Цей огляд містить рекомендації щодо безпечного проектування трубопровідних систем для розподілу водню.
Водень — це дуже летка рідина з високою схильністю до витоків. Це дуже небезпечне та смертельне поєднання властивостей, летка рідина, яку важко контролювати. Ці тенденції слід враховувати під час вибору матеріалів, прокладок та ущільнень, а також конструктивних характеристик таких систем. Ці теми про розподіл газоподібного H2 є предметом цього обговорення, а не виробництво H2, рідкого H2 або рідкого H2 (див. праву бічну панель).
Ось кілька ключових моментів, які допоможуть вам зрозуміти суміш водню та H2-повітря. Водень горить двома способами: дефлаграцією та вибухом.
Дефлаграція. Дефлаграція – це поширений режим горіння, при якому полум'я поширюється через суміш із дозвуковою швидкістю. Це відбувається, наприклад, коли вільна хмара суміші водню та повітря запалюється невеликим джерелом займання. У цьому випадку полум'я рухатиметься зі швидкістю від десяти до кількох сотень футів на секунду. Швидке розширення гарячого газу створює хвилі тиску, сила яких пропорційна розміру хмари. У деяких випадках сила ударної хвилі може бути достатньою, щоб пошкодити будівельні конструкції та інші об'єкти на своєму шляху та спричинити травми.
вибухнути. Коли він вибухнув, полум'я та ударні хвилі поширювалися через суміш із надзвуковою швидкістю. Співвідношення тисків у детонаційній хвилі набагато більше, ніж у детонації. Через збільшену силу вибух є більш небезпечним для людей, будівель та об'єктів, що знаходяться поблизу. Звичайна дефлаграція викликає вибух при займанні в замкнутому просторі. У такому вузькому просторі займання може бути викликане найменшою кількістю енергії. Але для детонації воднево-повітряної суміші в необмеженому просторі потрібне потужніше джерело запалювання.
Співвідношення тисків на хвилі детонації у суміші водню та повітря становить приблизно 20. За атмосферного тиску співвідношення 20 дорівнює 300 фунтів на квадратний дюйм. Коли ця хвиля тиску стикається зі стаціонарним об'єктом, співвідношення тисків збільшується до 40-60. Це пов'язано з відбиттям хвилі тиску від стаціонарної перешкоди.
Схильність до витоку. Через низьку в'язкість та низьку молекулярну масу, газоподібний H2 має високу схильність до витоку та навіть проникнення крізь різні матеріали.
Водень у 8 разів легший за природний газ, у 14 разів легший за повітря, у 22 рази легший за пропан і в 57 разів легший за пари бензину. Це означає, що при встановленні на відкритому повітрі газоподібний H2 швидко підніметься та розсіє, зменшуючи будь-які ознаки навіть витоків. Але це може бути палицею з двома кінцями. Вибух може статися, якщо зварювання проводитиметься на зовнішній установці над витоком H2 або за вітром без проведення дослідження на виявлення витоків перед зварюванням. У замкнутому просторі газоподібний H2 може підніматися та накопичуватися від стелі вниз, що дозволяє йому накопичуватися у великих обсягах, перш ніж він з більшою ймовірністю контактуватиме з джерелами займання поблизу землі.
Випадкова пожежа. Самозаймання – це явище, при якому суміш газів або парів самозаймається без зовнішнього джерела займання. Це також відоме як «спонтанне займання» або «спонтанне горіння». Самозаймання залежить від температури, а не від тиску.
Температура самозаймання — це мінімальна температура, за якої паливо самозаймається до займання за відсутності зовнішнього джерела займання при контакті з повітрям або окислювачем. Температура самозаймання окремого порошку — це температура, за якої він самозаймається за відсутності окислювача. Температура самозаймання газоподібного H2 у повітрі становить 585°C.
Енергія займання — це енергія, необхідна для початку поширення полум'я через горючу суміш. Мінімальна енергія займання — це мінімальна енергія, необхідна для займання певної горючої суміші за певної температури та тиску. Мінімальна енергія іскрового займання для газоподібного H2 в 1 атм повітря = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 мДж).
Межі вибухонебезпечності – це максимальна та мінімальна концентрації парів, туманів або пилу в повітрі чи кисні, за яких відбувається вибух. Розмір та геометрія середовища, а також концентрація палива контролюють межі вибухонебезпечності. Термін «межа вибухонебезпечності» іноді використовується як синонім до «межі вибухонебезпечності».
Межі вибуховості для сумішей H2 у повітрі становлять 18,3 об.% (нижня межа) та 59 об.% (верхня межа).
Під час проектування трубопровідних систем (Рисунок 1) першим кроком є ​​визначення будівельних матеріалів, необхідних для кожного типу рідини. Кожна рідина буде класифікована відповідно до пункту ASME B31.3. У пункті 300(b)(1) зазначено: «Власник також несе відповідальність за визначення трубопроводів класу D, M, високого тиску та високої чистоти, а також за визначення того, чи слід використовувати певну систему якості».
Категоризація рідин визначає ступінь випробувань та тип необхідних випробувань, а також багато інших вимог залежно від категорії рідини. Відповідальність власника за це зазвичай покладається на інженерний відділ власника або на стороннього інженера.
Хоча Кодекс B31.3 щодо технологічних трубопроводів не вказує власнику, який матеріал використовувати для конкретної рідини, він надає рекомендації щодо міцності, товщини та вимог до з'єднання матеріалів. У вступі до кодексу також є два твердження, які чітко зазначають:
І розширимо перший абзац вище, пункт B31.3. 300(b)(1) також зазначає: «Власник трубопровідної установки несе повну відповідальність за дотримання цього Кодексу та за встановлення вимог до проектування, будівництва, інспекції, огляду та випробувань, що регулюють усі види обробки рідин або процеси, частиною яких є трубопровід. Установка». Отже, після встановлення деяких основних правил відповідальності та вимог до визначення категорій рідинних послуг, давайте подивимося, де місце займає газоподібний водень.
Оскільки газоподібний водень діє як летка рідина з витоками, газоподібний водень можна вважати звичайною рідиною або рідиною класу M згідно з категорією B31.3 для рідинного обслуговування. Як зазначено вище, класифікація поводження з рідинами є вимогою власника за умови, що вона відповідає рекомендаціям для вибраних категорій, описаних у B31.3, пункт 3. 300.2 Визначення в розділі «Гідравлічні послуги». Нижче наведено визначення для звичайного обслуговування рідин та обслуговування рідин класу M:
«Звичайний режим роботи з рідинами: режим роботи з рідинами, що застосовується до більшості трубопроводів, що підпадають під дію цього кодексу, тобто не підпадають під дію правил для класів D, M, високої температури, високого тиску або високої чистоти рідини».
(1) Токсичність рідини настільки велика, що одноразовий контакт з дуже невеликою кількістю рідини, спричиненою витоком, може спричинити серйозні незворотні травми тим, хто її вдихає або контактує з нею, навіть якщо вжито негайних заходів щодо відновлення.
(2) Після розгляду конструкції трубопроводу, досвіду, умов експлуатації та розташування власник визначає, що вимоги до нормального використання рідини недостатні для забезпечення герметичності, необхідної для захисту персоналу від впливу.
У наведеному вище визначенні M, газоподібний водень не відповідає критеріям пункту (1), оскільки він не вважається токсичною рідиною. Однак, застосовуючи підрозділ (2), Кодекс дозволяє класифікувати гідравлічні системи класу M після належного врахування «…конструкції трубопроводів, досвіду, умов експлуатації та розташування…». Власник дозволяє визначення нормального режиму роботи з рідиною. Вимоги є недостатніми для задоволення потреби у вищому рівні цілісності проектування, будівництва, перевірки, інспекції та випробування систем трубопроводів для газоподібного водню.
Будь ласка, зверніться до Таблиці 1, перш ніж обговорювати високотемпературну водневу корозію (ВТК). У цій таблиці наведено перелік норм, стандартів та правил, що включають шість документів на тему водневого окрихчення (ВОК), поширеної аномалії корозії, що включає ВТК. ВО може виникати як за низьких, так і за високих температур. Вважаючись формою корозії, вона може виникати кількома способами та впливати на широкий спектр матеріалів.
Водневе розтріскування (ВРК) має різні форми, які можна розділити на водневе розтріскування (ВРК), водневе розтріскування під напругою (ВРН), корозійне розтріскування під напругою (ККР), водневе корозійне розтріскування під напругою (ВРН), водневе розтріскування з утворенням бульбашок водню (ВВ), водневе розтріскування, орієнтоване на напругу (ВРН), водневе розтріскування, орієнтоване на напругу (РЗН), прогресивне розтріскування (ПВР), сульфідне розтріскування під напругою (СРН), м'якозонне розтріскування (МЗЗ) та високотемпературну водневу корозію (ВТКВ).
У своїй найпростішій формі водневе окрихчення – це механізм руйнування меж зерен металу, що призводить до зниження пластичності через проникнення атомарного водню. Способи, якими це відбувається, різноманітні та частково визначаються їхніми відповідними назвами, такими як високотемпературне окрихчення (HTHA), де для окрихчення потрібен одночасний водень високої температури та високого тиску, та нестабільне окрихчення (SSC), де атомарний водень утворюється у вигляді закритих газів. Внаслідок кислотної корозії водень просочується в металеві корпуси, що може призвести до крихкості. Але загальний результат такий самий, як і для всіх випадків водневого окрихчення, описаних вище, де міцність металу знижується через окрихчення нижче допустимого діапазону напружень, що, у свою чергу, створює умови для потенційно катастрофічної події, враховуючи леткість рідини.
Окрім товщини стінки та механічних характеристик з'єднання, при виборі матеріалів для роботи з газоподібним H2 слід враховувати два основні фактори: 1. Вплив високотемпературного водню (HTHA) та 2. Серйозні побоювання щодо потенційного витоку. Обидві теми наразі обговорюються.
На відміну від молекулярного водню, атомарний водень може розширюватися, піддаючи його впливу високих температур і тиску, створюючи основу для потенційного високоточного термостабільного аналізу (HTHA). За цих умов атомарний водень здатний дифундувати в матеріали труб або обладнання з вуглецевої сталі, де він реагує з вуглецем у металевому розчині, утворюючи метан на межах зерен. Не маючи змоги вийти, газ розширюється, створюючи тріщини та щілини в стінках труб або резервуарів – це і є HTGA. Результати HTHA чітко видно на рисунку 2, де на стінці діаметром 8 дюймів видно тріщини. Ця частина труби номінального розміру (NPS), яка руйнується за цих умов, є...
Вуглецева сталь може використовуватися для роботи з воднем, якщо робоча температура підтримується нижче 500°F (260°C). Як згадувалося вище, високотемпературне нагрівання (HTHA) відбувається, коли газоподібний водень утримується під високим парціальним тиском і високою температурою. Вуглецева сталь не рекомендується, коли очікується, що парціальний тиск водню становитиме близько 3000 psi (3000 psi), а температура перевищуватиме приблизно 450°F (що є аварійною умовою на рисунку 2).
Як видно з модифікованого графіка Нельсона на рисунку 3, частково взятого з API 941, висока температура має найбільший вплив на вплив водню. Парціальний тиск газоподібного водню може перевищувати 1000 psi (1000 psi) при використанні з вуглецевими сталями, що працюють за температур до 500°F (500°F).
Рисунок 3. Цю модифіковану діаграму Нельсона (адаптовану з API 941) можна використовувати для вибору відповідних матеріалів для роботи з воднем за різних температур.
На рис. 3 показано вибір сталей, які гарантовано уникають водневого впливу, залежно від робочої температури та парціального тиску водню. Аустенітні нержавіючі сталі нечутливі до високотемпературного нагрівання (HTHA) та є задовільними матеріалами за будь-яких температур і тисків.
Аустенітна нержавіюча сталь 316/316L є найбільш практичним матеріалом для водневого застосування та має перевірений досвід. Хоча післязварювальна термічна обробка (PWHT) рекомендується для вуглецевих сталей для кальцинації залишкового водню під час зварювання та зниження твердості зони термічного впливу (HAZ) після зварювання, вона не потрібна для аустенітних нержавіючих сталей.
Термотермічні ефекти, спричинені термічною обробкою та зварюванням, мало впливають на механічні властивості аустенітних нержавіючих сталей. Однак холодна обробка може покращити механічні властивості аустенітних нержавіючих сталей, такі як міцність та твердість. Під час гнуття та формування труб з аустенітної нержавіючої сталі їхні механічні властивості змінюються, зокрема знижується пластичність матеріалу.
Якщо аустенітна нержавіюча сталь потребує холодного формування, відпал на розчин (нагрівання приблизно до 1045°C з подальшим гартуванням або швидким охолодженням) відновить механічні властивості матеріалу до їх початкових значень. Це також усуне сегрегацію сплаву, сенсибілізацію та сигма-фазу, що утворюються після холодної обробки. Під час відпалу на розчин слід пам'ятати, що швидке охолодження може призвести до повернення залишкових напружень у матеріал, якщо його не використовувати належним чином.
Зверніться до таблиць GR-2.1.1-1 «Покажчик специфікацій матеріалів для трубопроводів та трубних збірок» та GR-2.1.1-2 «Покажчик специфікацій матеріалів для трубопроводів» у стандарті ASME B31 щодо прийнятного вибору матеріалів для експлуатації з H2. Труби – це гарна відправна точка.
Зі стандартною атомною масою 1,008 атомних одиниць маси (а.о.м.), водень є найлегшим і найменшим елементом періодичної таблиці, і тому має високу схильність до витоків, що, додам я, може мати руйнівні наслідки. Тому система газопроводів повинна бути спроектована таким чином, щоб обмежити механічні з'єднання та покращити ті з'єднання, які дійсно необхідні.
Під час обмеження потенційних точок витоку система повинна бути повністю зварена, за винятком фланцевих з'єднань на обладнанні, елементах трубопроводів та фітингах. Різьбових з'єднань слід уникати, наскільки це можливо, якщо не повністю. Якщо з будь-якої причини неможливо уникнути різьбових з'єднань, рекомендується повністю з'єднати їх без герметика для різьби, а потім герметизувати зварний шов. Під час використання труб з вуглецевої сталі з'єднання труб повинні бути зварені встик та піддані післязварювальній термічній обробці (PWHT). Після зварювання труби в зоні термічного впливу (HAZ) піддаються впливу водню навіть за температури навколишнього середовища. Хоча водневий вплив відбувається переважно за високих температур, стадія PWHT повністю зменшить, якщо не усуне, цю можливість навіть за умов навколишнього середовища.
Слабким місцем суцільнозварної системи є фланцеве з'єднання. Для забезпечення високого ступеня герметичності фланцевих з'єднань слід використовувати прокладки Kammprofile (рис. 4) або інший тип прокладок. Виготовлена ​​майже однаковим чином кількома виробниками, ця прокладка дуже поблажлива. Вона складається з зубчастих цільнометалевих кілець, затиснутих між м'якими, деформованими ущільнювальними матеріалами. Зуби концентрують навантаження болта на меншій площі, забезпечуючи щільне прилягання з меншим напруженням. Вона сконструйована таким чином, що може компенсувати нерівні поверхні фланців, а також коливання умов експлуатації.
Рисунок 4. Прокладки Kammprofile мають металевий сердечник, склеєний з обох боків м’яким наповнювачем.
Ще одним важливим фактором цілісності системи є клапан. Витоки навколо ущільнення штока та фланців корпусу є реальною проблемою. Щоб запобігти цьому, рекомендується вибрати клапан із сильфонним ущільненням.
Використовуйте 1 дюйм. Труба з вуглецевої сталі School 80, у нашому прикладі нижче, враховуючи виробничі допуски, допуски на корозію та механічні допуски відповідно до ASTM A106 Gr B, максимально допустимий робочий тиск (MAWP) можна розрахувати у два етапи за температур до 300°F (Примітка: Причина «…для температур до 300ºF…» полягає в тому, що допустиме напруження (S) матеріалу ASTM A106 Gr B починає знижуватися, коли температура перевищує 300ºF (S), тому рівняння (1) вимагає коригування до температур вище 300ºF).
Звертаючись до формули (1), першим кроком є ​​розрахунок теоретичного тиску розриву трубопроводу.
T = товщина стінки труби за вирахуванням механічних, корозійних та виробничих допусків, у дюймах.
Друга частина процесу полягає у розрахунку максимально допустимого робочого тиску Pa трубопроводу шляхом застосування коефіцієнта запасу міцності S f до результату P згідно з рівнянням (2):
Таким чином, при використанні матеріалу School 80 товщиною 1 дюйм, тиск розриву розраховується наступним чином:
Потім застосовується коефіцієнт безпеки Sf, що дорівнює 4, відповідно до розділу VIII-1 2019, параграфа 8 Рекомендацій ASME щодо посудин під тиском. UG-101 розраховується наступним чином:
Отримане значення MAWP становить 810 psi. Це стосується лише труби. Фланцеве з'єднання або компонент з найнижчим номіналом у системі буде визначальним фактором при визначенні допустимого тиску в системі.
Згідно з ASME B16.5, максимально допустимий робочий тиск для фланцевих фітингів з вуглецевої сталі 150 становить 285 фунтів на дюйм при температурі від -20°F до 100°F. Клас 300 має максимально допустимий робочий тиск 740 фунтів на дюйм. Це буде граничним коефіцієнтом тиску системи згідно з наведеним нижче прикладом специфікації матеріалу. Крім того, лише під час гідростатичних випробувань ці значення можуть перевищувати в 1,5 раза.
Як приклад базової специфікації матеріалу з вуглецевої сталі, специфікація лінії подачі газу H2, що працює за температури навколишнього середовища нижче розрахункового тиску 740 psi/дюйм, може містити вимоги до матеріалів, наведені в таблиці 2. Нижче наведено типи, які можуть потребувати уваги для включення до специфікації:
Окрім самого трубопроводу, існує багато елементів, що складають трубопровідну систему, таких як фітинги, клапани, лінійне обладнання тощо. Хоча багато з цих елементів будуть об'єднані в трубопроводі для детального обговорення, це займе більше сторінок, ніж можна вмістити. Ця стаття.