ท่อที่พร้อมใช้ไฮโดรเจน: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของท่อเชื่อมในส่วนผสมที่มีไฮโดรเจนสูง

การออกแบบหรือปรับปรุงท่อส่งก๊าซไฮโดรเจนจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐานในตรรกะทางวิศวกรรมวัสดุ ต่างจากก๊าซธรรมชาติที่ความแข็งแรงของผลผลิตที่สูงกว่าเท่ากับประสิทธิภาพ การบริการไฮโดรเจนจะเปลี่ยนความแข็งแกร่งของวัสดุให้เป็นหนี้สิน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมไฮโดรเจนและโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกำหนดว่า 'พร้อมใช้ไฮโดรเจน' ไม่ใช่ฉลากรับรอง แต่เป็นการคำนวณโครงสร้างจุลภาค ความแข็ง และความเหนียวของการแตกหักอย่างเข้มงวด

ความขัดแย้งด้านความแข็งแกร่ง: เหตุใดเหล็กเกรดสูงจึงทำงานได้แย่ลงใน H2

ลักษณะที่ขัดกับสัญชาตญาณที่สุดของวิศวกรรมท่อส่งไฮโดรเจนคือการย่อยสลายเหล็กกล้าโลหะผสมต่ำ (HSLA) ที่มีความแข็งแรงสูง แม้ว่าท่อเกรด X70 หรือ X80 API 5L จะเป็นท่อมาตรฐานสำหรับการส่งผ่านไฮโดรคาร์บอนสมัยใหม่เพื่อลดความหนาของผนัง แต่ท่อเหล่านี้มักไม่เหมาะสมสำหรับไฮโดรเจนแรงดันสูง

เหตุใดความต้านทานแรงดึงที่เพิ่มขึ้นจึงเพิ่มความเสี่ยงของการแตกตัวของไฮโดรเจน

การแตกตัวของไฮโดรเจน (HE) ถูกขับเคลื่อนโดยการแพร่กระจายของอะตอมไฮโดรเจนเข้าไปในโครงตาข่ายเหล็ก ซึ่งสะสมอยู่ที่ 'บริเวณกับดัก' เช่น การเคลื่อนตัว ขอบเขตของเมล็ดพืช และการรวมตัว เหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงสูงบรรลุคุณสมบัติผ่านความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวที่เพิ่มขึ้นและโครงสร้างจุลภาคที่ซับซ้อน ในสภาพแวดล้อมที่มีไฮโดรเจน คุณลักษณะเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บไฮโดรเจน ซึ่งช่วยลดเกณฑ์ในการเริ่มต้นการแตกร้าวลงอย่างมาก

นอกจากนี้ การวิจัยยังบ่งชี้ว่าแม้ว่าอัตราการเติบโตของรอยแตกร้าวจากความเหนื่อยล้า (FCGR) จะใกล้เคียงกันในทุกเกรดในสภาพแวดล้อม H2 แต่  ความทนทานต่อการแตกหัก (K1H)  จะเสื่อมลงอย่างชันใน X70 มากกว่าใน X52 มาก ซึ่งจะช่วยลดขนาดรอยแตกร้าวที่สำคัญ—ขนาดข้อบกพร่องที่กระตุ้นให้เกิดการแตกหักของซิปที่รุนแรง—ให้เหลือระดับเล็ก ๆ ที่เป็นอันตรายในท่อที่มีความแข็งแรงสูง

ความสมบูรณ์ของรอยเชื่อม: ERW กับ LSAW ในบริการไฮโดรเจน

รอยเชื่อมตามยาวเป็นจุดหลักของความเปราะบางในท่อส่งก๊าซไฮโดรเจน กระบวนการผลิตของท่อจะกำหนดโครงสร้างจุลภาคของตะเข็บนี้และความไวต่อการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน (HIC)

ท่อ ERW ปลอดภัยสำหรับการขนส่งไฮโดรเจน 100% หรือไม่

โดยทั่วไปแล้ว ท่อเชื่อมต้านทานไฟฟ้า (ERW) จะถูกมองด้วยความระมัดระวังสำหรับการให้บริการไฮโดรเจนบริสุทธิ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแรงกดดันที่สูงกว่า การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วที่มีอยู่ในกระบวนการ ERW สามารถสร้างเส้นพันธะที่มีคุณสมบัติความเหนียวแบบแอนไอโซโทรปิกได้ แม้ว่าจะมีการอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อม (PWHT) เส้นประสานก็มักจะมีออกไซด์และสารเจือปนที่ทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับ HIC หรือ 'การกัดกร่อนของงานเซาะร่อง' สำหรับตำแหน่งวิกฤตระดับ 3 หรือระดับ 4 หรือส่วนผสม >20% ไร้รอยต่อหรือ LSAW คือความต้องการทางวิศวกรรม เนื่องจากขาดการควบคุมโลหะตัวเติมใน ERW

LSAW มีความต้านทานต่อการแตกตัวของไฮโดรเจนได้ดีกว่าหรือไม่

ท่อเชื่อมอาร์กจมอยู่ใต้น้ำตามยาว (LSAW) ช่วยให้สามารถใช้โลหะตัวเติมเฉพาะที่ออกแบบมาเพื่อควบคุมโครงสร้างจุลภาคของโลหะเชื่อม ด้วยการใช้สายไฟที่ส่งเสริมการก่อตัวของเฟอร์ไรท์แบบแอคคูลาร์และยับยั้งเบนไนต์หรือมาร์เทนไซต์ วิศวกรจึงสามารถจับคู่ความเหนียวของการเชื่อมกับโลหะฐานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าในกระบวนการ ERW แบบอัตโนมัติ อย่างไรก็ตาม การเลือกฟลักซ์เป็นสิ่งสำคัญ ฟลักซ์ที่มีออกซิเจนสูงอาจทำให้เกิดการรวมตัวของออกไซด์ซึ่งเป็นกับดักไฮโดรเจนที่สำคัญได้

คำถามภาคสนามทั่วไปเกี่ยวกับท่อที่พร้อมใช้ไฮโดรเจน: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของท่อแบบเชื่อมในส่วนผสมที่มีไฮโดรเจนสูง

เราจะตรวจสอบท่อที่มีอยู่สำหรับการผสมไฮโดรเจนได้อย่างไร

การตรวจสอบความถูกต้องจำเป็นต้องมี 'การวิเคราะห์ช่องว่าง' ของรายงานการทดสอบโรงงาน (MTR) ดั้งเดิมตามข้อกำหนด ASME B31.12 จุดข้อมูลที่ขาดหายไปที่สำคัญที่สุดคือค่าเทียบเท่าคาร์บอน (CE) และความเหนียวของการเชื่อม HAZ หากไม่มี MTR จำเป็นต้องมีการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) ภาคสนามสำหรับความแข็งและการวิเคราะห์ทางเคมี หากค่าเทียบเท่าคาร์บอนเกิน 0.43 ความสามารถในการเชื่อมและความไวต่อ HE จะกลายเป็นข้อกังวลหลัก

ผลกระทบของไฮโดรเจนต่ออายุความล้าในท่อเชื่อมคืออะไร?

ไฮโดรเจนเร่งการเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าตามลำดับความสำคัญเมื่อเทียบกับอากาศ ในท่อเชื่อม สิ่งนี้จะรุนแรงขึ้นจากความเข้มข้นของความเค้นที่หัวเชื่อมและราก เส้นโค้งการออกแบบความล้ามาตรฐาน (เส้นโค้ง SN) ไม่ถูกต้องในบริการ H2 ผู้ปฏิบัติงานจะต้องสร้างแบบจำลองไปป์ไลน์โดยใช้กลไกการแตกหักตามข้อมูล FCGR เฉพาะของ H2 โดยถือว่ามีข้อบกพร่องในรอยเชื่อมอยู่แล้ว

เหตุใดการเชื่อมเนื้อผ่านครั้งเดียวจึงเป็นอันตรายในการปรับปรุงไฮโดรเจน

การเชื่อมแบบผ่านครั้งเดียวจะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคมาร์เทนซิติกที่แข็งและไม่มีการอบชุบใน Heat Affected Zone (HAZ) ในการให้บริการไฮโดรเจน HAZ แบบแข็งนี้เป็นระเบิดเวลา อะตอมของไฮโดรเจนอพยพมายังบริเวณนี้ ทำให้เกิดการแตกร้าวล่าช้า (การแตกร้าวเย็น) ต้องใช้เทคนิคการเชื่อมแบบหลายรอบหรือเทคนิคลูกปัดเพื่อลดความแข็งและปรับปรุงโครงสร้างของเกรน

โซลูชันทางวิศวกรรมสำหรับท่อที่พร้อมใช้ไฮโดรเจน: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของท่อแบบเชื่อมในส่วนผสมที่มีไฮโดรเจนสูง

การเลือกวิธีการผลิตท่อที่ถูกต้องเป็นด่านแรกในการป้องกันการเกิดเปราะของไฮโดรเจน สำหรับการส่งผ่านไฮโดรเจนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ ท่อ LSAW ที่ใช้เคมีควบคุมหรือท่อไร้รอยต่อที่มีความเหนียวสูงจะทำให้เกิดความเป็นเนื้อเดียวกันของโครงสร้างจุลภาคที่จำเป็น

ข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ที่แนะนำ:

• สำหรับสายส่งหลัก (แรงดันสูง):  จัดลำดับความสำคัญของ LSAW โดยจำกัดปริมาณเทียบเท่าคาร์บอน (<0.10 Pcm) และเหล็กที่ผ่านแก๊สสุญญากาศเพื่อลดการเจือปน
  ดูแคตตาล็อก: Welded Line Pipe (LSAW) สำหรับบริการไฮโดรเจน

• สำหรับท่อเจาะขนาดเล็ก/ท่อเครื่องมือ:  ท่อไร้ตะเข็บช่วยลดความเสี่ยงเรื่องตะเข็บโดยสิ้นเชิง และเป็นที่นิยมสำหรับการวางท่อในสถานีแรงดันสูง
  ดูแคตตาล็อก: ท่อไร้รอยต่อ (API 5L Gr. B / X42)

คำถามที่พบบ่อย: โลหะผสมทางท่อไฮโดรเจน

อะไรทำให้ HAZ เป็นจุดอ่อนที่สุดในท่อส่งไฮโดรเจน

เขตได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ประสบกับวัฏจักรความร้อนที่สามารถสร้างเกาะมาร์เทนไซต์-ออสเตไนต์ (MA) จุดแข็งที่มีขนาดเล็กมากเหล่านี้มีความเปราะมากและทำหน้าที่เป็นตัวกักเก็บไฮโดรเจนเป็นพิเศษ ซึ่งนำไปสู่การแตกหักตามขอบเกรนที่แรงกดดันโดยที่โลหะฐานยังคงมีความเหนียวอยู่

สารเคลือบภายในสามารถป้องกันการเปราะของไฮโดรเจนได้หรือไม่

โดยทั่วไปไม่มี อะตอมไฮโดรเจนมีขนาดเล็กพอที่จะซึมผ่านสารเคลือบและไลเนอร์ที่ใช้โพลีเมอร์ส่วนใหญ่ได้ แม้ว่าสารเคลือบสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการไหลและป้องกันการกัดกร่อนในชั้นบรรยากาศได้ แต่ก็ไม่ควรใช้เป็นอุปสรรคหลักในการป้องกันไม่ให้ไฮโดรเจนเข้าถึงพื้นผิวเหล็ก

เหตุใดการทดสอบ Charpy V-Notch (CVN) จึงไม่เพียงพอสำหรับการตรวจสอบความถูกต้องของ H2

การทดสอบ CVN มาตรฐานจะวัดพลังงานกระแทก ซึ่งไม่มีความสัมพันธ์อย่างสมบูรณ์กับความทนทานต่อการแตกหัก (K1H) ในสภาพแวดล้อมที่มีไฮโดรเจน เหล็กสามารถมีพลังงาน CVN สูงในอากาศได้ แต่ค่าความเหนียวใน H2 ลดลงอย่างมาก การทดสอบกลไกการแตกหัก (เช่น CTOD) ในสภาพแวดล้อม H2 ที่มีแรงดันเป็นวิธีเดียวในการตรวจสอบความถูกต้องแม่นยำ

ASME B31.12 จำเป็นต้องมีการบำบัดความร้อนหลังการเชื่อม (PWHT) หรือไม่

B31.12 สนับสนุนอย่างยิ่งให้ PWHT ลดค่าความแข็งให้ต่ำกว่า 237 BHN แม้ว่าจะไม่ได้บังคับสำหรับความหนาทุกๆ ส่วน หากสามารถควบคุมความแข็งผ่านขั้นตอนการเชื่อมได้ แต่ก็เป็นวิธีที่น่าเชื่อถือที่สุดในการรับรองว่า HAZ ได้รับการปรับอุณหภูมิและทนทานต่อการแตกร้าวของไฮโดรเจน

'ปัจจัยประสิทธิภาพของวัสดุ' ส่งผลต่อการเลือกท่ออย่างไร

ปัจจัยด้านประสิทธิภาพของวัสดุ ($M_f$) ใน ASME B31.12 จะลงโทษแรงกดดันในการออกแบบที่อนุญาตสำหรับเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงกว่า เพื่อพิจารณาถึงความเหนียวที่ลดลงใน H2 ตัวอย่างเช่น X52 อาจมี $M_f$ เป็น 1.0 (ไม่มีการลงโทษ) ในขณะที่ X70 อาจถูกลดค่าลง บังคับให้ใช้ผนังที่หนาขึ้น ส่งผลให้การลดน้ำหนักของเกรดที่สูงกว่าเป็นกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพ