Questa panoramica fornisce raccomandazioni per la progettazione sicura di sistemi di tubazioni per la distribuzione dell'idrogeno.
L'idrogeno è un liquido altamente volatile con un'elevata tendenza a perdere. Si tratta di una combinazione di tendenze molto pericolosa e letale, un liquido volatile difficile da controllare. Queste sono tendenze da considerare nella scelta di materiali, guarnizioni e tenute, nonché nelle caratteristiche progettuali di tali sistemi. Il focus di questa discussione riguarda la distribuzione di H₂ gassoso, non la produzione di H₂, H₂ liquido o H₂ liquido (vedi barra laterale destra).
Ecco alcuni punti chiave per aiutarti a comprendere la miscela di idrogeno e H₂-aria. L'idrogeno brucia in due modi: deflagrazione ed esplosione.
Deflagrazione. La deflagrazione è una modalità di combustione comune in cui le fiamme attraversano la miscela a velocità subsoniche. Ciò si verifica, ad esempio, quando una nube libera di miscela idrogeno-aria viene accesa da una piccola fonte di accensione. In questo caso, la fiamma si muoverà a una velocità compresa tra tre e diverse centinaia di metri al secondo. La rapida espansione del gas caldo crea onde di pressione la cui intensità è proporzionale alle dimensioni della nube. In alcuni casi, la forza dell'onda d'urto può essere sufficiente a danneggiare le strutture edilizie e altri oggetti sul suo percorso e causare lesioni.
esplodere. Quando esplode, fiamme e onde d'urto attraversano la miscela a velocità supersoniche. Il rapporto di pressione in un'onda di detonazione è molto maggiore rispetto a quello di una detonazione. A causa della maggiore forza, l'esplosione è più pericolosa per le persone, gli edifici e gli oggetti circostanti. Una normale deflagrazione provoca un'esplosione quando innescata in uno spazio ristretto. In un'area così ristretta, l'accensione può essere causata dalla minima quantità di energia. Ma per la detonazione di una miscela idrogeno-aria in uno spazio illimitato, è necessaria una fonte di accensione più potente.
Il rapporto di pressione ai capi dell'onda di detonazione in una miscela idrogeno-aria è di circa 20. A pressione atmosferica, un rapporto di 20 equivale a 300 psi. Quando quest'onda di pressione collide con un oggetto fermo, il rapporto di pressione aumenta a 40-60. Ciò è dovuto alla riflessione di un'onda di pressione da parte di un ostacolo fermo.
Tendenza a perdere. A causa della sua bassa viscosità e del basso peso molecolare, l'H₂ ha un'elevata tendenza a perdere e persino a permeare o penetrare vari materiali.
L'idrogeno è 8 volte più leggero del gas naturale, 14 volte più leggero dell'aria, 22 volte più leggero del propano e 57 volte più leggero dei vapori di benzina. Ciò significa che, se installato all'esterno, il gas H₂ salirà e si dissiperà rapidamente, riducendo qualsiasi segno di perdite. Ma può rivelarsi un'arma a doppio taglio. Un'esplosione può verificarsi se si esegue una saldatura su un'installazione all'aperto sopra o sottovento rispetto a una perdita di H₂ senza uno studio di rilevamento perdite prima della saldatura. In uno spazio chiuso, il gas H₂ può salire e accumularsi dal soffitto verso il basso, una condizione che gli consente di accumularsi in grandi volumi prima di entrare in contatto con fonti di ignizione vicine al suolo.
Incendio accidentale. L'autoaccensione è un fenomeno in cui una miscela di gas o vapori si accende spontaneamente senza una fonte di accensione esterna. È anche nota come "combustione spontanea". L'autoaccensione dipende dalla temperatura, non dalla pressione.
La temperatura di autoaccensione è la temperatura minima alla quale un combustibile si accende spontaneamente prima dell'accensione in assenza di una fonte di accensione esterna a contatto con l'aria o un agente ossidante. La temperatura di autoaccensione di una singola polvere è la temperatura alla quale si accende spontaneamente in assenza di un agente ossidante. La temperatura di autoaccensione dell'H₂ gassoso in aria è di 585 °C.
L'energia di accensione è l'energia necessaria per avviare la propagazione di una fiamma attraverso una miscela combustibile. L'energia minima di accensione è l'energia minima necessaria per accendere una particolare miscela combustibile a una particolare temperatura e pressione. Energia minima di accensione a scintilla per H₂ gassoso in 1 atm di aria = 1,9 × 10⁻⁴ BTU (0,02 mJ).
I limiti di esplosività sono le concentrazioni massime e minime di vapori, nebbie o polveri nell'aria o nell'ossigeno alle quali si verifica un'esplosione. Le dimensioni e la geometria dell'ambiente, nonché la concentrazione del combustibile, determinano i limiti. "Limite di esplosione" è talvolta usato come sinonimo di "limite di esplosione".
I limiti di esplosività per le miscele di H2 nell'aria sono 18,3 vol.% (limite inferiore) e 59 vol.% (limite superiore).
Nella progettazione di sistemi di tubazioni (Figura 1), il primo passo è determinare i materiali da costruzione necessari per ciascun tipo di fluido. Ogni fluido sarà classificato in conformità al paragrafo 300(b)(1) della norma ASME B31.3: "Il proprietario è inoltre responsabile della determinazione delle tubazioni di classe D, M, ad alta pressione e ad alta purezza, e dell'eventuale utilizzo di un particolare sistema di qualità".
La categorizzazione dei fluidi definisce il livello di test e il tipo di test richiesti, nonché molti altri requisiti in base alla categoria del fluido. La responsabilità di questo aspetto ricade solitamente sul reparto tecnico del proprietario o su un ingegnere esterno.
Sebbene il Codice B31.3 per le tubazioni di processo non indichi al proprietario quale materiale utilizzare per un fluido specifico, fornisce indicazioni su resistenza, spessore e requisiti di collegamento dei materiali. Nell'introduzione al codice sono inoltre presenti due affermazioni che affermano chiaramente:
E ampliando il primo paragrafo sopra, il paragrafo B31.3. 300(b)(1) afferma inoltre: "Il proprietario di un impianto di condotte è l'unico responsabile del rispetto del presente Codice e della definizione dei requisiti di progettazione, costruzione, ispezione, collaudo e collaudo che regolano tutta la movimentazione dei fluidi o i processi di cui la conduttura fa parte. Installazione". Quindi, dopo aver stabilito alcune regole di base in materia di responsabilità e requisiti per la definizione delle categorie di servizi per fluidi, vediamo dove si colloca l'idrogeno gassoso.
Poiché l'idrogeno gassoso si comporta come un liquido volatile in caso di perdite, può essere considerato un liquido normale o un liquido di Classe M ai sensi della categoria B31.3 per il servizio con liquidi. Come indicato in precedenza, la classificazione della movimentazione dei fluidi è un requisito del proprietario, a condizione che soddisfi le linee guida per le categorie selezionate descritte in B31.3, paragrafo 3. 300.2 Definizioni nella sezione "Servizi idraulici". Di seguito sono riportate le definizioni per il servizio con fluidi normale e per il servizio con fluidi di Classe M:
"Servizio fluido normale: servizio fluido applicabile alla maggior parte delle tubazioni soggette al presente codice, vale a dire non soggette alle normative per le classi D, M, alta temperatura, alta pressione o elevata pulizia del fluido.
(1) La tossicità del fluido è così elevata che una singola esposizione a una quantità molto piccola del fluido causato da una perdita può causare gravi lesioni permanenti a coloro che lo inalano o entrano in contatto con esso, anche se vengono prese misure di recupero immediato.
(2) Dopo aver considerato la progettazione della conduttura, l'esperienza, le condizioni operative e la posizione, il proprietario determina che i requisiti per l'uso normale del fluido non sono sufficienti a fornire la tenuta necessaria per proteggere il personale dall'esposizione.
Nella definizione di M di cui sopra, l'idrogeno gassoso non soddisfa i criteri del paragrafo (1) perché non è considerato un liquido tossico. Tuttavia, applicando il paragrafo (2), il Codice consente la classificazione dei sistemi idraulici in classe M dopo aver debitamente considerato "...la progettazione delle tubazioni, l'esperienza, le condizioni operative e l'ubicazione...". Il proprietario consente la determinazione della normale gestione del fluido. I requisiti sono insufficienti a soddisfare l'esigenza di un livello di integrità più elevato nella progettazione, costruzione, ispezione, collaudo e collaudo dei sistemi di tubazioni dell'idrogeno gassoso.
Si prega di fare riferimento alla Tabella 1 prima di discutere della corrosione da idrogeno ad alta temperatura (HTHA). Questa tabella elenca codici, standard e normative, che includono sei documenti sul tema dell'infragilimento da idrogeno (HE), un'anomalia di corrosione comune che include l'HTHA. L'OH può verificarsi a basse e alte temperature. Considerata una forma di corrosione, può essere innescata in diversi modi e interessare un'ampia gamma di materiali.
L'HE si presenta in varie forme, che possono essere suddivise in cracking da idrogeno (HAC), cracking da stress da idrogeno (HSC), cracking da corrosione sotto sforzo (SCC), cracking da corrosione da idrogeno (HACC), formazione di bolle d'idrogeno (HB), cracking da idrogeno (HIC). )), cracking da idrogeno orientato allo stress (SOHIC), cracking progressivo (SWC), cracking da stress da solfuro (SSC), cracking in zona morbida (SZC) e corrosione da idrogeno ad alta temperatura (HTHA).
Nella sua forma più semplice, l'infragilimento da idrogeno è un meccanismo di distruzione dei bordi dei grani metallici, con conseguente riduzione della duttilità dovuta alla penetrazione di idrogeno atomico. Le modalità con cui ciò avviene sono varie e sono in parte definite dai rispettivi nomi, come HTHA, in cui è necessario idrogeno ad alta temperatura e alta pressione simultanee per l'infragilimento, e SSC, in cui l'idrogeno atomico viene prodotto come gas chiusi e idrogeno. A causa della corrosione acida, penetrano nelle strutture metalliche, il che può portare alla fragilità. Ma il risultato complessivo è lo stesso di tutti i casi di infragilimento da idrogeno descritti sopra, in cui la resistenza del metallo viene ridotta dall'infragilimento al di sotto del suo intervallo di sforzo ammissibile, che a sua volta prepara il terreno per un evento potenzialmente catastrofico data la volatilità del liquido.
Oltre allo spessore delle pareti e alle prestazioni meccaniche del giunto, ci sono due fattori principali da considerare nella scelta dei materiali per il servizio con gas H₂: 1. Esposizione all'idrogeno ad alta temperatura (HTHA) e 2. Gravi preoccupazioni relative a potenziali perdite. Entrambi gli argomenti sono attualmente in fase di discussione.
A differenza dell'idrogeno molecolare, l'idrogeno atomico può espandersi, esponendolo ad alte temperature e pressioni, creando le basi per un potenziale HTHA. In queste condizioni, l'idrogeno atomico è in grado di diffondersi nei materiali o nelle apparecchiature in acciaio al carbonio, dove reagisce con il carbonio in soluzione metallica per formare gas metano ai bordi dei grani. Incapace di fuoriuscire, il gas si espande, creando crepe e fessure nelle pareti di tubi o recipienti: questo è l'HTGA. I risultati dell'HTHA sono chiaramente visibili nella Figura 2, dove crepe e fessure sono evidenti nella parete da 8". La porzione di tubo di dimensione nominale (NPS) che si rompe in queste condizioni.
L'acciaio al carbonio può essere utilizzato per l'impiego con idrogeno quando la temperatura di esercizio viene mantenuta al di sotto dei 265 °C. Come accennato in precedenza, l'HTHA si verifica quando l'idrogeno gassoso viene mantenuto ad alta pressione parziale e ad alta temperatura. L'acciaio al carbonio non è raccomandato quando si prevede che la pressione parziale dell'idrogeno sia di circa 275 bar (3000 psi) e la temperatura sia superiore a circa 230 °C (che corrisponde alla condizione di incidente in Figura 2).
Come si può osservare dal diagramma di Nelson modificato in Figura 3, in parte tratto dalla norma API 941, l'alta temperatura ha l'effetto maggiore sul forzamento dell'idrogeno. La pressione parziale dell'idrogeno gassoso può superare i 1000 psi se utilizzato con acciai al carbonio che operano a temperature fino a 500 °F.
Figura 3. Questo diagramma di Nelson modificato (adattato dalla norma API 941) può essere utilizzato per selezionare materiali adatti al servizio di idrogeno a varie temperature.
La figura 3 mostra la scelta degli acciai che garantiscono l'assenza di attacco da idrogeno, in base alla temperatura di esercizio e alla pressione parziale dell'idrogeno. Gli acciai inossidabili austenitici sono insensibili all'HTHA e sono materiali soddisfacenti a tutte le temperature e pressioni.
L'acciaio inossidabile austenitico 316/316L è il materiale più pratico per le applicazioni con idrogeno e vanta una comprovata esperienza. Sebbene il trattamento termico post-saldatura (PWHT) sia raccomandato per gli acciai al carbonio per calcinare l'idrogeno residuo durante la saldatura e ridurre la durezza nella zona termicamente alterata (ZTA) dopo la saldatura, non è necessario per gli acciai inossidabili austenitici.
Gli effetti termotermici causati dal trattamento termico e dalla saldatura hanno scarso effetto sulle proprietà meccaniche degli acciai inossidabili austenitici. Tuttavia, la lavorazione a freddo può migliorarne le proprietà meccaniche, come resistenza e durezza. Durante la piegatura e la formatura di tubi in acciaio inossidabile austenitico, le loro proprietà meccaniche cambiano, compresa la diminuzione della plasticità del materiale.
Se l'acciaio inossidabile austenitico richiede la formatura a freddo, la ricottura di solubilizzazione (riscaldamento a circa 1045 °C seguito da tempra o raffreddamento rapido) ripristinerà le proprietà meccaniche del materiale ai valori originali. Eliminerà inoltre la segregazione della lega, la sensibilizzazione e la fase sigma che si verificano dopo la lavorazione a freddo. Quando si esegue la ricottura di solubilizzazione, tenere presente che il raffreddamento rapido può ripristinare tensioni residue nel materiale se non gestito correttamente.
Per la selezione dei materiali accettabili per il servizio H2, fare riferimento alle tabelle GR-2.1.1-1 Indice delle specifiche dei materiali per tubazioni e assemblaggi di tubazioni e GR-2.1.1-2 Indice delle specifiche dei materiali per tubazioni in ASME B31. I tubi sono un buon punto di partenza.
Con un peso atomico standard di 1,008 unità di massa atomica (amu), l'idrogeno è l'elemento più leggero e piccolo della tavola periodica e quindi ha un'elevata propensione alle perdite, con conseguenze potenzialmente devastanti, aggiungerei. Pertanto, il sistema di gasdotti deve essere progettato in modo da limitare le connessioni di tipo meccanico e migliorare quelle realmente necessarie.
Per limitare i potenziali punti di perdita, il sistema deve essere completamente saldato, ad eccezione delle connessioni flangiate su apparecchiature, elementi di tubazioni e raccordi. Le connessioni filettate devono essere evitate il più possibile, se non completamente. Se per qualsiasi motivo non è possibile evitare le connessioni filettate, si consiglia di inserirle completamente senza sigillante per filettature e quindi sigillare la saldatura. Quando si utilizzano tubi in acciaio al carbonio, i giunti dei tubi devono essere saldati di testa e sottoposti a trattamento termico post-saldatura (PWHT). Dopo la saldatura, i tubi nella zona termicamente alterata (ZTA) sono esposti all'attacco dell'idrogeno anche a temperatura ambiente. Mentre l'attacco dell'idrogeno si verifica principalmente ad alte temperature, la fase PWHT ridurrà completamente, se non eliminerà, questa possibilità anche in condizioni ambientali.
Il punto debole del sistema completamente saldato è il collegamento flangiato. Per garantire un elevato grado di tenuta nei collegamenti flangiati, è consigliabile utilizzare guarnizioni Kammprofile (fig. 4) o un altro tipo di guarnizione. Realizzata pressoché nello stesso modo da diversi produttori, questa guarnizione è molto adattabile. È costituita da anelli dentati interamente in metallo inseriti tra materiali di tenuta morbidi e deformabili. I denti concentrano il carico del bullone in un'area più piccola per garantire una tenuta stagna con meno sollecitazioni. È progettata in modo da compensare le superfici irregolari delle flange e le condizioni operative variabili.
Figura 4. Le guarnizioni Kammprofile hanno un'anima metallica legata su entrambi i lati con un riempitivo morbido.
Un altro fattore importante per l'integrità del sistema è la valvola. Le perdite attorno alla guarnizione dello stelo e alle flange del corpo rappresentano un problema reale. Per evitarlo, si consiglia di scegliere una valvola con tenuta a soffietto.
Utilizzare un tubo in acciaio al carbonio da 1 pollice, tipo School 80, nel nostro esempio seguente, date le tolleranze di fabbricazione, di corrosione e meccaniche in conformità con ASTM A106 Gr B, la pressione di esercizio massima consentita (MAWP) può essere calcolata in due fasi a temperature fino a 300 °F (Nota: il motivo di "...per temperature fino a 300 ºF..." è perché la sollecitazione consentita (S) del materiale ASTM A106 Gr B inizia a deteriorarsi quando la temperatura supera i 300 ºF (S), quindi l'equazione (1) richiede di adattarsi a temperature superiori a 300 ºF.)
Facendo riferimento alla formula (1), il primo passo è calcolare la pressione di scoppio teorica della conduttura.
T = spessore della parete del tubo meno tolleranze meccaniche, di corrosione e di fabbricazione, in pollici.
La seconda parte del processo consiste nel calcolare la pressione di esercizio massima ammissibile Pa della condotta applicando il fattore di sicurezza S f al risultato P secondo l'equazione (2):
Pertanto, quando si utilizza materiale scolastico da 1″ 80, la pressione di scoppio viene calcolata come segue:
Viene quindi applicato un Sf di sicurezza pari a 4 in conformità con la Sezione VIII-1 2019, Paragrafo 8 delle Raccomandazioni ASME sui recipienti a pressione. UG-101 è calcolato come segue:
Il valore MAWP risultante è di 810 psi. Il pollice si riferisce solo al tubo. La connessione flangiata o il componente con la classificazione più bassa nel sistema sarà il fattore determinante per determinare la pressione ammissibile nel sistema.
Secondo ASME B16.5, la pressione di esercizio massima consentita per 150 raccordi flangiati in acciaio al carbonio è di 285 psi/pollici a temperature comprese tra -20°F e 100°F. La Classe 300 ha una pressione di esercizio massima consentita di 740 psi. Questo sarà il fattore limite di pressione del sistema secondo l'esempio di specifica del materiale riportato di seguito. Inoltre, solo nelle prove idrostatiche, questi valori possono superare di 1,5 volte.
Come esempio di specifica di base per un materiale in acciaio al carbonio, una specifica per una linea di servizio per gas H2, operante a una temperatura ambiente inferiore a una pressione di progetto di 740 psi (pollici), può contenere i requisiti per i materiali indicati nella Tabella 2. Di seguito sono riportati i tipi di materiale che potrebbero richiedere attenzione per essere inclusi nella specifica:
Oltre alle tubazioni stesse, il sistema di tubazioni è costituito da molti elementi, come raccordi, valvole, apparecchiature di linea, ecc. Sebbene molti di questi elementi vengano assemblati in una tubazione per essere discussi in dettaglio, ciò richiederebbe più pagine di quelle che è possibile dedicare a questo articolo.