Bu genel bakışta hidrojen dağıtımı için boru sistemlerinin güvenli tasarımına yönelik öneriler sunulmaktadır.
Hidrojen, sızma eğilimi yüksek, oldukça uçucu bir sıvıdır. Çok tehlikeli ve ölümcül eğilimlerin bir kombinasyonudur, kontrol edilmesi zor uçucu bir sıvıdır. Bunlar, malzeme, conta ve conta seçerken dikkate alınması gereken eğilimlerdir ve bu tür sistemlerin tasarım özellikleridir. Gaz halindeki H2'nin dağıtımı hakkındaki bu konular, H2, sıvı H2 veya sıvı H2 üretimi (sağ kenar çubuğuna bakın) değil, bu tartışmanın odak noktasıdır.
İşte hidrojen ve H2-hava karışımını anlamanıza yardımcı olacak birkaç önemli nokta. Hidrojen iki şekilde yanar: deflagrasyon ve patlama.
deflagrasyon. Deflagrasyon, alevlerin karışımda ses altı hızlarda hareket ettiği yaygın bir yanma modudur. Bu, örneğin, serbest bir hidrojen-hava karışımı bulutu küçük bir ateşleme kaynağı tarafından tutuşturulduğunda meydana gelir. Bu durumda, alev saniyede on ila birkaç yüz fit hızla hareket edecektir. Sıcak gazın hızla genişlemesi, gücü bulutun boyutuyla orantılı olan basınç dalgaları yaratır. Bazı durumlarda, şok dalgasının kuvveti, yolundaki yapı yapılarına ve diğer nesnelere zarar vermeye ve yaralanmaya neden olmaya yetebilir.
patlamak. Patladığında, alevler ve şok dalgaları süpersonik hızlarda karışımdan geçti. Bir patlama dalgasındaki basınç oranı, bir patlamadakinden çok daha büyüktür. Artan kuvvet nedeniyle, patlama insanlar, binalar ve yakındaki nesneler için daha tehlikelidir. Normal deflagrasyon, sınırlı bir alanda tutuşturulduğunda bir patlamaya neden olur. Bu kadar dar bir alanda, tutuşma en az enerji miktarıyla meydana gelebilir. Ancak sınırsız bir alanda bir hidrojen-hava karışımının patlaması için daha güçlü bir tutuşma kaynağı gerekir.
Hidrojen-hava karışımındaki patlama dalgası boyunca basınç oranı yaklaşık 20'dir. Atmosferik basınçta, 20 oranı 300 psi'dir. Bu basınç dalgası hareketsiz bir nesneyle çarpıştığında, basınç oranı 40-60'a çıkar. Bunun nedeni, basınç dalgasının hareketsiz bir engelden yansımasıdır.
Sızma eğilimi. Düşük viskozitesi ve düşük molekül ağırlığı nedeniyle H2 gazının sızma eğilimi yüksektir ve hatta çeşitli malzemelere nüfuz edebilir veya nüfuz edebilir.
Hidrojen, doğal gazdan 8 kat, havadan 14 kat, propandan 22 kat ve benzin buharından 57 kat daha hafiftir. Bu, dış mekanlara kurulduğunda H2 gazının hızla yükselip dağılacağı ve eşit sızıntı belirtilerini azaltacağı anlamına gelir. Ancak bu iki ucu keskin bir kılıç olabilir. Kaynak, kaynak öncesinde bir sızıntı tespit çalışması yapılmadan, H2 sızıntısının üstünde veya altında rüzgar altı bir dış mekan kurulumunda yapılırsa patlama meydana gelebilir. Kapalı bir alanda, H2 gazı tavandan aşağıya doğru yükselebilir ve birikebilir; bu durum, yere yakın tutuşturma kaynaklarıyla temas etme olasılığının daha yüksek olduğu büyük hacimlere ulaşmasına olanak tanır.
Kazara yangın. Kendiliğinden tutuşma, bir gaz veya buhar karışımının harici bir tutuşma kaynağı olmadan kendiliğinden tutuşması olayıdır. "Kendiliğinden yanma" veya "kendiliğinden yanma" olarak da bilinir. Kendiliğinden tutuşma basınca değil sıcaklığa bağlıdır.
Kendiliğinden tutuşma sıcaklığı, bir yakıtın hava veya oksitleyici bir madde ile temas ettiğinde, harici bir tutuşma kaynağının yokluğunda tutuşmadan önce kendiliğinden tutuşacağı minimum sıcaklıktır. Tek bir tozun kendiliğinden tutuşma sıcaklığı, oksitleyici bir madde yokluğunda kendiliğinden tutuştuğu sıcaklıktır. Havadaki gaz halindeki H2'nin kendiliğinden tutuşma sıcaklığı 585°C'dir.
Tutuşma enerjisi, yanıcı bir karışımda alevin yayılmasını başlatmak için gereken enerjidir. Minimum tutuşma enerjisi, belirli bir sıcaklık ve basınçta belirli bir yanıcı karışımı tutuşturmak için gereken minimum enerjidir. 1 atm havadaki gaz halindeki H2 için minimum kıvılcım tutuşma enerjisi = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Patlayıcı sınırlar, bir patlamanın meydana geldiği havadaki veya oksijendeki buhar, sis veya tozların maksimum ve minimum konsantrasyonlarıdır. Ortamın boyutu ve geometrisi ile yakıtın konsantrasyonu, sınırları kontrol eder. "Patlama sınırı" bazen "patlama sınırı"nın eşanlamlısı olarak kullanılır.
Havadaki H2 karışımlarının patlayıcılık limitleri hacimce %18,3 (alt limit) ve hacimce %59'dur (üst limit).
Boru sistemleri tasarlanırken (Şekil 1), ilk adım her bir sıvı türü için gereken yapı malzemelerini belirlemektir. Ve her bir sıvı ASME B31.3 paragrafına göre sınıflandırılacaktır. 300(b)(1) şöyle der: "Sahibi ayrıca D, M, yüksek basınç ve yüksek saflıktaki boruları belirlemekten ve belirli bir kalite sisteminin kullanılıp kullanılmaması gerektiğini belirlemekten sorumludur."
Sıvı kategorizasyonu, test derecesini ve gereken test türünü ve ayrıca sıvı kategorisine dayalı birçok başka gereksinimi tanımlar. Bunun için mal sahibinin sorumluluğu genellikle mal sahibinin mühendislik departmanına veya dışarıdan alınan bir mühendise düşer.
B31.3 Proses Borulama Kodu, sahibine belirli bir sıvı için hangi malzemenin kullanılacağını söylemese de, mukavemet, kalınlık ve malzeme bağlantı gereksinimleri konusunda rehberlik sağlar. Ayrıca, kodun girişinde açıkça belirtilen iki ifade vardır:
Ve yukarıdaki ilk paragrafı, B31.3 paragrafını genişletin. 300(b)(1) ayrıca şunu belirtir: "Bir boru hattı tesisatının sahibi, bu Kanuna uymaktan ve boru hattının bir parçası olduğu tüm sıvı elleçleme veya işlemlerini yöneten tasarım, inşaat, teftiş, muayene ve test gerekliliklerini belirlemekten tek başına sorumludur. Tesisat." Dolayısıyla, sorumluluk için bazı temel kurallar ve sıvı servis kategorilerini tanımlama gereklilikleri belirledikten sonra, hidrojen gazının nereye uyduğunu görelim.
Hidrojen gazı, sızıntıları olan uçucu bir sıvı gibi davrandığından, hidrojen gazı B31.3 kategorisi altında sıvı hizmeti için normal bir sıvı veya Sınıf M sıvı olarak kabul edilebilir. Yukarıda belirtildiği gibi, sıvı elleçleme sınıflandırması, B31.3, paragraf 3'te açıklanan seçili kategoriler için yönergeleri karşılaması koşuluyla bir sahip gereksinimidir. 300.2 "Hidrolik hizmetler" bölümündeki tanımlar. Aşağıda normal sıvı hizmeti ve Sınıf M sıvı hizmeti için tanımlar verilmiştir:
“Normal Sıvı Servisi: Bu koda tabi olan çoğu boruya uygulanan sıvı servisi, yani D, M, yüksek sıcaklık, yüksek basınç veya yüksek sıvı temizliği sınıflarına ilişkin düzenlemelere tabi değildir.
(1) Sıvının toksisitesi o kadar büyüktür ki, bir sızıntının neden olduğu çok küçük bir miktardaki sıvıya tek bir kez maruz kalmak, derhal kurtarma önlemleri alınsa bile, onu soluyan veya onunla temas eden kişilerde ciddi kalıcı yaralanmalara yol açabilir.
(2) Boru hattı tasarımı, deneyim, işletme koşulları ve konumu göz önünde bulundurulduğunda, mal sahibi, sıvının normal kullanımına ilişkin gerekliliklerin, personeli maruziyetten korumak için gerekli sıkılığı sağlamaya yeterli olmadığını belirler.
Yukarıdaki M tanımında, hidrojen gazı, toksik bir sıvı olarak kabul edilmediği için paragraf (1) kriterlerini karşılamaz. Ancak, alt bölüm (2) uygulanarak, Kanun, “…boru tasarımı, deneyim, çalışma koşulları ve konum…” dikkate alınarak hidrolik sistemlerin M sınıfına sınıflandırılmasına izin verir. Sahip, normal sıvı elleçlemenin belirlenmesine izin verir. Gereksinimler, hidrojen gazı boru sistemlerinin tasarımında, inşasında, muayenesinde, denetiminde ve testinde daha yüksek düzeyde bütünlük ihtiyacını karşılamak için yetersizdir.
Yüksek Sıcaklık Hidrojen Korozyonu (HTHA) konusunu tartışmadan önce lütfen Tablo 1'e bakın. Bu tabloda, HTHA'yı içeren yaygın bir korozyon anomalisi olan hidrojen gevrekleşmesi (HE) konusuyla ilgili altı belge içeren kodlar, standartlar ve düzenlemeler listelenmiştir. OH, düşük ve yüksek sıcaklıklarda meydana gelebilir. Bir korozyon biçimi olarak kabul edilir, çeşitli şekillerde başlatılabilir ve ayrıca çok çeşitli malzemeleri etkileyebilir.
HE'nin çeşitli formları vardır ve bunlar hidrojen çatlaması (HAC), hidrojen gerilim çatlaması (HSC), gerilim korozyon çatlaması (SCC), hidrojen korozyon çatlaması (HACC), hidrojen kabarcıklanması (HB), hidrojen çatlaması (HIC) olarak ayrılabilir. )), gerilime yönelik hidrojen çatlaması (SOHIC), ilerleyici çatlama (SWC), sülfür gerilim çatlaması (SSC), yumuşak bölge çatlaması (SZC) ve yüksek sıcaklık hidrojen korozyonu (HTHA) olarak sınıflandırılabilir.
En basit haliyle, hidrojen gevrekleşmesi, atomik hidrojenin nüfuz etmesi nedeniyle sünekliğin azalmasına neden olan metal tane sınırlarının tahribatı için bir mekanizmadır. Bunun meydana gelme biçimleri çeşitlidir ve kısmen kendi adlarıyla tanımlanır, örneğin gevrekleşme için eş zamanlı yüksek sıcaklık ve yüksek basınç hidrojenine ihtiyaç duyulan HTHA ve atomik hidrojenin kapalı gazlar ve hidrojen olarak üretildiği SSC. asit korozyonu nedeniyle metal kasalara sızarlar ve bu da gevrekliğe yol açabilir. Ancak genel sonuç, yukarıda açıklanan tüm hidrojen gevrekleşmesi durumlarında olduğu gibidir, burada metalin mukavemeti gevrekleşme nedeniyle izin verilen gerilim aralığının altına düşer ve bu da sıvının uçuculuğu göz önüne alındığında potansiyel olarak felaketle sonuçlanabilecek bir olayın zeminini hazırlar.
Duvar kalınlığı ve mekanik bağlantı performansına ek olarak, H2 gazı hizmeti için malzeme seçerken dikkate alınması gereken iki ana faktör vardır: 1. Yüksek sıcaklıktaki hidrojene (HTHA) maruz kalma ve 2. Potansiyel sızıntı konusunda ciddi endişeler. Her iki konu da şu anda tartışılmaktadır.
Moleküler hidrojenin aksine, atomik hidrojen genişleyebilir, hidrojeni yüksek sıcaklıklara ve basınçlara maruz bırakarak potansiyel HTHA için temel oluşturabilir. Bu koşullar altında, atomik hidrojen karbon çelik boru malzemelerine veya ekipmanlarına yayılabilir ve burada tane sınırlarında metan gazı oluşturmak için metalik çözeltideki karbonla reaksiyona girer. Kaçamayan gaz genişler ve boruların veya kapların duvarlarında çatlaklar ve yarıklar oluşturur - bu HTGA'dır. HTHA sonuçlarını Şekil 2'de 8 inçlik duvarda çatlaklar ve yarıklar belirgin olarak görebilirsiniz. Bu koşullar altında başarısız olan nominal boyutlu (NPS) borunun bir kısmı.
Karbon çeliği, çalışma sıcaklığı 500°F'nin altında tutulduğunda hidrojen hizmeti için kullanılabilir. Yukarıda belirtildiği gibi, HTHA, hidrojen gazı yüksek kısmi basınç ve yüksek sıcaklıkta tutulduğunda meydana gelir. Hidrojen kısmi basıncının yaklaşık 3000 psi olması ve sıcaklığın yaklaşık 450°F'nin üzerinde olması beklendiğinde (Şekil 2'deki kaza durumu) karbon çeliği önerilmez.
Şekil 3'teki, kısmen API 941'den alınan değiştirilmiş Nelson grafiğinden görülebileceği gibi, yüksek sıcaklık hidrojen zorlaması üzerinde en büyük etkiye sahiptir. Hidrojen gazı kısmi basıncı, 500°F'ye kadar sıcaklıklarda çalışan karbon çelikleriyle kullanıldığında 1000 psi'yi aşabilir.
Şekil 3. Bu değiştirilmiş Nelson çizelgesi (API 941'den uyarlanmıştır), çeşitli sıcaklıklarda hidrojen hizmeti için uygun malzemelerin seçilmesinde kullanılabilir.
Şekil 3'te, çalışma sıcaklığına ve hidrojenin kısmi basıncına bağlı olarak hidrojen saldırısından kaçınması garantili çeliklerin seçimi gösterilmektedir. Austenitik paslanmaz çelikler HTHA'ya duyarsızdır ve tüm sıcaklık ve basınçlarda tatmin edici malzemelerdir.
Austenitik 316/316L paslanmaz çelik, hidrojen uygulamaları için en pratik malzemedir ve kanıtlanmış bir geçmişe sahiptir. Kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT), kaynak sırasında kalan hidrojeni kalsine etmek ve kaynaktan sonra ısıdan etkilenen bölge (HAZ) sertliğini azaltmak için karbon çelikleri için önerilirken, austenitik paslanmaz çelikler için gerekli değildir.
Isıl işlem ve kaynaklamanın neden olduğu termotermal etkiler, ostenitik paslanmaz çeliklerin mekanik özellikleri üzerinde çok az etkiye sahiptir. Ancak, soğuk işleme ostenitik paslanmaz çeliklerin mukavemet ve sertlik gibi mekanik özelliklerini iyileştirebilir. Ostenitik paslanmaz çelikten borular bükülürken ve şekillendirilirken, malzemenin plastisitesinde azalma da dahil olmak üzere mekanik özellikleri değişir.
Eğer ostenitik paslanmaz çelik soğuk şekillendirme gerektiriyorsa, çözelti tavlama (yaklaşık 1045°C'ye ısıtma ve ardından söndürme veya hızlı soğutma) malzemenin mekanik özelliklerini orijinal değerlerine geri döndürecektir. Ayrıca, soğuk işlemeden sonra elde edilen alaşım ayrışmasını, hassaslaşmasını ve sigma fazını da ortadan kaldıracaktır. Çözelti tavlama yaparken, hızlı soğutmanın düzgün bir şekilde ele alınmadığı takdirde malzemeye artık gerilimi geri verebileceğinin farkında olun.
H2 hizmeti için kabul edilebilir malzeme seçimleri için ASME B31'deki GR-2.1.1-1 Boru ve Borulama Montaj Malzemesi Spesifikasyon Endeksi ve GR-2.1.1-2 Boru Malzemesi Spesifikasyon Endeksi tablolarına bakın. Borular başlamak için iyi bir yerdir.
1.008 atom kütlesi birimi (amu) standart atom ağırlığına sahip hidrojen, periyodik tablodaki en hafif ve en küçük elementtir ve bu nedenle potansiyel olarak yıkıcı sonuçlar doğurabilecek yüksek bir sızıntı eğilimine sahiptir, ekleyebilirim. Bu nedenle, gaz boru hattı sistemi mekanik tip bağlantıları sınırlayacak ve gerçekten ihtiyaç duyulan bağlantıları iyileştirecek şekilde tasarlanmalıdır.
Potansiyel sızıntı noktalarını sınırlandırırken, ekipman, boru elemanları ve bağlantı parçaları üzerindeki flanşlı bağlantılar hariç, sistem tamamen kaynaklanmalıdır. Dişli bağlantılardan mümkün olduğunca, hatta tamamen kaçınılmalıdır. Herhangi bir nedenle dişli bağlantılardan kaçınılamıyorsa, diş sızdırmazlık maddesi olmadan bunları tamamen birbirine geçirmeniz ve ardından kaynağı sızdırmaz hale getirmeniz önerilir. Karbon çelik boru kullanıldığında, boru bağlantıları uçtan kaynaklanmalı ve kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT) uygulanmalıdır. Kaynaktan sonra, ısıdan etkilenen bölgedeki (HAZ) borular ortam sıcaklığında bile hidrojen saldırısına maruz kalır. Hidrojen saldırısı öncelikle yüksek sıcaklıklarda meydana gelse de, PWHT aşaması ortam koşullarında bile bu olasılığı tamamen azaltacak, hatta ortadan kaldıracaktır.
Tüm kaynaklı sistemin zayıf noktası flanş bağlantısıdır. Flanş bağlantılarında yüksek derecede sıkılık sağlamak için Kammprofile contaları (şekil 4) veya başka bir conta türü kullanılmalıdır. Birkaç üretici tarafından neredeyse aynı şekilde üretilen bu ped çok affedicidir. Yumuşak, deforme olabilen sızdırmazlık malzemeleri arasına sıkıştırılmış dişli tüm metal halkalardan oluşur. Dişler, cıvatanın yükünü daha küçük bir alanda yoğunlaştırarak daha az stresle sıkı bir uyum sağlar. Hem düzensiz flanş yüzeylerini hem de dalgalanan çalışma koşullarını telafi edebilecek şekilde tasarlanmıştır.
Şekil 4. Kammprofile contaların her iki tarafı yumuşak bir dolgu ile bağlanmış metal bir çekirdeği vardır.
Sistemin bütünlüğünde bir diğer önemli faktör de vanadır. Mil contası ve gövde flanşları etrafındaki sızıntılar gerçek bir sorundur. Bunu önlemek için körük contalı bir vana seçilmesi önerilir.
1 inç kullanın. Okul 80 karbon çelik boru, aşağıdaki örneğimizde, ASTM A106 Gr B'ye göre üretim toleransları, korozyon ve mekanik toleranslar verildiğinde, maksimum izin verilen çalışma basıncı (MAWP) 300 °F'ye kadar sıcaklıklarda iki adımda hesaplanabilir (Not: “… 300 ºF'ye kadar sıcaklıklar için…” nedeni, ASTM A106 Gr B malzemesinin izin verilen geriliminin (S) sıcaklık 300 ºF'yi (S) aştığında bozulmaya başlamasıdır, bu nedenle Denklem (1) 300 ºF'nin üzerindeki sıcaklıklara Ayarlanmasını gerektirir.)
Formül (1)'e bakıldığında ilk adım boru hattının teorik patlama basıncının hesaplanmasıdır.
T = boru et kalınlığı eksi mekanik, korozyon ve üretim toleransları, inç cinsinden.
İşlemin ikinci kısmı, denklem (2)'ye göre sonuca güvenlik faktörü Sf uygulanarak boru hattının izin verilen maksimum çalışma basıncı Pa'nın hesaplanmasıdır:
Bu nedenle 1″ okul 80 malzeme kullanıldığında patlama basıncı aşağıdaki şekilde hesaplanır:
Daha sonra ASME Basınçlı Kap Tavsiyeleri Bölüm VIII-1 2019, Paragraf 8'e uygun olarak 4'lük bir güvenlik Sf'si uygulanır. UG-101 aşağıdaki şekilde hesaplanır:
Ortaya çıkan MAWP değeri 810 psi'dir. inç yalnızca boruyu ifade eder. Sistemdeki en düşük derecelendirmeye sahip flanş bağlantısı veya bileşen, sistemdeki izin verilen basıncı belirlemede belirleyici faktör olacaktır.
ASME B16.5'e göre, 150 karbon çelik flanş bağlantı parçaları için izin verilen maksimum çalışma basıncı -20°F ila 100°F'de 285 psi'dir. Sınıf 300'ün izin verilen maksimum çalışma basıncı 740 psi'dir. Bu, aşağıdaki malzeme spesifikasyon örneğine göre sistemin basınç sınır faktörü olacaktır. Ayrıca, yalnızca hidrostatik testlerde bu değerler 1,5 katı aşabilir.
Temel bir karbon çeliği malzeme spesifikasyonuna örnek olarak, 740 psi'lik bir tasarım basıncının altındaki bir ortam sıcaklığında çalışan bir H2 gazı servis hattı spesifikasyonu, Tablo 2'de gösterilen malzeme gereksinimlerini içerebilir. Spesifikasyona dahil edilmesi gerekebilecek tipler şunlardır:
Borulamanın kendisi dışında, bağlantı parçaları, vanalar, hat ekipmanları vb. gibi borulama sistemini oluşturan birçok unsur vardır. Bu unsurların birçoğunu ayrıntılı olarak ele almak için bir boru hattında bir araya getirilecek olsa da, bu, sığdırılabilecekten daha fazla sayfa gerektirecektir. Bu makale.