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 fuoriuscire. Si tratta di una combinazione di caratteristiche molto pericolosa e letale, un liquido volatile difficile da controllare. Questi sono aspetti da considerare nella scelta dei materiali, delle guarnizioni e delle tenute, nonché nelle caratteristiche di progettazione di tali sistemi. In questa discussione ci concentreremo su questi argomenti relativi alla distribuzione dell'idrogeno gassoso, non sulla produzione di H2, H2 liquido o H2 gassoso (vedi riquadro a 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 si propagano attraverso la miscela a velocità subsoniche. Ciò si verifica, ad esempio, quando una nube libera di miscela idrogeno-aria viene innescata da una piccola fonte di accensione. In questo caso, la fiamma si muoverà a una velocità compresa tra dieci e diverse centinaia di piedi 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 strutture edilizie e altri oggetti sul suo percorso e a causare lesioni.
esplodere. Quando esplode, fiamme e onde d'urto si propagano attraverso la miscela a velocità supersoniche. Il rapporto di pressione in un'onda di detonazione è molto maggiore rispetto a quello di una normale detonazione. A causa della maggiore forza, l'esplosione è più pericolosa per persone, edifici e oggetti vicini. Una normale deflagrazione provoca un'esplosione quando si innesca in uno spazio confinato. In un'area così ristretta, l'innesco può essere causato da una quantità minima di energia. Ma per la detonazione di una miscela di idrogeno e aria in uno spazio illimitato, è necessaria una fonte di innesco molto più potente.
Il rapporto di pressione attraverso l'onda di detonazione in una miscela di idrogeno e aria è di circa 20. Alla pressione atmosferica, un rapporto di 20 corrisponde a 300 psi. Quando quest'onda di pressione collide con un oggetto stazionario, il rapporto di pressione aumenta fino a 40-60. Ciò è dovuto alla riflessione dell'onda di pressione da parte dell'ostacolo fisso.
Tendenza a fuoriuscire. A causa della sua bassa viscosità e del basso peso molecolare, il gas H2 ha un'elevata tendenza a fuoriuscire e persino a permeare o penetrare in diversi 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'aperto, il gas H2 si disperderà rapidamente, riducendo al minimo la possibilità di perdite. Tuttavia, può essere un'arma a doppio taglio. Un'esplosione potrebbe verificarsi se si esegue una saldatura su un impianto esterno sopra o sottovento a una perdita di H2 senza aver prima effettuato uno studio di rilevamento delle perdite. In uno spazio chiuso, il gas H2 può salire e accumularsi dal soffitto verso il basso, una condizione che gli consente di raggiungere grandi volumi prima di entrare in contatto con fonti di innesco vicino al suolo.
Incendio accidentale. L'autoaccensione è un fenomeno in cui una miscela di gas o vapori si incendia spontaneamente senza una fonte di innesco 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 incendia spontaneamente prima dell'accensione in assenza di una fonte di innesco esterna, a contatto con l'aria o un agente ossidante. La temperatura di autoaccensione di una singola polvere è la temperatura alla quale essa si incendia spontaneamente in assenza di un agente ossidante. La temperatura di autoaccensione dell'idrogeno gassoso (H2) 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 di accensione minima è l'energia minima necessaria per innescare una particolare miscela combustibile a una determinata temperatura e pressione. L'energia di accensione minima a scintilla per l'idrogeno gassoso in 1 atm di aria è pari a 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
I limiti di esplosività rappresentano 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, così come la concentrazione del combustibile, determinano tali limiti. L'espressione "limite di esplosività" viene talvolta utilizzata come sinonimo di "limite di esplosione".
I limiti di esplosività per le miscele di H2 in aria sono 18,3% in volume (limite inferiore) e 59% in volume (limite superiore).
Nella progettazione di sistemi di tubazioni (Figura 1), il primo passo consiste nel determinare i materiali da costruzione necessari per ciascun tipo di fluido. Ogni fluido verrà classificato in conformità con il paragrafo 300(b)(1) della norma ASME B31.3, che recita: "Il proprietario è inoltre responsabile della determinazione delle classi D, M, delle tubazioni ad alta pressione e ad alta purezza, nonché della determinazione dell'eventuale utilizzo di un particolare sistema di qualità".
La categorizzazione dei fluidi definisce il grado e il tipo di test richiesti, nonché molti altri requisiti in base alla categoria del fluido. La responsabilità di ciò 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 particolare fluido, fornisce indicazioni su resistenza, spessore e requisiti di connessione dei materiali. Nell'introduzione al codice sono inoltre presenti due affermazioni che lo specificano chiaramente:
E ampliamo il primo paragrafo sopra, paragrafo B31.3. 300(b)(1) afferma anche: "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 la movimentazione o il processo dei fluidi di cui la condotta fa parte." Quindi, dopo aver stabilito alcune regole di base per la responsabilità e i requisiti per la definizione delle categorie di servizio dei fluidi, vediamo dove si colloca l'idrogeno gassoso.
Poiché l'idrogeno gassoso si comporta come un liquido volatile soggetto a perdite, può essere considerato un liquido normale o un liquido di Classe M secondo la categoria B31.3 per i servizi con fluidi. 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 nel paragrafo 3.3 della sezione "Servizi idraulici" della categoria B31.3. Di seguito sono riportate le definizioni per i servizi con fluidi normali e per i servizi con fluidi di Classe M:
"Servizio fluidi normale: Servizio fluidi applicabile alla maggior parte delle tubazioni soggette a questo codice, ovvero non soggetto alle normative per le classi D, M, alta temperatura, alta pressione o elevata purezza dei fluidi."
(1) La tossicità del fluido è così elevata che una singola esposizione a una quantità minima di fluido causata da una perdita può provocare gravi lesioni permanenti a coloro che lo inalano o vi entrano in contatto, anche se vengono adottate misure di recupero immediate.
(2) Dopo aver considerato la progettazione della condotta, l'esperienza, le condizioni operative e l'ubicazione, 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 sopra riportata, il gas idrogeno non soddisfa i criteri del paragrafo (1) perché non è considerato un liquido tossico. Tuttavia, applicando il comma (2), il Codice consente la classificazione dei sistemi idraulici nella classe M dopo un'attenta valutazione di “…progettazione delle tubazioni, esperienza, condizioni operative e 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 prova dei sistemi di tubazioni del gas idrogeno.
Prima di discutere della corrosione da idrogeno ad alta temperatura (HTHA), si prega di fare riferimento alla Tabella 1. In questa tabella sono elencati codici, norme e regolamenti, inclusi sei documenti sull'argomento della fragilità da idrogeno (HE), una comune anomalia di corrosione che comprende 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 ha varie forme, che possono essere suddivise in cracking da idrogeno (HAC), cracking da stress da idrogeno (HSC), cracking da corrosione da stress (SCC), cracking da corrosione da idrogeno (HACC), formazione di bolle di idrogeno (HB), cracking da idrogeno (HIC), cracking da idrogeno orientato allo stress (SOHIC), cracking progressivo (SWC), cracking da stress da solfuri (SSC), cracking della zona morbida (SZC) e corrosione da idrogeno ad alta temperatura (HTHA).
Nella sua forma più semplice, la fragilità da idrogeno è un meccanismo di distruzione dei bordi dei grani metallici, che si traduce in una riduzione della duttilità a causa della penetrazione dell'idrogeno atomico. Le modalità con cui ciò avviene sono varie e in parte definite dai rispettivi nomi, come HTHA, dove sono necessarie simultaneamente alta temperatura e alta pressione di idrogeno per la fragilità, e SSC, dove l'idrogeno atomico viene prodotto come gas chiuso e idrogeno. A causa della corrosione acida, questi penetrano negli strati metallici, il che può portare alla fragilità. Ma il risultato complessivo è lo stesso di tutti i casi di fragilità da idrogeno descritti sopra, dove la resistenza del metallo viene ridotta dalla fragilità al di sotto del suo intervallo di sollecitazione ammissibile, il che a sua volta crea le condizioni per un evento potenzialmente catastrofico data la volatilità del liquido.
Oltre allo spessore delle pareti e alle prestazioni delle giunzioni meccaniche, ci sono due fattori principali da considerare nella scelta dei materiali per l'impiego con gas H2: 1. L'esposizione all'idrogeno ad alta temperatura (HTHA) e 2. Le serie preoccupazioni relative a potenziali perdite. Entrambi gli argomenti sono attualmente oggetto di discussione.
A differenza dell'idrogeno molecolare, l'idrogeno atomico può espandersi, esponendosi ad alte temperature e pressioni, creando le condizioni per la potenziale formazione di HTHA (High Temperature Hydrogen Allocation). In queste condizioni, l'idrogeno atomico è in grado di diffondersi nei materiali delle tubazioni o delle apparecchiature in acciaio al carbonio, dove reagisce con il carbonio in soluzione metallica per formare gas metano ai bordi dei grani. Non potendo fuoriuscire, il gas si espande, creando crepe e fessure nelle pareti dei tubi o dei recipienti: questo è il fenomeno HTGA. I risultati dell'HTHA sono chiaramente visibili nella Figura 2, dove crepe e fessure sono evidenti nella parete da 8 pollici. La porzione di tubo di dimensioni nominali (NPS) che cede in queste condizioni.
L'acciaio al carbonio può essere utilizzato per applicazioni con idrogeno quando la temperatura di esercizio è mantenuta al di sotto di 500 °F (260 °C). Come accennato in precedenza, l'HTHA (High Temperature Heat Heat) si verifica quando l'idrogeno gassoso è 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 intorno a 3000 psi (circa 1150 psi) e la temperatura è superiore a circa 450 °F (circa 232 °C) (che è la condizione di incidente illustrata nella Figura 2).
Come si può osservare dal grafico di Nelson modificato in Figura 3, in parte tratto dalla norma API 941, l'alta temperatura ha l'effetto maggiore sulla forza di idrogeno. La pressione parziale del gas idrogeno può superare i 1000 psi quando utilizzato con acciai al carbonio operanti a temperature fino a 500 °F.
Figura 3. Questo diagramma di Nelson modificato (adattato da API 941) può essere utilizzato per selezionare materiali idonei per l'impiego con idrogeno a varie temperature.
La figura 3 mostra la scelta degli acciai che garantiscono la resistenza all'attacco da idrogeno, a seconda della temperatura di esercizio e della pressione parziale dell'idrogeno. Gli acciai inossidabili austenitici sono insensibili all'HTHA e risultano materiali idonei 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 affidabilità. Mentre per gli acciai al carbonio è raccomandato un trattamento termico post-saldatura (PWHT) per calcinare l'idrogeno residuo durante la saldatura e ridurre la durezza della zona termicamente alterata (HAZ) dopo la saldatura, non è necessario per gli acciai inossidabili austenitici.
Gli effetti termotermici causati dal trattamento termico e dalla saldatura hanno scarso impatto sulle proprietà meccaniche degli acciai inossidabili austenitici. Tuttavia, la lavorazione a freddo può migliorarne le proprietà meccaniche, come la resistenza e la durezza. Durante la piegatura e la formatura di tubi in acciaio inossidabile austenitico, le proprietà meccaniche del materiale cambiano, con una conseguente diminuzione della plasticità.
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 formano dopo la lavorazione a freddo. Durante la ricottura di solubilizzazione, tenere presente che il raffreddamento rapido può reintrodurre tensioni residue nel materiale se non gestito correttamente.
Fare riferimento alle tabelle GR-2.1.1-1 Indice delle specifiche dei materiali per assemblaggi di tubazioni e condotte e GR-2.1.1-2 Indice delle specifiche dei materiali per tubazioni nella norma ASME B31 per la selezione dei materiali accettabili per il servizio con H2. I tubi sono un buon punto di partenza.
Con un peso atomico standard di 1,008 unità di massa atomica (uma), l'idrogeno è l'elemento più leggero e più piccolo della tavola periodica e, di conseguenza, presenta un'elevata propensione alle perdite, con conseguenze potenzialmente devastanti. Pertanto, il sistema di gasdotti deve essere progettato in modo da limitare i collegamenti di tipo meccanico e migliorare quelli realmente necessari.
Per limitare i potenziali punti di perdita, il sistema deve essere completamente saldato, ad eccezione dei collegamenti flangiati su apparecchiature, elementi di tubazione e raccordi. I collegamenti filettati devono essere evitati il ​​più possibile, se non completamente. Se i collegamenti filettati non possono essere evitati per qualsiasi motivo, si raccomanda di avvitarli 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 da idrogeno anche a temperatura ambiente. Sebbene l'attacco da idrogeno si verifichi principalmente ad alte temperature, la fase PWHT ridurrà completamente, se non eliminerà, questa possibilità anche in condizioni ambientali.
Il punto debole del sistema interamente saldato è la connessione flangiata. Per garantire un elevato grado di tenuta nelle connessioni flangiate, è necessario utilizzare guarnizioni Kammprofile (fig. 4) o un altro tipo di guarnizione. Realizzata in modo pressoché identico da diversi produttori, questa guarnizione è molto flessibile. È composta da anelli metallici dentati interposti tra materiali di tenuta morbidi e deformabili. I denti concentrano il carico del bullone in un'area più piccola per garantire un accoppiamento saldo con minore stress. È progettata in modo tale da compensare le irregolarità delle superfici flangiate e le fluttuazioni delle condizioni operative.
Figura 4. Le guarnizioni Kammprofile hanno un'anima metallica incollata su entrambi i lati con un materiale di riempimento morbido.
Un altro fattore importante per l'integrità del sistema è la valvola. Le perdite intorno alla guarnizione dello stelo e alle flange del corpo valvola rappresentano un problema reale. Per evitarle, si consiglia di scegliere una valvola con guarnizione a soffietto.
Utilizzare un tubo in acciaio al carbonio School 80 da 1 pollice, nel nostro esempio seguente, date le tolleranze di fabbricazione, di corrosione e meccaniche in conformità con ASTM A106 Gr B, la pressione massima di esercizio ammissibile (MAWP) può essere calcolata in due fasi a temperature fino a 300 °F (Nota: il motivo per cui "...per temperature fino a 300 °F..." è perché la sollecitazione ammissibile (S) del materiale ASTM A106 Gr B inizia a deteriorarsi quando la temperatura supera i 300 °F (S), quindi l'equazione (1) richiede di essere adattata a temperature superiori a 300 °F).
Facendo riferimento alla formula (1), il primo passo consiste nel calcolare la pressione di scoppio teorica della condotta.
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 tubazione applicando il fattore di sicurezza S f al risultato P secondo l'equazione (2):
Pertanto, quando si utilizza materiale da 1″ school 80, la pressione di scoppio viene calcolata come segue:
Viene quindi applicato un fattore di sicurezza Sf pari a 4 in conformità con la sezione VIII-1 2019, paragrafo 8, delle raccomandazioni ASME sui recipienti a pressione, 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 stabilire la pressione ammissibile nel sistema.
Secondo la norma ASME B16.5, la pressione massima di esercizio ammissibile per i raccordi flangiati in acciaio al carbonio 150 è di 285 psi/pollice a temperature comprese tra -20 °F e 100 °F. La classe 300 ha una pressione massima di esercizio ammissibile di 740 psi. Questo sarà il fattore limite di pressione del sistema secondo l'esempio di specifica del materiale riportato di seguito. Inoltre, solo nei test idrostatici, questi valori possono superare di 1,5 volte.
A titolo di esempio di specifica di base per un materiale in acciaio al carbonio, una specifica per una linea di servizio del gas H2 operante a una temperatura ambiente inferiore a una pressione di progetto di 740 psi/pollice quadrato può contenere i requisiti del materiale indicati nella Tabella 2. Di seguito sono riportate le tipologie che potrebbero richiedere attenzione per essere incluse nella specifica:
Oltre alle tubazioni stesse, il sistema di tubazioni è composto da molti elementi quali raccordi, valvole, apparecchiature di linea, ecc. Sebbene molti di questi elementi verranno analizzati in dettaglio in un unico articolo, ciò richiederebbe un numero di pagine superiore a quello consentito.