سیستم های لوله کشی و خط لوله هیدروژنی

بیش از 50 سال است که سیستم های لوله کشی و خط لوله هیدروژنی در حال استفاده هستند. چندین صد مایل خط لوله هیدروژنی وجود دارد که برای انتقال هیدروژن به عنوان سوخت گذاشته شده است. با وجود اینکه هیدروژن بسیار قابل اشتعال است، هیچ گزارشی از صدمات ناشی از خطوط لوله هیدروژن وجود ندارد. در این مقاله، ما بیشتر در مورد لوله کشی هیدروژن و سیستم های خط لوله بررسی خواهیم کرد.

هیدروژن گازی غیر سمی و بی بو است که بسیار قابل اشتعال است و حدود 14 برابر سبکتر از هوا است. آنها به راحتی نشت می کنند و بنابراین باید برای طراحی اتصالات مکانیکی دقت ویژه ای شود. از آنجایی که شعله هیدروژن در نور روز نامرئی است، تشخیص و خاموش کردن آتش‌های هیدروژنی بسیار سخت است.

کدها و استانداردهای لوله کشی هیدروژن و سیستم خط لوله

کد حاکم و استاندارد برای لوله کشی و خطوط لوله هیدروژنی ASME B31.12 است. کد ASME B31.12 اطلاعاتی در مورد لوله ها و خطوط لوله هیدروژن در چهار قسمت ارائه می دهد. بخش 1 الزامات عمومی است که به عنوان قسمت GR شناخته می شود. بخش دوم کد ASME B31.12 اطلاعاتی در مورد سیستم های لوله کشی هیدروژن صنعتی ارائه می دهد. این بخش در مورد الزامات کد طراحی، شرایط طراحی، معیارها و معادلات طراحی فشار برای اجزای لوله‌کشی، انعطاف‌پذیری و الزامات پشتیبانی، الزامات خدمات برای قطعات و اتصالات لوله‌کشی، و الزامات ساخت، نصب، بازرسی، آزمایش و مونتاژ توضیح می‌دهد. بخش 3 دستورالعمل هایی را برای خطوط لوله هیدروژن ارائه می دهد. این بخش اجزای سیستم خط لوله، جزئیات ساخت، طراحی، نصب، و الزامات آزمایش را شرح می دهد. بخش پایانی ASME B31.12 بخش ضمیمه است که 9 پیوست اجباری و 7 پیوست غیر اجباری را پوشش می دهد. تمامی شکل ها و جداول مورد نیاز نیز در این قسمت ارائه شده است. بنابراین، تمام الزامات طراحی، بازرسی، آزمایش، ساخت و ساخت به درستی برای لوله کشی هیدروژن و همچنین سیستم های خط لوله هیدروژن ارائه شده است.

کد لوله ها و خطوط لوله هیدروژنی اولین بار در سال 2008 معرفی شد و آخرین ویرایش آن نسخه 2019 است. قبل از انتشار کد ASME B31.12، ASME B31.3 برای لوله کشی هیدروژن و ASME B31.8 برای سیستم های حمل و نقل خط لوله هیدروژن استفاده می شد.

تفاوت بین ASME B31.3 و ASME B31.12

اکثر بخش های ASME B31.12 با بخش های ASME B31.3 یکسان هستند. با این حال، برخی از تفاوت های قابل توجه است. برخی از این تفاوت ها بین ASME B31.12 و ASME B31.3 در زیر ذکر شده است:

1 محاسبه ضخامت طراحی فشار: معادله ضخامت طراحی فشار تقریباً در هر دو کد مشابه است. با این حال، ضریب کاهش استحکام اتصال جوش، W از ASME B31.3 با ضریب عملکرد Mf در ASME B31.12 جایگزین شده است. این Mf به از دست دادن شکل پذیری مواد در خدمات هیدروژنی می پردازد. بنابراین، ضخامت محاسبه‌ شده برای لوله‌ کشی هیدروژنی برای دما و فشار طراحی مشخص، بیشتر از الزامات لوله‌کشی فرآیند خواهد بود.
2 محدوده تنش جابجایی مجاز: محاسبه محدوده تنش جابجایی مجاز در B31.12 همچنین با افزایش چرخه های جابجایی کامل واقعی به میزان 10 در زمانی که در دمای زیر 150 درجه سانتیگراد (300 درجه فارنهایت) طراحی شده است، شکنندگی هیدروژنی فولادهای کربنی و کم آلیاژ را بررسی می کند.
3 الزامات اتصال انشعاب: ASME B31.12 به یک نفوذ کامل اتصال جوش برای شاخه های خرد و خرد نیاز دارد. این کد همچنین استفاده از اتصالات لوله‌کشی مرتبط با موادی که توسط B31.12 مجاز نیستند، از جمله اتصالات درزدار، لحیم‌شده، زنگوله‌ای و لوله‌ای و پلاستیکی را ممنوع می‌کند، اگرچه اتصالات رزوه‌ای و لوله‌ای را مجاز می‌داند.
4 مواد: در الزامات ساخت مواد تفاوت هایی وجود دارد. به عنوان مثال، در ASME B31.12، DSS یک ماده فهرست نشده است. همچنین، کد راهنمایی برای جلوگیری از استفاده از آلیاژهای مبتنی بر نیکل است.
5 الزامات NDE در کد B31.12: مستلزم آن است که رادیوگرافی (RT) یا آزمایش اولتراسونیک (UT) پس از عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) برای فولادهای کم آلیاژ انجام شود.
6 نیاز NDE در کد ASME :B31.12 در مقایسه با ASME B31.3 بیشتر است که هزینه را افزایش می دهد. همچنین، الزامات ASME B31.12 NDE بسیار دقیق تر است.
7 الزامات جوشکاری: در B31.12، پیش گرمایش 80 درجه سانتیگراد (175 درجه فارنهایت) برای فولاد کربنی برای هر ضخامتی الزامی است.

بنابراین، تمام این الزامات بالا عمدتاً هزینه سیستم‌های لوله‌کشی هیدروژنی را در مقایسه با لوله‌کشی معمولی افزایش می‌دهد.

مواد متداول برای لوله کشی و خطوط لوله هیدروژن

مواد متداول مورد استفاده برای سیستم های لوله کشی هیدروژنی عبارتند از:

فولاد ضد زنگ با خلوص بالا با سختی کمتر از 80 HRB
لوله های کامپوزیت مانند PFA، PTFE، FRP، FEP، MFA و غیره
فولادهای زنگ نزن آستنیتی سری 300 که محدودیت های دمایی ASME B31.12 را برآورده می کنند برای لوله کشی، لوله، شیرها و اتصالات محصول هیدروژن مایع و گاز استفاده می شوند.
فولاد کربنی را می توان برای لوله کشی محصولات هیدروژنی گازی استفاده کرد.
مناسب بودن استفاده از کربن یا فولاد کم آلیاژ باید با استفاده از “نمودار نلسون” در موسسه نفت آمریکا (API) RP 941 برای کاربردهای با دمای بالا ارزیابی شود.
لوله ها و لوله های بدون درز برای سیستم های لوله کشی هیدروژنی ترجیح داده می شوند.

دستورالعمل های معمول برای سیستم لوله کشی هیدروژن

به طور کلی برای سرویس هیدروژن گازی از لوله کشی تک جداره استفاده می شود از لوله کشی عایق خلاء برای سرویس هیدروژن مایع استفاده می شود. ملاحظات زیر معمولاً در طراحی سیستم لوله های هیدروژن رعایت می شود:

• جداسازی سیستم در طول تعمیر و نگهداری
• کاهش فشار برای نگهداری
• پاکسازی سیستم با گاز بی اثر قبل از تعمیر و نگهداری.

لوله کشی و سایر اجزای لوله بر اساس دما و فشار سرویس هیدروژن تعیین می شود. پتانسیل نشتی، استحکام مکانیکی، مواد و مقبولیت ایمنی در برابر آتش، انتخاب اتصالات لوله‌کشی را تعیین می‌کند.
تمام تجهیزات الکتریکی و دستگاه های اتصال زمین الکتریکی باید با NFPA 70 مطابقت داشته باشند

قبل از قرار گرفتن در سرویس هیدروژنی، سیستم های لوله کشی هیدروژنی باید به طور کامل تمیز شوند. روش تمیز کردن انتخاب شده باید برای نوع آلاینده مناسب باشد و سطح تمیزی مورد نیاز برنامه را فراهم کند. نصب لوله هیدروژنی باید مطابق با ASME B31.12 و کدهای محلی، ایالتی و ملی انجام شود.

طراحی باید پتانسیل نشت را به حداقل برساند و امکان تشخیص آسان را فراهم کند. دستورالعمل های زیر را می توان دنبال کرد:

• برای به حداقل رساندن نشتی تا حد امکان از اتصالات جوشی استفاده کنید.
• برای بررسی نشتی، دسترسی به اتصالات و اتصالات باید فراهم شود.
• احتمال تماس با سطوح سرد، ضربه سر، خطرات زمین خوردن و غیره باید به حداقل برسد.
• دستگاه های کاهش فشار با اندازه مناسب باید ارائه شوند.
• شیرهای قطع کننده با برچسب مناسب باید در مکان های امن تهیه شوند.
• سیستم لوله کشی باید برای نشان دادن محتوا و جهت جریان برچسب گذاری شود.

خطوط لوله هیدروژن

برای انتقال هیدروژن از نقطه تولید به نقطه تحویل، از حمل و نقل خط لوله هیدروژن استفاده می شود. لوله های خط با مقاومت بالا و لوله های FRP معمولاً برای انتقال هیدروژن از طریق خطوط لوله ترجیح داده می شوند.