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 alta tendencia a fugas. Es una combinación de tendencias muy peligrosa y mortal, un líquido volátil difícil de controlar. Estas son tendencias que deben considerarse al elegir materiales, juntas y sellos, así como las características de diseño de dichos sistemas. Estos temas sobre la distribución del H₂ gaseoso son el foco de esta discusión, no la producción de H₂, H₂ líquido o H₂ líquido (véase el recuadro derecho).
Aquí tienes algunos puntos clave para comprender la mezcla de hidrógeno y H₂-aire. El hidrógeno se quema de dos maneras: por deflagración y por explosión.
Deflagración. La deflagración es un modo común de combustión en el que las llamas se propagan a través de la mezcla a velocidades subsónicas. Esto ocurre, por ejemplo, cuando una nube libre de hidrógeno y aire se enciende mediante una pequeña fuente de ignición. En este caso, la llama se desplaza a una velocidad de entre 3 y 60 metros por segundo. La rápida expansión del gas caliente crea ondas de presión cuya intensidad es proporcional al tamaño de la nube. En algunos casos, la fuerza de la onda expansiva puede ser suficiente para dañar estructuras de edificios y otros objetos a su paso, causando lesiones.
Explotar. Al explotar, las llamas y las ondas de choque recorrieron la mezcla a velocidades supersónicas. La relación de presiones en una onda de detonación es mucho mayor que en una detonación convencional. Debido a la mayor fuerza, la explosión es más peligrosa para las personas, los edificios y los objetos cercanos. Una deflagración normal causa una explosión al encenderse en un espacio confinado. En un área tan estrecha, la ignición puede ser causada por la menor cantidad de energía. Sin embargo, 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 presiones 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 equivale a 300 psi. Cuando esta onda de presión choca con un objeto estacionario, la relación de presiones aumenta a 40-60. Esto se debe a la reflexión de la onda de presión sobre un obstáculo estacionario.
Tendencia a fugas. Debido a su baja viscosidad y bajo peso molecular, el gas H₂ tiene una alta tendencia a fugas e incluso a permear diversos materiales.
El hidrógeno es 8 veces más ligero que el gas natural, 14 veces más ligero que el aire, 22 veces más ligero que el propano y 57 veces más ligero que el vapor de gasolina. Esto significa que, al instalarse en exteriores, el gas H₂ ascenderá y se disipará rápidamente, reduciendo cualquier indicio de fugas. Sin embargo, puede ser un arma de doble filo. Podría producirse una explosión si se realiza una soldadura en una instalación exterior por encima o a sotavento de una fuga de H₂ sin un estudio de detección de fugas previo. En un espacio cerrado, el gas H₂ puede ascender y acumularse desde el techo, lo que le permite acumularse en grandes cantidades antes de ser más propenso a entrar en contacto con fuentes de ignición cercanas al 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 conoce como "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 inflama 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 inflama 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 necesaria para iniciar la propagación de una llama a través de una mezcla combustible. La energía mínima de ignición es la energía mínima necesaria para encender una mezcla combustible específica a una temperatura y presión específicas. La energía mínima de ignición por chispa para H₂ gaseoso en 1 atm de aire es de 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Los límites de explosividad son las concentraciones máximas y mínimas de vapores, nieblas o polvos en el aire u oxígeno a las que se produce una explosión. El tamaño y la geometría del entorno, así como la concentración del combustible, determinan estos límites. «Límite de explosividad» se utiliza a veces como sinónimo de «límite de explosividad».
Los límites explosivos para mezclas de H2 en el aire son 18,3 vol.% (límite inferior) y 59 vol.% (límite superior).
Al diseñar sistemas de tuberías (Figura 1), el primer paso es determinar los materiales de construcción necesarios para cada tipo de fluido. Cada fluido se clasificará de acuerdo con el párrafo 300(b)(1) de la norma ASME B31.3. El artículo 300(b)(1) establece: «El propietario también es responsable de determinar las tuberías de clase D, M, alta presión y alta pureza, y de determinar si se debe utilizar un sistema de calidad específico».
La categorización de fluidos define el grado y el tipo de prueba requeridos, así como muchos otros requisitos según la categoría del fluido. La responsabilidad de esto suele recaer en el departamento de ingeniería del propietario o en un ingeniero externo.
Si bien el Código de Tuberías de Proceso B31.3 no indica al propietario qué material utilizar para un fluido en particular, sí proporciona orientación sobre la resistencia, el espesor y los requisitos de conexión del material. Además, dos declaraciones en la introducción del código establecen claramente:
Ampliando el primer párrafo anterior, el artículo B31.3. 300(b)(1) también establece: «El propietario de una instalación de tuberías es el único responsable de cumplir con este Código y de establecer los requisitos de diseño, construcción, inspección y pruebas que rigen toda la manipulación o proceso de fluidos del que forma parte la tubería. Instalación». Por lo tanto, tras establecer algunas normas básicas de responsabilidad y requisitos para definir las categorías de servicio de fluidos, veamos dónde encaja el gas hidrógeno.
Dado que el gas hidrógeno actúa como un líquido volátil con fugas, puede considerarse un líquido normal o un líquido de Clase M según la categoría B31.3 para servicios con líquidos. Como se indicó anteriormente, la clasificación de la manipulación de fluidos es un requisito del propietario, siempre que cumpla con las directrices para las categorías seleccionadas descritas en B31.3, párrafo 3. 300.2 Definiciones en la sección «Servicios hidráulicos». A continuación, se presentan las definiciones de servicio normal de fluidos y servicio de fluidos de 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.
(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 proporcionar la hermeticidad necesaria para proteger al personal de la exposición.
En la definición anterior de M, el gas hidrógeno no cumple los criterios del párrafo (1) porque no se considera un líquido tóxico. Sin embargo, al aplicar el inciso (2), el Código permite la clasificación de sistemas hidráulicos en la clase M tras considerar debidamente el diseño de las tuberías, la experiencia, las condiciones de operación y la ubicación. El propietario permite determinar el manejo normal de fluidos. Los requisitos son insuficientes para satisfacer la necesidad de un mayor nivel de integridad en el diseño, la construcción, la inspección y las pruebas de los sistemas de tuberías de gas hidrógeno.
Consulte la Tabla 1 antes de analizar la corrosión por hidrógeno a alta temperatura (HTHA). Esta tabla, que incluye seis documentos sobre la fragilización por hidrógeno (HE), una anomalía de corrosión común que incluye la HTHA, incluye códigos, normas y regulaciones. La OH puede presentarse a bajas y altas temperaturas. Considerada una forma de corrosión, puede iniciarse de diversas maneras y afectar a una amplia gama de materiales.
El HE tiene varias formas, que se pueden dividir en craqueo por hidrógeno (HAC), craqueo por tensión de hidrógeno (HSC), craqueo por corrosión bajo tensión (SCC), craqueo por corrosión de hidrógeno (HACC), borboteo de hidrógeno (HB), craqueo por hidrógeno (HIC). )), craqueo por hidrógeno orientado al estrés (SOHIC), craqueo progresivo (SWC), craqueo por tensión de sulfuro (SSC), craqueo por zona blanda (SZC) y corrosión por hidrógeno a alta temperatura (HTHA).
En su forma más simple, la fragilización por hidrógeno es un mecanismo de destrucción de los límites de grano del metal, lo que resulta en una reducción de la ductilidad debido a la penetración de hidrógeno atómico. Las formas en que esto ocurre son variadas y se definen en parte por sus respectivos nombres, como HTHA, donde se requiere hidrógeno a alta temperatura y alta presión simultáneamente para la fragilización, y SSC, donde el hidrógeno atómico se produce como gases cerrados e hidrógeno. Debido a la corrosión ácida, estos se filtran en las carcasas metálicas, lo que puede provocar fragilidad. Sin embargo, 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 admisible, lo que a su vez prepara el escenario para un evento potencialmente catastrófico dada la volatilidad del líquido.
Además del espesor de pared y el rendimiento mecánico de la unión, hay dos factores principales a considerar al seleccionar materiales para el servicio de gas H₂: 1. Exposición al hidrógeno a alta temperatura (HTHA) y 2. Preocupación por posibles fugas. Ambos temas se encuentran actualmente en debate.
A diferencia del hidrógeno molecular, el hidrógeno atómico puede expandirse, exponiéndolo a altas temperaturas y presiones, creando así la base para un posible 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 solución metálica para formar gas metano en los límites de grano. Al no poder escapar, el gas se expande, creando grietas y hendiduras en las paredes de las tuberías o recipientes: esto es HTGA. Los resultados del HTHA se pueden observar claramente en la Figura 2, donde se observan grietas y fisuras en la pared de 8″. La porción de tubería de tamaño nominal (NPS) que falla en estas condiciones.
El acero al carbono puede utilizarse para hidrógeno cuando la temperatura de operación se mantiene por debajo de 260 °C. Como se mencionó anteriormente, el HTHA se produce cuando el hidrógeno se mantiene a alta presión parcial y temperatura. No se recomienda el acero al carbono cuando se espera que la presión parcial del hidrógeno sea de aproximadamente 2900 psi y la temperatura supere los 232 °C (que corresponde a la condición de accidente de la Figura 2).
Como se puede observar en el diagrama de Nelson modificado de la Figura 3, tomado parcialmente de la norma API 941, la alta temperatura tiene el mayor efecto en el forzamiento del hidrógeno. La presión parcial del gas hidrógeno puede superar los 1000 psi cuando se utiliza con aceros al carbono que operan a temperaturas de hasta 500 °F.
Figura 3. Esta carta de Nelson modificada (adaptada de API 941) se puede utilizar para seleccionar materiales adecuados para el servicio de hidrógeno a distintas temperaturas.
La figura 3 muestra la selección de aceros que garantizan la resistencia al ataque por hidrógeno, en función de la temperatura de operación y la presión parcial de hidrógeno. Los aceros inoxidables austeníticos son insensibles al ataque por hidrógeno y son materiales adecuados a cualquier temperatura y presión.
El acero inoxidable austenítico 316/316L es el material más práctico para aplicaciones de hidrógeno y cuenta con una trayectoria comprobada. Si bien se recomienda el tratamiento térmico post-soldadura (PWHT) para aceros al carbono con el fin de calcinar el hidrógeno residual durante la soldadura y reducir la dureza de la zona afectada por el calor (ZAC) 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 en 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 conformar tubos de acero inoxidable austenítico, sus propiedades mecánicas se ven modificadas, incluyendo la disminución de la plasticidad del material.
Si el acero inoxidable austenítico requiere conformado en frío, el recocido por disolución (calentamiento a aproximadamente 1045 °C seguido de temple o enfriamiento rápido) restaurará las propiedades mecánicas del material a sus valores originales. También eliminará la segregación de la aleación, la sensibilización y la fase sigma que se producen tras el conformado en frío. Al realizar el recocido por disolución, tenga en cuenta que el enfriamiento rápido puede reintroducir tensiones residuales en el material si no se maneja correctamente.
Consulte las tablas GR-2.1.1-1 Índice de especificaciones de materiales para conjuntos de tuberías y tuberías y GR-2.1.1-2 Índice de especificaciones de materiales para tuberías 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, presenta una alta propensión a fugas, con consecuencias potencialmente devastadoras, debo añadir. Por lo tanto, el sistema de gasoductos debe diseñarse de forma que se limiten las conexiones mecánicas y se mejoren las conexiones realmente necesarias.
Para limitar los posibles puntos de fuga, el sistema debe estar completamente soldado, excepto las conexiones bridadas de equipos, elementos de tubería y accesorios. Las conexiones roscadas deben evitarse en la medida de lo posible, o incluso por completo. Si por algún motivo no se pueden evitar, se recomienda enroscarlas completamente sin sellador de roscas y luego sellar la soldadura. Al utilizar tuberías de acero al carbono, las uniones deben soldarse a tope y someterse a un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Tras la soldadura, las tuberías en la zona afectada por el calor (ZAC) están expuestas al ataque por hidrógeno, incluso a temperatura ambiente. Si bien el ataque por hidrógeno ocurre principalmente a altas temperaturas, la etapa de PWHT reducirá por completo, o incluso eliminará, esta posibilidad, incluso en condiciones ambientales.
El punto débil del sistema totalmente soldado es la conexión de la brida. Para garantizar un alto grado de estanqueidad en las conexiones de la brida, se deben utilizar juntas Kammprofile (fig. 4) u otro tipo de juntas. Fabricada prácticamente de la misma manera por varios fabricantes, esta junta es muy flexible. Consiste en anillos 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 firme con menor tensión. Su diseño permite compensar las superficies irregulares de la brida, así como las condiciones de funcionamiento fluctuantes.
Figura 4. Las juntas Kammprofile tienen un núcleo de metal unido en ambos lados con un relleno suave.
Otro factor importante para la integridad del sistema es la válvula. Las fugas alrededor del sello del vástago y las bridas del cuerpo son un problema real. Para evitarlo, se recomienda seleccionar una válvula con sello de fuelle.
Utilice una tubería de acero al carbono School 80 de 1 pulgada. En nuestro ejemplo a continuación, dadas las tolerancias de fabricación, corrosión y mecánicas de acuerdo con la norma ASTM A106 Gr B, la presión máxima de trabajo admisible (MAWP) se puede calcular en dos pasos a temperaturas de hasta 300 °F (Nota: La razón para "…para temperaturas de hasta 300 °F…” es que la tensión admisible (S) del material ASTM A106 Gr B comienza a deteriorarse cuando la temperatura supera los 300 °F (S), por lo que la ecuación (1) requiere un ajuste a temperaturas superiores a 300 °F).
En 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 máxima de trabajo admisible Pa de la tubería aplicando el factor de seguridad S f al resultado P según la ecuación (2):
Así, al utilizar material escolar 80 de 1″, la presión de rotura se calcula de la siguiente manera:
Luego se aplica un Sf de seguridad de 4 de acuerdo con las Recomendaciones de recipientes a presión ASME Sección VIII-1 2019, Párrafo 8. UG-101 calculado de la siguiente manera:
El valor de presión máxima de trabajo (MAWP) resultante es de 810 psi. La pulgada se refiere únicamente a la tubería. La conexión de brida o el componente con la menor clasificación del sistema será el factor determinante para determinar la presión admisible.
Según ASME B16.5, la presión de trabajo máxima admisible para accesorios de brida de acero al carbono de 150 mm es de 285 psi a una temperatura de -20 °F a 100 °F. La clase 300 tiene una presión de trabajo máxima admisible de 740 psi. Este será el factor límite de presión del sistema según el ejemplo de especificación de material a continuación. Además, solo en pruebas hidrostáticas, estos valores pueden superarse 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 por pulgada, 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, existen muchos elementos que conforman el sistema de tuberías, como accesorios, válvulas, equipos de línea, etc. Si bien muchos de estos elementos se integrarán en una tubería para analizarlos en detalle, esto requerirá más páginas de las que caben. Este artículo.