氢气管线及其对阀门的要求

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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（,H,2,）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/m,3,，,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。,0,20,40,60,80,100,氧气中,空气中,4,18,59,74.2,4.7,15,90,93.9,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,2018/9/4,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,2018/9/4,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。,2018/9/4,（,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,1.25Cr-0.5Mo,）、,2Cr-0.5Mo,、,2.25Cr-1Mo,、,2.25Cr-,1Mo-0.25V,、,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。,2018/9/4,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。,工作压力（,MPa,）,最大流速（,m/s,）,1.6,8,0.1,1.6,12,0.1,按允许压力降确定,(2),碳素钢管中氢气最大流速,注：氢气工作压力为,0.1,3.0MPa,，在不锈钢管,中最大流速可为,25m/s,。,设计压力（,MPa,）,最大流速（,m/s,）,3.0,10,0.1,3.0,15,0.1,按允许压力降确定,管道工作,压力,(MPa),强度试验,气密性试验,泄漏量试验,试验介质,试验压力,(MPa),试验介质,试验压力,(MPa),试验介质,试验压力,(MPa), 3.0,水,1.5P,1.05P,1.0P,(3),管道的试验介质与试验压力,管道工,作压力,(MPa),强度试验,气密性试验,泄漏量试验,试验介,质,试验压力,(MPa),试验介,质,试验压,力,(MPa),试验,介质,试验,压力,(MPa), 3.0,水,1.5P,1.05P,1.0P,工作压力,（,MPa,）,材料,0.1,阀体采用球墨铸铁或铸钢,密封面采用合金钢或与阀体一致,0.1,2.5,阀杆采用碳钢,阀体采用铸钢,密封面采用合金钢或与阀体一致,2.5,阀体、阀杆、密封面均采用不锈钢,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。,设计压力,（,MPa,）,材料,0.1,阀体采用球墨铸铁或铸钢,密封面采用合金钢或与阀体一致,0.1,2.5,阀杆采用碳钢,阀体采用铸钢,密封面采用合金钢或与阀体一致,2.5,阀体、阀杆、密封面均采用不锈钢,2018/9/4,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：,2018/9/4,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,CH,4,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。,2018/9/4,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,2018/9/4,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,2018/9/4,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。,2018/9/4,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！,