18.03.2022

Трубопроводная арматура для водорода

Трубопроводная арматура для водорода

Мировой тренд

Увеличение инвестиций в «чистую энергию» с минимальными выбросами и влиянием на атмосферу — один из главных общемировых трендов. В европейских странах в рамках «Парижского соглашения по климату» уже давно взят курс на развитие низкоуглеродной экономики, направленной на снижение выбросов парниковых газов и увеличение доли возобновляемых источников энергии. Особое место здесь занимает водород, который считается ключевым элемент декарбонизации — постепенного уменьшения объемов потребления нефти, природного газа и угля.

При этом согласно новому «Зеленому курсу» Еврокомиссии (Green New Deal), водород рассматривается и как энергоноситель, и как средство накопления избыточной электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ в периоды активного солнца и ветра, когда ее производство превышает спрос потребителей.

Примером того, насколько серьезно подходят к данному вопросу, может быть водородная стратегия Германии, опубликованная 10 июня 2020 года. Долгосрочная цель страны — нейтральная для климата экономика с сокращением выбросов СО2 на 95% от уровня 1990 года. И водороду в этом процессе отводится центральная роль: на него планируется перевести не только транспорт, но основные отрасли промышленности. В целом до 2023 года на развитие водородной энергетики Германия выделит более €10 млрд.

На азиатском рынке наиболее активно, внедряет водородные технологии Япония, где еще в 2014 году была принята дорожная карта по построению «общества, базирующегося на водороде». Уже сейчас в этой стране насчитывается около 2,5 тысячи автомобилей с водородным двигателем.

Фото: © 

А как у нас?

Россия также заявляет свои амбициозные планы на счет водорода. Согласно Энергетической стратегии страна должна войти в число мировых лидеров по его производству и экспорту. В октябре прошлого года Правительство РФ утвердило дорожную карту, в которой предусмотрена реализация ряда пилотных проектов: создание установок производства водорода без выбросов углекислого газа; разработка газовых турбин на метано-водородном топливе, создание опытного образца железнодорожного транспорта на водороде, открытие опытных полигонов низкоуглеродного производства водорода, производство водорода с использованием атомных электрических станций.

О своих намерениях принять участие в развитии водородной энергетики уже заявили «Газпром» и «Росатом».

Водородные технологии

По словам Дэрила Уилсона, исполнительного директора европейского Совета по водородным технологиям (Hydrogen Council), самым большим препятствием, удерживающим водород от прорыва в прошлом, была высокая стоимость его использования. Сегодня обстоятельства меняются и экономические условия представляются исключительно благоприятными для водорода. Последний отчет Совета показывает, что стоимость водородных решений резко упадет в течение следующего десятилетия — и это произойдет гораздо быстрее, чем ожидалось ранее. По мере расширения масштабов производства, к 2030 году стоимость водорода, по прогнозам, снизится до 50%, что сделает водород конкурентоспособным по сравнению с другими низкоуглеродистыми альтернативами.

Вместе с тем распространение водородной энергетики пока ограничено отсутствием инфраструктуры. Самому старому водородному трубопроводу в районе города Рур (Германия) всего 50 лет, а самый длинный подобный трубопровод имеет протяженность всего лишь 400 км. При этом у России есть подспорье — развитая сеть газовых трубопроводов, по которым можно передавать метано-водородную смесь, а затем, уже у потребителя, разделять эту смесь на водород и метан.

Российские компании в настоящее время уже производят водород, но применяется он в основном для промышленности как химический реагент или как охлаждающий агент. Основные потребители водорода химическая и нефтехимическая промышленность. Так, на производство аммиака тратится 50%, на производство метанола — около 10%, а на нефтеперерабатывающих производствах (в процессах гидрокрекинга, гидроочистки и изомеризации) — до 25% водорода, добываемого промышленным методом.

Следует также понимать, что вклад водорода в углеродную нейтральность зависит от того, как он получен, и в настоящее время существует следующая условная классификация водорода в зависимости от способа его производства и выделяемого при этом углеродного следа:

  • «зеленый» водород — наиболее чистый водород, получаемый за счет электролиза воды с применением энергии из ВИЭ;
  • «голубой» водород — водород, получаемый из природного газа с образованием побочного углекислого газа (СО2), который улавливается и хранится в специальных хранилищах;
  • «cерый» водород — водород, при получении которого CO2 выбрасывается в атмосферу.

Чем более экологичней водород, тем он дороже в производстве (так, затраты электроэнергии на производство 1 м³ водорода методом пиролиза метана составляют 0,7−3,3 кВт*ч, а методом электролиза — 2,5−8 кВт*час).

Основным промышленным способом получения водорода в настоящее время является реакция метана с водой, для проведения которой требуется высокая температура: СН4 + 2Н2О = CO2+ 4Н2 — 165 кДж.

На нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ) данная реакция реализуется в установке каталитического риформинга, а в случае его нехватки дополнительно строятся установки, предназначенные исключительно для этой цели. В качестве углеводородного сырья для производства водорода используют гидроочищенные газы и бензиновые фракции, но чаще всего применяется природный газ, практически полностью состоящий из метана. Процесс осуществляется при температуре до +530°C и давлении до 4,0 МПа с выделением углекислого газа CO2, который отделяют от водорода и собирают для дальнейшего использования.

Фото: © 

www.ptpa.ru

Требования к оборудованию на водород

Оборудование, применяемое в технологических процессах производства водорода, должно не только соответствовать всем требованиям технического процесса (температура, давление), но и учитывать особые свойства рабочей среды.

  1. Водород адсорбируется на металле: он заполняет собой все имеющихся на поверхности поры и микротрещины и в силу своей химической активности образует гидриды, которые нарушают пластичность, приводя к хрупкому разрушению стали.
  2. Молекулы водорода очень малы: они обладает высокой проникающей способностью, поэтому все уплотнительные элементы и контактирующие детали должны максимально плотно прилегать друг к другу.
  3. Водород пожароопасен: при смеси с воздухом он образует взрывоопасную смесь — «гремучий газ», а значит все оборудование должно обладать повышенным ресурсом надежности, не допуская ни малейшей утечки во внешнюю среду.

Арматура для водорода

При разработке кранов шаровых, для эксплуатации в контуре установки каталитического риформинга, специалисты заложили следующие обязательные требования:

  • для основных деталей подбирается марка стали с учетом определенного парциального давления водорода и конкретной рабочей температуры (так, при рабочей температуре до +400°С и парциальном давлении водорода до 19,0МПа применимы стали 20 и 09Г2С, а для больших значений температуры и давления могут потребоваться нержавеющие стали 08Х18Н10Т и 10Х17Н13М3Т);
  • качество материала деталей должно быть очень высоким, без внешних и внутренних дефектов (трещин, пор и т. п.), поэтому при выборе исходной заготовки предпочтение отдается прокату и поковке, а в процессе производства детали проходят обязательную проверку неразрушающими методами контроля — радиография, ультразвук и капиллярная дефектоскопия;
  • к водороду устойчивы практически все уплотнения, поэтому при выборе их материала должны быть учтены температура рабочей среды и наличие в ней абразивных частиц (так для температуры более +250°С уплотнения подвижных и неподвижных соединений изготавливают из терморасширенного графита, а при наличии примесей уплотнение затвора выполняется металлическим путем нанесения на уплотнительные поверхности деталей твердого износостойкого покрытия или наплавки);
  • по требованию заказчика с целью минимизации возможных утечек водорода во внешнюю среду возможно изготовление трубопроводной арматуры с сильфонным уплотнением шпиндельного узла;
  • работоспособность изделия при рабочих параметрах должна быть подтверждена соответствующими прочностными расчетами с моделированием процесса на 3D конечно элементной модели;
  • герметичность изделия как по отношению к внешней среде, так и в затворе должна быть подтверждена результатами испытаний, проведенными в соответствии с требованиями ГОСТ 33257 или ISO 15848−1 на испытательной среде «гелий», который аналогичен по проникающей способности водороду.

Фото: © 

www.ptpa.ru

Помимо требований к конструкции, для шаровых кранов на водород заложены особые требования к технологии изготовления. Например, если используется сварка, то помимо надлежащего контроля качества сварных швов, особое внимание уделяется тому, чтобы в зону сварки не попала влага, в составе которой в металл проникает водород. Электроды должны храниться в подогреваемом контейнере, чтобы быть сухими, а охлаждение после термообработки должно быть медленным и плавным, чтобы не спровоцировать повреждение металла. Также изготовление деталей для обеспечения полной герметичности изделия должно осуществляться на высокоточном механообрабатывающем оборудовании, обеспечивающем установленные зазоры и минимальную шероховатость уплотнительных поверхностей.

По требованию заказчика стойкость материала деталей и сварных швов к водородному растрескиванию может быть подтверждена заключением специализированной аккредитованной испытательной лаборатории, оформленным по результатам проведенных испытаний в соответствии с требованиями, например, NACE TM 0284.

Таким образом выпуск арматуры для водорода требует особого внимания к конструкции изделий, подбору материалов, выполнению необходимого объема контроля, проведению испытаний готового продукта. Обеспечить высокое качество изготовления и гарантировать надежную работу изделия возможно только если эти работы выполняются на предприятии, которое имеет опыт выпуска высокотехнологичной арматуры для сложных условий работы и нестандартных рабочих сред.

Источник: https://energybase.ru/news/articles/pipeline-fittings-for-hydrogen-2022-02-21