Cet aperçu fournit des recommandations pour la conception sûre des systèmes de tuyauterie pour la distribution d’hydrogène.
L'hydrogène est un liquide hautement volatil, très susceptible aux fuites. Il s'agit d'une combinaison de tendances très dangereuse et mortelle, un liquide volatil difficile à contrôler. Ces tendances doivent être prises en compte lors du choix des matériaux, des joints et des garnitures d'étanchéité, ainsi que des caractéristiques de conception de ces systèmes. Cette discussion porte sur la distribution de l'hydrogène gazeux, et non sur la production d'hydrogène, d'hydrogène liquide ou d'hydrogène liquide (voir l'encadré de droite).
Voici quelques points clés pour vous aider à comprendre le mélange d'hydrogène et d'H₂-air. L'hydrogène brûle de deux manières : par déflagration et par explosion.
Déflagration. La déflagration est un mode de combustion courant dans lequel les flammes se propagent à travers le mélange à des vitesses subsoniques. Cela se produit, par exemple, lorsqu'un nuage libre de mélange hydrogène-air est enflammé par une petite source d'inflammation. Dans ce cas, la flamme se déplace à une vitesse de dix à plusieurs centaines de pieds par seconde. L'expansion rapide du gaz chaud crée des ondes de pression dont l'intensité est proportionnelle à la taille du nuage. Dans certains cas, la force de l'onde de choc peut être suffisante pour endommager les structures des bâtiments et autres objets sur son passage, et causer des blessures.
Explosion. Lors de l'explosion, les flammes et les ondes de choc ont traversé le mélange à des vitesses supersoniques. Le rapport de pression lors d'une onde de détonation est bien supérieur à celui d'une détonation. En raison de la force accrue, l'explosion est plus dangereuse pour les personnes, les bâtiments et les objets proches. Une déflagration normale provoque une explosion lorsqu'elle s'enflamme dans un espace confiné. Dans un espace aussi restreint, l'inflammation peut être provoquée par une quantité d'énergie minimale. Mais pour la détonation d'un mélange hydrogène-air dans un espace illimité, une source d'inflammation plus puissante est nécessaire.
Le rapport de pression sur l'onde de détonation dans un mélange hydrogène-air est d'environ 20. À la pression atmosphérique, un rapport de 20 équivaut à 300 psi. Lorsque cette onde de pression entre en collision avec un objet immobile, le rapport de pression passe à 40-60. Ceci est dû à la réflexion de l'onde de pression sur un obstacle immobile.
Tendance aux fuites. En raison de sa faible viscosité et de son faible poids moléculaire, le gaz H₂ présente une forte tendance aux fuites, voire à la pénétration de divers matériaux.
L'hydrogène est 8 fois plus léger que le gaz naturel, 14 fois plus léger que l'air, 22 fois plus léger que le propane et 57 fois plus léger que les vapeurs d'essence. Cela signifie qu'en extérieur, le gaz H2 monte et se dissipe rapidement, réduisant ainsi les signes de fuites. Mais cela peut être une arme à double tranchant. Une explosion peut se produire si le soudage est effectué sur une installation extérieure au-dessus ou sous le vent d'une fuite de H2 sans étude de détection de fuite préalable. Dans un espace clos, le gaz H2 peut monter et s'accumuler du plafond vers le bas, ce qui lui permet de s'accumuler en grandes quantités avant d'entrer en contact avec des sources d'inflammation proches du sol.
Incendie accidentel. L'auto-inflammation est un phénomène par lequel un mélange de gaz ou de vapeurs s'enflamme spontanément sans source d'inflammation externe. On parle également de « combustion spontanée ». L'auto-inflammation dépend de la température et non de la pression.
La température d'auto-inflammation est la température minimale à laquelle un combustible s'enflamme spontanément avant de s'enflammer, en l'absence de source d'inflammation externe, au contact de l'air ou d'un comburant. La température d'auto-inflammation d'une poudre est la température à laquelle elle s'enflamme spontanément en l'absence d'un comburant. La température d'auto-inflammation de l'hydrogène gazeux dans l'air est de 585 °C.
L'énergie d'inflammation est l'énergie nécessaire pour amorcer la propagation d'une flamme dans un mélange combustible. L'énergie minimale d'inflammation est l'énergie minimale requise pour enflammer un mélange combustible particulier à une température et une pression données. L'énergie minimale d'allumage par étincelle pour H2 gazeux dans 1 atm d'air est de 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Les limites d'explosivité sont les concentrations maximales et minimales de vapeurs, de brouillards ou de poussières dans l'air ou l'oxygène auxquelles une explosion se produit. La taille et la géométrie de l'environnement, ainsi que la concentration du combustible, déterminent ces limites. « Limite d'explosivité » est parfois utilisé comme synonyme de « limite d'explosion ».
Les limites d'explosivité des mélanges H2 dans l'air sont de 18,3 vol.% (limite inférieure) et de 59 vol.% (limite supérieure).
Lors de la conception de systèmes de tuyauterie (figure 1), la première étape consiste à déterminer les matériaux de construction nécessaires à chaque type de fluide. Chaque fluide sera classé conformément au paragraphe 300(b)(1) de la norme ASME B31.3 : « Le propriétaire est également responsable de la détermination des tuyauteries de classe D, M, haute pression et haute pureté, et de l'application d'un système de qualité particulier. »
La catégorisation des fluides définit le degré et le type de tests requis, ainsi que de nombreuses autres exigences selon la catégorie de fluide. La responsabilité de cette catégorisation incombe généralement à son service d'ingénierie ou à un ingénieur externe.
Bien que le Code B31.3 sur la tuyauterie industrielle n'indique pas au propriétaire quel matériau utiliser pour un fluide particulier, il fournit des indications sur la résistance, l'épaisseur et les exigences de raccordement des matériaux. L'introduction du code contient également deux énoncés clairs :
Et pour développer le premier paragraphe ci-dessus, le paragraphe B31.3. 300(b)(1) stipule également : « Le propriétaire d'une installation de pipeline est seul responsable du respect du présent Code et de l'établissement des exigences de conception, de construction, d'inspection, d'inspection et d'essai régissant toute manipulation ou tout processus de fluide dont le pipeline fait partie. Installation. » Ainsi, après avoir établi quelques règles de base en matière de responsabilité et d'exigences pour définir les catégories de service de fluides, voyons où se situe l'hydrogène gazeux.
L'hydrogène gazeux se comportant comme un liquide volatil présentant des fuites, il peut être considéré comme un liquide normal ou un liquide de classe M selon la catégorie B31.3 pour le service des liquides. Comme indiqué précédemment, la classification de la manutention des fluides est une exigence du propriétaire, à condition qu'elle respecte les directives pour les catégories sélectionnées décrites dans la section B31.3, paragraphe 3. 300.2 Définitions de la section « Services hydrauliques ». Voici les définitions pour le service normal des fluides et le service des fluides de classe M :
« Service fluide normal : Service fluide applicable à la plupart des tuyauteries soumises à ce code, c'est-à-dire non soumises aux réglementations pour les classes D, M, haute température, haute pression ou haute propreté du fluide.
(1) La toxicité du fluide est si grande qu'une seule exposition à une très petite quantité de fluide causée par une fuite peut causer des blessures graves et permanentes à ceux qui l'inhalent ou entrent en contact avec lui, même si des mesures de récupération immédiates sont prises.
(2) Après avoir examiné la conception du pipeline, l’expérience, les conditions d’exploitation et l’emplacement, le propriétaire détermine que les exigences d’utilisation normale du fluide ne sont pas suffisantes pour assurer l’étanchéité nécessaire pour protéger le personnel contre l’exposition.
Dans la définition de M ci-dessus, l'hydrogène gazeux ne répond pas aux critères du paragraphe (1), car il n'est pas considéré comme un liquide toxique. Cependant, en appliquant le paragraphe (2), le Code autorise la classification des systèmes hydrauliques en classe M après avoir dûment pris en compte « … la conception de la tuyauterie, l'expérience, les conditions d'exploitation et l'emplacement… ». Le propriétaire autorise la détermination du mode de transport normal du fluide. Ces exigences sont insuffisantes pour répondre au besoin d'un niveau d'intégrité plus élevé dans la conception, la construction, l'inspection et les essais des systèmes de tuyauterie d'hydrogène gazeux.
Veuillez vous référer au tableau 1 avant d'aborder la corrosion par l'hydrogène à haute température (HTHA). Ce tableau répertorie les codes, normes et réglementations, qui incluent six documents sur la fragilisation par l'hydrogène (HE), une anomalie de corrosion courante qui inclut la HTHA. La fragilisation par l'hydrogène peut se produire à basse et haute température. Considérée comme une forme de corrosion, elle peut être initiée de plusieurs manières et affecter un large éventail de matériaux.
L'HE a différentes formes, qui peuvent être divisées en craquage à l'hydrogène (HAC), fissuration sous contrainte à l'hydrogène (HSC), fissuration par corrosion sous contrainte (SCC), fissuration par corrosion à l'hydrogène (HACC), bullage d'hydrogène (HB), craquage à l'hydrogène (HIC). )), fissuration à l'hydrogène orientée sous contrainte (SOHIC), fissuration progressive (SWC), fissuration sous contrainte au sulfure (SSC), fissuration en zone molle (SZC) et corrosion à l'hydrogène à haute température (HTHA).
Dans sa forme la plus simple, la fragilisation par l'hydrogène est un mécanisme de destruction des joints de grains métalliques, entraînant une réduction de la ductilité due à la pénétration de l'hydrogène atomique. Les mécanismes de ce phénomène sont variés et sont en partie définis par leurs noms respectifs, tels que HTHA, où la fragilisation nécessite simultanément de l'hydrogène à haute température et haute pression, et SSC, où l'hydrogène atomique est produit sous forme de gaz fermés et d'hydrogène. En raison de la corrosion acide, ces gaz s'infiltrent dans les enveloppes métalliques, ce qui peut entraîner une fragilité. Mais le résultat global est le même que pour tous les cas de fragilisation par l'hydrogène décrits ci-dessus : la résistance du métal est réduite par une fragilisation en dessous de sa plage de contrainte admissible, ce qui ouvre la voie à un événement potentiellement catastrophique compte tenu de la volatilité du liquide.
Outre l'épaisseur des parois et les performances mécaniques des joints, deux facteurs principaux sont à prendre en compte lors du choix des matériaux pour le gaz H2 : 1. L'exposition à l'hydrogène haute température (HTHA) ; 2. Les risques de fuites. Ces deux sujets font actuellement l'objet de discussions.
Contrairement à l'hydrogène moléculaire, l'hydrogène atomique peut se dilater, l'exposant à des températures et des pressions élevées, créant ainsi la base d'un potentiel HTHA. Dans ces conditions, l'hydrogène atomique peut diffuser dans les matériaux ou équipements de tuyauterie en acier au carbone, où il réagit avec le carbone en solution métallique pour former du méthane aux joints de grains. Incapable de s'échapper, le gaz se dilate, créant des fissures et des crevasses dans les parois des tuyaux ou des cuves : c'est le HTGA. Les résultats du HTHA sont clairement visibles sur la figure 2, où des fissures et des craquelures sont visibles sur la paroi de 8 pouces. Il s'agit de la partie du tuyau de diamètre nominal (NPS) qui se rompt dans ces conditions.
L'acier au carbone peut être utilisé pour l'hydrogène lorsque la température de fonctionnement est maintenue en dessous de 260 °C. Comme mentionné précédemment, l'HTHA se produit lorsque l'hydrogène gazeux est maintenu à une pression partielle et une température élevées. L'acier au carbone est déconseillé lorsque la pression partielle d'hydrogène est estimée à environ 3 000 psi et que la température est supérieure à environ 232 °C (condition d'accident illustrée à la figure 2).
Comme le montre le diagramme de Nelson modifié de la figure 3, en partie tiré de la norme API 941, c'est la température élevée qui a le plus d'effet sur le forçage de l'hydrogène. La pression partielle de l'hydrogène gazeux peut dépasser 1 000 psi lorsqu'il est utilisé avec des aciers au carbone fonctionnant à des températures allant jusqu'à 500 °F.
Figure 3. Ce tableau Nelson modifié (adapté de l'API 941) peut être utilisé pour sélectionner des matériaux adaptés au service hydrogène à différentes températures.
La figure 3 présente le choix des aciers garantissant une résistance à l'attaque par l'hydrogène, en fonction de la température de fonctionnement et de la pression partielle d'hydrogène. Les aciers inoxydables austénitiques sont insensibles à l'HTHA et sont des matériaux satisfaisants à toutes les températures et pressions.
L'acier inoxydable austénitique 316/316L est le matériau le plus adapté aux applications à l'hydrogène et a fait ses preuves. Si le traitement thermique après soudage (PWHT) est recommandé pour les aciers au carbone afin de calciner l'hydrogène résiduel pendant le soudage et de réduire la dureté de la zone affectée thermiquement (ZAT) après soudage, il n'est pas obligatoire pour les aciers inoxydables austénitiques.
Les effets thermothermiques dus au traitement thermique et au soudage ont peu d'effet sur les propriétés mécaniques des aciers inoxydables austénitiques. Cependant, le travail à froid peut améliorer ces propriétés, telles que la résistance et la dureté. Lors du cintrage et du formage de tubes en acier inoxydable austénitique, leurs propriétés mécaniques se modifient, notamment par une diminution de la plasticité du matériau.
Si l'acier inoxydable austénitique nécessite un formage à froid, un recuit de mise en solution (chauffage à environ 1045 °C suivi d'une trempe ou d'un refroidissement rapide) restaurera les propriétés mécaniques du matériau à leurs valeurs initiales. Il éliminera également la ségrégation de l'alliage, la sensibilisation et la phase sigma obtenues après le formage à froid. Lors du recuit de mise en solution, il faut savoir qu'un refroidissement rapide peut réintroduire des contraintes résiduelles dans le matériau s'il n'est pas effectué correctement.
Consultez les tableaux GR-2.1.1-1 Index des spécifications des matériaux des assemblages de tuyauterie et de tubes et GR-2.1.1-2 Index des spécifications des matériaux de tuyauterie dans la norme ASME B31 pour les sélections de matériaux acceptables pour le service H2. Les tuyaux sont un bon point de départ.
Avec une masse atomique standard de 1,008 unité de masse atomique (uma), l'hydrogène est l'élément le plus léger et le plus petit du tableau périodique, et présente donc une forte propension aux fuites, avec des conséquences potentiellement dévastatrices, je dois l'ajouter. Par conséquent, le réseau de gazoducs doit être conçu de manière à limiter les connexions mécaniques et à améliorer celles qui sont réellement nécessaires.
Afin de limiter les points de fuite potentiels, le système doit être entièrement soudé, à l'exception des raccords à brides des équipements, des éléments de tuyauterie et des raccords. Les raccords filetés doivent être évités autant que possible, voire complètement. Si, pour une raison quelconque, ils ne peuvent être évités, il est recommandé de les engager complètement sans produit d'étanchéité pour filetage, puis de sceller la soudure. Pour les tubes en acier au carbone, les joints doivent être soudés bout à bout et soumis à un traitement thermique post-soudage (PWHT). Après le soudage, les tubes situés dans la zone affectée thermiquement (ZAT) sont exposés à l'attaque de l'hydrogène, même à température ambiante. Bien que l'attaque de l'hydrogène se produise principalement à haute température, l'étape PWHT réduit complètement, voire élimine, ce risque, même à température ambiante.
Le point faible du système entièrement soudé réside dans la bride de raccordement. Pour garantir une étanchéité optimale, il est conseillé d'utiliser des joints Kammprofile (fig. 4) ou un autre type de joint. Fabriqué de manière quasi identique par plusieurs fabricants, ce joint est très souple. Il est constitué d'anneaux dentés entièrement métalliques pris en sandwich entre des matériaux d'étanchéité souples et déformables. Les dents concentrent la charge du boulon sur une zone plus restreinte pour un ajustement serré et une contrainte moindre. Sa conception permet de compenser les irrégularités de surface des brides ainsi que les fluctuations des conditions de fonctionnement.
Figure 4. Les joints Kammprofile ont un noyau métallique collé des deux côtés avec une charge souple.
Un autre facteur important pour l'intégrité du système est la vanne. Les fuites autour du joint de tige et des brides du corps constituent un réel problème. Pour éviter cela, il est recommandé de choisir une vanne avec joint à soufflet.
Utilisez un tuyau en acier au carbone de 1 pouce de classe 80. Dans notre exemple ci-dessous, compte tenu des tolérances de fabrication, de corrosion et de résistance mécanique conformément à la norme ASTM A106 Gr B, la pression de service maximale admissible (PSMA) peut être calculée en deux étapes à des températures allant jusqu'à 300 °F (Remarque : la raison pour laquelle « …pour des températures allant jusqu'à 300 ºF… » est que la contrainte admissible (S) du matériau ASTM A106 Gr B commence à se détériorer lorsque la température dépasse 300 ºF. (S), donc l'équation (1) nécessite un ajustement aux températures supérieures à 300 ºF.)
En se référant à la formule (1), la première étape consiste à calculer la pression d’éclatement théorique du pipeline.
T = épaisseur de la paroi du tuyau moins les tolérances mécaniques, de corrosion et de fabrication, en pouces.
La deuxième partie du processus consiste à calculer la pression de service maximale admissible Pa du pipeline en appliquant le facteur de sécurité S f au résultat P selon l'équation (2) :
Ainsi, lors de l’utilisation d’un matériau de 1″ école 80, la pression d’éclatement est calculée comme suit :
Un Sf de sécurité de 4 est ensuite appliqué conformément aux recommandations ASME sur les récipients sous pression, section VIII-1 2019, paragraphe 8. UG-101 calculé comme suit :
La valeur de pression maximale admissible obtenue est de 810 psi. Les valeurs en pouces concernent uniquement les tuyaux. Le raccord à bride ou le composant ayant la pression nominale la plus basse du système sera le facteur déterminant pour déterminer la pression admissible.
Conformément à la norme ASME B16.5, la pression de service maximale admissible pour les raccords à bride en acier au carbone de 150 mm est de 285 psi (-20 °F à 100 °F). La classe 300 a une pression de service maximale admissible de 740 psi (-740 psi). Ce facteur constitue la limite de pression du système selon l'exemple de spécification de matériau ci-dessous. De plus, ces valeurs peuvent être supérieures de 1,5 fois lors des essais hydrostatiques uniquement.
À titre d'exemple de spécification de matériau de base en acier au carbone, une spécification de conduite de service de gaz H2 fonctionnant à une température ambiante inférieure à une pression de conception de 740 psi. pouce, peut contenir les exigences de matériau indiquées dans le tableau 2. Les types suivants peuvent nécessiter une attention particulière pour être inclus dans la spécification :
Outre la tuyauterie elle-même, de nombreux éléments composent le système de tuyauterie, tels que les raccords, les vannes, les équipements de ligne, etc. Bien que nombre de ces éléments soient regroupés dans un pipeline pour être détaillés, cela nécessiterait plus de pages que ce que nous pouvons traiter. Cet article.