Esta visão geral fornece recomendações para o projeto seguro de sistemas de tubulação para distribuição de hidrogênio.
O hidrogênio é um líquido altamente volátil com alta tendência a vazamentos. É uma combinação de tendências muito perigosa e mortal, um líquido volátil e difícil de controlar. Essas são tendências a serem consideradas na escolha de materiais, juntas e vedações, bem como as características de projeto desses sistemas. O foco desta discussão são os tópicos sobre a distribuição de H₂ gasoso, e não a produção de H₂, H₂ líquido ou H₂ líquido (veja a barra lateral direita).
Aqui estão alguns pontos-chave para ajudar você a entender a mistura de hidrogênio e H₂-ar. O hidrogênio queima de duas maneiras: deflagração e explosão.
Deflagração. A deflagração é um modo de combustão comum no qual as chamas se propagam pela mistura a velocidades subsônicas. Isso ocorre, por exemplo, quando uma nuvem livre de mistura de hidrogênio e ar é inflamada por uma pequena fonte de ignição. Nesse caso, a chama se move a uma velocidade de três a várias centenas de metros por segundo. A rápida expansão do gás quente cria ondas de pressão cuja intensidade é proporcional ao tamanho da nuvem. Em alguns casos, a força da onda de choque pode ser suficiente para danificar estruturas de edifícios e outros objetos em seu caminho, causando ferimentos.
Explodir. Ao explodir, chamas e ondas de choque percorreram a mistura em velocidades supersônicas. A razão de pressão em uma onda de detonação é muito maior do que em uma detonação. Devido ao aumento da força, a explosão é mais perigosa para pessoas, edifícios e objetos próximos. A deflagração normal causa uma explosão quando inflamada em um espaço confinado. Em uma área tão estreita, a ignição pode ser causada pela menor quantidade de energia. Mas para a detonação de uma mistura de hidrogênio e ar em um espaço ilimitado, é necessária uma fonte de ignição mais potente.
A razão de pressão através da onda de detonação em uma mistura de hidrogênio e ar é de cerca de 20. À pressão atmosférica, uma razão de 20 equivale a 300 psi. Quando essa onda de pressão colide com um objeto estacionário, a razão de pressão aumenta para 40-60. Isso se deve à reflexão de uma onda de pressão a partir de um obstáculo estacionário.
Tendência a vazamentos. Devido à sua baixa viscosidade e baixo peso molecular, o gás H₂ tem alta tendência a vazar e até mesmo permear ou penetrar em diversos materiais.
O hidrogênio é 8 vezes mais leve que o gás natural, 14 vezes mais leve que o ar, 22 vezes mais leve que o propano e 57 vezes mais leve que o vapor de gasolina. Isso significa que, quando instalado em ambientes externos, o gás H2 sobe e se dissipa rapidamente, reduzindo qualquer sinal de vazamento. Mas isso pode ser uma faca de dois gumes. Uma explosão pode ocorrer se a soldagem for realizada em uma instalação externa acima ou a favor do vento de um vazamento de H2 sem um estudo de detecção de vazamento antes da soldagem. Em um espaço fechado, o gás H2 pode subir e se acumular do teto para baixo, uma condição que permite que ele se acumule em grandes volumes antes de ter maior probabilidade de entrar em contato com fontes de ignição próximas ao solo.
Incêndio acidental. Autoignição é um fenômeno no qual uma mistura de gases ou vapores se inflama espontaneamente, sem uma fonte externa de ignição. Também é conhecida como "combustão espontânea". A autoignição depende da temperatura, não da pressão.
A temperatura de autoignição é a temperatura mínima na qual um combustível se inflama espontaneamente antes da ignição, na ausência de uma fonte externa de ignição, em contato com o ar ou um agente oxidante. A temperatura de autoignição de um único pó é a temperatura na qual ele se inflama espontaneamente na ausência de um agente oxidante. A temperatura de autoignição do H₂ gasoso no ar é de 585 °C.
A energia de ignição é a energia necessária para iniciar a propagação de uma chama através de uma mistura combustível. A energia mínima de ignição é a energia mínima necessária para inflamar uma determinada mistura combustível a uma determinada temperatura e pressão. A energia mínima de ignição por faísca para H₂ gasoso em 1 atm de ar = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Limites de explosividade são as concentrações máximas e mínimas de vapores, névoas ou poeiras no ar ou oxigênio nas quais ocorre uma explosão. O tamanho e a geometria do ambiente, bem como a concentração do combustível, controlam os limites. "Limite de explosão" às vezes é usado como sinônimo de "limite de explosão".
Os limites de explosividade para misturas de H2 no ar são 18,3% em volume (limite inferior) e 59% em volume (limite superior).
Ao projetar sistemas de tubulação (Figura 1), o primeiro passo é determinar os materiais de construção necessários para cada tipo de fluido. Cada fluido será classificado de acordo com o parágrafo 300(b)(1) da ASME B31.3, que estabelece: "O proprietário também é responsável por determinar as classes D, M, alta pressão e alta pureza da tubulação, e por determinar se um sistema de qualidade específico deve ser utilizado."
A categorização de fluidos define o grau de teste e o tipo de teste necessário, bem como muitos outros requisitos com base na categoria do fluido. A responsabilidade do proprietário por isso geralmente recai sobre o departamento de engenharia do proprietário ou um engenheiro terceirizado.
Embora o Código de Tubulação de Processo B31.3 não informe ao proprietário qual material usar para um fluido específico, ele fornece orientações sobre resistência, espessura e requisitos de conexão de materiais. Há também duas declarações na introdução do código que afirmam claramente:
E expandindo o primeiro parágrafo acima, o parágrafo B31.3. 300(b)(1) também afirma: “O proprietário de uma instalação de duto é o único responsável por cumprir este Código e por estabelecer os requisitos de projeto, construção, inspeção, inspeção e testes que regem todo o manuseio ou processo de fluidos dos quais o duto faz parte. Instalação.” Assim, após estabelecer algumas regras básicas de responsabilidade e requisitos para definir as categorias de serviços de fluidos, vejamos onde o gás hidrogênio se encaixa.
Como o gás hidrogênio atua como um líquido volátil com vazamentos, ele pode ser considerado um líquido normal ou um líquido Classe M na categoria B31.3 para serviço com líquidos. Conforme mencionado acima, a classificação do manuseio de fluidos é uma exigência do proprietário, desde que atenda às diretrizes para as categorias selecionadas descritas na B31.3, parágrafo 3. 300.2 Definições na seção "Serviços hidráulicos". A seguir, as definições para serviço com fluido normal e serviço com fluido Classe M:
“Serviço de fluido normal: serviço de fluido aplicável à maioria das tubulações sujeitas a este código, ou seja, não sujeitas a regulamentações para classes D, M, alta temperatura, alta pressão ou alta limpeza de fluidos.
(1) A toxicidade do fluido é tão grande que uma única exposição a uma quantidade muito pequena do fluido causada por um vazamento pode causar ferimentos permanentes graves a quem o inala ou entra em contato com ele, mesmo que sejam tomadas medidas imediatas de recuperação.
(2) Após considerar o projeto do oleoduto, a experiência, as condições operacionais e a localização, o proprietário determina que os requisitos para o uso normal do fluido não são suficientes para fornecer a estanqueidade necessária para proteger o pessoal da exposição.
Na definição de M acima, o gás hidrogênio não atende aos critérios do parágrafo (1) por não ser considerado um líquido tóxico. No entanto, ao aplicar a subseção (2), o Código permite a classificação de sistemas hidráulicos na classe M após a devida consideração de "...projeto da tubulação, experiência, condições operacionais e localização...". O proprietário permite a determinação do manuseio normal de fluidos. Os requisitos são insuficientes para atender à necessidade de um nível mais elevado de integridade no projeto, construção, inspeção, inspeção e testes de sistemas de tubulação de gás hidrogênio.
Consulte a Tabela 1 antes de discutir a Corrosão por Hidrogênio em Altas Temperaturas (HTHA). Códigos, normas e regulamentos estão listados nesta tabela, que inclui seis documentos sobre o tema da fragilização por hidrogênio (HE), uma anomalia de corrosão comum que inclui a HTHA. A OH pode ocorrer em baixas e altas temperaturas. Considerada uma forma de corrosão, ela pode ser iniciada de diversas maneiras e também afetar uma ampla gama de materiais.
O HE tem várias formas, que podem ser divididas em craqueamento por hidrogênio (HAC), craqueamento por tensão de hidrogênio (HSC), craqueamento por corrosão sob tensão (SCC), craqueamento por corrosão por hidrogênio (HACC), borbulhamento de hidrogênio (HB), craqueamento por hidrogênio (HIC). )), craqueamento por hidrogênio orientado ao estresse (SOHIC), craqueamento progressivo (SWC), craqueamento por tensão de sulfeto (SSC), craqueamento em zona macia (SZC) e corrosão por hidrogênio em alta temperatura (HTHA).
Em sua forma mais simples, a fragilização por hidrogênio é um mecanismo para a destruição dos contornos de grãos metálicos, resultando em ductilidade reduzida devido à penetração de hidrogênio atômico. As maneiras pelas quais isso ocorre são variadas e são parcialmente definidas por seus respectivos nomes, como HTHA, onde hidrogênio simultâneo em alta temperatura e alta pressão é necessário para a fragilização, e SSC, onde o hidrogênio atômico é produzido como gases fechados e hidrogênio. Devido à corrosão ácida, eles se infiltram em invólucros metálicos, o que pode levar à fragilidade. Mas o resultado geral é o mesmo de todos os casos de fragilização por hidrogênio descritos acima, onde a resistência do metal é reduzida pela fragilização abaixo de sua faixa de tensão admissível, o que por sua vez prepara o cenário para um evento potencialmente catastrófico, dada a volatilidade do líquido.
Além da espessura da parede e do desempenho mecânico da junta, há dois fatores principais a serem considerados na seleção de materiais para serviço com gás H2: 1. Exposição ao hidrogênio em alta temperatura (HTHA) e 2. Preocupações sérias com possíveis vazamentos. Ambos os tópicos estão atualmente em discussão.
Ao contrário do hidrogênio molecular, o hidrogênio atômico pode se expandir, expondo-se a altas temperaturas e pressões, criando a base para um potencial HTHA. Nessas condições, o hidrogênio atômico é capaz de se difundir em materiais ou equipamentos de tubulação de aço carbono, onde reage com o carbono em solução metálica para formar gás metano nos contornos de grão. Incapaz de escapar, o gás se expande, criando rachaduras e fendas nas paredes de tubos ou vasos – isso é HTGA. Você pode ver claramente os resultados do HTHA na Figura 2, onde rachaduras e fissuras são evidentes na parede de 8". A parte do tubo de tamanho nominal (NPS) que falha nessas condições.
O aço carbono pode ser utilizado para serviços de hidrogênio quando a temperatura operacional for mantida abaixo de 260 °C. Como mencionado acima, o HTHA ocorre quando o gás hidrogênio é mantido em alta pressão parcial e alta temperatura. O aço carbono não é recomendado quando a pressão parcial do hidrogênio deve estar em torno de 3.000 psi e a temperatura estiver acima de 233 °C (que é a condição do acidente na Figura 2).
Como pode ser observado no gráfico de Nelson modificado na Figura 3, parcialmente extraído da API 941, a alta temperatura tem o maior efeito sobre o forçamento do hidrogênio. A pressão parcial do gás hidrogênio pode exceder 1000 psi quando usado com aços carbono operando em temperaturas de até 500 °F.
Figura 3. Este gráfico de Nelson modificado (adaptado da API 941) pode ser usado para selecionar materiais adequados para serviço de hidrogênio em várias temperaturas.
A figura 3 mostra a seleção de aços que garantem a proteção contra o ataque por hidrogênio, dependendo da temperatura de operação e da pressão parcial do hidrogênio. Aços inoxidáveis ​​austeníticos são insensíveis ao HTHA e são materiais satisfatórios em todas as temperaturas e pressões.
O aço inoxidável austenítico 316/316L é o material mais prático para aplicações com hidrogênio e possui um histórico comprovado. Embora o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) seja recomendado para aços carbono para calcinar o hidrogênio residual durante a soldagem e reduzir a dureza da zona afetada pelo calor (ZTA) após a soldagem, ele não é necessário para aços inoxidáveis ​​austeníticos.
Os efeitos termotérmicos causados ​​pelo tratamento térmico e pela soldagem têm pouco efeito nas propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis ​​austeníticos. No entanto, o trabalho a frio pode melhorar as propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis ​​austeníticos, como resistência e dureza. Ao dobrar e conformar tubos de aço inoxidável austenítico, suas propriedades mecânicas mudam, incluindo a redução da plasticidade do material.
Se o aço inoxidável austenítico precisar ser conformado a frio, o recozimento em solução (aquecimento a aproximadamente 1045 °C seguido de têmpera ou resfriamento rápido) restaurará as propriedades mecânicas do material aos seus valores originais. Também eliminará a segregação da liga, a sensibilização e a fase sigma obtidas após o trabalho a frio. Ao realizar o recozimento em solução, esteja ciente de que o resfriamento rápido pode gerar tensões residuais no material se não for realizado corretamente.
Consulte as tabelas GR-2.1.1-1 Índice de especificação de materiais de montagem de tubulações e tubos e GR-2.1.1-2 Índice de especificação de materiais de tubulação na ASME B31 para seleções de materiais aceitáveis ​​para serviço de H2. Os tubos são um bom lugar para começar.
Com um peso atômico padrão de 1,008 unidades de massa atômica (u.m.a.), o hidrogênio é o menor e mais leve elemento da tabela periódica e, portanto, tem alta propensão a vazamentos, com consequências potencialmente devastadoras, devo acrescentar. Portanto, o sistema de gasodutos deve ser projetado de forma a limitar as conexões mecânicas e aprimorar as conexões realmente necessárias.
Ao limitar potenciais pontos de vazamento, o sistema deve ser totalmente soldado, exceto para conexões flangeadas em equipamentos, elementos de tubulação e conexões. Conexões roscadas devem ser evitadas tanto quanto possível, se não completamente. Se conexões roscadas não puderem ser evitadas por qualquer motivo, recomenda-se encaixá-las totalmente sem vedante de rosca e, em seguida, selar a solda. Ao utilizar tubos de aço carbono, as juntas dos tubos devem ser soldadas a topo e submetidas a tratamento térmico pós-soldagem (PWHT). Após a soldagem, os tubos na zona afetada pelo calor (ZTA) são expostos ao ataque de hidrogênio, mesmo em temperatura ambiente. Embora o ataque de hidrogênio ocorra principalmente em altas temperaturas, o estágio PWHT reduzirá completamente, se não eliminará, essa possibilidade, mesmo em condições ambientais.
O ponto fraco do sistema totalmente soldado é a conexão flangeada. Para garantir um alto grau de estanqueidade nas conexões flangeadas, devem ser utilizadas juntas Kammprofile (fig. 4) ou outro tipo de junta. Produzida quase da mesma forma por diversos fabricantes, esta junta é muito flexível. Consiste em anéis dentados totalmente metálicos intercalados entre materiais de vedação macios e deformáveis. Os dentes concentram a carga do parafuso em uma área menor, proporcionando um encaixe firme com menos tensão. Ela é projetada de forma a compensar superfícies de flange irregulares, bem como condições operacionais flutuantes.
Figura 4. As juntas Kammprofile têm um núcleo de metal colado em ambos os lados com um enchimento macio.
Outro fator importante para a integridade do sistema é a válvula. Vazamentos ao redor da vedação da haste e dos flanges do corpo são um problema real. Para evitar isso, recomenda-se selecionar uma válvula com vedação de fole.
Use 1 polegada. Tubo de aço carbono School 80, em nosso exemplo abaixo, considerando as tolerâncias de fabricação, corrosão e mecânicas de acordo com a norma ASTM A106 Gr B, a pressão máxima de trabalho permitida (PMTA) pode ser calculada em duas etapas em temperaturas de até 300°F (Observação: O motivo para "...para temperaturas de até 300°F..." é porque a tensão admissível (S) do material ASTM A106 Gr B começa a se deteriorar quando a temperatura excede 300°F. (S), portanto, a Equação (1) requer ajuste para temperaturas acima de 300°F.)
Referindo-se à fórmula (1), o primeiro passo é calcular a pressão teórica de ruptura da tubulação.
T = espessura da parede do tubo menos tolerâncias mecânicas, de corrosão e de fabricação, em polegadas.
A segunda parte do processo consiste em calcular a pressão máxima de trabalho permitida Pa da tubulação aplicando o fator de segurança S f ao resultado P de acordo com a equação (2):
Assim, ao utilizar material escolar 80 de 1″, a pressão de ruptura é calculada da seguinte forma:
Um Sf de segurança de 4 é então aplicado de acordo com as Recomendações para Vasos de Pressão da ASME, Seção VIII-1 de 2019, Parágrafo 8. UG-101 calculado da seguinte forma:
O valor de MAWP resultante é 810 psi. "polegada" refere-se apenas à tubulação. A conexão de flange ou componente com a menor classificação no sistema será o fator determinante na determinação da pressão permitida no sistema.
De acordo com a norma ASME B16.5, a pressão máxima de trabalho permitida para conexões flangeadas de aço carbono 150 é de 285 psi por polegada, a temperaturas de -20°F a 100°F. A classe 300 tem uma pressão máxima de trabalho permitida de 740 psi. Este será o fator limite de pressão do sistema, de acordo com o exemplo de especificação de material abaixo. Além disso, somente em testes hidrostáticos, esses valores podem exceder 1,5 vezes.
Como exemplo de uma especificação básica de material de aço carbono, uma especificação de linha de serviço de gás H2 operando em uma temperatura ambiente abaixo de uma pressão de projeto de 740 psi. polegada, pode conter os requisitos de material mostrados na Tabela 2. Os seguintes são tipos que podem exigir atenção para serem incluídos na especificação:
Além da tubulação em si, existem muitos elementos que compõem o sistema de tubulação, como conexões, válvulas, equipamentos de linha, etc. Embora muitos desses elementos sejam reunidos em uma tubulação para serem discutidos em detalhes, isso exigirá mais páginas do que a capacidade deste artigo.