氫氣管線及其對閥門的要求

氫氣管線及其閥門的要求目錄目錄氫氣的性質及其對材料的影響氫氣設備及其管道氫氣管路中的閥門安裝管道以及閥門的注意點氫氣的性質以及對材料的影響1.氫氣的物理性質氫氣（H2）是一種易燃易爆的氣體（屬于危險化學品）。在標準狀態(tài)下（一個標準大氣壓/760mmHg），氫氣是一種無色，無味、無毒的氣體,無腐蝕性，但有很強的滲透性，常溫下可透過橡皮和乳膠管。氫氣的密度為0.09kg/m3，比空氣輕。氫氣微溶于水、乙醇和乙醚。氫氣的化學性質可燃性氫氣極易燃燒，純凈的氫氣在空氣里安靜地燃燒，產生淡藍色的火焰，放出熱量。由于氫氣無色無味，燃燒時火焰是透明的，因此其存在不易被感官發(fā)現(xiàn)。氫氣、氧氣混合燃燒火焰溫度為2100-2500℃，其中氫氣在空氣中的爆炸極限為4.2%-74%，在氧氣中的爆炸極限為5.0%-94.3%。氫氣和氟、氯、一氧化碳混合均有爆炸的危險，其中，氫與氟的混合物在低溫和黑暗環(huán)境就能發(fā)生自發(fā)性爆炸，與氯的混合比為1：1時，在光照下也可爆炸。氫氣之爆炸范圍最強烈的爆炸范圍空氣、氧氣中混入氫氣的體積占總體積之比%還原性氫氣具有很強的還原性。利用其還原性，氫氣被廣泛的應用于鋼鐵企業(yè)不銹鋼冷軋和碳鋼冷軋卷板退火時的保護氣體。氫氣不但對帶鋼具有防氧化的作用，而且對帶鋼上的鐵銹具有還原作用，這樣就實現(xiàn)了帶鋼的光亮退火。氫氣對金屬材料的影響（1）氫鼓包定義：氫原子擴散到金屬內部（大部分通過器壁），在另一側結合為氫分子逸出。如果氫原子擴散到鋼內空穴，并在該處結合成氫分子，由于氫分子不能擴散，就會積累形成巨大內壓，引起鋼材表面鼓包甚至破裂的現(xiàn)象稱為氫鼓包。低強鋼，尤其是含大量非金屬夾雜物的鋼，最容易發(fā)生氫鼓包。2024/11/14產生氫鼓包的腐蝕環(huán)境：介質中通常含有硫化氫、或者砷化合物、或者氰化物、或者含磷離子等毒素，這些介質阻止了放氫反應。預防措施：消除工況中的毒素介質；如果不能消除，選用空穴少的鎮(zhèn)靜鋼；也可采用對氫滲透低的奧氏體不銹鋼；或者采用鎳襯里、塑料保護層、玻璃鋼襯里等；有時加入緩蝕劑。氫脆定義：氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應力集中，超過鋼的強度極限，使得金屬晶格高度變形，在鋼內部形成細小的裂紋，又稱白點。氫脆只可防，不可治。氫脆一經(jīng)產生，就消除不了。氫脆現(xiàn)象2024/11/14

一般認為,在電鍍Zn、Cd、Sn、Pb時,滲入鋼件的氫容易殘留下來,而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金屬鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度,滲氫較少。1.選用對氫脆不敏感的材料，如選用含Ni、Mo的合金鋼。避免和消除的措施：4.鍍前去應力和鍍后去氫以消除氫脆隱患等3.采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層2.減少金屬中滲氫的數(shù)量。若采用酸洗，需要在酸洗液中添加緩蝕劑；在除油時，采用化學除油、清洗劑或溶劑除油；在電鍍時，堿性鍍液或高電流的鍍液滲氫量都較少。2024/11/14定義：在高溫高壓環(huán)境下，氫進入金屬內與一種組分或元素產生化學反應使金屬破壞，稱為氫蝕。氫蝕預防措施：選用抗氫鋼?？蛇x用16MnR（HIC）、15CrMoR（相當于1Cr-0.5Mo）、14Cr1MoR（相當于）、2Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、、3Cr-1Mo-0.25V等?？箽滗撝械腃r和Mo能形成穩(wěn)定的碳化物，這樣就減少了氫與碳結合的機會，避免了甲烷氣體的產生。2024/11/14常用的抗氫材料有奧氏體不銹鋼、沉淀強化奧氏體合金、低合金鋼、鋁合金及銅合金等。其實氫腐蝕從理論上分成以上三種，而實際中三種腐蝕幾乎同時存在。所以遇到氫腐蝕環(huán)境（臨氫環(huán)境）的設備一般按納爾遜曲線進行選材，并要引起高度重視。氫氣設備及其管道設備、管線的安全要求氫氣站或者供氫設備的安全設置應包括：①應設有安全泄壓裝置，如安全閥等；②氫氣罐頂部最高點，應設氫氣放空管；③應設壓力測試儀表；④應設氮氣吹掃置換接口。氫氣設備應嚴防泄漏，所用的儀表及閥門等零部件密封應確保良好，定期檢查，對設備發(fā)生氫氣泄漏的部位應及時處理。爆炸危險區(qū)域內電氣設備應符合防爆要求，因需要在爆炸危險區(qū)域使用非防爆設備時應采取隔爆措施。對氫氣設備、管道和閥門等連接點進行漏氣檢查時，應使用中性肥皂水或攜帶式可燃氣體檢測報警儀，禁止使用明火進行漏氣檢查。在氫氣管道與其相連的裝置、設備之間應安裝止回閥，界區(qū)間閥門宜設置有效隔離措施，防止來自裝置、設備的外部火焰回火至氫氣系統(tǒng)。氫氣作焊接、切割、燃料和保護氣等使用時，每臺(組)用氫設備的支管上應設阻火器。氫氣管道、閥門及水封等出現(xiàn)凍結時，作業(yè)人員應使用熱水或蒸汽加熱進行解凍，且應帶面罩進行操作。禁止使用明火烘烤或使用錘子等工具敲擊。氫氣管道應設置分析取樣口、吹掃口，其位置應能滿足氫氣管道內氣體取樣、吹掃、置換要求；最高點應設置排放管，并在管口處設阻火器。2.管線的材質以及流速(1)氫氣管線材質的選擇

按照國家氫氣站設計標準規(guī)定，氫氣管道的管材應采用無縫鋼管。如對氫氣純度有嚴格要求時，選用的材料有所不同：①氣體純度大于或等于99.999%，應采用內壁電拋光的低碳不銹鋼管(316L)或內壁電拋光的不銹鋼管(304)。②氣體純度大于或等于99.99%，應采用內壁電拋光的不銹鋼管(304)，或者無縫鋼管。③氣體純度小于99.99%，選用無縫鋼管。工作壓力（MPa）最大流速（m/s）＞1.680.1～1.612＜0.1按允許壓力降確定(2)碳素鋼管中氫氣最大流速注：氫氣工作壓力為0.1～3.0MPa，在不銹鋼管中最大流速可為25m/s。設計壓力（MPa）最大流速（m/s）＞3.0100.1～3.015＜0.1按允許壓力降確定管道工作壓力(MPa)強度試驗氣密性試驗泄漏量試驗試驗介質試驗壓力(MPa)試驗介質試驗壓力(MPa)試驗介質試驗壓力(MPa)<0.1空氣或氮氣0.1空氣或氮氣1.05P空氣或氮氣1.0P0.1～3.01.15P1.05P1.0P>3.0水1.5P1.05P1.0P(3)管道的試驗介質與試驗壓力管道工作壓力(MPa)強度試驗氣密性試驗泄漏量試驗試驗介質試驗壓力(MPa)試驗介質試驗壓力(MPa)試驗介質試驗壓力(MPa)<0.1空氣或氮氣0.1空氣或氮氣1.05P空氣或氮氣1.0P0.1～3.01.15P1.05P1.0P>3.0水1.5P1.05P1.0P工作壓力（MPa）材料＜0.1閥體采用球墨鑄鐵或鑄鋼

密封面采用合金鋼或與閥體一致0.1～2.5閥桿采用碳鋼

閥體采用鑄鋼

密封面采用合金鋼或與閥體一致＞2.5閥體、閥桿、密封面均采用不銹鋼三、氫氣管路中的閥門(1)閥門的選擇根據(jù)國家氫氣設計規(guī)范GB50177-2005對氫氣管線中閥門應采用的規(guī)定：閥門宜采用球閥、截止閥。(2)閥門材質的規(guī)定如下：注：①當密封面與閥體直接連接時，密封面材料可以與閥體一致。②閥門的密封填料，應采用石墨處理過的石棉或聚四氟乙烯材料。設計壓力（MPa）材料＜0.1閥體采用球墨鑄鐵或鑄鋼

密封面采用合金鋼或與閥體一致0.1～2.5閥桿采用碳鋼

閥體采用鑄鋼

密封面采用合金鋼或與閥體一致＞2.5閥體、閥桿、密封面均采用不銹鋼2024/11/14高溫高壓條件對材質的要求奧氏體不銹鋼等低碳不銹鋼在不同的工藝溫度以及氫分壓下具有通用性，低合金鋼只能根據(jù)不同的環(huán)境條件（溫度、氫分壓）確定具體的型號，在保證生產穩(wěn)定進行下選用低合金鋼的牌號方面，國內外已經(jīng)有了足夠的經(jīng)驗。除此之外，從經(jīng)濟以及應力方面考慮，低碳不銹鋼價格過高，同時易誘發(fā)應力開裂，因此選用材質還是以低合金鋼為主（諸如：煉油廠、石化廠、合成氨廠等）。高溫高壓條件下,針對管線、閥門的材質用到最多的是奧氏體不銹鋼等低碳不銹鋼、低合金鋼（Mo鋼、Cr-Mo鋼）。在高溫下，氫分子分解為原子形式，它能夠容易地進入到鋼材中，并進行擴散。在這些條件下，氫在鋼中的擴散是很迅速的，氫可以與鋼中的碳發(fā)生反應，引起表面脫碳和內部脫碳以及微裂。高溫氫腐蝕形式{表面脫碳內部脫碳和微裂紋高溫高壓條件下，臨氫環(huán)境中對材料低合金鋼的討論如下：2024/11/14

表面脫碳并不產生裂紋。表面脫碳的通常影響是強度和硬度有輕微的降低，但延性增加。由于影響通常較輕微，所以對其關注比對內部脫碳少的多。表面脫碳：表面脫碳的理論解釋：是基于碳遷移到表面，并在表面形成碳的氣體化合物，使鋼出現(xiàn)貧碳（形成的氣體化合物為CH4或存在含氧氣體時形成CO）。蒸汽會加速這種反應，溶解碳向表面擴散，速率控制機理認為是碳的擴散。由于碳化物不斷析出溶解碳，所以碳化物的穩(wěn)定性直接關系到表面脫碳的速度。2024/11/14內部脫碳和微裂：內部脫碳和微裂是由氫向鋼中滲透并反應生成其他氣體，如甲烷而造成的。所生成的甲烷不能自鋼中逸出，而通常聚集在晶界空穴處，產生高的局部應力，最終導致鋼材的微裂、裂縫或鼓泡。氫損傷鋼材的微裂將導致力學性能的明顯劣化。微裂未轉變珠光體脫碳區(qū)鐵素體C-0.5Mo鋼（ASTMA204-A）在高溫氫環(huán)境中發(fā)生的內部脫碳和微裂2024/11/14高溫氫腐蝕的影響因素：

包括：鋼材的孕育期、一次應力的影響、二次應力的影響、熱處理的作用、復合層和堆焊層的影響等。鋼材的孕育期：高溫高壓氫對鋼造成損傷之前，在一段時間內用普通的力學試驗方法檢驗不出機械性能有明顯變化。經(jīng)過這段時間以后，材料產生損傷而導致強度和延性下降。在能夠用普通力學試驗方法測出氫侵蝕以前的這段時間稱之為孕育期。簡單理解就是：質變之前的量變階段2024/11/14孕育期的長短是很關鍵的，因為它決定發(fā)生高溫氫侵蝕條件下鋼材的有效壽命。孕育期中，甲烷在亞顯微空穴內形成壓力。由于內部甲烷壓力和施加的應力這些空穴慢慢增大。當空穴達到臨界尺寸時，對力學性能方面的影響就顯露出來。孕育期取決于多種因素，包括鋼材的類型、冷加工的程度、雜質元素的含量、加工應力、氫氣壓力和溫度等等。高溫氫侵蝕的發(fā)生分三個階段：孕育期,在此期間，力學性能非常緩慢地變化。力學性能快速劣化階段，同時伴隨微裂紋快速生長。最終階段，固溶體中的碳耗盡，力學性能達到最終值。2024/11/14臨氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限安裝管道以及閥門的注意點接觸氫氣的表面徹底去除毛刺、焊渣、鐵銹和污垢等。碳鋼管的焊接宜采用氬