Esta descripción general proporciona recomendaciones para el diseño seguro de sistemas de tuberías para la distribución de hidrógeno.
El hidrógeno es un líquido altamente volátil con una alta tendencia a las fugas.Es una combinación de tendencias muy peligrosa y mortal, un líquido volátil difícil de controlar.Estas son tendencias a tener en cuenta a la hora de elegir materiales, juntas y sellos, así como las características de diseño de dichos sistemas.Estos temas sobre la distribución de H2 gaseoso son el foco de esta discusión, no la producción de H2, H2 líquido o H2 líquido (ver la barra lateral derecha).
Aquí hay algunos puntos clave para ayudarlo a comprender la mezcla de hidrógeno y H2-aire.El hidrógeno se quema de dos maneras: deflagración y explosión.
quemación rápida.La deflagración es un modo de combustión común en el que las llamas viajan a través de la mezcla a velocidades subsónicas.Esto ocurre, por ejemplo, cuando una pequeña fuente de ignición enciende una nube libre de una mezcla de hidrógeno y aire.En este caso, la llama se moverá a una velocidad de diez a varios cientos de pies por segundo.La rápida expansión del gas caliente crea ondas de presión cuya fuerza es proporcional al tamaño de la nube.En algunos casos, la fuerza de la onda de choque puede ser suficiente para dañar estructuras de edificios y otros objetos en su camino y causar lesiones.
explotar.Cuando explotó, las llamas y las ondas de choque viajaron a través de la mezcla a velocidades supersónicas.La relación de presión en una onda de detonación es mucho mayor que en una detonación.Debido al aumento de la fuerza, la explosión es más peligrosa para las personas, los edificios y los objetos cercanos.La deflagración normal provoca una explosión cuando se enciende en un espacio confinado.En un área tan estrecha, la ignición puede ser causada por la menor cantidad de energía.Pero para la detonación de una mezcla de hidrógeno y aire en un espacio ilimitado, se requiere una fuente de ignición más potente.
La relación de presión a lo largo de la onda de detonación en una mezcla de hidrógeno y aire es de aproximadamente 20. A presión atmosférica, una relación de 20 es de 300 psi.Cuando esta onda de presión choca con un objeto estacionario, la relación de presión aumenta a 40-60.Esto se debe al reflejo de una onda de presión de un obstáculo estacionario.
Tendencia a fugas.Debido a su baja viscosidad y bajo peso molecular, el gas H2 tiene una alta tendencia a filtrarse e incluso permear o penetrar en diversos materiales.
El hidrógeno es 8 veces más liviano que el gas natural, 14 veces más liviano que el aire, 22 veces más liviano que el propano y 57 veces más liviano que el vapor de gasolina.Esto significa que cuando se instala al aire libre, el gas H2 se elevará y disipará rápidamente, reduciendo cualquier signo de fuga uniforme.Pero puede ser un arma de doble filo.Puede ocurrir una explosión si la soldadura se va a realizar en una instalación al aire libre por encima o a favor del viento de una fuga de H2 sin un estudio de detección de fugas antes de la soldadura.En un espacio cerrado, el gas H2 puede ascender y acumularse desde el techo hacia abajo, una condición que permite que se acumule en grandes volúmenes antes de que sea más probable que entre en contacto con fuentes de ignición cerca del suelo.
Incendio accidental.La autoignición es un fenómeno en el que una mezcla de gases o vapores se enciende espontáneamente sin una fuente externa de ignición.También se le conoce como “combustión espontánea” o “combustión espontánea”.La autoignición depende de la temperatura, no de la presión.
La temperatura de autoignición es la temperatura mínima a la que un combustible se encenderá espontáneamente antes de la ignición en ausencia de una fuente externa de ignición al entrar en contacto con el aire o un agente oxidante.La temperatura de autoignición de un solo polvo es la temperatura a la que se enciende espontáneamente en ausencia de un agente oxidante.La temperatura de autoignición del H2 gaseoso en el aire es de 585°C.
La energía de ignición es la energía requerida para iniciar la propagación de una llama a través de una mezcla combustible.La energía mínima de ignición es la energía mínima requerida para encender una mezcla combustible particular a una temperatura y presión particulares.Energía mínima de encendido por chispa para H2 gaseoso en 1 atm de aire = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Los límites explosivos son las concentraciones máximas y mínimas de vapores, nieblas o polvos en el aire o en el oxígeno a las que se produce una explosión.El tamaño y la geometría del entorno, así como la concentración del combustible, controlan los límites."Límite de explosión" se utiliza a veces como sinónimo de "límite de explosión".
Los límites explosivos para las mezclas de H2 en el aire son 18,3 % en volumen (límite inferior) y 59 % en volumen (límite superior).
Al diseñar sistemas de tuberías (Figura 1), el primer paso es determinar los materiales de construcción necesarios para cada tipo de fluido.Y cada fluido se clasificará de acuerdo con el párrafo ASME B31.3.300(b)(1) establece: “El propietario también es responsable de determinar las tuberías de clase D, M, alta presión y alta pureza, y determinar si se debe usar un sistema de calidad en particular”.
La categorización de fluidos define el grado de prueba y el tipo de prueba requerida, así como muchos otros requisitos basados ​​en la categoría de fluido.La responsabilidad del propietario por esto generalmente recae en el departamento de ingeniería del propietario o en un ingeniero subcontratado.
Si bien el Código de tubería de proceso B31.3 no le dice al propietario qué material usar para un fluido en particular, sí brinda orientación sobre la resistencia, el grosor y los requisitos de conexión del material.También hay dos declaraciones en la introducción al código que establecen claramente:
Y ampliar el primer párrafo anterior, apartado B31.3.300(b)(1) también establece: “El propietario de una instalación de tubería es el único responsable de cumplir con este Código y de establecer los requisitos de diseño, construcción, inspección, inspección y prueba que rigen todo el manejo de fluidos o el proceso del cual forma parte la tubería.Instalación."Entonces, después de establecer algunas reglas básicas para la responsabilidad y los requisitos para definir las categorías de servicio de fluidos, veamos dónde encaja el gas de hidrógeno.
Debido a que el hidrógeno gaseoso actúa como un líquido volátil con fugas, el hidrógeno gaseoso puede considerarse un líquido normal o un líquido Clase M en la categoría B31.3 para servicio líquido.Como se indicó anteriormente, la clasificación del manejo de fluidos es un requisito del propietario, siempre que cumpla con las pautas para las categorías seleccionadas descritas en B31.3, párrafo 3. 300.2 Definiciones en la sección “Servicios hidráulicos”.Las siguientes son definiciones para servicio de fluidos normal y servicio de fluidos Clase M:
“Servicio de fluidos normal: Servicio de fluidos aplicable a la mayoría de las tuberías sujetas a este código, es decir, no sujetas a regulaciones para clases D, M, alta temperatura, alta presión o alta limpieza de fluidos.
(1) La toxicidad del fluido es tan grande que una sola exposición a una cantidad muy pequeña del fluido causada por una fuga puede causar lesiones permanentes graves a quienes lo inhalen o entren en contacto con él, incluso si se toman medidas de recuperación inmediatas.tomado
(2) Después de considerar el diseño de la tubería, la experiencia, las condiciones de operación y la ubicación, el propietario determina que los requisitos para el uso normal del fluido no son suficientes para brindar la hermeticidad necesaria para proteger al personal de la exposición.”
En la definición anterior de M, el hidrógeno gaseoso no cumple con los criterios del párrafo (1) porque no se considera un líquido tóxico.Sin embargo, al aplicar la subsección (2), el Código permite la clasificación de sistemas hidráulicos en clase M después de la debida consideración de “…diseño de tuberías, experiencia, condiciones de operación y ubicación…” El propietario permite la determinación del manejo normal de fluidos.Los requisitos son insuficientes para satisfacer la necesidad de un mayor nivel de integridad en el diseño, construcción, inspección, inspección y prueba de los sistemas de tuberías de gas hidrógeno.
Consulte la Tabla 1 antes de analizar la corrosión por hidrógeno a alta temperatura (HTHA).Los códigos, estándares y regulaciones se enumeran en esta tabla, que incluye seis documentos sobre el tema de la fragilización por hidrógeno (HE), una anomalía de corrosión común que incluye HTHA.El OH puede ocurrir a bajas y altas temperaturas.Considerada una forma de corrosión, puede iniciarse de varias formas y también afectar a una amplia gama de materiales.
HE tiene varias formas, que se pueden dividir en agrietamiento por hidrógeno (HAC), agrietamiento por tensión de hidrógeno (HSC), agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC), agrietamiento por corrosión por hidrógeno (HACC), burbujeo de hidrógeno (HB), agrietamiento por hidrógeno (HIC).)), fisuración por hidrógeno orientada por tensión (SOHIC), fisuración progresiva (SWC), fisuración por tensión de sulfuro (SSC), fisuración en zona blanda (SZC) y corrosión por hidrógeno a alta temperatura (HTHA).
En su forma más simple, la fragilización por hidrógeno es un mecanismo para la destrucción de los límites de los granos metálicos, lo que resulta en una ductilidad reducida debido a la penetración del hidrógeno atómico.Las formas en que esto ocurre son variadas y se definen en parte por sus respectivos nombres, como HTHA, donde se necesita hidrógeno a alta temperatura y alta presión simultáneamente para la fragilización, y SSC, donde se produce hidrógeno atómico como gases cerrados e hidrógeno.debido a la corrosión ácida, se filtran en las cajas de metal, lo que puede provocar que se vuelvan quebradizos.Pero el resultado general es el mismo que para todos los casos de fragilización por hidrógeno descritos anteriormente, donde la resistencia del metal se reduce por la fragilización por debajo de su rango de tensión permisible, lo que a su vez prepara el escenario para un evento potencialmente catastrófico dada la volatilidad del líquido.
Además del espesor de la pared y el rendimiento de las juntas mecánicas, hay dos factores principales a considerar al seleccionar materiales para el servicio de gas H2: 1. Exposición a hidrógeno a alta temperatura (HTHA) y 2. Preocupaciones serias sobre posibles fugas.Ambos temas están actualmente en discusión.
A diferencia del hidrógeno molecular, el hidrógeno atómico puede expandirse, exponiéndolo a altas temperaturas y presiones, creando la base para el potencial HTHA.En estas condiciones, el hidrógeno atómico puede difundirse en materiales o equipos de tuberías de acero al carbono, donde reacciona con el carbono en una solución metálica para formar gas metano en los límites de grano.Incapaz de escapar, el gas se expande, creando grietas y hendiduras en las paredes de las tuberías o recipientes: esto es HTGA.Puede ver claramente los resultados de HTHA en la Figura 2, donde las grietas y grietas son evidentes en la pared de 8″.La porción de tubería de tamaño nominal (NPS) que falla bajo estas condiciones.
El acero al carbono se puede utilizar para el servicio de hidrógeno cuando la temperatura de funcionamiento se mantiene por debajo de 500 °F.Como se mencionó anteriormente, HTHA ocurre cuando el gas hidrógeno se mantiene a alta presión parcial y alta temperatura.No se recomienda el acero al carbono cuando se espera que la presión parcial de hidrógeno sea de alrededor de 3000 psi y la temperatura está por encima de los 450 °F (que es la condición de accidente en la Figura 2).
Como se puede ver en el diagrama de Nelson modificado en la Figura 3, tomado en parte de API 941, la temperatura alta tiene el mayor efecto sobre el forzamiento de hidrógeno.La presión parcial del gas hidrógeno puede exceder los 1000 psi cuando se usa con aceros al carbono que funcionan a temperaturas de hasta 500 °F.
Figura 3. Este gráfico de Nelson modificado (adaptado de API 941) puede usarse para seleccionar materiales adecuados para servicio de hidrógeno a varias temperaturas.
En la fig.3 muestra la elección de aceros que están garantizados para evitar el ataque de hidrógeno, dependiendo de la temperatura de operación y la presión parcial de hidrógeno.Los aceros inoxidables austeníticos son insensibles a HTHA y son materiales satisfactorios a todas las temperaturas y presiones.
El acero inoxidable austenítico 316/316L es el material más práctico para aplicaciones de hidrógeno y tiene un historial probado.Si bien se recomienda el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para los aceros al carbono para calcinar el hidrógeno residual durante la soldadura y reducir la dureza de la zona afectada por el calor (HAZ) después de la soldadura, no es necesario para los aceros inoxidables austeníticos.
Los efectos termotérmicos causados ​​por el tratamiento térmico y la soldadura tienen poco efecto sobre las propiedades mecánicas de los aceros inoxidables austeníticos.Sin embargo, el trabajo en frío puede mejorar las propiedades mecánicas de los aceros inoxidables austeníticos, como la resistencia y la dureza.Al doblar y formar tuberías de acero inoxidable austenítico, sus propiedades mecánicas cambian, incluida la disminución de la plasticidad del material.
Si el acero inoxidable austenítico requiere conformado en frío, el recocido en solución (calentamiento a aproximadamente 1045 °C seguido de enfriamiento rápido o templado) restaurará las propiedades mecánicas del material a sus valores originales.También eliminará la segregación de la aleación, la sensibilización y la fase sigma lograda después del trabajo en frío.Al realizar el recocido de solución, tenga en cuenta que el enfriamiento rápido puede volver a generar tensión residual en el material si no se maneja adecuadamente.
Consulte las tablas GR-2.1.1-1 Índice de especificación de materiales de ensamblaje de tubería y tubería y GR-2.1.1-2 Índice de especificación de materiales de tubería en ASME B31 para conocer las selecciones de materiales aceptables para el servicio H2.Las tuberías son un buen lugar para comenzar.
Con un peso atómico estándar de 1,008 unidades de masa atómica (uma), el hidrógeno es el elemento más ligero y pequeño de la tabla periódica y, por lo tanto, tiene una alta propensión a las fugas, con consecuencias potencialmente devastadoras, debo agregar.Por tanto, el sistema de gasoductos debe diseñarse de forma que se limiten las conexiones de tipo mecánico y se mejoren las conexiones que realmente se necesitan.
Al limitar los posibles puntos de fuga, el sistema debe soldarse por completo, excepto las conexiones bridadas en el equipo, los elementos de tubería y los accesorios.Las conexiones roscadas deben evitarse en la medida de lo posible, si no completamente.Si por alguna razón no se pueden evitar las conexiones roscadas, se recomienda acoplarlas por completo sin sellador de roscas y luego sellar la soldadura.Cuando se utilizan tuberías de acero al carbono, las uniones de las tuberías deben soldarse a tope y someterse a un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).Después de la soldadura, las tuberías en la zona afectada por el calor (HAZ) están expuestas al ataque del hidrógeno incluso a temperatura ambiente.Si bien el ataque de hidrógeno ocurre principalmente a altas temperaturas, la etapa PWHT reducirá por completo, si no eliminará, esta posibilidad incluso en condiciones ambientales.
El punto débil del sistema totalmente soldado es la conexión de brida.Para garantizar un alto grado de estanqueidad en las conexiones de las bridas, se deben utilizar juntas Kammprofile (fig. 4) u otro tipo de juntas.Hecha casi de la misma manera por varios fabricantes, esta almohadilla es muy tolerante.Consiste en anillos totalmente metálicos dentados intercalados entre materiales de sellado blandos y deformables.Los dientes concentran la carga del perno en un área más pequeña para proporcionar un ajuste perfecto con menos tensión.Está diseñado de tal manera que puede compensar las superficies irregulares de las bridas, así como las condiciones de funcionamiento fluctuantes.
Figura 4. Las juntas Kammprofile tienen un núcleo de metal adherido en ambos lados con un relleno blando.
Otro factor importante en la integridad del sistema es la válvula.Las fugas alrededor del sello del vástago y las bridas del cuerpo son un problema real.Para evitar esto, se recomienda seleccionar una válvula con sello de fuelle.
Utilice 1 pulgada.Tubería de acero al carbono School 80, en nuestro ejemplo a continuación, dadas las tolerancias de fabricación, corrosión y tolerancias mecánicas de acuerdo con ASTM A106 Gr B, la presión de trabajo máxima permitida (MAWP) se puede calcular en dos pasos a temperaturas de hasta 300 °F (Nota: el motivo de "... (1) requiere Ajuste a temperaturas superiores a 300ºF.)
Con referencia a la fórmula (1), el primer paso es calcular la presión de ruptura teórica de la tubería.
T = espesor de la pared de la tubería menos las tolerancias mecánicas, de corrosión y de fabricación, en pulgadas.
La segunda parte del proceso es calcular la presión de trabajo máxima permisible Pa de la tubería aplicando el factor de seguridad S f al resultado P de acuerdo con la ecuación (2):
Por lo tanto, cuando se utiliza material de escuela 80 de 1″, la presión de explosión se calcula de la siguiente manera:
Luego se aplica un Sf de seguridad de 4 de acuerdo con las Recomendaciones para recipientes a presión de ASME, Sección VIII-1 2019, Párrafo 8. UG-101 calculado de la siguiente manera:
El valor MAWP resultante es 810 psi.pulgadas se refiere únicamente a la tubería.La conexión de brida o componente con la calificación más baja en el sistema será el factor determinante para determinar la presión permitida en el sistema.
Según ASME B16.5, la presión de trabajo máxima permitida para accesorios de brida de acero al carbono 150 es de 285 psi.pulgada a -20°F a 100°F.La clase 300 tiene una presión de trabajo máxima permitida de 740 psi.Este será el factor de límite de presión del sistema de acuerdo con el ejemplo de especificación de material a continuación.Además, solo en pruebas hidrostáticas, estos valores pueden superar 1,5 veces.
Como ejemplo de una especificación básica de material de acero al carbono, una especificación de línea de servicio de gas H2 que opera a una temperatura ambiente por debajo de una presión de diseño de 740 psi.pulgadas, puede contener los requisitos de material que se muestran en la Tabla 2. Los siguientes son tipos que pueden requerir atención para ser incluidos en la especificación:
Además de las tuberías en sí, hay muchos elementos que componen el sistema de tuberías, como accesorios, válvulas, equipos de línea, etc. Si bien muchos de estos elementos se unirán en una tubería para discutirlos en detalle, esto requerirá más páginas de las que se pueden acomodar.Este artículo.