Este resumen ofrece recomendaciones para el diseño seguro de sistemas de tuberías para la distribución de hidrógeno.
El hidrógeno es un líquido altamente volátil con una gran tendencia a las fugas. Se trata de una combinación de características muy peligrosa y letal, un líquido volátil difícil de controlar. Estas son tendencias que deben tenerse en cuenta al elegir materiales, juntas y sellos, así como las características de diseño de dichos sistemas. El enfoque de esta discusión se centra en la distribución del H₂ gaseoso, no en la producción de H₂ líquido (véase el recuadro de la derecha).
Aquí hay algunos puntos clave para ayudarte a comprender la mezcla de hidrógeno y H2-aire. El hidrógeno arde de dos maneras: deflagración y explosión.
Deflagración. La deflagración es un modo de combustión común en el que las llamas se propagan a través de la mezcla a velocidades subsónicas. Esto ocurre, por ejemplo, cuando una nube libre de mezcla de hidrógeno y aire se enciende mediante una pequeña fuente de ignición. En este caso, la llama se desplazará a una velocidad de entre diez y varios cientos de pies 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 de choque puede ser suficiente para dañar estructuras de edificios y otros objetos a su paso, además de causar lesiones.
Explosión. Al explotar, llamas y ondas de choque se propagaron a través de la mezcla a velocidades supersónicas. La relación de presión en una onda de detonación es mucho mayor que en una detonación normal. Debido a la mayor fuerza, la explosión es más peligrosa para las personas, los edificios y los objetos cercanos. La deflagración normal provoca una explosión al encenderse en un espacio confinado. En un área tan reducida, la ignición puede producirse con una cantidad mínima de energía. Pero para la detonación de una mezcla de hidrógeno y aire en un espacio ilimitado, se requiere una fuente de ignición mucho más potente.
La relación de presión a través 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 presión aumenta a entre 40 y 60. Esto se debe a la reflexión de la onda de presión en el obstáculo fijo.
Tendencia a las fugas. Debido a su baja viscosidad y bajo peso molecular, el gas H2 tiene una alta tendencia a las fugas e incluso a permear o penetrar 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 se eleva y se disipa rápidamente, reduciendo cualquier indicio de fugas. Sin embargo, puede ser un arma de doble filo. Podría producirse una explosión si se realiza soldadura en una instalación exterior situada sobre o a sotavento de una fuga de H2 sin un estudio previo de detección de fugas. En un espacio cerrado, el gas H2 puede ascender y acumularse desde el techo hacia abajo, lo que permite que alcance 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 inflama espontáneamente sin una fuente de ignición externa. 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 polvo es la temperatura a la que se inflama espontáneamente en ausencia de un agente oxidante. La temperatura de autoignición del hidrógeno 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 determinada a una temperatura y presión específicas. La energía mínima de ignición por chispa para el 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 o el oxígeno a las que se produce una explosión. El tamaño y la geometría del entorno, así como la concentración del combustible, determinan estos límites. En ocasiones, se utiliza el término «límite de explosión» como sinónimo de «límite de explosión».
Los límites de explosividad 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. Cada fluido se clasificará de acuerdo con el párrafo 300(b)(1) de la norma ASME B31.3, que establece: «El propietario también es responsable de determinar las tuberías de clase D, M, de alta presión y de 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 pruebas necesarias, así como otros requisitos según la categoría del fluido. Generalmente, esta responsabilidad recae 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, en la introducción del código hay dos declaraciones que establecen claramente:
Y ampliando el primer párrafo anterior, el párrafo 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 todo el manejo de fluidos o procesos de los cuales la tubería es parte. 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 hidrógeno.
Debido a que el hidrógeno gaseoso se comporta como un líquido volátil con fugas, puede considerarse un líquido normal o un líquido de Clase M según la categoría B31.3 para servicio de líquidos. Como se indicó anteriormente, la clasificación del manejo 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 para servicio de fluidos normal y servicio de fluidos de Clase M:
“Servicio normal de fluidos: Servicio de fluidos aplicable a la mayoría de las tuberías sujetas a este código, es decir, no sujeto a las regulaciones para las clases D, M, alta temperatura, alta presión o alta limpieza del fluido.
(1) La toxicidad del fluido es tan grande que una sola exposición a una cantidad muy pequeña del mismo, causada por una fuga, puede provocar lesiones permanentes graves a quienes lo inhalen o entren en contacto con él, incluso si se toman medidas de recuperación inmediatas.
(2) Tras considerar el diseño del oleoducto, 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 estanqueidad necesaria para proteger al personal de la exposición.
En la definición anterior de M, el gas hidrógeno no cumple con 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 después de considerar debidamente “…el diseño de la tubería, la experiencia, las condiciones de operación y la ubicación…”. El propietario permite la determinación del manejo normal del fluido. Los requisitos son insuficientes para satisfacer la necesidad de un mayor nivel de integridad en el diseño, construcción, inspección y prueba de los sistemas de tuberías de gas hidrógeno.
Consulte la Tabla 1 antes de hablar sobre la corrosión por hidrógeno a alta temperatura (HTHA). En esta tabla se enumeran códigos, normas y reglamentos, incluyendo seis documentos sobre la fragilización por hidrógeno (HE), una anomalía común de la corrosión que incluye la HTHA. La corrosión por hidrógeno (OH) puede ocurrir a bajas y altas temperaturas. Considerada una forma de corrosión, puede iniciarse de diversas maneras y 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). )), agrietamiento por hidrógeno orientado por tensión (SOHIC), agrietamiento progresivo (SWC), agrietamiento por tensión de sulfuro (SSC), agrietamiento de 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 grano del metal, lo que resulta en una ductilidad reducida debido a la penetración de hidrógeno atómico. Las formas en que esto ocurre son variadas y están definidas 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 el hidrógeno atómico se produce como gases cerrados y el hidrógeno, debido a la corrosión ácida, se filtra en las capas metálicas, lo que puede provocar fragilidad. 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 admisible, lo que a su vez crea las condiciones para un evento potencialmente catastrófico dada la volatilidad del líquido.
Además del espesor de la pared y el rendimiento de las juntas mecánicas, existen dos factores principales a considerar al seleccionar materiales para el servicio de gas H2: 1. La exposición a hidrógeno a alta temperatura (HTHA) y 2. La preocupación por posibles fugas. Ambos temas se encuentran actualmente en debate.
A diferencia del hidrógeno molecular, el hidrógeno atómico puede expandirse, exponiéndose a altas temperaturas y presiones, lo que crea las bases para un posible HTHA. En estas condiciones, el hidrógeno atómico puede difundirse en los materiales de tuberías o equipos 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 fisuras en las paredes de las tuberías o recipientes; esto es HTGA. Puede ver claramente los resultados del HTHA en la Figura 2, donde se aprecian grietas y fisuras en la pared de 8″. La porción de tubería de tamaño nominal (NPS) que falla bajo estas condiciones.
El acero al carbono puede utilizarse para el servicio de hidrógeno cuando la temperatura de operación se mantiene por debajo de 500 °F. Como se mencionó anteriormente, el HTHA se produce cuando el gas hidrógeno se mantiene a alta presión parcial y alta temperatura. No se recomienda el uso de acero al carbono cuando se prevé que la presión parcial del hidrógeno ronde los 3000 psi y la temperatura supere los 450 °F (que es la condición de accidente que se muestra en la Figura 2).
Como se puede observar en el diagrama de Nelson modificado de la Figura 3, tomado en parte de la norma API 941, la alta temperatura tiene el mayor efecto sobre la acción 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. Este diagrama de Nelson modificado (adaptado de la norma API 941) puede utilizarse para seleccionar materiales adecuados para el servicio con hidrógeno a diversas temperaturas.
La figura 3 muestra la selección de aceros que garantizan evitar el ataque por hidrógeno, según la temperatura de operación y la presión parcial de hidrógeno. Los aceros inoxidables austeníticos son insensibles al ataque por hidrógeno a alta temperatura y son materiales satisfactorios a todas las temperaturas y presiones.
El acero inoxidable austenítico 316/316L es el material más práctico para aplicaciones con hidrógeno y cuenta con una trayectoria comprobada. Si bien se recomienda el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para los 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 derivados del tratamiento térmico y la soldadura tienen poca influencia en las propiedades mecánicas de los aceros inoxidables austeníticos. Sin embargo, el trabajo en frío puede mejorar dichas propiedades, como la resistencia y la dureza. Al doblar y conformar tubos de acero inoxidable austenítico, sus propiedades mecánicas se modifican, incluyendo una disminución de la plasticidad del material.
Si el acero inoxidable austenítico requiere conformado en frío, el recocido de solución (calentamiento a aproximadamente 1045 °C seguido de enfriamiento rápido) restaurará las propiedades mecánicas del material a sus valores originales. También eliminará la segregación de aleación, la sensibilización y la fase sigma que se producen tras el trabajo en frío. Al realizar el recocido de solución, tenga en cuenta que el enfriamiento rápido puede reintroducir tensiones residuales en el material si no se maneja adecuadamente.
Consulte las tablas GR-2.1.1-1 Índice de especificaciones de materiales para ensamblajes de tuberías y tubos y GR-2.1.1-2 Índice de especificaciones de materiales para tuberías en ASME B31 para obtener selecciones de materiales aceptables para el servicio H2. Las tuberías son un buen punto de partida.
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 fugarse, con consecuencias potencialmente devastadoras. Por consiguiente, el sistema de gasoductos debe diseñarse de manera que se limiten las conexiones mecánicas y se mejoren las que sean realmente necesarias.
Para limitar los posibles puntos de fuga, el sistema debe estar completamente soldado, excepto las conexiones bridadas en equipos, elementos de tubería y accesorios. Deben evitarse las conexiones roscadas en la medida de lo posible, si no por completo. Si por alguna razón no se pueden evitar las conexiones roscadas, se recomienda acoplarlas completamente sin sellador de roscas y luego sellar la soldadura. Cuando se utiliza tubería de acero al carbono, las juntas de tubería 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 (ZAC) están expuestas al ataque de hidrógeno incluso a temperatura ambiente. Si bien el ataque de hidrógeno ocurre principalmente a altas temperaturas, la etapa de PWHT reducirá por completo, si no elimina, esta posibilidad incluso en condiciones ambientales.
El punto débil del sistema totalmente soldado reside en la conexión de brida. Para garantizar un alto grado de estanqueidad en las conexiones de brida, se deben utilizar juntas Kammprofile (fig. 4) u otro tipo de juntas. Fabricada prácticamente de la misma manera por varios fabricantes, esta almohadilla es muy tolerante. Consta de anillos metálicos dentados intercalados entre materiales de sellado blandos y deformables. Los dientes concentran la carga del perno en un área menor para proporcionar un ajuste preciso con menor tensión. Está diseñada para compensar superficies de brida irregulares, así como condiciones de funcionamiento fluctuantes.
Figura 4. Las juntas Kammprofile tienen un núcleo metálico unido por ambos lados con un material de relleno blando.
Otro factor importante para la integridad del sistema es la válvula. Las fugas alrededor del sello del vástago y las bridas del cuerpo representan un problema grave. Para evitarlo, se recomienda seleccionar una válvula con sello de fuelle.
Utilice tubería de acero al carbono de 1 pulgada, escuela 80. En nuestro ejemplo a continuación, dadas las tolerancias de fabricación, corrosión y mecánicas de acuerdo con 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 de "...para temperaturas de hasta 300 °F..." es porque 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 teórica de rotura 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 consiste en 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):
Por lo tanto, cuando se utiliza material de 1″ de la escuela 80, la presión de rotura se calcula de la siguiente manera:
Luego se aplica un factor de seguridad Sf de 4 de acuerdo con la Sección VIII-1 2019, Párrafo 8 de las Recomendaciones para Recipientes a Presión de la ASME. UG-101 se calcula de la siguiente manera:
El valor de MAWP resultante es de 810 psi. La pulgada se refiere únicamente a la tubería. La conexión de brida o el componente con la clasificación más baja en el sistema será el factor determinante para establecer la presión admisible en el sistema.
Según la norma ASME B16.5, la presión máxima de trabajo admisible para las bridas de acero al carbono 150 es de 285 psi·pulg a -20 °F a 100 °F. La clase 300 tiene una presión máxima de trabajo admisible de 740 psi. Este será el factor límite de presión del sistema según el ejemplo de especificación de material que se muestra 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 para una línea de servicio de gas H2 que opera a una temperatura ambiente inferior a una presión de diseño de 740 psi·pulg² 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 la tubería propiamente dicha, existen muchos elementos que conforman el sistema de tuberías, como accesorios, válvulas, equipos de línea, etc. Si bien muchos de estos elementos se agruparán en un artículo sobre tuberías para analizarlos en detalle, esto requeriría más páginas de las que se pueden incluir aquí. Este artículo.