Ce document présente des recommandations pour la conception sûre des systèmes de tuyauterie destinés à la distribution d'hydrogène.
L'hydrogène est un liquide très volatil présentant un risque élevé de fuite. Cette combinaison de facteurs, à la fois dangereuse et potentiellement mortelle, est à prendre en compte lors du choix des matériaux, des joints et des garnitures d'étanchéité, ainsi que lors de la conception des systèmes. Cette discussion porte sur la distribution de l'hydrogène gazeux (H₂) et non sur sa production (voir 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 où les flammes se propagent à des vitesses subsoniques dans le mélange. Cela se produit, par exemple, lorsqu'un nuage de mélange hydrogène-air s'enflamme au contact d'une petite source d'ignition. Dans ce cas, la flamme se déplace à une vitesse de trois à plusieurs centaines de mètres par seconde. L'expansion rapide des gaz chauds 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.
Lors de l'explosion, des flammes et des ondes de choc se propagent à travers le mélange à des vitesses supersoniques. Le rapport de pression dans une onde de détonation est bien supérieur à celui d'une détonation classique. Du fait de cette force accrue, l'explosion est plus dangereuse pour les personnes, les bâtiments et les objets environnants. Une déflagration normale provoque une explosion lorsqu'elle s'amorce dans un espace confiné. Dans un espace aussi restreint, une infime quantité d'énergie suffit à déclencher l'inflammation. En revanche, la détonation d'un mélange hydrogène-air dans un espace illimité requiert une source d'inflammation beaucoup plus puissante.
Le rapport de pression de part et d'autre de l'onde de détonation dans un mélange hydrogène-air est d'environ 20. À pression atmosphérique, un rapport de 20 correspond à 300 psi. Lorsque cette onde de pression rencontre un objet immobile, le rapport de pression augmente jusqu'à 40-60. Ceci est dû à la réflexion de l'onde de pression par l'obstacle.
Tendance aux fuites. En raison de sa faible viscosité et de son faible poids moléculaire, le gaz H2 a une forte tendance à fuir et même à imprégner ou pénétrer 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. Ainsi, installé en extérieur, le gaz H₂ s'élève et se dissipe rapidement, réduisant ainsi les risques de fuites, même minimes. Cependant, cette caractéristique peut s'avérer dangereuse. Une explosion peut se produire lors de travaux de soudage effectués sur une installation extérieure située au-dessus ou sous le vent d'une fuite d'hydrogène, sans avoir préalablement effectué une recherche de fuites. Dans un espace clos, le gaz H₂ peut s'élever et s'accumuler du plafond vers le bas, ce qui lui permet d'atteindre des volumes importants avant d'entrer en contact avec des sources d'inflammation proches du sol.
Incendie accidentel. L'auto-inflammation est un phénomène où un mélange de gaz ou de vapeurs s'enflamme spontanément, sans source d'ignition externe. On parle aussi 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 au contact de l'air ou d'un oxydant, en l'absence de toute source d'inflammation externe. La température d'auto-inflammation d'une poudre est la température à laquelle elle s'enflamme spontanément en l'absence d'oxydant. La température d'auto-inflammation du dihydrogène (H₂) 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 d'inflammation minimale est l'énergie minimale requise pour enflammer un mélange combustible donné à une température et une pression données. L'énergie d'inflammation minimale par étincelle pour le dihydrogène 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. Ces limites dépendent de la taille et de la géométrie de l'environnement, ainsi que de la concentration du combustible. « 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 des systèmes de tuyauterie (Figure 1), la première étape consiste à déterminer les matériaux de construction nécessaires pour chaque type de fluide. Chaque fluide sera ensuite classé conformément à la norme ASME B31.3, paragraphe 300(b)(1), qui stipule : « Il incombe également au propriétaire de déterminer les classes de tuyauterie D, M, haute pression et haute pureté, et de définir si un système qualité particulier doit être utilisé. »
La catégorisation des fluides définit le niveau et le type d'essais requis, ainsi que de nombreuses autres exigences propres à chaque catégorie. Cette responsabilité incombe généralement au bureau d'études du propriétaire ou à un ingénieur externe.
Bien que le code B31.3 relatif aux tuyauteries industrielles ne précise pas le matériau à utiliser pour un fluide donné, il fournit des indications sur la résistance, l'épaisseur et les exigences de raccordement. Deux énoncés dans l'introduction du code stipulent clairement :
Pour compléter 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 et d’essai régissant la manutention ou le traitement de tous les fluides dont le pipeline fait partie. » Après avoir établi les règles de base en matière de responsabilité et les exigences relatives à la définition des catégories de services de fluides, examinons maintenant la place de l’hydrogène gazeux.
L'hydrogène gazeux se comportant comme un liquide volatil susceptible de fuir, il peut être considéré comme un liquide normal ou un liquide de classe M selon la catégorie B31.3 relative aux fluides de service. Comme indiqué précédemment, la classification de la manipulation des fluides relève de la responsabilité du propriétaire, à condition qu'elle respecte les directives des catégories sélectionnées décrites au paragraphe 3 de la section B31.3. Définitions 300.2 de la section « Services hydrauliques ». Les définitions suivantes s'appliquent aux fluides de service normaux et aux fluides de classe M :
« Service de fluide normal : Service de 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 des fluides.
(1) La toxicité du liquide est telle qu'une seule exposition à une très petite quantité de ce liquide, provoquée par une fuite, peut causer des lésions permanentes graves à ceux qui l'inhalent ou entrent en contact avec lui, même si des mesures de rétablissement immédiates sont prises.
(2) Après avoir examiné la conception du pipeline, l’expérience acquise, les conditions d’exploitation et l’emplacement, le propriétaire détermine que les exigences relatives à l’utilisation normale du fluide ne suffisent pas à assurer l’étanchéité nécessaire pour protéger le personnel contre l’exposition.
Dans la définition de la classe 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 application du paragraphe (2), le Code autorise le classement des systèmes hydrauliques en classe M après examen attentif de la conception de la tuyauterie, de l'expérience acquise, des conditions d'exploitation et de l'emplacement. Le propriétaire se réserve le droit de déterminer les conditions normales de manipulation des fluides. Les exigences actuelles 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 (CHHT). Ce tableau répertorie les codes, normes et réglementations, dont six documents relatifs à la fragilisation par l'hydrogène (FH), une anomalie de corrosion courante incluant la CHHT. La corrosion par l'hydrogène peut se produire à basse et haute température. Considérée comme une forme de corrosion, elle peut être amorcée de diverses manières et affecter une large gamme de matériaux.
L'hydrogène (HE) se présente sous diverses formes, qui peuvent être divisées en fissuration par l'hydrogène (HAC), fissuration sous contrainte par l'hydrogène (HSC), fissuration par corrosion sous contrainte (SCC), fissuration par corrosion sous l'hydrogène (HACC), bullage d'hydrogène (HB), fissuration par l'hydrogène (HIC), fissuration par l'hydrogène orientée sous contrainte (SOHIC), fissuration progressive (SWC), fissuration sous contrainte par les sulfures (SSC), fissuration en zone molle (SZC) et corrosion par 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 d'hydrogène atomique. Les modalités de ce phénomène sont variées et sont en partie définies par leurs appellations respectives, telles que la fragilisation par l'hydrogène à haute température et haute pression (HTHA), où la fragilisation nécessite simultanément de l'hydrogène à haute température et haute pression, et la fragilisation par corrosion sous contrainte (SSC), où l'hydrogène atomique est produit sous forme de gaz et d'hydrogène par corrosion acide. Ces gaz s'infiltrent dans les couches métalliques, ce qui peut engendrer une fragilisation. Le résultat global est cependant le même que pour tous les cas de fragilisation par l'hydrogène décrits précédemment : la résistance du métal est réduite par fragilisation en dessous de sa limite de contrainte admissible, ce qui, compte tenu de la volatilité du liquide, peut conduire à un événement potentiellement catastrophique.
Outre l'épaisseur des parois et les performances des joints mécaniques, deux facteurs principaux sont à prendre en compte lors du choix des matériaux pour une utilisation avec du gaz H2 : 1. l'exposition à l'hydrogène à haute température (HTHA) et 2. les risques importants de fuites. Ces deux points font actuellement l'objet de discussions.
Contrairement à l'hydrogène moléculaire, l'hydrogène atomique peut se dilater, s'exposant ainsi à des températures et des pressions élevées, ce qui crée un risque de corrosion par hydrogène à haute température (HTHA). Dans ces conditions, l'hydrogène atomique diffuse dans les tuyauteries ou les équipements 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 réservoirs : c'est la corrosion par hydrogène à haute température (HTGA). Les conséquences de la HTHA sont clairement visibles sur la figure 2, où des fissures sont clairement visibles dans la paroi de 8 pouces. Il s'agit de la portion de tuyau de diamètre nominal (NPS) qui cède dans ces conditions.
L'acier au carbone peut être utilisé pour la production d'hydrogène lorsque la température de fonctionnement est maintenue en dessous de 260 °C (500 °F). Comme indiqué précédemment, l'accident de combustion d'hydrogène à haute température (HTHA) se produit lorsque l'hydrogène est maintenu à haute pression partielle et à haute température. L'acier au carbone est déconseillé lorsque la pression partielle d'hydrogène est estimée à environ 207 bars (3 000 psi) et que la température dépasse environ 230 °C (450 °F), ce qui correspond aux conditions d'accident illustrées à la figure 2.
Comme le montre le diagramme de Nelson modifié (figure 3), inspiré en partie de la norme API 941, la température élevée a l'influence la plus importante sur le forçage par 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 (260 °C).
Figure 3. Ce diagramme de Nelson modifié (adapté de l'API 941) peut être utilisé pour sélectionner des matériaux appropriés pour le service de l'hydrogène à différentes températures.
La figure 3 illustre le choix des aciers garantissant leur résistance à la corrosion par l'hydrogène, en fonction de la température de service et de la pression partielle d'hydrogène. Les aciers inoxydables austénitiques sont insensibles à la corrosion par l'hydrogène à haute température (HTHA) et constituent des matériaux performants à toutes les températures et pressions.
L'acier inoxydable austénitique 316/316L est le matériau le plus adapté aux applications impliquant l'hydrogène et son efficacité est éprouvée. Si le traitement thermique après soudage (TTAS) 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 nécessaire pour les aciers inoxydables austénitiques.
Les effets thermothermiques induits par les traitements thermiques et le soudage ont peu d'influence sur les propriétés mécaniques des aciers inoxydables austénitiques. En revanche, l'écrouissage permet d'améliorer ces propriétés, notamment la résistance et la dureté. Le cintrage et le formage de tubes en acier inoxydable austénitique modifient leurs propriétés mécaniques, notamment par une diminution de la plasticité du matériau.
Si l'acier inoxydable austénitique nécessite un formage à froid, une mise en solution (chauffage à environ 1045 °C suivi d'une trempe ou d'un refroidissement rapide) permettra de restaurer les propriétés mécaniques du matériau à leurs valeurs initiales. Elle éliminera également la ségrégation d'alliage, la sensibilisation et la phase sigma apparues après l'écrouissage. Lors d'une mise en solution, il convient de noter qu'un refroidissement rapide peut réintroduire des contraintes résiduelles dans le matériau s'il n'est pas maîtrisé.
Consultez les tableaux GR-2.1.1-1 (Index des spécifications des matériaux d'assemblage de tuyauterie) et GR-2.1.1-2 (Index des spécifications des matériaux de tuyauterie) de la norme ASME B31 pour connaître les matériaux acceptables pour le service H2. Les tuyaux constituent un bon point de départ.
Avec une masse atomique standard de 1,008 unité de masse atomique (u), l'hydrogène est l'élément le plus léger et le plus petit du tableau périodique. De ce fait, il présente une forte propension aux fuites, avec des conséquences potentiellement dévastatrices. Par conséquent, le réseau de gazoducs doit être conçu de manière à limiter les raccordements mécaniques et à optimiser ceux qui sont réellement nécessaires.
Pour limiter les risques de fuite, le système doit être entièrement soudé, à l'exception des raccords à brides sur les équipements, les éléments de tuyauterie et les raccords. Les raccords filetés doivent être évités autant que possible, voire totalement. Si leur utilisation est inévitable, il est recommandé de les visser complètement sans produit d'étanchéité, puis de sceller la soudure. Lors de l'utilisation de tubes en acier au carbone, les joints doivent être soudés bout à bout et soumis à un traitement thermique après soudage (TTAS). Après soudage, la zone affectée thermiquement (ZAT) des tubes est exposée à la corrosion par l'hydrogène, même à température ambiante. Bien que cette corrosion se produise principalement à haute température, le TTAS réduit considérablement, voire élimine, ce risque, même dans des conditions ambiantes.
Le point faible du système entièrement soudé réside dans le raccordement des brides. Pour garantir une étanchéité optimale, il convient d'utiliser des joints Kammprofile (fig. 4) ou un autre type de joint. Fabriqué de manière quasi identique par plusieurs constructeurs, ce joint est très tolérant. Il se compose d'anneaux métalliques dentés pris en sandwich entre des matériaux d'étanchéité souples et déformables. Les dents concentrent la charge du boulon sur une surface réduite, assurant ainsi un serrage précis avec moins de contraintes. Sa conception lui permet de compenser les irrégularités des surfaces des brides ainsi que les variations des conditions de fonctionnement.
Figure 4. Les joints Kammprofile ont un noyau métallique collé des deux côtés avec un matériau de remplissage souple.
Un autre facteur important pour l'intégrité du système est la vanne. Les fuites au niveau du joint de tige et des brides du corps constituent un problème réel. Pour les éviter, il est recommandé de choisir une vanne à soufflet.
Utilisez un tuyau en acier au carbone de 1 pouce (25,4 mm) de type School 80. Dans notre exemple ci-dessous, compte tenu des tolérances de fabrication, de corrosion et mécaniques 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 de « …pour des températures allant jusqu'à 300 °F… » est que la contrainte admissible (S) du matériau ASTM A106 Gr B commence à se dégrader lorsque la température dépasse 300 °F (S), l'équation (1) doit donc être ajustée aux températures supérieures à 300 °F).
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 de la canalisation en appliquant le facteur de sécurité S f au résultat P selon l'équation (2) :
Ainsi, lorsqu'on utilise du matériau de 1″ de type scolaire 80, la pression d'éclatement est calculée comme suit :
Un coefficient de sécurité Sf de 4 est ensuite appliqué conformément à la section VIII-1 2019, paragraphe 8, des recommandations ASME relatives aux appareils à pression. UG-101 est calculé comme suit :
La valeur MAWP résultante est de 810 psi. Cette valeur se réfère uniquement à la tuyauterie. Le raccord à bride ou le composant présentant la pression nominale la plus faible du système déterminera la pression admissible dans ce dernier.
Conformément à la norme ASME B16.5, la pression de service maximale admissible pour les raccords à brides en acier au carbone de classe 150 est de 285 psi (29,6 bar) entre -20 °F et 100 °F (-29 °C et 38 °C). La classe 300 a une pression de service maximale admissible de 740 psi (50 bar). Ce facteur correspond à la limite de pression du système, conformément à l'exemple de spécification des matériaux ci-dessous. De plus, lors des essais hydrostatiques uniquement, ces valeurs peuvent dépasser 1,5 fois la limite de pression maximale admissible.
À titre d'exemple de spécification de base pour un matériau en acier au carbone, une spécification pour une conduite de gaz H2 fonctionnant à une température ambiante inférieure à une pression de conception de 740 psi (4,8 bar) peut contenir les exigences relatives aux matériaux présentées dans le tableau 2. Les éléments suivants peuvent nécessiter une attention particulière et doivent 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 nous puissions aborder en détail la plupart de ces éléments dans un pipeline, cela nécessiterait un nombre de pages trop important pour cet article.