Tổng quan này đưa ra các khuyến nghị về thiết kế an toàn cho hệ thống đường ống phân phối hydro.
Hydro là một chất lỏng dễ bay hơi với xu hướng rò rỉ cao. Đây là sự kết hợp rất nguy hiểm và gây tử vong của các xu hướng, một chất lỏng dễ bay hơi khó kiểm soát. Đây là những xu hướng cần cân nhắc khi lựa chọn vật liệu, miếng đệm và phớt, cũng như các đặc điểm thiết kế của các hệ thống như vậy. Các chủ đề về sự phân phối H2 dạng khí là trọng tâm của cuộc thảo luận này, không phải là sản xuất H2, H2 dạng lỏng hoặc H2 dạng lỏng (xem thanh bên phải).
Sau đây là một số điểm chính giúp bạn hiểu về hỗn hợp hydro và H2-không khí. Hydro cháy theo hai cách: bùng cháy và nổ.
cháy bùng. Cháy bùng là một chế độ đốt cháy phổ biến trong đó ngọn lửa di chuyển qua hỗn hợp ở tốc độ dưới âm thanh. Ví dụ, điều này xảy ra khi một đám mây hỗn hợp hydro-không khí tự do được đốt cháy bởi một nguồn đánh lửa nhỏ. Trong trường hợp này, ngọn lửa sẽ di chuyển với tốc độ từ mười đến vài trăm feet mỗi giây. Sự giãn nở nhanh chóng của khí nóng tạo ra sóng áp suất có cường độ tỷ lệ thuận với kích thước của đám mây. Trong một số trường hợp, lực của sóng xung kích có thể đủ để làm hỏng các công trình xây dựng và các vật thể khác trên đường đi của nó và gây thương tích.
nổ. Khi nổ, ngọn lửa và sóng xung kích di chuyển qua hỗn hợp với tốc độ siêu thanh. Tỷ lệ áp suất trong sóng nổ lớn hơn nhiều so với trong vụ nổ. Do lực tăng lên, vụ nổ nguy hiểm hơn đối với con người, tòa nhà và các vật thể gần đó. Cháy nổ thông thường gây ra vụ nổ khi đốt cháy trong không gian hạn chế. Trong một khu vực hẹp như vậy, đánh lửa có thể được gây ra bởi lượng năng lượng ít nhất. Nhưng để kích nổ hỗn hợp hydro-không khí trong không gian không giới hạn, cần có nguồn đánh lửa mạnh hơn.
Tỷ lệ áp suất trên sóng nổ trong hỗn hợp hydro-không khí là khoảng 20. Ở áp suất khí quyển, tỷ lệ 20 là 300 psi. Khi sóng áp suất này va chạm với một vật thể đứng yên, tỷ lệ áp suất tăng lên 40-60. Điều này là do sự phản xạ của sóng áp suất từ ​​một chướng ngại vật đứng yên.
Có xu hướng rò rỉ. Do độ nhớt và trọng lượng phân tử thấp, khí H2 có xu hướng rò rỉ cao và thậm chí thấm hoặc xuyên qua nhiều vật liệu khác nhau.
Hydro nhẹ hơn khí tự nhiên 8 lần, nhẹ hơn không khí 14 lần, nhẹ hơn propan 22 lần và nhẹ hơn hơi xăng 57 lần. Điều này có nghĩa là khi lắp đặt ngoài trời, khí H2 sẽ nhanh chóng bốc lên và tiêu tan, làm giảm mọi dấu hiệu rò rỉ. Nhưng nó có thể là con dao hai lưỡi. Có thể xảy ra nổ nếu hàn trên một công trình lắp đặt ngoài trời ở phía trên hoặc phía dưới luồng gió của rò rỉ H2 mà không có nghiên cứu phát hiện rò rỉ trước khi hàn. Trong không gian kín, khí H2 có thể bốc lên và tích tụ từ trần nhà xuống, một điều kiện cho phép nó tích tụ thành khối lượng lớn trước khi có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguồn đánh lửa gần mặt đất.
Cháy ngẫu nhiên. Tự bốc cháy là hiện tượng hỗn hợp khí hoặc hơi tự bốc cháy mà không cần nguồn đánh lửa bên ngoài. Nó cũng được gọi là "cháy tự phát" hoặc "tự bốc cháy". Tự bốc cháy phụ thuộc vào nhiệt độ, không phải áp suất.
Nhiệt độ tự bốc cháy là nhiệt độ tối thiểu mà nhiên liệu sẽ tự bốc cháy trước khi đánh lửa khi không có nguồn đánh lửa bên ngoài khi tiếp xúc với không khí hoặc chất oxy hóa. Nhiệt độ tự bốc cháy của một loại bột đơn lẻ là nhiệt độ mà nó tự bốc cháy khi không có chất oxy hóa. Nhiệt độ tự bốc cháy của khí H2 trong không khí là 585°C.
Năng lượng đánh lửa là năng lượng cần thiết để bắt đầu lan truyền ngọn lửa qua hỗn hợp dễ cháy. Năng lượng đánh lửa tối thiểu là năng lượng tối thiểu cần thiết để đốt cháy một hỗn hợp dễ cháy cụ thể ở nhiệt độ và áp suất cụ thể. Năng lượng đánh lửa tia lửa tối thiểu đối với khí H2 trong 1 atm không khí = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Giới hạn nổ là nồng độ tối đa và tối thiểu của hơi, sương mù hoặc bụi trong không khí hoặc oxy tại đó xảy ra nổ. Kích thước và hình dạng của môi trường, cũng như nồng độ nhiên liệu, kiểm soát các giới hạn. “Giới hạn nổ” đôi khi được sử dụng như một từ đồng nghĩa với “giới hạn nổ”.
Giới hạn nổ đối với hỗn hợp H2 trong không khí là 18,3 thể tích% (giới hạn dưới) và 59 thể tích% (giới hạn trên).
Khi thiết kế hệ thống đường ống (Hình 1), bước đầu tiên là xác định vật liệu xây dựng cần thiết cho từng loại chất lỏng. Và mỗi chất lỏng sẽ được phân loại theo đoạn ASME B31.3. 300(b)(1) nêu rõ, “Chủ sở hữu cũng có trách nhiệm xác định đường ống loại D, M, áp suất cao và độ tinh khiết cao, và xác định xem có nên sử dụng hệ thống chất lượng cụ thể hay không.”
Phân loại chất lỏng xác định mức độ thử nghiệm và loại thử nghiệm cần thiết, cũng như nhiều yêu cầu khác dựa trên loại chất lỏng. Trách nhiệm của chủ sở hữu đối với việc này thường thuộc về bộ phận kỹ thuật của chủ sở hữu hoặc một kỹ sư thuê ngoài.
Mặc dù Quy tắc đường ống quy trình B31.3 không cho chủ sở hữu biết nên sử dụng vật liệu nào cho một chất lỏng cụ thể, nhưng nó cung cấp hướng dẫn về độ bền, độ dày và các yêu cầu kết nối vật liệu. Ngoài ra còn có hai tuyên bố trong phần giới thiệu về quy tắc nêu rõ:
Và mở rộng thêm đoạn đầu tiên ở trên, đoạn B31.3. 300(b)(1) cũng nêu rõ: “Chủ sở hữu của một cơ sở lắp đặt đường ống chịu trách nhiệm duy nhất trong việc tuân thủ Bộ luật này và thiết lập các yêu cầu về thiết kế, xây dựng, kiểm tra, thanh tra và thử nghiệm chi phối mọi hoạt động xử lý chất lỏng hoặc quy trình mà đường ống là một phần. Lắp đặt.” Vì vậy, sau khi đặt ra một số quy tắc cơ bản về trách nhiệm pháp lý và các yêu cầu để xác định các loại dịch vụ chất lỏng, chúng ta hãy xem khí hydro phù hợp ở đâu.
Vì khí hydro hoạt động như một chất lỏng dễ bay hơi có rò rỉ, khí hydro có thể được coi là chất lỏng thông thường hoặc chất lỏng Loại M theo danh mục B31.3 đối với dịch vụ chất lỏng. Như đã nêu ở trên, việc phân loại xử lý chất lỏng là yêu cầu của chủ sở hữu, miễn là nó đáp ứng các hướng dẫn cho các danh mục đã chọn được mô tả trong B31.3, đoạn 3. 300.2 Định nghĩa trong phần “Dịch vụ thủy lực”. Sau đây là các định nghĩa cho dịch vụ chất lỏng thông thường và dịch vụ chất lỏng Loại M:
“Dịch vụ chất lỏng thông thường: Dịch vụ chất lỏng áp dụng cho hầu hết các đường ống tuân theo quy định này, tức là không tuân theo các quy định đối với loại D, M, nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc độ sạch chất lỏng cao.
(1) Độc tính của chất lỏng này rất lớn đến mức chỉ cần tiếp xúc với một lượng rất nhỏ chất lỏng do rò rỉ cũng có thể gây ra thương tích vĩnh viễn nghiêm trọng cho những người hít phải hoặc tiếp xúc với nó, ngay cả khi đã áp dụng các biện pháp phục hồi ngay lập tức.
(2) Sau khi xem xét thiết kế đường ống, kinh nghiệm, điều kiện vận hành và vị trí, chủ sở hữu xác định rằng các yêu cầu về việc sử dụng chất lỏng thông thường là không đủ để cung cấp độ kín cần thiết để bảo vệ nhân viên khỏi bị phơi nhiễm. ”
Trong định nghĩa trên về M, khí hydro không đáp ứng các tiêu chí của đoạn (1) vì nó không được coi là chất lỏng độc hại. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng tiểu mục (2), Bộ luật cho phép phân loại các hệ thống thủy lực vào loại M sau khi xem xét kỹ lưỡng “…thiết kế đường ống, kinh nghiệm, điều kiện vận hành và vị trí…” Chủ sở hữu cho phép xác định việc xử lý chất lỏng bình thường. Các yêu cầu không đủ để đáp ứng nhu cầu về mức độ toàn vẹn cao hơn trong thiết kế, xây dựng, kiểm tra, thanh tra và thử nghiệm các hệ thống đường ống khí hydro.
Vui lòng tham khảo Bảng 1 trước khi thảo luận về Ăn mòn hydro ở nhiệt độ cao (HTHA). Các mã, tiêu chuẩn và quy định được liệt kê trong bảng này, bao gồm sáu tài liệu về chủ đề giòn hydro (HE), một dị thường ăn mòn phổ biến bao gồm HTHA. OH có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp và cao. Được coi là một dạng ăn mòn, nó có thể bắt đầu theo nhiều cách và cũng ảnh hưởng đến nhiều loại vật liệu.
HE có nhiều dạng khác nhau, có thể chia thành nứt hydro (HAC), nứt ứng suất hydro (HSC), nứt ăn mòn ứng suất (SCC), nứt ăn mòn hydro (HACC), sủi bọt hydro (HB), nứt hydro (HIC). )), nứt hydro định hướng ứng suất (SOHIC), nứt tiến triển (SWC), nứt ứng suất sulfua (SSC), nứt vùng mềm (SZC) và ăn mòn hydro ở nhiệt độ cao (HTHA).
Ở dạng đơn giản nhất, giòn do hydro là một cơ chế phá hủy ranh giới hạt kim loại, dẫn đến giảm độ dẻo do sự thâm nhập của hydro nguyên tử. Các cách thức xảy ra hiện tượng này rất đa dạng và được xác định một phần theo tên gọi tương ứng của chúng, chẳng hạn như HTHA, trong đó cần có hydro ở nhiệt độ cao và áp suất cao đồng thời để giòn, và SSC, trong đó hydro nguyên tử được tạo ra dưới dạng khí kín và hydro. do ăn mòn axit, chúng thấm vào vỏ kim loại, có thể dẫn đến giòn. Nhưng kết quả chung là giống với tất cả các trường hợp giòn do hydro được mô tả ở trên, trong đó độ bền của kim loại bị giảm do giòn xuống dưới phạm vi ứng suất cho phép, từ đó tạo tiền đề cho một sự kiện thảm khốc có khả năng xảy ra do tính dễ bay hơi của chất lỏng.
Ngoài độ dày thành ống và hiệu suất mối nối cơ học, có hai yếu tố chính cần xem xét khi lựa chọn vật liệu cho dịch vụ khí H2: 1. Tiếp xúc với hydro nhiệt độ cao (HTHA) và 2. Mối quan ngại nghiêm trọng về khả năng rò rỉ. Cả hai chủ đề hiện đang được thảo luận.
Không giống như hydro phân tử, hydro nguyên tử có thể giãn nở, khiến hydro tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất cao, tạo cơ sở cho HTHA tiềm năng. Trong những điều kiện này, hydro nguyên tử có thể khuếch tán vào vật liệu hoặc thiết bị đường ống thép cacbon, tại đó nó phản ứng với cacbon trong dung dịch kim loại để tạo thành khí mêtan tại ranh giới hạt. Không thể thoát ra ngoài, khí này giãn nở, tạo ra các vết nứt và khe hở trên thành ống hoặc bình chứa – đây là HTGA. Bạn có thể thấy rõ kết quả HTHA trong Hình 2, trong đó các vết nứt và khe hở xuất hiện rõ trên thành ống 8″. Phần ống có kích thước danh nghĩa (NPS) bị hỏng trong những điều kiện này.
Thép cacbon có thể được sử dụng cho dịch vụ hydro khi nhiệt độ hoạt động được duy trì dưới 500°F. Như đã đề cập ở trên, HTHA xảy ra khi khí hydro được giữ ở áp suất riêng phần cao và nhiệt độ cao. Thép cacbon không được khuyến khích khi áp suất riêng phần của hydro dự kiến ​​vào khoảng 3000 psi và nhiệt độ trên khoảng 450°F (đây là điều kiện tai nạn trong Hình 2).
Như có thể thấy từ biểu đồ Nelson đã sửa đổi trong Hình 3, một phần lấy từ API 941, nhiệt độ cao có tác động lớn nhất đến lực ép hydro. Áp suất riêng phần của khí hydro có thể vượt quá 1000 psi khi sử dụng với thép cacbon hoạt động ở nhiệt độ lên đến 500°F.
Hình 3. Biểu đồ Nelson đã sửa đổi này (được điều chỉnh từ API 941) có thể được sử dụng để lựa chọn vật liệu phù hợp cho dịch vụ hydro ở nhiều nhiệt độ khác nhau.
Hình 3 cho thấy sự lựa chọn thép được đảm bảo tránh được sự tấn công của hydro, tùy thuộc vào nhiệt độ hoạt động và áp suất riêng phần của hydro. Thép không gỉ austenit không nhạy cảm với HTHA và là vật liệu đạt yêu cầu ở mọi nhiệt độ và áp suất.
Thép không gỉ Austenitic 316/316L là vật liệu thực tế nhất cho các ứng dụng hydro và có thành tích đã được chứng minh. Trong khi xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) được khuyến nghị cho thép cacbon để nung hydro dư trong quá trình hàn và giảm độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) sau khi hàn, thì không bắt buộc đối với thép không gỉ austenitic.
Hiệu ứng nhiệt nhiệt do xử lý nhiệt và hàn gây ra có ít tác động đến tính chất cơ học của thép không gỉ austenit. Tuy nhiên, gia công nguội có thể cải thiện tính chất cơ học của thép không gỉ austenit, chẳng hạn như độ bền và độ cứng. Khi uốn và tạo hình ống từ thép không gỉ austenit, tính chất cơ học của chúng thay đổi, bao gồm cả việc giảm độ dẻo của vật liệu.
Nếu thép không gỉ austenit cần tạo hình nguội, ủ dung dịch (nung nóng đến khoảng 1045°C sau đó làm nguội hoặc làm nguội nhanh) sẽ khôi phục các đặc tính cơ học của vật liệu về giá trị ban đầu. Nó cũng sẽ loại bỏ sự phân tách hợp kim, sự nhạy cảm và pha sigma đạt được sau khi làm nguội. Khi thực hiện ủ dung dịch, hãy lưu ý rằng làm nguội nhanh có thể đưa ứng suất dư trở lại vật liệu nếu không được xử lý đúng cách.
Tham khảo bảng GR-2.1.1-1 Chỉ số thông số kỹ thuật vật liệu lắp ráp đường ống và ống dẫn và GR-2.1.1-2 Chỉ số thông số kỹ thuật vật liệu đường ống trong ASME B31 để biết các lựa chọn vật liệu có thể chấp nhận được cho dịch vụ H2. Ống dẫn là nơi tốt để bắt đầu.
Với khối lượng nguyên tử chuẩn là 1,008 đơn vị khối lượng nguyên tử (amu), hydro là nguyên tố nhẹ nhất và nhỏ nhất trong bảng tuần hoàn, và do đó có khả năng rò rỉ cao, với hậu quả có thể tàn phá, tôi xin nói thêm. Do đó, hệ thống đường ống dẫn khí phải được thiết kế theo cách hạn chế các kết nối kiểu cơ học và cải thiện các kết nối thực sự cần thiết.
Khi hạn chế các điểm rò rỉ tiềm ẩn, hệ thống phải được hàn hoàn toàn, ngoại trừ các kết nối có bích trên thiết bị, các thành phần đường ống và phụ kiện. Nên tránh các kết nối ren càng nhiều càng tốt, nếu không muốn nói là hoàn toàn. Nếu không thể tránh các kết nối ren vì bất kỳ lý do gì, thì nên lắp hoàn toàn chúng mà không cần keo bịt kín ren rồi mới bịt kín mối hàn. Khi sử dụng ống thép cacbon, các mối nối ống phải được hàn đối đầu và xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT). Sau khi hàn, các đường ống trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) sẽ tiếp xúc với sự tấn công của hydro ngay cả ở nhiệt độ môi trường. Trong khi sự tấn công của hydro chủ yếu xảy ra ở nhiệt độ cao, thì giai đoạn PWHT sẽ làm giảm hoàn toàn, nếu không muốn nói là loại bỏ, khả năng này ngay cả trong điều kiện môi trường xung quanh.
Điểm yếu của hệ thống hàn toàn phần là kết nối mặt bích. Để đảm bảo độ kín cao trong các kết nối mặt bích, nên sử dụng gioăng Kammprofile (hình 4) hoặc một dạng gioăng khác. Được sản xuất theo cách gần giống nhau bởi một số nhà sản xuất, miếng đệm này rất dễ sử dụng. Nó bao gồm các vòng kim loại toàn răng được kẹp giữa các vật liệu làm kín mềm, có thể biến dạng. Các răng tập trung tải trọng của bu lông vào một khu vực nhỏ hơn để tạo ra sự vừa khít với ít ứng suất hơn. Nó được thiết kế theo cách có thể bù đắp cho các bề mặt mặt bích không bằng phẳng cũng như các điều kiện vận hành dao động.
Hình 4. Gioăng Kammprofile có lõi kim loại được liên kết ở cả hai mặt bằng chất độn mềm.
Một yếu tố quan trọng khác trong tính toàn vẹn của hệ thống là van. Rò rỉ xung quanh phớt thân và mặt bích thân là một vấn đề thực sự. Để ngăn ngừa điều này, nên chọn van có phớt ống thổi.
Sử dụng 1 inch. Ống thép cacbon School 80, trong ví dụ bên dưới của chúng tôi, với dung sai sản xuất, dung sai ăn mòn và dung sai cơ học theo ASTM A106 Gr B, áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP) có thể được tính theo hai bước ở nhiệt độ lên tới 300°F (Lưu ý: Lý do cho “…ở nhiệt độ lên tới 300ºF…” là do ứng suất cho phép (S) của vật liệu ASTM A106 Gr B bắt đầu giảm khi nhiệt độ vượt quá 300ºF.(S), do đó Phương trình (1) yêu cầu Điều chỉnh ở nhiệt độ trên 300ºF.)
Tham khảo công thức (1), bước đầu tiên là tính toán áp suất vỡ lý thuyết của đường ống.
T = độ dày thành ống trừ đi dung sai cơ học, ăn mòn và sản xuất, tính bằng inch.
Phần thứ hai của quá trình này là tính toán áp suất làm việc cho phép tối đa Pa của đường ống bằng cách áp dụng hệ số an toàn S f vào kết quả P theo phương trình (2):
Do đó, khi sử dụng vật liệu 1″ school 80, áp suất nổ được tính như sau:
Sau đó, hệ số an toàn Sf là 4 được áp dụng theo Khuyến nghị về bình chịu áp suất của ASME, Mục VIII-1 2019, Mục 8. UG-101 được tính như sau:
Giá trị MAWP kết quả là 810 psi. inch chỉ đề cập đến đường ống. Kết nối mặt bích hoặc thành phần có định mức thấp nhất trong hệ thống sẽ là yếu tố quyết định trong việc xác định áp suất cho phép trong hệ thống.
Theo ASME B16.5, áp suất làm việc tối đa cho phép đối với phụ kiện mặt bích thép cacbon 150 là 285 psi. inch ở -20°F đến 100°F. Class 300 có áp suất làm việc tối đa cho phép là 740 psi. Đây sẽ là hệ số giới hạn áp suất của hệ thống theo ví dụ về thông số kỹ thuật vật liệu bên dưới. Ngoài ra, chỉ trong các thử nghiệm thủy tĩnh, các giá trị này có thể vượt quá 1,5 lần.
Ví dụ về thông số kỹ thuật cơ bản của vật liệu thép cacbon, thông số kỹ thuật đường ống dịch vụ khí H2 hoạt động ở nhiệt độ môi trường dưới áp suất thiết kế là 740 psi. inch, có thể chứa các yêu cầu về vật liệu được thể hiện trong Bảng 2. Sau đây là các loại có thể cần lưu ý để đưa vào thông số kỹ thuật:
Ngoài đường ống, còn có nhiều thành phần tạo nên hệ thống đường ống như phụ kiện, van, thiết bị đường ống, v.v. Mặc dù nhiều thành phần này sẽ được đưa vào đường ống để thảo luận chi tiết, nhưng điều này sẽ cần nhiều trang hơn mức có thể chứa. Bài viết này.