تعریف سریع: خطوط لوله آماده هیدروژن: مقایسه عملکرد لوله های جوش داده شده در ترکیبات با هیدروژن بالا یک خط لوله آماده هیدروژن از گریدهای خاص API 5L (معمولاً X52 یا پایین تر) استفاده می کند که برای مقاومت در برابر 20% در برابر تراکم گاز هیدروژنی مقاومت می کند. این سیستم ها توسط ASME B31.12 گزینه B و الزامات مکانیک شکست دقیق (K1H) کنترل می شوند. آنها برای استفاده مجدد از شبکه های گاز طبیعی برای انرژی سبز حیاتی هستند، اما اگر منطقه متاثر از حرارت جوش (HAZ) دارای ساختارهای مارتنزیتی یا سختی بیش از حد (بیش از 250 HV10) باشد، به طور فاجعه آمیزی شکست می خورند.
طراحی یا بهسازی خطوط لوله برای خدمات هیدروژنی نیازمند یک تغییر اساسی در منطق مهندسی مواد است. بر خلاف گاز طبیعی، که در آن استحکام تسلیم بالاتر برابر با کارایی است، خدمات هیدروژن استحکام مواد را به یک مسئولیت تبدیل می کند. برهمکنش بین هیدروژن اتمی و ریزساختار فولاد حکم میکند که «آماده هیدروژن» یک برچسب گواهی نیست، بلکه یک محاسبه دقیق از ریزساختار، سختی و چقرمگی شکست است.
پارادوکس قدرت: چرا فولادهای درجه بالاتر در H2 بدتر عمل می کنند؟
غیر شهودی ترین جنبه مهندسی خط لوله هیدروژن، تخریب فولادهای کم آلیاژ با مقاومت بالا (HSLA) است. در حالی که لوله های Grade X70 یا X80 API 5L برای انتقال هیدروکربن مدرن برای کاهش ضخامت دیواره استاندارد هستند، اغلب برای هیدروژن با فشار بالا نامناسب هستند.
چرا افزایش استحکام کششی خطر شکنندگی هیدروژن را افزایش می دهد؟
شکنندگی هیدروژن (HE) توسط انتشار هیدروژن اتمی در شبکه فولادی ایجاد میشود، جایی که در 'محل تله' مانند نابجایی، مرز دانهها و آخالها تجمع مییابد. فولادهای با مقاومت بالا از طریق افزایش چگالی نابجایی و ریزساختارهای پیچیده به خواص خود دست می یابند. در محیط هیدروژنی، این ویژگی ها به عنوان مخزن هیدروژن عمل می کنند و آستانه شروع ترک را به طور قابل توجهی کاهش می دهند.
علاوه بر این، تحقیقات نشان میدهد که در حالی که نرخهای رشد ترک خستگی (FCGR) در سطوح مختلف در محیطهای H2 مشابه است، چقرمگی شکست (K1H) در X70 بسیار شدیدتر از X52 کاهش مییابد. این باعث کاهش اندازه ترک بحرانی - اندازه نقصی که باعث شکستگی فاجعهبار زیپ میشود - در لولههای با استحکام بالا به سطوح خطرناکی کوچک میرسد.
شفاف کننده فنی درون خطی: س: آیا ASME B31.12 فولاد X70 را ممنوع می کند؟
پاسخ: نه، اما آن را جریمه می کند. این کد یک ضریب عملکرد مواد ($M_f$) را بر اساس قدرت تسلیم اعمال می کند. برای گریدهای بالاتر (مانند X70)، M_f$ کمتر است، و مهندسان را مجبور میکند ضخامت دیواره را افزایش دهند، که اغلب در وهله اول، سود هزینه استفاده از فولاد با مقاومت بالا را خنثی میکند.
یکپارچگی درز جوش: ERW در مقابل LSAW در خدمات هیدروژن
درز طولی جوش نقطه اصلی آسیب پذیری در خطوط لوله هیدروژن است. فرآیند ساخت لوله، ریزساختار این درز و حساسیت آن به ترک ناشی از هیدروژن (HIC) را تعیین می کند.
آیا لوله ERW برای انتقال 100٪ هیدروژن ایمن است؟
لوله جوش داده شده با مقاومت الکتریکی (ERW) معمولاً برای خدمات هیدروژن خالص، به ویژه در فشارهای بالاتر، با احتیاط مشاهده می شود. خنکسازی سریع ذاتی فرآیند ERW میتواند یک خط پیوند با خواص چقرمگی ناهمسانگرد ایجاد کند. حتی با عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT)، خط اتصال اغلب حاوی اکسیدها و اجزایی است که به عنوان محل شروع HIC یا «خوردگی شیاردار» عمل میکنند. برای مکانهای بحرانی کلاس 3 یا کلاس 4، یا مخلوطهای بیش از 20 درصد، بدون درز یا LSAW اولویت مهندسی به دلیل عدم وجود فلز پرکننده است.
آیا LSAW مقاومت بالاتری در برابر ترک خوردگی هیدروژنی ارائه می دهد؟
لوله های جوش داده شده با قوس غوطه ور طولی (LSAW) امکان معرفی فلزات پرکننده خاصی را فراهم می کند که برای کنترل ریزساختار فلز جوش طراحی شده اند. مهندسان با استفاده از سیمهایی که تشکیل فریت سوزنی شکل را تقویت میکنند و بینیت یا مارتنزیت را سرکوب میکنند، میتوانند چقرمگی جوش را با فلز پایه به طور مؤثرتری نسبت به فرآیند ERW خودزا تطبیق دهند. با این حال، انتخاب شار حیاتی است. شار اکسیژن بالا می تواند آخال های اکسیدی را که تله های هیدروژنی اولیه هستند به جا بگذارد.
شفاف کننده فنی درون خطی: س: حد 'نقطه سخت' برای جوش های H2 چیست؟
پاسخ: در حالی که NACE MR0175 تا 22 HRC (تقریباً 248 HV10) را برای سرویس ترش مجاز میکند، خطوط هیدروژن کاملاً کنترل شده اغلب حداکثر 237 BHN (تقریباً 237 HV10) را هدف قرار میدهند تا از تشکیل مناطق شکننده موضعی (LBZs) حاوی معایب MA استفاده کنند.
سوالات میدانی رایج در مورد خطوط لوله آماده هیدروژن: مقایسه عملکرد لوله های جوش داده شده در مخلوط های هیدروژن بالا
چگونه خطوط لوله موجود را برای ترکیبات هیدروژنی تأیید کنیم؟
اعتبارسنجی به «تجزیه و تحلیل شکاف» گزارشهای آزمایشی آسیاب اصلی (MTR) در برابر الزامات ASME B31.12 نیاز دارد. بحرانی ترین نقطه داده گمشده معمولاً معادل کربن (CE) و چقرمگی جوش HAZ است. اگر MTR ها در دسترس نباشند، آزمایش غیر مخرب میدانی (NDT) برای سختی و تجزیه شیمیایی اجباری است. اگر معادل کربن از 0.43 تجاوز کند، جوش پذیری و حساسیت به HE به نگرانی های اصلی تبدیل می شود.
تاثیر هیدروژن بر عمر خستگی در لوله های جوش داده شده چیست؟
هیدروژن رشد ترک خستگی را در مقایسه با هوا سرعت می بخشد. در لوله های جوش داده شده، این با غلظت تنش در نوک و ریشه جوش تشدید می شود. منحنی های طراحی خستگی استاندارد (منحنی های SN) در سرویس H2 نامعتبر هستند. اپراتورها باید خط لوله را با استفاده از مکانیک شکست بر اساس دادههای FCGR خاص H2 مدلسازی کنند، با این فرض که نقصهایی از قبل در جوشها وجود دارد.
چرا جوش های فیله تک پاس در مقاوم سازی هیدروژنی خطرناک هستند؟
جوش های تک پاس به سرعت سرد می شوند و یک ریزساختار مارتنزیتی سخت و غیرقابل اصلاح در ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) ایجاد می کنند. در سرویس هیدروژنی، این HAZ سخت یک بمب ساعتی است. اتم های هیدروژن به این منطقه مهاجرت می کنند و باعث ایجاد ترک تاخیری (ترک سرد) می شوند. برای کاهش سختی و اصلاح ساختار دانه، جوشکاری چند گذری یا تکنیکهای مهرهای مورد نیاز است.
محدودیت های منفی: مهندسی 'نباید'
انطباق API 5L PSL 2 'Sour Service' به طور خودکار برابر با 'Hydrogen Service' است. سرویس ترش H2S (ترک استرس سولفید) را نشان می دهد، در حالی که سرویس هیدروژن به HE خالص می پردازد. مکانیسم ها همپوشانی دارند اما یکسان نیستند.
نکنید . از درجه X80 برای انتقال هیدروژن بدون ارزیابی بحرانی مهندسی خاص (ECA) که رفتار نشتی قبل از شکست را اثبات می کند، استفاده
نکنید ، حتی اگر استاندارد B31.3 این امکان را داشته باشد. از عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) در ضخامت دیوارههای بیش از 19 میلیمتر در سرویس هیدروژن چشم پوشی خطر مارتنزیت تمپر نشده بسیار زیاد است.
راه حل های مهندسی برای خطوط لوله آماده هیدروژن: مقایسه عملکرد لوله های جوش داده شده در مخلوط های هیدروژن بالا
انتخاب روش صحیح ساخت لوله اولین خط دفاعی در برابر شکنندگی هیدروژن است. برای انتقال هیدروژن با قطر بزرگ، لوله LSAW شیمی کنترل شده یا لوله بدون درز با چقرمگی بالا، همگنی ریزساختاری لازم را فراهم می کند.
مشخصات محصول پیشنهادی:
برای خطوط انتقال اصلی (فشار بالا): LSAW را با کربن معادل محدود شده (<0.10 pcm) و فولاد گاز زدایی شده با خلاء در اولویت قرار دهید تا آخال ها به حداقل برسد. کاتالوگ را ببینید: لوله خط جوش داده شده (LSAW) برای خدمات هیدروژن
برای خطوط کوچک حفاری / ابزار: لوله بدون درز خطر درز را به طور کامل حذف می کند و برای لوله کشی ایستگاه های فشار بالا ترجیح داده می شود. کاتالوگ را ببینید: لوله بدون درز (API 5L Gr. B / X42)
سؤالات متداول: متالورژی خط لوله هیدروژن
چه چیزی HAZ را ضعیف ترین حلقه در خطوط لوله هیدروژن می کند؟
منطقه متاثر از گرما (HAZ) چرخه های حرارتی را تجربه می کند که می تواند جزایر مارتنزیت-آستنیت (MA) را تشکیل دهد. این نقاط سخت میکروسکوپی بسیار شکننده هستند و به عنوان تله های ترجیحی برای هیدروژن عمل می کنند که منجر به شکستگی بین دانه ای در فشارهایی می شود که فلز پایه انعطاف پذیر باقی می ماند.
آیا پوشش های داخلی می توانند از شکنندگی هیدروژن جلوگیری کنند؟
به طور کلی، نه. هیدروژن اتمی به اندازه کافی کوچک است که بتواند در اکثر پوشش ها و آسترهای مبتنی بر پلیمر نفوذ کند. در حالی که پوشش ها می توانند راندمان جریان را بهبود بخشند و از خوردگی جوی جلوگیری کنند، نباید به آنها به عنوان یک مانع اولیه برای جلوگیری از رسیدن هیدروژن به زیرلایه فولادی اعتماد کرد.
تستهای استاندارد CVN انرژی ضربه را اندازهگیری میکنند که با چقرمگی شکست (K1H) در محیط هیدروژنی ارتباط کاملی ندارد. یک فولاد می تواند انرژی CVN بالایی در هوا داشته باشد، اما در H2 دچار کاهش شدید چقرمگی می شود. آزمایش مکانیک شکست (مانند CTOD) در محیط H2 تحت فشار تنها روش اعتبارسنجی دقیق است.
آیا ASME B31.12 به عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) نیاز دارد؟
B31.12 قویاً PWHT را تشویق می کند تا مقادیر سختی زیر 237 BHN را کاهش دهد. در حالی که اگر بتوان سختی را از طریق روشهای جوشکاری کنترل کرد، برای هر ضخامت اجباری نیست، اما مطمئنترین روش برای اطمینان از اینکه HAZ مقاوم است و در برابر ترکخوردگی هیدروژنی مقاوم است، میباشد.
چگونه 'عامل عملکرد مواد' بر انتخاب لوله تأثیر می گذارد؟
ضریب عملکرد مواد ($M_f$) در ASME B31.12 فشار طراحی مجاز برای فولادهای با استحکام بالاتر را جریمه می کند تا چقرمگی آنها در H2 کاهش یابد. به عنوان مثال، X52 ممکن است M_f$ 1.0 داشته باشد (بدون جریمه)، در حالی که X70 ممکن است کاهش یابد، و استفاده از دیوارهای ضخیم تر را مجبور کند، به طور موثر کاهش وزن درجه بالاتر را خنثی کند.
