Aquesta descripció general ofereix recomanacions per al disseny segur de sistemes de canonades per a la distribució d'hidrogen.
L'hidrogen és un líquid altament volàtil amb una alta tendència a tenir fuites. És una combinació de tendències molt perillosa i mortal, un líquid volàtil difícil de controlar. Aquestes són tendències a tenir en compte a l'hora de triar materials, juntes i segells, així com les característiques de disseny d'aquests sistemes. Aquests temes sobre la distribució de l'H2 gasós són el centre d'aquesta discussió, no la producció d'H2, H2 líquid o H2 líquid (vegeu la barra lateral dreta).
Aquí teniu alguns punts clau per ajudar-vos a entendre la mescla d'hidrogen i H2-aire. L'hidrogen es crema de dues maneres: per deflagració i per explosió.
deflagració. La deflagració és un mode de combustió comú en què les flames viatgen a través de la mescla a velocitats subsòniques. Això passa, per exemple, quan un núvol lliure de mescla d'hidrogen i aire s'encén per una petita font d'ignició. En aquest cas, la flama es mourà a una velocitat de deu a diversos centenars de peus per segon. La ràpida expansió del gas calent crea ones de pressió la força de les quals és proporcional a la mida del núvol. En alguns casos, la força de l'ona de xoc pot ser suficient per danyar les estructures d'edificis i altres objectes en el seu camí i causar lesions.
explotar. Quan va explotar, les flames i les ones de xoc van viatjar a través de la mescla a velocitats supersòniques. La relació de pressió en una ona de detonació és molt més gran que en una detonació. A causa de l'augment de la força, l'explosió és més perillosa per a les persones, els edificis i els objectes propers. La deflagració normal provoca una explosió quan s'encén en un espai confinat. En una zona tan estreta, la ignició pot ser causada per la menor quantitat d'energia. Però per a la detonació d'una mescla d'hidrogen i aire en un espai il·limitat, es requereix una font d'ignició més potent.
La relació de pressió a través de l'ona de detonació en una mescla d'hidrogen i aire és d'aproximadament 20. A pressió atmosfèrica, una relació de 20 és de 300 psi. Quan aquesta ona de pressió xoca amb un objecte estacionari, la relació de pressió augmenta a 40-60. Això es deu a la reflexió d'una ona de pressió des d'un obstacle estacionari.
Tendència a les fuites. A causa de la seva baixa viscositat i baix pes molecular, el gas H2 té una alta tendència a les fuites i fins i tot a permear o penetrar en diversos materials.
L'hidrogen és 8 vegades més lleuger que el gas natural, 14 vegades més lleuger que l'aire, 22 vegades més lleuger que el propà i 57 vegades més lleuger que el vapor de gasolina. Això significa que quan s'instal·la a l'aire lliure, el gas H2 pujarà i es dissiparà ràpidament, reduint qualsevol signe de fuites. Però pot ser una arma de doble tall. Es pot produir una explosió si es realitza soldadura en una instal·lació exterior per sobre o a sotavent d'una fuita d'H2 sense un estudi de detecció de fuites abans de soldar. En un espai tancat, el gas H2 pot pujar i acumular-se des del sostre cap avall, una condició que li permet acumular grans volums abans de ser més probable que entri en contacte amb fonts d'ignició prop del terra.
Incendi accidental. L'autoignició és un fenomen en què una mescla de gasos o vapors s'encén espontàniament sense una font d'ignició externa. També es coneix com a "combustió espontània" o "combustió espontània". L'autoignició depèn de la temperatura, no de la pressió.
La temperatura d'autoignició és la temperatura mínima a la qual un combustible s'encén espontàniament abans de la ignició en absència d'una font d'ignició externa en contacte amb l'aire o un agent oxidant. La temperatura d'autoignició d'una sola pols és la temperatura a la qual s'encén espontàniament en absència d'un agent oxidant. La temperatura d'autoignició de l'H2 gasós a l'aire és de 585 °C.
L'energia d'ignició és l'energia necessària per iniciar la propagació d'una flama a través d'una mescla combustible. L'energia mínima d'ignició és l'energia mínima necessària per encendre una mescla combustible particular a una temperatura i pressió particulars. L'energia mínima d'ignició per guspira per a l'H2 gasós en 1 atm d'aire = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Els límits d'explosivitat són les concentracions màximes i mínimes de vapors, boires o pols a l'aire o a l'oxigen a les quals es produeix una explosió. La mida i la geometria de l'entorn, així com la concentració del combustible, controlen els límits. De vegades, "límit d'explosió" s'utilitza com a sinònim de "límit d'explosió".
Els límits d'explosivitat per a les mescles d'H2 a l'aire són del 18,3% en volum (límit inferior) i del 59% en volum (límit superior).
Quan es dissenyen sistemes de canonades (Figura 1), el primer pas és determinar els materials de construcció necessaris per a cada tipus de fluid. I cada fluid es classificarà d'acord amb el paràgraf ASME B31.3. La norma 300(b)(1) estableix: "El propietari també és responsable de determinar les canonades de classe D, M, alta pressió i alta puresa, i de determinar si s'ha d'utilitzar un sistema de qualitat concret".
La categorització de fluids defineix el grau de prova i el tipus de prova necessari, així com molts altres requisits basats en la categoria de fluid. La responsabilitat del propietari en aquest cas sol recaure en el departament d'enginyeria del propietari o en un enginyer extern.
Tot i que el Codi de canonades de procés B31.3 no indica al propietari quin material utilitzar per a un fluid concret, sí que proporciona orientació sobre la resistència, el gruix i els requisits de connexió del material. També hi ha dues afirmacions a la introducció del codi que indiquen clarament:
I ampliant el primer paràgraf anterior, el paràgraf B31.3. 300(b)(1) també estableix: "El propietari d'una instal·lació de canonades és l'únic responsable de complir amb aquest Codi i d'establir els requisits de disseny, construcció, inspecció i proves que regeixen tota la manipulació de fluids o processos dels quals la canonada forma part. Instal·lació." Així doncs, després d'establir algunes normes bàsiques de responsabilitat i requisits per definir les categories de servei de fluids, vegem on encaixa el gas hidrogen.
Com que el gas hidrogen actua com un líquid volàtil amb fuites, el gas hidrogen es pot considerar un líquid normal o un líquid de classe M dins la categoria B31.3 per al servei de líquids. Com s'ha esmentat anteriorment, la classificació de la manipulació de fluids és un requisit del propietari, sempre que compleixi les directrius per a les categories seleccionades descrites a B31.3, paràgraf 3. 300.2 Definicions a la secció "Serveis hidràulics". Les següents són les definicions per al servei de fluids normal i el servei de fluids de classe M:
«Servei de fluids normal: Servei de fluids aplicable a la majoria de canonades subjectes a aquest codi, és a dir, no subjecte a les regulacions per a les classes D, M, alta temperatura, alta pressió o alta neteja de fluids.»
(1) La toxicitat del fluid és tan gran que una sola exposició a una quantitat molt petita del fluid causada per una fuita pot causar lesions permanents greus a les persones que l'inhalin o hi entrin en contacte, fins i tot si es prenen mesures de recuperació immediates.
(2) Després de considerar el disseny de la canonada, l'experiència, les condicions de funcionament i la ubicació, el propietari determina que els requisits per a l'ús normal del fluid no són suficients per proporcionar l'estanquitat necessària per protegir el personal de l'exposició.
En la definició anterior de M, el gas hidrogen no compleix els criteris del paràgraf (1) perquè no es considera un líquid tòxic. Tanmateix, en aplicar el subapartat (2), el Codi permet la classificació dels sistemes hidràulics a la classe M després de la deguda consideració de "...disseny de les canonades, experiència, condicions de funcionament i ubicació...". El propietari permet la determinació de la manipulació normal de fluids. Els requisits són insuficients per satisfer la necessitat d'un nivell més alt d'integritat en el disseny, la construcció, la inspecció i les proves dels sistemes de canonades de gas hidrogen.
Consulteu la Taula 1 abans de parlar de la corrosió per hidrogen a alta temperatura (HTHA). Els codis, les normes i les regulacions s'enumeren en aquesta taula, que inclou sis documents sobre el tema de la fragilització per hidrogen (HE), una anomalia de corrosió comuna que inclou l'HTHA. La OH es pot produir a temperatures baixes i altes. Considerada una forma de corrosió, es pot iniciar de diverses maneres i també afecta una àmplia gamma de materials.
L'esquerdament per hidrogen (HE) té diverses formes, que es poden dividir en esquerdament per tensió d'hidrogen (HAC), esquerdament per corrosió sota tensió (HSC), esquerdament per corrosió d'hidrogen (SCC), esquerdament per corrosió d'hidrogen (HACC), bombolleig d'hidrogen (HB), esquerdament d'hidrogen (HIC), esquerdament per hidrogen orientat a tensió (SOHIC), esquerdament progressiu (SWC), esquerdament per tensió de sulfur (SSC), esquerdament de zona tova (SZC) i corrosió d'hidrogen a alta temperatura (HTHA).
En la seva forma més simple, la fragilització per hidrogen és un mecanisme per a la destrucció dels límits dels grans metàl·lics, que resulta en una ductilitat reduïda a causa de la penetració de l'hidrogen atòmic. Les maneres en què això es produeix són variades i es defineixen en part pels seus noms respectius, com ara HTHA, on es necessita hidrogen simultàniament a alta temperatura i alta pressió per a la fragilització, i SSC, on l'hidrogen atòmic es produeix com a gasos tancats i hidrogen. A causa de la corrosió àcida, s'infiltren a les carcasses metàl·liques, cosa que pot provocar fragilitat. Però el resultat general és el mateix que en tots els casos de fragilització per hidrogen descrits anteriorment, on la resistència del metall es redueix per la fragilització per sota del seu rang de tensió admissible, cosa que al seu torn prepara l'escenari per a un esdeveniment potencialment catastròfic donada la volatilitat del líquid.
A més del gruix de la paret i el rendiment mecànic de la junta, hi ha dos factors principals a tenir en compte a l'hora de seleccionar materials per al servei de gas H2: 1. L'exposició a hidrogen d'alta temperatura (HTHA) i 2. Les preocupacions serioses sobre possibles fuites. Ambdós temes estan actualment en debat.
A diferència de l'hidrogen molecular, l'hidrogen atòmic es pot expandir, exposant-lo a altes temperatures i pressions, creant la base per a una possible HTHA. En aquestes condicions, l'hidrogen atòmic és capaç de difondre's en materials o equips de canonades d'acer al carboni, on reacciona amb el carboni en solució metàl·lica per formar gas metà als límits de gra. Incapaç d'escapar, el gas s'expandeix, creant esquerdes i fissures a les parets de les canonades o recipients: això és HTGA. Podeu veure clarament els resultats de HTHA a la Figura 2, on es mostren esquerdes i fissures a la paret de 8″. La porció de la canonada de mida nominal (NPS) que falla en aquestes condicions.
L'acer al carboni es pot utilitzar per al servei d'hidrogen quan la temperatura de funcionament es manté per sota dels 500 °F. Com s'ha esmentat anteriorment, l'HTHA es produeix quan el gas hidrogen es manté a alta pressió parcial i alta temperatura. No es recomana l'acer al carboni quan s'espera que la pressió parcial d'hidrogen sigui d'uns 3000 psi i la temperatura sigui superior a uns 450 °F (que és la condició d'accident a la Figura 2).
Com es pot veure al diagrama de Nelson modificat de la Figura 3, extret en part de l'API 941, les altes temperatures tenen el major efecte sobre el forçament de l'hidrogen. La pressió parcial del gas hidrogen pot superar els 1000 psi quan s'utilitza amb acers al carboni que operen a temperatures de fins a 500 °F.
Figura 3. Aquest diagrama de Nelson modificat (adaptat de l'API 941) es pot utilitzar per seleccionar materials adequats per al servei d'hidrogen a diverses temperatures.
A la figura 3 es mostra l'elecció d'acers que garanteixen evitar l'atac d'hidrogen, depenent de la temperatura de funcionament i la pressió parcial d'hidrogen. Els acers inoxidables austenítics són insensibles a l'HTHA i són materials satisfactoris a totes les temperatures i pressions.
L'acer inoxidable austenític 316/316L és el material més pràctic per a aplicacions d'hidrogen i té un historial demostrat. Si bé el tractament tèrmic posterior a la soldadura (PWHT) es recomana per als acers al carboni per calcinar l'hidrogen residual durant la soldadura i reduir la duresa de la zona afectada per la calor (HAZ) després de la soldadura, no és necessari per als acers inoxidables austenítics.
Els efectes termotèrmics causats pel tractament tèrmic i la soldadura tenen poc efecte sobre les propietats mecàniques dels acers inoxidables austenítics. Tanmateix, el treball en fred pot millorar les propietats mecàniques dels acers inoxidables austenítics, com ara la resistència i la duresa. Quan es dobleguen i es formen canonades d'acer inoxidable austenític, les seves propietats mecàniques canvien, inclosa la disminució de la plasticitat del material.
Si l'acer inoxidable austenític requereix conformació en fred, el recuit en solució (escalfament a aproximadament 1045 °C seguit de tremp o refredament ràpid) restaurarà les propietats mecàniques del material als seus valors originals. També eliminarà la segregació de l'aliatge, la sensibilització i la fase sigma aconseguides després del treball en fred. Quan realitzeu un recuit en solució, tingueu en compte que el refredament ràpid pot tornar a introduir tensions residuals al material si no es manipula correctament.
Consulteu les taules GR-2.1.1-1 Índex d'especificacions de materials de conjunts de canonades i tubs i GR-2.1.1-2 Índex d'especificacions de materials de canonades a ASME B31 per a les seleccions de materials acceptables per al servei d'H2. Les canonades són un bon punt de partida.
Amb un pes atòmic estàndard d'1,008 unitats de massa atòmica (amu), l'hidrogen és l'element més lleuger i petit de la taula periòdica, i per tant té una alta propensió a tenir fuites, amb conseqüències potencialment devastadores, afegiria. Per tant, el sistema de gasoductes s'ha de dissenyar de manera que es limitin les connexions de tipus mecànic i es millorin les connexions que realment es necessiten.
Quan es limiten els possibles punts de fuita, el sistema ha d'estar completament soldat, excepte les connexions amb brides en equips, elements de canonades i accessoris. S'han d'evitar les connexions roscades en la mesura del possible, si no completament. Si no es poden evitar les connexions roscades per qualsevol motiu, es recomana encaixar-les completament sense segellador de rosques i després segellar la soldadura. Quan s'utilitzen canonades d'acer al carboni, les unions de les canonades s'han de soldar a topall i tractar tèrmicament després de la soldadura (PWHT). Després de la soldadura, les canonades de la zona afectada tèrmicament (HAZ) estan exposades a l'atac d'hidrogen fins i tot a temperatura ambient. Mentre que l'atac d'hidrogen es produeix principalment a altes temperatures, la fase PWHT reduirà completament, si no eliminarà, aquesta possibilitat fins i tot en condicions ambientals.
El punt feble del sistema totalment soldat és la connexió de brida. Per garantir un alt grau d'estanquitat en les connexions de brida, s'han d'utilitzar juntes Kammprofile (fig. 4) o un altre tipus de juntes. Fabricada gairebé de la mateixa manera per diversos fabricants, aquesta coixinet és molt tolerant. Consisteix en anells dentats totalment metàl·lics intercalats entre materials de segellat tous i deformables. Les dents concentren la càrrega del cargol en una àrea més petita per proporcionar un ajust hermètic amb menys estrès. Està dissenyat de manera que pot compensar les superfícies irregulars de les brides, així com les condicions de funcionament fluctuants.
Figura 4. Les juntes Kammprofile tenen un nucli metàl·lic unit a banda i banda amb un farciment tou.
Un altre factor important en la integritat del sistema és la vàlvula. Les fuites al voltant del segell de la tija i les brides del cos són un problema real. Per evitar-ho, es recomana seleccionar una vàlvula amb un segell de manxa.
Utilitzeu un tub d'acer al carboni School 80 d'1 polzada. En el nostre exemple següent, donades les toleràncies de fabricació, la corrosió i les toleràncies mecàniques d'acord amb la norma ASTM A106 Gr B, la pressió de treball màxima admissible (MAWP) es pot calcular en dos passos a temperatures de fins a 300 °F (Nota: El motiu de "...per a temperatures de fins a 300 °F..." és perquè la tensió admissible (S) del material ASTM A106 Gr B comença a deteriorar-se quan la temperatura supera els 300 °F (S), de manera que l'equació (1) requereix ajustar-lo a temperatures superiors a 300 °F).
En referència a la fórmula (1), el primer pas és calcular la pressió d'esclat teòrica de la canonada.
T = gruix de la paret de la canonada menys les toleràncies mecàniques, de corrosió i de fabricació, en polzades.
La segona part del procés consisteix a calcular la pressió de treball màxima admissible Pa de la canonada aplicant el factor de seguretat S f al resultat P segons l'equació (2):
Així, quan s'utilitza material d'1″ de calibre 80, la pressió d'esclat es calcula de la següent manera:
A continuació, s'aplica un Sf de seguretat de 4 d'acord amb les recomanacions per a recipients a pressió de l'ASME, secció VIII-1 2019, paràgraf 8. L'UG-101 es calcula de la manera següent:
El valor MAWP resultant és de 810 psi. La polzada es refereix només a la canonada. La connexió de brida o el component amb la classificació més baixa del sistema serà el factor determinant per determinar la pressió admissible al sistema.
Segons ASME B16.5, la pressió de treball màxima admissible per a accessoris de brida d'acer al carboni de 150 és de 285 psi. polzades a -20 °F a 100 °F. La classe 300 té una pressió de treball màxima admissible de 740 psi. Aquest serà el factor límit de pressió del sistema segons l'exemple d'especificació del material següent. A més, només en proves hidrostàtiques, aquests valors poden superar 1,5 vegades.
Com a exemple d'una especificació bàsica de material d'acer al carboni, una especificació de línia de servei de gas H2 que funciona a una temperatura ambient per sota d'una pressió de disseny de 740 psi. polzades, pot contenir els requisits de material que es mostren a la Taula 2. Els següents són els tipus que poden requerir atenció per ser inclosos a l'especificació:
A part de la canonada en si, hi ha molts elements que componen el sistema de canonades, com ara accessoris, vàlvules, equips de línia, etc. Tot i que molts d'aquests elements s'ajuntaran en una canonada per discutir-los en detall, això requerirà més pàgines de les que es poden incloure. Aquest article.