Giải pháp hàn cho vận chuyển và lưu trữ khí Hydro lỏng

Giải pháp hàn cho vận chuyển và lưu trữ khí Hydro lỏng

Trên thực tế, hydro sẽ là một phần quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Trong một thế giới mà mức tiêu thụ năng lượng được dự đoán sẽ tăng lên, nhu cầu cấp thiết là phải giảm mạnh lượng CO22 khí thải là yếu tố thúc đẩy chính cho năng lượng tái tạo như là cách duy nhất để đạt được mục tiêu.

Năng lượng gió và mặt trời đã được chứng minh là kỹ thuật đáng tin cậy để sản xuất CO2 năng lượng tự do. Hạn chế chính của những nguồn năng lượng này là gió và mặt trời không phải lúc nào cũng có sẵn. Điều này lại gây ra vấn đề trong thời gian cao điểm khi nhu cầu trên lưới điện cao. Cũng có thể có nguy cơ lãng phí năng lượng khi sản lượng vượt quá nhu cầu.

Hydro là câu trả lời đảm bảo sản xuất năng lượng ổn định cho năng lượng tái tạo. Trên thực tế, hydro được biết đến như một loại nhiên liệu và nguyên liệu thô, nhưng nó cũng được dự đoán sẽ trở thành chất mang năng lượng phổ biến nhất trong một chu trình tích hợp kết nối với năng lượng được sản xuất từ các nguồn tái tạo.

Vì những lý do trên, chúng ta sẽ cần đường ống và tàu chở dầu để vận chuyển hydro cũng như các bể chứa để lưu trữ. Vận chuyển và lưu trữ hydro có thể ở trạng thái khí hoặc lỏng. Mỗi hình thức đều mang đến những thách thức cho việc lựa chọn vật liệu sử dụng.

Voestalpine Böhler hàn đang phát triển và chứng minh danh mục vật tư hàn phù hợp phù hợp với yêu cầu đối với thách thức mới của ngành này và sẽ là một phần trong tương lai của chúng tôi.

HYDRO TRONG SẢN XUẤT

Hydro là nguyên tố phổ biến nhất và là phân tử nhỏ nhất trong vũ trụ. Nó có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong tua bin
hoặc pin nhiên liệu. Nó là nguyên liệu cơ bản cho ngành công nghiệp hóa dầu và urê.

Các công nghệ chính để sản xuất hydro là: 
Cải cách metan
Khí hóa than
Điện phân nước
Tùy thuộc vào công nghệ sản xuất và nguồn gốc, hydro có thể được nhận biết bằng các màu sắc khác nhau:
» hydro xám không trung hòa về khí hậu; Than và khí tự nhiên được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất
» hydro màu xanh là CO2trung lập; nó là hydro màu xám khi CO2được thu thập và lưu trữ riêng biệt
» hydro xanh được sản xuất từ năng lượng tái tạo

 » hydro màu ngọc lam nó được tạo ra bằng cách nhiệt phân metan
» Hydro màu hồng/đỏ/tím được sản xuất từ quá trình điện phân nước sử dụng năng lượng từ các nhà máy điện hạt nhân
» hydro màu vàng được sản xuất từ quá trình điện phân nước sử dụng năng lượng từ nhà máy điện mặt trời
» Hydro nâu/đen được sản xuất từ than nâu/đen
» hydro trắng được tạo ra từ các nguồn hydro địa chất (fracking)

Hydro xanh sẽ thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của năng lượng tái tạo cũng như sự phổ biến của máy điện phân. Hydro xanh cũng rất thú vị trong quá trình chuyển đổi sang hydro xanh 100%, coi đó là CO2trung tính và hiện tại có thể đảm bảo khối lượng sản xuất cao hơn và chi phí thấp hơn so với hydro xanh. Cải cách hơi nước ngày nay là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất hydro trên quy mô lớn (đặc biệt đối với ngành hóa dầu và hóa chất). Quá trình này sử dụng khí tự nhiên được làm nóng trước và loại bỏ lưu huỳnh, sau đó trộn với hơi nước được đun nóng đến cùng nhiệt độ. Hỗn hợp khí- hơi được đun nóng và đưa qua các ống cải cách, đạt nhiệt độ 850°C. Nhờ chất xúc tác, hydro và oxit carbon được hình thành.

Voestalpine Böhler hàn có đầy đủ danh mục sản phẩm hàn ống cải cách:

QUY TRÌNH HÀN ARC CHO CÁC THÀNH PHẦN VẬN CHUYỂN VÀ LƯU TRỮ HYDRO

Các bộ phận hàn chính để vận chuyển và lưu trữ hydro sẽ là đường ống và bể chứa (xe chở, xe kéo, tàu thuyền, v.v.) Những thành phần này được biết đến rộng rãi và các quy trình hàn liên quan đến sản xuất sẽ giống như những gì chúng ta đã thấy
trong các ngành công nghiệp như Dầu khí và hóa dầu.

Đặc biệt, các quy trình sau sẽ chủ yếu được sử dụng:
» GTAW chủ yếu dành cho các đường chuyền gốc và các đường điền cho các thành phần có độ dày thấp
» GMAW để điền thẻ
» SMAW đặc biệt cho đường ống
» FCAW cho năng suất cao và hàn ngoài vị trí
» SAW cho tàu vách nặng cho CGH2

Lưu trữ (khí nén hydro) và để sản xuất các đường nối dọc trong ống hàn

THÁCH THỨC HÀN ĐỐI VỚI CÁC THÀNH PHẦN VẬN CHUYỂN VÀ LƯU TRỮ HYDRO

Trong ngành hàn, hydro hiếm khi được sử dụng. Đôi khi có những bổ sung nhỏ trong khí bảo vệ cho các quy trình GTAW và GMAW cũng như trong các điện cực phủ chất trợ dung rutil và xenlulo.

Nguyên nhân là do hydro thường là tác nhân gây bất lợi cho các mối hàn, tạo ra các khuyết tật nghiêm trọng (ví dụ như vết nứt). Hydro có thể đến bể hàn thông qua độ ẩm còn sót lại trong lớp phủ của điện cực hoặc chất trợ dung, nhưng cũng có những rủi ro tiềm ẩn (đặc biệt là trong ngành O&G) liên quan đến sự hiện diện của hydro trong quy trình. Ví dụ, vết nứt ăn mòn ứng suất sunfua (SSCC) và tấn công hydro ở nhiệt độ cao (HTHA) là những nguyên nhân tiềm ẩn gây ra thất bại trong ngành Dầu khí.

Các khuyết tật chính do hydro gây ra trong các mối hàn có thể là:
- Lỗ giun
- độ xốp
- Hiện tượng mắt cá
- Cracking nguội có hỗ trợ hydro (HACC)
- Cracking có hỗ trợ hydro (HAC)
- Vết nứt do hydro gây ra (HIC)

Những hiện tượng được đề cập ở trên là những hiện tượng không mong muốn liên quan đến lượng hydro dư có trong kim loại mối hàn. Thách thức trong tương lai đối với việc xây dựng trong ngành công nghiệp hydro là đảm bảo điều kiện vận hành
an toàn trong môi trường 100% hydro (bao gồm một số yếu tố có hại còn sót lại như chất điện phân).

Đặc biệt, nhiệm vụ chính của các kỹ sư vật liệu và hàn sẽ là đánh giá khả năng giòn do hydro trên thép. Các phân tử hydro có thể tấn công bề mặt thép (hấp thụ), tách thành hydro nguyên tử (phân ly) và di chuyển dưới dạng nguyên tử hydro vào thép (hấp thụ).

Khi đó hydro có thể ảnh hưởng đến vật liệu kim loại dẫn đến các vấn đề cụ thể:

1 – Độ giòn hydro:sự hấp thụ các nguyên tử hydro vào thép có hậu quả trực tiếp làm giảm độ dẻo và độ bền của thép. Nói chung, độ giòn của hydro tăng lên khi độ bền vật liệu tăng lên.

2 – Thay đổi tính chất ở nhiệt độ thấp: đặc tính kéo của thép không gỉ austenit tăng ở nhiệt độ dưới 0, trong khi đặc tính giãn dài và va đập giảm.

Trong bảng dưới đây, khả năng tương thích của vật liệu đối với các ứng dụng hydro khí nén hoặc hydro lỏng.


VAI TRÒ CỦA Amoniac TRONG NỀN KINH TẾ

HYDRO VÀ CÁC THÁCH THỨC HÀN LIÊN QUAN

Hydro sẽ là nguyên liệu quan trọng trong ngành phân bón. Trong trường hợp này, hydro được sử dụng để sản xuất amoniac thường được xác định là amoniac xanh (NH3). Trong các dự án amoniac xanh, các bộ phận hàn lõi, ngoài các bộ phận dành cho thiết bị xử lý sản xuất carbamate, còn là các bình áp lực được sử dụng để lưu trữ H2được sản xuất bằng năng lượng tái tạo (gió hoặc mặt trời).

Thách thức lớn đối với các kỹ sư vật liệu và hàn là đảm bảo lưu trữ khí hydro an toàn ở áp suất cao (lên tới 200bar). Hơn nữa, để giảm độ dày thành bình và tăng áp suất vận hành, có thể lựa chọn thép cường độ cao, có nguy cơ giòn do hydro cao hơn so với thép nhẹ. Amoniac xanh có thể đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hydro không chỉ là nguyên liệu cho ngành hóa chất mà còn là chất mang năng lượng cho quá trình vận chuyển hydro.

Hydro tạo thành hỗn hợp dễ nổ ở nồng độ 4 - 74% và việc sử dụng amoniac làm vectơ năng lượng trung gian sẽ làm giảm
nguy cơ tiềm ẩn này. Sau khi vận chuyển, amoniac có thể được chuyển hóa lại thành H2 trước khi sử dụng hoặc có thể được
sử dụng làm nguyên liệu cũng như nhiên liệu trong tua-bin để tạo ra CO2điện miễn phí. Các kỹ sư hàn cần tìm ra giải pháp tối ưu cho bể chứa và thùng chứa amoniac, xem xét nguy cơ tiềm ẩn hiện tượng nứt ăn mòn ứng suất liên quan đến amoniac ngưng tụ ở trạng thái khan. Vì lý do này, các vật liệu có độ bền kéo tối đa 70KSi (485 MPa) thường được lựa chọn và cần được hàn cẩn thận với vật liệu độn thích hợp để kiểm soát độ bền kéo và đặc tính độ cứng trong mối hàn.

Voestalpine Böhler hàn có kinh nghiệm cần thiết và danh mục đầu tư phù hợp cho việc xây dựng bể chứa amoniac. 

KIỂM TRA TẢI LIÊN TỤC TRÊN VẬT LIỆU HÀN BÖHLER

Sự phù hợp của các bộ phận hàn (ống, bể chứa, v.v.) với tính giòn hydro có thể được đánh giá bằng các thử nghiệm khác nhau. Trong số những người khác, chúng ta có thể đề cập đến:

Kiểm tra tải không đổi (ví dụ: theo tiêu chuẩn ISO 16573 phần 1)
Thử nghiệm biến dạng chậm (ví dụ theo tiêu chuẩn ISO 16573 phần 2)
Kiểm tra cơ học gãy xương
Kiểm tra cú đấm nhỏ
Kiểm tra thẩm thấu
Kiểm tra động.
Để xác minh khả năng chống giòn do hydro của vật liệu độn thích hợp cho việc chế tạo các bình chịu áp lực để lưu trữ khí hydro, voestalpine Böhler hàn đã thực hiện thử nghiệm tải không đổi trên một số sản phẩm hàn được lựa chọn. Thử nghiệm tải không đổi được thực hiện dưới 100% hydro mang tính đại diện hơn cho điều kiện vận hành này so với các thử nghiệm khác được thiết kế để chứng minh khả năng chống HIC (nứt do hydro gây ra) trong H2Dịch vụ S (ví dụ EN 10229 hoặc NACE
TM 02/84).

Voestalpine Böhler Hàn được thử nghiệm trong thử nghiệm tải không đổi, một loại vật liệu độn lựa chọn cho các quy trình chính được sử dụng trong xây dựng bình chịu áp lực và đường ống nhằm xác minh khả năng chống giòn do hydro.Thử nghiệm tải không đổi cho phép ước tính hàm lượng hydro khuếch tán tối đa mà tại đó vật liệu không bị hỏng do độ giòn hydro dưới tải trọng không đổi.

Các quy trình hàn và vật tư tiêu hao sau đây đã được chọn.

Quy trình TIG chưa được đưa vào chiến dịch thử nghiệm này, vì quy trình này chủ yếu dành cho hàn xuyên gốc/hàn dính (điều kiện pha loãng cao sẽ không được thể hiện bằng thử nghiệm tải không đổi đối với tất cả các mối hàn-kim loại). FCAW được ưa chuộng hơn GMAW vì khả năng sử dụng tốt hơn, đặc biệt đối với hàn ngoài vị trí.

Các tính chất cơ học của vật liệu độn đã chọn cũng phù hợp, trong các điều kiện xử lý nhiệt sau hàn thông thường, các yêu cầu của thép nhẹ có thể được chọn cho ứng dụng này (ví dụ P355 NL1)

Các điều kiện thử nghiệm sau đây đã được áp dụng: 
- Hydro áp suất cao ở 100bar
- Nhiệt độ ở 80°C
- Tải trọng bằng cường độ năng suất của vật liệu
- Thời gian thử nghiệm 4 tuần cho mỗi mẫu
- Điều kiện khô (không có chất điện phân) và ướt (chất điện phân NaCl 200g/l)
- Nhiệt độ và áp suất càng cao thì điều kiện thử nghiệm càng khó khăn.
Trong hình ảnh này bạn có thể thấy các thiết bị nồi hấp được sử dụng:
Bảng dưới đây tóm tắt các kết quả thử nghiệm cho từng vật liệu hàn. Hàm lượng hydro phải được xác định trong mẫu sau khi hoàn thành phép thử.
Tình trạng bề mặt mẫu sau khi thử nghiệm:
Có thể quan sát thấy không có vết nứt nào trên tất cả các mẫu kim loại hàn trong cả điều kiện khô và ướt.
Các kết quả xác nhận xu hướng giòn hydro thấp trong điều kiện H2môi trường khí của các sản phẩm hàn Böhler này.

VẬT LIỆU HÀN BÖHLER CHO CÁC ỨNG DỤNG HYDRO CHẤT LỎNG
Tương tự như khí tự nhiên, khí hydro có thể được hóa lỏng bằng cách làm lạnh ở nhiệt độ đông lạnh. Đối với hydro nhiệt độ hóa lỏng là -253 ° C.
Ở trạng thái lỏng, hydro có thể được lưu trữ và vận chuyển trong các thùng chứa yêu cầu thể tích thấp hơn so với trạng thái khí. Đây là một đặc tính rất quan trọng khi hydro không thể được vận chuyển bằng đường ống (ví dụ như ở nước ngoài).
Rõ ràng, vật liệu kim loại để sản xuất bình hydro lỏng phải được lựa chọn cẩn thận, có tính đến nhiệt độ vận hành dưới -253 ° C
Sự lựa chọn điển hình cho ứng dụng này là thép không gỉ, do đặc tính dẻo dai tốt nhờ cấu trúc austenit ở nhiệt độ dưới 0.

Voestalpine Böhler hàn có bề dày lịch sử trong việc sản xuất vật liệu độn bằng thép không gỉ và đặc biệt cho các
ứng dụng quan trọng ở nhiệt độ đông lạnh. Hiện có sẵn danh mục toàn diện các sản phẩm ferrite được kiểm soát và chúng tôi có thể đảm bảo các đặc tính tác động được yêu cầu cho các ứng dụng khí tự nhiên hóa lỏng.

Trong Bộ luật ASME BPV, Phần VIII div.1. Trong phần UHA-51 được xác định các quy tắc để thử nghiệm tác động của kim loại cơ bản, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và kim loại cơ bản, tùy thuộc vào MDMT (nhiệt độ kim loại thiết kế tối thiểu) đối với bình áp lực được chế tạo từ thép hợp kim cao. Yêu cầu điển hình là đối với kim loại mối hàn có độ giãn ngang 0,38 mm ở -196 ° C.

Cũng có sẵn và có uy tín trên thị trường là danh mục vật tư hàn đảm bảo các đặc tính vượt trội ở nhiệt độ đông lạnh thậm chí thấp hơn nhiệt độ đông lạnh. - 196 °C, dưới tên sản phẩm của chúng tôi là Böhler ASN 5 và Thermanit 18/17 E Mn.

Trong bảng dưới đây một số kết quả về độ bền va đập của dây Thermanit 18/17 E Mn được hàn trong quy trình GTAW
và GMAW. Khi MDMT lạnh hơn -196 °C (-320 °F), đối với các ứng dụng hydro lỏng (trong đó MDMT ở dưới - 253 °C), phần UHA-51 đặt ra một số quy tắc cho các quy trình hàn cho phép (SMAW, FCAW, GMAW, SAW, PAW và GTAW) và để kiểm tra độ bền (đối với cả tiêu chuẩn PQR và thử nghiệm trước khi sử dụng vật liệu độn)

Các yêu cầu cụ thể về hàm lượng ferit và đặc tính va đập (ví dụ độ giãn nở ngang 0,53 mm ở -196 °C) được xác định khi
hàn kim loại phụ loại 308L và 316L trong quy trình GTAW, GMAW và FCAW.
danh mục sản phẩm hàn Bohler của voestalpine đang được cải tiến hơn nữa để đáp ứng các yêu cầu của ASME.

KẾT LUẬN
Nhờ sử dụng đa mục đích làm nhiên liệu, nguyên liệu và chất mang năng lượng, hydro sẽ đóng vai trò chính trong việc giảm
lượng khí thải carbon và các khoản đầu tư mới vào thiết bị đầu cuối, đường ống, chất mang sẽ là cần thiết để hỗ trợ nền kinh
tế này.
Voestalpine Böhler hàn đang tích cực làm việc để hỗ trợ các đối tác của mình trên con đường giảm lượng khí thải này,
đầu tư vào phát triển và thử nghiệm sản phẩm mới để đi trước một bước tại thị trường mới nổi này.

 

Đang xem: Giải pháp hàn cho vận chuyển và lưu trữ khí Hydro lỏng