水素圧力計の選択: 材料、安全性、脆化、および危険性の評価

水素スキッドの試運転中に、プロジェクト エンジニアが私に、ほぼすべての水素プラントで聞かれるのと同じ質問をしました。「ここでは標準の圧力計をそのまま使用できますか?」簡単な答えはノーで、数週間後、その特定のスキッドのソケットで最初のゲージが漏れていました。水素は周期表の中で最も小さい分子であり、従来の真鍮管の機器を考慮しません。適切な水素圧力計には、溶接された 316L ステンレス鋼の接液部、ブローアウトバックを備えた前面がしっかりした安全ケース、およびほとんどの設置では防爆定格が必要です。この記事では、水素を他と区別する 4 つの故障モード、それに基づく材料と保護の決定、および水素サービスのゲージを受け入れる前に要求する必要がある文書について説明します。

従来の圧力計では水素が反応しにくい理由

製品を選択する前に、水素がゲージを攻撃する 4 つの方法を理解するのに役立ちます。それぞれの故障モードは異なる設計要件につながりますが、空気、窒素、または蒸気の使用ではどれも重要ではありません。

水素透過

水素分子は非常に小さいため、小さな隙間や特定の金属さえも通過できます。はんだ付けされた接合部とエラストマー O リングを備えた真鍮ソケットは、加圧水素のゆっくりとした漏れ経路となります。密閉された空間では、漏れたガスは急速に蓄積し、可燃性の濃度に達する可能性があります。設計上の答えは、最も弱いシール ポイントを排除する全溶接の圧力保持アセンブリです。

水素脆化

原子状水素は金属格子内に拡散し、脆化を引き起こします。高強度炭素鋼は最も脆弱です。ゲージが通常に使用されている間に延性が失われ、亀裂が入る可能性があります。これが、水素ゲージの接液部に硬化炭素鋼ではなく低炭素オーステナイト系ステンレス鋼が使用される理由であり、熱処理されたブルドン管が現場に届く前に水素使用の認定を受ける必要がある理由です。

引火および発火の危険性

水素は約0.02ミリジュールという極めて低い点火エネルギーで点火し、その炎は日光の下ではほとんど見えません。ガスが発火源となった場合、ゲージ接続部の微小漏れによりスキッド全体が危険にさらされる可能性があります。これは気密性の問題だけではありません。また、ゲージに電気接点が含まれるかどうか、およびそれらの接点に必要なエンクロージャ定格も決定します。

爆発と過圧のリスク

水素システムでは、コンプレッサーのトリップ、バルブの急閉、熱サイクルによる圧力サージが発生します。チューブがすでに脆化して弱くなっているゲージは、サージ圧力下で故障する可能性がはるかに高くなります。したがって、機器には適切な過圧マージンに加えて、チューブが破裂した場合にオペレーターを保護するケース設計が必要です。

溶接された 316L ステンレス鋼の接液部を指定してください

水素の場合、材料の決定には明確なデフォルトがあります。それは、はんだ付けではなく溶接によって接合された 316L ステンレス鋼のブルドン管とソケットです。溶接構造により、はんだ付けまたはろう付け接合部に水素が浸透するマイクロギャップが除去されます。 316L オーステナイト系ステンレス鋼は、水素中での延性も高強度炭素鋼よりもはるかに優れています。汎用ゲージで一般的な真鍮および銅合金の接液部品は、加圧水素回路に入らないようにする必要があります。その多孔性とはんだ接合部が、まさに除去しようとしている漏れ経路を作り出します。

エラストマーシールも同様の注意が必要です。ゲージの圧力経路に O リングが使用されている場合は、すべてのゴムコンパウンドが均等に水素を保持するわけではないため、水素サービス用のエラストマーグレードを確認してください。適切に設計された水素ゲージはシールを最小限に抑え、圧力経路を完全に金属に保ちます。

安全ケースと防爆保護を選択してください

ケースは、破裂したチューブとオペレーターの間の最後の防衛線です。背面がブローアウトの固体前面ケースを指定します。ブルドン管またはソケットが故障した場合、圧力パルスはゲージの前に立っている人に当たるのではなく、後方に排出されます。私たちの 安全圧力計シリーズ はこの原則に基づいて構築されており、これは私が水素スキッドとして受け入れることができる最小限です。

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圧力サージは通常の水素動作の一部です。コンプレッサーのトリップや遮断バルブの急閉により、オペレーターが反応するよりも早く圧力が上昇する可能性があります。ゲージがすでにスケールの上限近くで動作している場合、チューブは弾性限界を超えて押し込まれる可能性があります。そのため、次のセクションで説明する範囲の選択は、精度の決定であると同時に安全性の決定でもあります。

電気接点を備えたゲージの場合、エンクロージャによってリスクの状況が完全に変わります。空気中の水素は体積で約 4% ～ 75% の濃度で発火し、最小発火エネルギーは 0.02 mJ 近くであるため、通常のスイッチ接点は機密扱いの領域では使用できません。正しい楽器は、 防爆型電気接触圧力計 認定された耐火性エンクロージャを備えており、内部の火花を周囲の大気から隔離します。

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範囲、精度、過圧マージンを設定する

範囲の選択は他のプロセス流体と同じルールに従いますが、水素ではエラーの結果がより深刻になります。通常の動作圧力をスケールの中間、つまりフルスケールのおよそ 25% ～ 75% に保ちます。 200 バールの水素チューブ トレーラーの場合は、少なくとも 0 ～ 400 バールのゲージを使用します。 700 バールの給油バッファーの場合、0 ～ 1000 バールのゲージは動作点を 70% 近くに保ちます。システムが 600 bar を超えて動作する場合、 定格 600 ～ 1000 bar の高圧圧力計 が現実的な選択です。

精度クラスはカタログではなくプロセスのニーズに一致する必要があります。クラス 1.6 ゲージは、ほとんどの水素プロセス監視に使用できます。給油または混合作業がより厳密な指示に依存する場合は、クラス 1.0 を選択してください。コントロールルームにライブ値が必要な場合は、 4 ～ 20 mA 出力の汎用圧力伝送器 設計意図を超えて機械機器を強制するのではなく、ローカルの機械ゲージと並行して使用できます。

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認定とテスト記録の検証

水素プロジェクトには文書化された証跡が付属しており、ゲージはそれに適合する必要があります。ヨーロッパの危険区域では、通常、機器には ATEX 認定が必要です。ヨーロッパ以外では、IECEx の承認がプロジェクト仕様に組み込まれることが増えています。ガス グループが水素が分類される IIC をカバーしていること、および温度クラスがゾーンと一致していることを確認します。定期的に製造しているメーカー ATEX および IECEx 認定の防爆圧力計 は、特別なリクエストとして扱わずに証明書パックを提供します。

証明書以外に、ゲージが水素対応であることを証明する記録も求めてください。

1. 接液部の材質証明書。316L または指定合金を確認します。
2. アセンブリが測定可能な漏れなく圧力を保持していることを示すヘリウム漏れテストのレポート。
3. 定格範囲での圧力テストの記録。
4. ガスグループと温度クラスを含む、ATEX または IECEx 証明書のコピー。

シングルなし 圧力計 あらゆる水素用途に適合し、それがまさに重要なのです。低圧パージ ライン、200 バールの貯蔵トレーラー、および 700 バールの給油スキッドには、範囲、材質、エンクロージャの要件が異なります。 4 つの故障モードを検討し、溶接された 316L 接液部を指定し、ブローアウト背面を備えた固体前面を追加し、エンクロージャを危険区域の分類に適合させます。次に、納品前に証明書とテスト記録を検証します。このようにすることで、水素圧力計は、スキッドに取り付けられる最も弱いものではなく、信頼性が高く検証可能なシステムのコンポーネントになります。