氢气管线及其对阀门的要求.ppt

,氢气管线及其阀门的要求,目 录,目 录,一、氢气的性质及其对材料的影响二、氢气设备及其管道三、氢气管路中的阀门四、安装管道以及阀门的注意点,一.氢气的性质以及对材料的影响,1.氢气的物理性质,氢气（H2）是一种易燃易爆的气体（属于危险化学品）。在标准状态下（一个标准大气压/760mm Hg），氢气是一种无色，无味、无毒的气体,无腐蚀性，但有很强的渗透性，常温下可透过橡皮和乳胶管。氢气的密度为0.09kg/m3，比空气轻。氢气微溶于水、乙醇和乙醚。,2.氢气的化学性质,（1）可燃性,氢气极易燃烧，纯净的氢气在空气里安静地燃烧，产生淡蓝色的火焰，放出热量。由于氢气无色无味，燃烧时火焰是透明的，因此其存在不易被感官发现。氢气、氧气混合燃烧火焰温度为2100-2500，其中氢气在空气中的爆炸极限为4.2%-74%，在氧气中的爆炸极限为5.0%-94.3%。氢气和氟、氯、一氧化碳混合均有爆炸的危险，其中，氢与氟的混合物在低温和黑暗环境就能发生自发性爆炸，与氯的混合比为1：1时，在光照下也可爆炸。,氢气之爆炸范围,最强烈的爆炸范围,空气、氧气中混入氢气的体积占总体积之比%,（2）还原性,氢气具有很强的还原性。利用其还原性，氢气被广泛的应用于钢铁企业不锈钢冷轧和碳钢冷轧卷板退火时的保护气体。氢气不但对带钢具有防氧化的作用，而且对带钢上的铁锈具有还原作用，这样就实现了带钢的光亮退火。,（1）氢鼓包,定义：氢原子扩散到金属内部（大部分通过器壁），在另一侧结合为氢分子逸出。如果氢原子扩散到钢内空穴，并在该处结合成氢分子，由于氢分子不能扩散，就会积累形成巨大内压，引起钢材表面鼓包甚至破裂的现象称为氢鼓包。低强钢，尤其是含大量非金属夹杂物的钢，最容易发生氢鼓包。,3.氢气对金属材料的影响,2023/9/27,产生氢鼓包的腐蚀环境：介质中通常含有硫化氢、或者砷化合物、或者氰化物、或者含磷离子等毒素，这些介质阻止了放氢反应。,预防措施：消除工况中的毒素介质；如果不能消除，选用空穴少的镇静钢；也可采用对氢渗透低的奥氏体不锈钢；或者采用镍衬里、塑料保护层、玻璃钢衬里等；有时加入缓蚀剂。,（2）氢脆,定义：氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，使得金属晶格高度变形，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。氢脆只可防，不可治。氢脆一经产生，就消除不了。,氢脆现象,2023/9/27,避免和消除的措施：,2.减少金属中渗氢的数量。若采用酸洗，需要在酸洗液中添加缓蚀剂；在除油时，采用化学除油、清洗剂或溶剂除油；在电镀时，碱性镀液或高电流的镀液渗氢量都较少。,3.采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层,一般认为,在电镀Zn、Cd、Sn、Pb时,渗入钢件的氢容易残留下来,而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金属镀层具有低氢扩散性和低氢溶解度,渗氢较少。,4.镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患等,1.选用对氢脆不敏感的材料，如选用含Ni、Mo的合金钢。,2023/9/27,（3）氢蚀,定义：在高温高压环境下，氢进入金属内与一种组分或元素产生化学反应使金属破坏，称为氢蚀。,预防措施：选用抗氢钢。可选用16MnR（HIC）、15CrMoR（相当于1Cr-0.5Mo）、14Cr1MoR（相当于）、2Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、3Cr-1Mo-0.25V等。抗氢钢中的Cr和Mo能形成稳定的碳化物，这样就减少了氢与碳结合的机会，避免了甲烷气体的产生。,2023/9/27,其实氢腐蚀从理论上分成以上三种，而实际中三种腐蚀几乎同时存在。所以遇到氢腐蚀环境（临氢环境）的设备一般按纳尔逊曲线进行选材，并要引起高度重视。,常用的抗氢材料有奥氏体不锈钢、沉淀强化奥氏体合金、低合金钢、铝合金及铜合金等。,二.氢气设备及其管道,1.设备、管线的安全要求,（1）氢气站或者供氢设备的安全设置应包括：应设有安全泄压装置，如安全阀等；氢气罐顶部最高点，应设氢气放空管；应设压力测试仪表；应设氮气吹扫置换接口。（2）氢气设备应严防泄漏，所用的仪表及阀门等零部件密封应确保良好，定期检查，对设备发生氢气泄漏的部位应及时处理。,（3）在氢气管道与其相连的装置、设备之间应安装止回阀，界区间阀门宜设置有效隔离措施，防止来自装置、设备的外部火焰回火至氢气系统。氢气作焊接、切割、燃料和保护气等使用时，每台(组)用氢设备的支管上应设阻火器。（4）对氢气设备、管道和阀门等连接点进行漏气检查时，应使用中性肥皂水或携带式可燃气体检测报警仪，禁止使用明火进行漏气检查。（5）爆炸危险区域内电气设备应符合防爆要求，因需要在爆炸危险区域使用非防爆设备时应采取隔爆措施。,（6）氢气管道应设置分析取样口、吹扫口，其位置应能满足氢气管道内气体取样、吹扫、置换要求；最高点应设置排放管，并在管口处设阻火器。,（7）氢气管道、阀门及水封等出现冻结时，作业人员应使用热水或蒸汽加热进行解冻，且应带面罩进行操作。禁止使用明火烘烤或使用锤子等工具敲击。,2.管线的材质以及流速,(1)氢气管线材质的选择,按照国家氢气站设计标准规定，氢气管道的管材应采用无缝钢管。如对氢气纯度有严格要求时，选用的材料有所不同：气体纯度大于或等于99.999%，应采用内壁电抛光的低碳不锈钢管(316L)或内壁电抛光的不锈钢管(304)。气体纯度大于或等于99.99%，应采用内壁电抛光的不锈钢管(304)，或者无缝钢管。气体纯度小于99.99%，选用无缝钢管。,(2)碳素钢管中氢气最大流速,注：氢气工作压力为0.13.0MPa，在不锈钢管中最大流速可为25m/s。,(3)管道的试验介质与试验压力,三、氢气管路中的阀门,(1)阀门的选择,根据国家氢气设计规范GB50177-2005对氢气管线中阀门应采用的规定：阀门宜采用球阀、截止阀。,(2)阀门材质的规定如下：,注：当密封面与阀体直接连接时，密封面材料可以与阀 体一致。阀门的密封填料，应采用石墨处理过的石棉或聚四 氟乙烯材料。,2023/9/27,高温高压条件对材质的要求,高温高压条件下,针对管线、阀门的材质用到最多的是奥氏体不锈钢等低碳不锈钢、低合金钢（Mo钢、Cr-Mo钢）。奥氏体不锈钢等低碳不锈钢在不同的工艺温度以及氢分压下具有通用性，低合金钢只能根据不同的环境条件（温度、氢分压）确定具体的型号，在保证生产稳定进行下选用低合金钢的牌号方面，国内外已经有了足够的经验。除此之外，从经济以及应力方面考虑，低碳不锈钢价格过高，同时易诱发应力开裂，因此选用材质还是以低合金钢为主（诸如：炼油厂、石化厂、合成氨厂等）。,在高温下，氢分子分解为原子形式，它能够容易地进入到钢材中，并进行扩散。在这些条件下，氢在钢中的扩散是很迅速的，氢可以与钢中的碳发生反应，引起表面脱碳和内部脱碳以及微裂。,高温氢腐蚀形式,表面脱碳,内部脱碳和微裂纹,高温高压条件下，临氢环境中对材料低合金钢的讨论如下：,2023/9/27,表面脱碳：,表面脱碳并不产生裂纹。表面脱碳的通常影响是强度和硬度有轻微的降低，但延性增加。由于影响通常较轻微，所以对其关注比对内部脱碳少的多。,表面脱碳的理论解释：是基于碳迁移到表面，并在表面形成碳的气体化合物，使钢出现贫碳（形成的气体化合物为CH4或存在含氧气体时形成CO）。蒸汽会加速这种反应，溶解碳向表面扩散，速率控制机理认为是碳的扩散。由于碳化物不断析出溶解碳，所以碳化物的稳定性直接关系到表面脱碳的速度。,2023/9/27,内部脱碳和微裂：,内部脱碳和微裂是由氢向钢中渗透并反应生成其他气体，如甲烷而造成的。所生成的甲烷不能自钢中逸出，而通常聚集在晶界空穴处，产生高的局部应力，最终导致钢材的微裂、裂缝或鼓泡。氢损伤钢材的微裂将导致力学性能的明显劣化。,微裂,未转变珠光体,脱碳区,铁素体,C-0.5Mo钢（ASTM A204-A）在高温氢环境中发生的内部脱碳和微裂,2023/9/27,高温氢腐蚀的影响因素：,包括：钢材的孕育期、一次应力的影响、二次应力的影响、热处理的作用、复合层和堆焊层的影响等。,钢材的孕育期：高温高压氢对钢造成损伤之前，在一段时间内用普通的力学试验方法检验不出机械性能有明显变化。经过这段时间以后，材料产生损伤而导致强度和延性下降。在能够用普通力学试验方法测出氢侵蚀以前的这段时间称之为孕育期。,简单理解就是：质变之前的量变阶段,2023/9/27,孕育期的长短是很关键的，因为它决定发生高温氢侵蚀条件下钢材的有效寿命。,高温氢侵蚀的发生分三个阶段：,a孕育期,在此期间，力学性能非常缓慢地变化。b.力学性能快速劣化阶段，同时伴随微裂纹快速生长。c.最终阶段，固溶体中的碳耗尽，力学性能达到最终值。,孕育期中，甲烷在亚显微空穴内形成压力。由于内部甲烷压力和施加的应力这些空穴慢慢增大。当空穴达到临界尺寸时，对力学性能方面的影响就显露出来。孕育期取决于多种因素，包括钢材的类型、冷加工的程度、杂质元素的含量、加工应力、氢气压力和温度等等。,2023/9/27,临氢作业用钢防止脱碳和微裂的操作极限,四、安装管道以及阀门的注意点,（1）接触氢气的表面彻底去除毛刺、焊渣、铁锈和污垢等。（2）碳钢管的焊接宜采用氩弧焊作底焊；不锈钢应采用氩弧焊。（3）氢气管道的连接应采用焊接或其他有效防止氢气泄漏的连接方式。管道之间不宜采用螺纹密封连接，氢气管道与附件连接的密封垫，应采用不锈钢、有色金属、聚四氟乙烯或氟橡胶材料，禁止用生料带或其他绝缘材料作为连接密封手段。,（4）氢气管道、阀门、管件等在安装过程中及安装后采用严格措施防止焊渣、铁锈及可燃物等进入或遗留在管内。（5）氢气管道强度试验合格后，使用不含油的空气或惰性气体，以不小于20 m/s的流速进行吹扫，直至出口无铁锈、无尘土及其他污垢为合格。,谢 谢！,