข้อความสองข้อในคำนำของประมวลกฎหมายที่ระบุอย่างชัดเจนดังนี้:
และขยายความในย่อหน้าแรกข้างต้น ย่อหน้า B31.3 300(b)(1) ยังระบุด้วยว่า: “เจ้าของการติดตั้งท่อเป็นผู้รับผิดชอบแต่เพียงผู้เดียวในการปฏิบัติตามประมวลกฎหมายนี้และในการกำหนดข้อกำหนดการออกแบบ การก่อสร้าง การตรวจสอบ การตรวจสอบ และการทดสอบที่ควบคุมการจัดการของเหลวหรือกระบวนการทั้งหมดที่ท่อเป็นส่วนหนึ่ง การติดตั้ง” ดังนั้น หลังจากวางกฎพื้นฐานบางประการสำหรับความรับผิดและข้อกำหนดในการกำหนดหมวดหมู่การบริการของของเหลวแล้ว มาดูกันว่าก๊าซไฮโดรเจนเข้าข่ายอะไร
เนื่องจากก๊าซไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็นของเหลวระเหยได้ที่มีการรั่วไหล ก๊าซไฮโดรเจนจึงถือเป็นของเหลวธรรมดาหรือของเหลวคลาส M ภายใต้หมวด B31.3 สำหรับการใช้งานของเหลว ดังที่ระบุไว้ข้างต้น การจำแนกประเภทของการจัดการของเหลวเป็นข้อกำหนดของเจ้าของ โดยต้องเป็นไปตามหลักเกณฑ์สำหรับหมวดหมู่ที่เลือกซึ่งอธิบายไว้ใน B31.3 ย่อหน้า 3 300.2 คำจำกัดความในส่วน "การใช้งานระบบไฮดรอลิก" คำจำกัดความต่อไปนี้เป็นคำจำกัดความสำหรับการใช้งานของเหลวธรรมดาและการใช้งานของเหลวคลาส M:
“การบริการของเหลวปกติ: การบริการของเหลวที่สามารถใช้ได้กับท่อส่วนใหญ่ที่อยู่ภายใต้รหัสนี้ กล่าวคือ ไม่ขึ้นอยู่กับข้อบังคับสำหรับคลาส D, M, อุณหภูมิสูง แรงดันสูง หรือความสะอาดของของเหลวสูง”
(1) ความเป็นพิษของของเหลวมีมากถึงขนาดที่การสัมผัสของเหลวปริมาณเล็กน้อยเพียงครั้งเดียวอันเกิดจากการรั่วไหลสามารถทำให้ผู้ที่สูดดมหรือสัมผัสของเหลวนั้นได้รับบาดเจ็บถาวรได้ แม้ว่าจะมีการใช้มาตรการฟื้นฟูทันทีก็ตาม
(2) หลังจากพิจารณาการออกแบบท่อ ประสบการณ์ เงื่อนไขการทำงาน และตำแหน่ง เจ้าของตัดสินใจว่าข้อกำหนดสำหรับการใช้งานของเหลวตามปกติไม่เพียงพอที่จะให้ความหนาแน่นที่จำเป็นในการปกป้องบุคลากรจากการสัมผัส
ตามคำจำกัดความ M ข้างต้น ก๊าซไฮโดรเจนไม่เป็นไปตามเกณฑ์ของวรรค (1) เนื่องจากไม่ถือเป็นของเหลวที่มีพิษ อย่างไรก็ตาม การใช้มาตรา (2) ประมวลกฎหมายอนุญาตให้จำแนกประเภทระบบไฮดรอลิกเป็นคลาส M ได้หลังจากพิจารณาอย่างเหมาะสมถึง “…การออกแบบท่อ ประสบการณ์ สภาพการทำงาน และตำแหน่ง…” เจ้าของอนุญาตให้กำหนดการจัดการของเหลวตามปกติ ข้อกำหนดดังกล่าวไม่เพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการระดับความสมบูรณ์ที่สูงขึ้นในการออกแบบ การก่อสร้าง การตรวจสอบ การตรวจสอบ และการทดสอบระบบท่อก๊าซไฮโดรเจน
โปรดดูตารางที่ 1 ก่อนที่จะพูดถึงการกัดกร่อนด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง (HTHA) ตารางนี้แสดงรหัส มาตรฐาน และข้อบังคับต่างๆ ซึ่งรวมถึงเอกสาร 6 ฉบับเกี่ยวกับหัวข้อการกัดกร่อนด้วยไฮโดรเจน (HE) ซึ่งเป็นความผิดปกติในการกัดกร่อนทั่วไปที่รวมถึง HTHA OH สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งที่อุณหภูมิต่ำและสูง ถือเป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อน ซึ่งสามารถเริ่มต้นได้หลายวิธี และยังส่งผลต่อวัสดุได้หลากหลายประเภทอีกด้วย
HE มีรูปแบบต่างๆ ซึ่งสามารถแบ่งเป็นการแตกร้าวจากไฮโดรเจน (HAC), การแตกร้าวจากความเค้นไฮโดรเจน (HSC), การแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น (SCC), การแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากไฮโดรเจน (HACC), การฟองอากาศของไฮโดรเจน (HB), การแตกร้าวจากไฮโดรเจน (HIC)), การแตกร้าวจากไฮโดรเจนแบบเน้นความเค้น (SOHIC), การแตกร้าวแบบก้าวหน้า (SWC), การแตกร้าวจากความเค้นซัลไฟด์ (SSC), การแตกร้าวในโซนอ่อน (SZC) และการกัดกร่อนจากไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง (HTHA)
ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด การเปราะของไฮโดรเจนเป็นกลไกในการทำลายขอบเกรนของโลหะ ส่งผลให้ความเหนียวลดลงเนื่องจากไฮโดรเจนอะตอมแทรกซึมเข้าไป วิธีการที่เกิดขึ้นนั้นแตกต่างกันไป และบางส่วนถูกกำหนดโดยชื่อของแต่ละกลไก เช่น HTHA ซึ่งต้องใช้ไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงพร้อมกันในการเปราะ และ SSC ซึ่งไฮโดรเจนอะตอมจะถูกผลิตเป็นก๊าซปิดและไฮโดรเจน เนื่องจากการกัดกร่อนของกรด ไฮโดรเจนจะซึมเข้าไปในตัวโลหะ ซึ่งอาจนำไปสู่การเปราะได้ แต่ผลลัพธ์โดยรวมนั้นเหมือนกับกรณีการเปราะของไฮโดรเจนทั้งหมดที่อธิบายไว้ข้างต้น ซึ่งความแข็งแรงของโลหะจะลดลงจากการเปราะต่ำกว่าช่วงความเค้นที่อนุญาต ซึ่งในทางกลับกันจะทำให้เกิดเหตุการณ์ร้ายแรงที่อาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากความผันผวนของของเหลว
นอกจากความหนาของผนังและประสิทธิภาพของข้อต่อเชิงกลแล้ว ยังมีปัจจัยหลักสองประการที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุสำหรับการบริการก๊าซ H2: 1. การสัมผัสกับไฮโดรเจนอุณหภูมิสูง (HTHA) และ 2. ข้อกังวลอย่างจริงจังเกี่ยวกับการรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้น ทั้งสองหัวข้อนี้กำลังอยู่ระหว่างการหารือ
ไฮโดรเจนอะตอมสามารถขยายตัวได้ ซึ่งทำให้ไฮโดรเจนสัมผัสกับอุณหภูมิและแรงดันสูง จึงสร้างพื้นฐานสำหรับ HTHA ที่มีศักยภาพได้ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ไฮโดรเจนอะตอมสามารถแพร่กระจายเข้าไปในวัสดุท่อเหล็กกล้าคาร์บอนหรืออุปกรณ์ โดยทำปฏิกิริยากับคาร์บอนในสารละลายโลหะเพื่อสร้างก๊าซมีเทนที่ขอบเกรน เมื่อไม่สามารถหลบหนีได้ ก๊าซจะขยายตัว ทำให้เกิดรอยแตกและรอยแยกในผนังของท่อหรือภาชนะ ซึ่งเรียกว่า HTGA คุณสามารถเห็นผลลัพธ์ HTHA ได้อย่างชัดเจนในรูปที่ 2 ซึ่งรอยแตกและรอยแยกปรากฏชัดในผนังขนาด 8 นิ้ว ส่วนของท่อขนาดปกติ (NPS) ที่ล้มเหลวภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้
เหล็กกล้าคาร์บอนสามารถใช้กับไฮโดรเจนได้เมื่ออุณหภูมิในการทำงานรักษาไว้ต่ำกว่า 500°F ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น HTHA เกิดขึ้นเมื่อก๊าซไฮโดรเจนถูกกักไว้ที่ความดันย่อยสูงและอุณหภูมิสูง ไม่แนะนำให้ใช้เหล็กกล้าคาร์บอนเมื่อคาดว่าความดันย่อยของไฮโดรเจนจะอยู่ที่ประมาณ 3,000 psi และอุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 450°F (ซึ่งเป็นสภาวะอุบัติเหตุในรูปที่ 2)
จากกราฟ Nelson ที่ดัดแปลงในรูปที่ 3 ซึ่งนำมาบางส่วนจาก API 941 จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิสูงมีผลมากที่สุดต่อการบังคับของไฮโดรเจน แรงดันบางส่วนของก๊าซไฮโดรเจนสามารถเกิน 1,000 psi เมื่อใช้กับเหล็กกล้าคาร์บอนที่ทำงานในอุณหภูมิสูงถึง 500°F
รูปที่ 3 แผนภูมิ Nelson ที่ปรับเปลี่ยนนี้ (ดัดแปลงจาก API 941) สามารถใช้เพื่อเลือกวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการบริการไฮโดรเจนที่อุณหภูมิต่างๆ ได้
รูปที่ 3 แสดงการเลือกเหล็กที่รับประกันว่าจะหลีกเลี่ยงการโจมตีของไฮโดรเจนได้ โดยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการทำงานและความดันบางส่วนของไฮโดรเจน เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกไม่ไวต่อ HTHA และเป็นวัสดุที่น่าพอใจที่อุณหภูมิและความดันทั้งหมด
เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก 316/316L เป็นวัสดุที่ใช้งานได้จริงที่สุดสำหรับการใช้งานไฮโดรเจนและมีประวัติที่พิสูจน์แล้ว แม้ว่าจะแนะนำให้ใช้การอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อม (PWHT) สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนเพื่อเผาไฮโดรเจนที่เหลือในระหว่างการเชื่อมและลดความแข็งของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) หลังการเชื่อม แต่ไม่จำเป็นสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก
ผลกระทบจากความร้อนที่เกิดจากการให้ความร้อนและการเชื่อมมีผลเพียงเล็กน้อยต่อคุณสมบัติเชิงกลของสเตนเลสออสเทนนิติก อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปเย็นสามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของสเตนเลสออสเทนนิติกได้ เช่น ความแข็งแรงและความแข็ง เมื่อดัดและขึ้นรูปท่อจากสเตนเลสออสเทนนิติก คุณสมบัติเชิงกลของท่อจะเปลี่ยนไป รวมถึงการลดลงของความเป็นพลาสติกของวัสดุด้วย
หากสเตนเลสออสเทนนิติกต้องผ่านการขึ้นรูปเย็น การอบด้วยสารละลาย (การให้ความร้อนประมาณ 1,045°C ตามด้วยการดับหรือการทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว) จะช่วยคืนคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุให้กลับเป็นค่าเดิม นอกจากนี้ยังช่วยขจัดการแยกตัวของโลหะผสม การทำให้ไวต่อความรู้สึก และเฟสซิกม่าที่เกิดขึ้นหลังจากการขึ้นรูปเย็น เมื่อทำการอบด้วยสารละลาย โปรดทราบว่าการทำให้เย็นอย่างรวดเร็วอาจเพิ่มความเค้นตกค้างกลับเข้าไปในวัสดุได้หากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม
ดูดัชนีข้อมูลจำเพาะวัสดุชุดประกอบท่อและท่อ GR-2.1.1-1 และดัชนีข้อมูลจำเพาะวัสดุชุดท่อ GR-2.1.1-2 ใน ASME B31 สำหรับการเลือกวัสดุที่ยอมรับได้สำหรับงานบริการ H2 ท่อเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี
ด้วยน้ำหนักอะตอมมาตรฐานที่ 1.008 หน่วยมวลอะตอม (amu) ไฮโดรเจนจึงเป็นธาตุที่เบาที่สุดและมีขนาดเล็กที่สุดในตารางธาตุ จึงมีแนวโน้มสูงที่จะรั่วไหล ซึ่งอาจก่อให้เกิดผลร้ายแรงตามมาได้ ดังนั้น ระบบท่อส่งก๊าซจึงต้องได้รับการออกแบบในลักษณะที่จะจำกัดการเชื่อมต่อแบบกลไกและปรับปรุงการเชื่อมต่อที่จำเป็นจริงๆ
เมื่อต้องจำกัดจุดรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้น ควรเชื่อมระบบให้สมบูรณ์ ยกเว้นการเชื่อมต่อแบบหน้าแปลนบนอุปกรณ์ ส่วนประกอบของท่อ และอุปกรณ์ประกอบต่างๆ ควรหลีกเลี่ยงการเชื่อมแบบเกลียวให้มากที่สุด หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงการเชื่อมแบบเกลียวได้ด้วยเหตุผลใดก็ตาม ขอแนะนำให้เชื่อมให้สนิทโดยไม่ต้องใช้สารซีลเกลียว จากนั้นจึงปิดผนึกรอยเชื่อม เมื่อใช้ท่อเหล็กกล้าคาร์บอน ข้อต่อท่อจะต้องเชื่อมแบบชนและอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อม (PWHT) หลังจากเชื่อมแล้ว ท่อในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) จะสัมผัสกับการโจมตีของไฮโดรเจนแม้ในอุณหภูมิแวดล้อม แม้ว่าการโจมตีของไฮโดรเจนจะเกิดขึ้นเป็นหลักในอุณหภูมิสูง แต่ขั้นตอน PWHT จะลดโอกาสนี้ลงได้อย่างสมบูรณ์หรืออาจกำจัดได้ แม้ในสภาวะแวดล้อม
จุดอ่อนของระบบเชื่อมทั้งหมดคือการเชื่อมต่อหน้าแปลน เพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อหน้าแปลนมีความแน่นหนาในระดับสูง ควรใช้ปะเก็น Kammprofile (รูปที่ 4) หรือปะเก็นรูปแบบอื่น แผ่นรองนี้ผลิตขึ้นในลักษณะเดียวกันเกือบทั้งหมดโดยผู้ผลิตหลายราย แผ่นรองนี้มีความยืดหยุ่นสูง ประกอบด้วยวงแหวนโลหะทั้งหมดที่มีฟันซึ่งประกบอยู่ระหว่างวัสดุปิดผนึกที่อ่อนและเสียรูปได้ ฟันจะรวมแรงของสลักเกลียวไว้ในพื้นที่ที่เล็กลงเพื่อให้พอดีโดยมีความเค้นน้อยลง แผ่นรองนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สามารถชดเชยพื้นผิวหน้าแปลนที่ไม่เรียบได้ ตลอดจนสภาพการทำงานที่ผันผวน
รูปที่ 4 ปะเก็นแบบ Kammprofile มีแกนโลหะที่เชื่อมติดทั้งสองด้านด้วยฟิลเลอร์ที่อ่อน
ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งในการคงความสมบูรณ์ของระบบคือวาล์ว การรั่วไหลรอบซีลแกนและหน้าแปลนของตัววาล์วเป็นปัญหาที่แท้จริง เพื่อป้องกันปัญหานี้ ขอแนะนำให้เลือกวาล์วที่มีซีลแบบลูกฟูก
ใช้ท่อเหล็กกล้าคาร์บอน School 80 ขนาด 1 นิ้ว ในตัวอย่างด้านล่าง โดยคำนึงถึงค่าความคลาดเคลื่อนในการผลิต การกัดกร่อน และความคลาดเคลื่อนทางกลตามมาตรฐาน ASTM A106 Gr B แรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาต (MAWP) สามารถคำนวณได้ในสองขั้นตอนที่อุณหภูมิสูงถึง 300°F (หมายเหตุ: เหตุผลของ “…สำหรับอุณหภูมิสูงถึง 300ºF…” คือ ความเค้นที่อนุญาต (S) ของวัสดุ ASTM A106 Gr B จะเริ่มเสื่อมสภาพเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 300ºF (S) ดังนั้นสมการ (1) จึงต้องปรับให้เข้ากับอุณหภูมิที่สูงกว่า 300ºF)
โดยอ้างอิงจากสูตร (1) ขั้นตอนแรกคือการคำนวณแรงดันแตกตามทฤษฎีของท่อ
T = ความหนาของผนังท่อลบค่าความคลาดเคลื่อนทางกล การกัดกร่อน และการผลิต เป็นนิ้ว
ส่วนที่สองของกระบวนการคือการคำนวณความดันทำงานสูงสุดที่อนุญาต Pa ของท่อโดยการใช้ปัจจัยด้านความปลอดภัย S f กับผลลัพธ์ P ตามสมการ (2):
ดังนั้นเมื่อใช้วัสดุ 1″ school 80 แรงกดแตกจะคำนวณได้ดังนี้:
จากนั้นจึงใช้ค่าความปลอดภัย Sf เท่ากับ 4 ตาม ASME Pressure Vessel Recommendations Section VIII-1 2019, Paragraph 8 UG-101 คำนวณดังนี้:
ค่า MAWP ที่ได้คือ 810 psi นิ้วหมายถึงท่อเท่านั้น การเชื่อมต่อหน้าแปลนหรือส่วนประกอบที่มีค่าพิกัดต่ำสุดในระบบจะเป็นปัจจัยกำหนดในการกำหนดแรงดันที่อนุญาตในระบบ
ตามมาตรฐาน ASME B16.5 แรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาตสำหรับอุปกรณ์หน้าแปลนเหล็กกล้าคาร์บอน 150 ชิ้นคือ 285 psi ที่อุณหภูมิ -20°F ถึง 100°F คลาส 300 มีแรงดันใช้งานสูงสุดที่อนุญาตคือ 740 psi ซึ่งจะเป็นปัจจัยจำกัดแรงดันของระบบตามตัวอย่างข้อมูลจำเพาะของวัสดุด้านล่าง นอกจากนี้ ในการทดสอบไฮโดรสแตติกเท่านั้น ค่าเหล่านี้อาจเกิน 1.5 เท่า
ตัวอย่างข้อมูลจำเพาะของวัสดุเหล็กกล้าคาร์บอนพื้นฐาน ข้อมูลจำเพาะของท่อบริการก๊าซ H2 ที่ทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อมต่ำกว่าแรงดันออกแบบ 740 psi นิ้ว อาจมีข้อกำหนดวัสดุดังแสดงในตารางที่ 2 ประเภทต่อไปนี้อาจต้องใส่ใจเพื่อให้รวมอยู่ในข้อมูลจำเพาะ:
นอกเหนือจากระบบท่อแล้ว ยังมีองค์ประกอบอื่นๆ อีกหลายอย่าง เช่น อุปกรณ์ประกอบ วาล์ว อุปกรณ์ท่อ ฯลฯ แม้ว่าองค์ประกอบเหล่านี้จำนวนมากจะถูกนำมารวมกันในระบบท่อเพื่ออธิบายรายละเอียด แต่เนื้อหาในบทความนี้จะยาวกว่าที่เราจะรองรับได้