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 grande tendência a vazamentos. Trata-se de uma combinação perigosa e potencialmente fatal de características, um líquido volátil e de difícil controle. Esses fatores devem ser considerados na escolha de materiais, juntas e vedações, bem como nas características de projeto de tais sistemas. O foco desta discussão são os tópicos relacionados à distribuição do H2 gasoso, e não a produção de H2, H2 líquido ou H2 gasoso (ver barra lateral à direita).
Aqui estão alguns pontos-chave para ajudá-lo a entender a mistura de hidrogênio e H2-ar. O hidrogênio queima de duas maneiras: por deflagração e por explosão.
Deflagração. A deflagração é um modo comum de combustão 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 desloca 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. Quando explode, chamas e ondas de choque viajam pela mistura em velocidades supersônicas. A taxa de compressão 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 relação de pressão ao longo da onda de detonação em uma mistura de hidrogênio e ar é de aproximadamente 20. À pressão atmosférica, uma relação de 20 corresponde a 300 psi. Quando essa onda de pressão colide com um objeto estacionário, a relação de pressão aumenta para 40-60. Isso ocorre devido à reflexão da onda de pressão pelo obstáculo estacionário.
Tendência a vazamentos. Devido à sua baixa viscosidade e baixo peso molecular, o gás H2 tem uma alta tendência a vazar e até mesmo permear ou penetrar 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 ao ar livre, o gás H2 subirá e se dissipará rapidamente, reduzindo até mesmo os sinais de vazamentos. Mas essa característica 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 vazamentos prévio. 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 entrar em contato com fontes de ignição próximas ao solo.
Incêndio acidental. A 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, ao entrar em contato com o ar ou um agente oxidante. A temperatura de autoignição de um pó puro 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 é de 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Os 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 esses limites. "Limite de explosão" é, por vezes, usado como sinônimo de "limite de explosão".
Os limites de explosividade para misturas de H2 no ar são de 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. E cada fluido será classificado de acordo com o parágrafo 300(b)(1) da norma ASME B31.3, que afirma: “O proprietário também é responsável por determinar as classes D, M, de alta pressão e de alta pureza para tubulações, e por determinar se um sistema de qualidade específico deve ser usado.”
A categorização de fluidos define o grau e o tipo de testes necessários, bem como muitos outros requisitos com base na categoria do fluido. A responsabilidade por isso geralmente recai sobre o departamento de engenharia do proprietário ou sobre um engenheiro terceirizado.
Embora o Código de Tubulação de Processo B31.3 não especifique o material a ser utilizado para um determinado fluido, ele fornece orientações sobre resistência, espessura e requisitos de conexão de materiais. Há também duas afirmações na introdução do código que declaram claramente:
E expandindo o primeiro parágrafo acima, o parágrafo B31.3.300(b)(1) também afirma: “O proprietário de uma instalação de gasoduto é o único responsável pelo cumprimento deste Código e pelo estabelecimento dos requisitos de projeto, construção, inspeção e teste que regem todo o manuseio ou processo de fluidos do qual o gasoduto faz parte.” Portanto, após estabelecer algumas regras básicas para responsabilidade e requisitos para definir as categorias de serviço de fluidos, vejamos onde o gás hidrogênio se encaixa.
Como o gás hidrogênio se comporta como um líquido volátil com vazamentos, ele pode ser considerado um líquido normal ou um líquido Classe M, de acordo com a categoria B31.3 para serviços com líquidos. Conforme mencionado anteriormente, a classificação do manuseio de fluidos é uma exigência do proprietário, desde que atenda às diretrizes para as categorias selecionadas descritas no parágrafo 3.300.2 da seção “Serviços hidráulicos” da norma B31.3. Seguem as definições para serviço com fluido normal e serviço com fluido Classe M:
“Serviço Normal de Fluidos: Serviço de fluidos aplicável à maioria das tubulações sujeitas a este código, ou seja, não sujeitas às regulamentações para classes D, M, alta temperatura, alta pressão ou alta limpeza do fluido.”
(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 lesões permanentes graves em quem o inalar ou entrar em contato com ele, mesmo que sejam tomadas medidas de recuperação imediatas.
(2) Após considerar o projeto da tubulação, 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) porque não é considerado um líquido tóxico. No entanto, aplicando a subseção (2), o Código permite a classificação de sistemas hidráulicos na classe M após a devida consideração de “…projeto de tubulação, experiência, condições de operação e localização…”. O proprietário permite a determinação do manuseio normal do fluido. Os requisitos são insuficientes para atender à necessidade de um nível mais elevado de integridade no projeto, construção, inspeção e teste de sistemas de tubulação de gás hidrogênio.
Consulte a Tabela 1 antes de discutir a Corrosão por Hidrogênio em Alta Temperatura (HTHA). Códigos, normas e regulamentos estão listados nesta tabela, que inclui seis documentos sobre o tema da fragilização por hidrogênio (HE), uma anomalia comum de corrosão que engloba a HTHA. A corrosão por hidrogênio (OH) pode ocorrer em temperaturas baixas e altas. Considerada uma forma de corrosão, ela pode ser iniciada de diversas maneiras e afetar uma ampla gama de materiais.
A corrosão por hidrogênio (CH) apresenta diversas formas, que podem ser divididas em fissuração por hidrogênio (FH), fissuração por tensão de hidrogênio (FTH), fissuração por corrosão sob tensão (FCT), fissuração por corrosão por hidrogênio (FCCH), borbulhamento de hidrogênio (BH), fissuração por hidrogênio (FCH), fissuração por hidrogênio orientada por tensão (FHOHT), fissuração progressiva (FST), fissuração por tensão de sulfeto (FTS), fissuração em zona mole (FZM) e corrosão por hidrogênio em alta temperatura (CHAT).
Em sua forma mais simples, a fragilização por hidrogênio é um mecanismo de destruição dos contornos de grão do metal, resultando em redução da ductilidade devido à penetração de hidrogênio atômico. As formas como isso ocorre são variadas e parcialmente definidas por seus respectivos nomes, como HTHA (alta temperatura e alta pressão simultâneas) para a fragilização, e SSC (suspensão a hidrogênio em estado sólido) para a redução da ductilidade. Devido à corrosão ácida, o hidrogênio se infiltra nas carcaças metálicas, o que pode levar à fragilidade. No entanto, o resultado geral é o mesmo para todos os casos de fragilização por hidrogênio descritos acima: a resistência do metal é reduzida pela fragilização abaixo de sua faixa de tensão admissível, o que, por sua vez, cria as condições para um evento potencialmente catastrófico, dada a volatilidade do líquido.
Além da espessura da parede e do desempenho mecânico das juntas, 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, o que cria a base para a ocorrência potencial de ruptura por alta temperatura e alta pressão (HTHA). Nessas condições, o hidrogênio atômico consegue se difundir em materiais de tubulação ou equipamentos 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 dos tubos ou recipientes – isso é a ruptura por alta temperatura e alta pressão (HTGA). É possível observar claramente os resultados da HTHA na Figura 2, onde rachaduras e fendas são evidentes na parede de 8 polegadas. A Figura 2 mostra a porção do tubo de diâmetro nominal (NPS) que falha sob essas condições.
O aço carbono pode ser usado em serviço com hidrogênio quando a temperatura de operação for mantida abaixo de 500 °F (260 °C). Como mencionado anteriormente, o HTHA (acidente de alta temperatura e alta pressão) ocorre quando o gás hidrogênio é mantido sob alta pressão parcial e alta temperatura. O uso de aço carbono não é recomendado quando a pressão parcial de hidrogênio prevista for em torno de 3000 psi (207 bar) e a temperatura estiver acima de aproximadamente 450 °F (232 °C) (condição de acidente ilustrada na Figura 2).
Como pode ser observado no gráfico de Nelson modificado na Figura 3, parcialmente extraído da norma API 941, a alta temperatura tem o maior efeito na força de hidrogênio. A pressão parcial do gás hidrogênio pode exceder 1000 psi quando utilizado 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 com hidrogênio em diversas temperaturas.
A figura 3 mostra a seleção de aços que garantem a ausência de ataque por hidrogênio, dependendo da temperatura de operação e da pressão parcial de hidrogênio. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos são insensíveis ao ataque por hidrogênio em alta temperatura (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 (TTPS) seja recomendado para aços carbono para calcinar o hidrogênio residual durante a soldagem e reduzir a dureza da zona afetada pelo calor (ZAC) após a soldagem, ele não é necessário para aços inoxidáveis ​​austeníticos.
Os efeitos termotérmicos causados ​​pelo tratamento térmico e pela soldagem têm pouco impacto nas propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis ​​austeníticos. No entanto, o trabalho a frio pode melhorar as propriedades mecânicas desses aços, como resistência e dureza. Ao dobrar e conformar tubos de aço inoxidável austenítico, suas propriedades mecânicas se alteram, incluindo a diminuição da plasticidade do material.
Se o aço inoxidável austenítico necessitar de conformação a frio, o recozimento de solubilização (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 resultantes da conformação a frio. Ao realizar o recozimento de solubilização, esteja ciente de que o resfriamento rápido pode reintroduzir tensões residuais no material se não for realizado corretamente.
Consulte as tabelas GR-2.1.1-1 (Índice de Especificação de Materiais para Montagem de Tubulações) e GR-2.1.1-2 (Índice de Especificação de Materiais para Tubulações) da norma ASME B31 para obter sugestões de materiais aceitáveis ​​para serviço com H2. Tubos são um bom ponto de partida.
Com uma massa atômica padrão de 1,008 unidades de massa atômica (u.m.a.), o hidrogênio é o elemento mais leve e menor da tabela periódica e, portanto, tem uma alta propensão a vazamentos, com consequências potencialmente devastadoras, diga-se de passagem. Assim, o sistema de gasodutos deve ser projetado de forma a limitar as conexões mecânicas e priorizar as conexões realmente necessárias.
Ao limitar os pontos de vazamento potenciais, o sistema deve ser totalmente soldado, exceto nas conexões flangeadas de equipamentos, elementos de tubulação e conexões. Conexões roscadas devem ser evitadas ao máximo, ou mesmo completamente. Se, por algum motivo, conexões roscadas forem inevitáveis, recomenda-se o encaixe completo sem selante de rosca e, em seguida, a vedação da solda. Ao utilizar tubos de aço carbono, as juntas devem ser soldadas de topo e submetidas a tratamento térmico pós-soldagem (TTPS). Após a soldagem, os tubos na zona afetada pelo calor (ZAC) ficam expostos ao ataque de hidrogênio mesmo em temperatura ambiente. Embora o ataque de hidrogênio ocorra principalmente em altas temperaturas, a etapa de TTPS reduzirá completamente, ou até mesmo 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. Fabricada de maneira praticamente idêntica por diversos fabricantes, essa almofada é bastante tolerante. 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 flangeadas irregulares, bem como condições operacionais variáveis.
Figura 4. As juntas Kammprofile possuem um núcleo metálico revestido em ambos os lados com um material de 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 representam um problema real. Para evitar isso, recomenda-se selecionar uma válvula com vedação por fole.
Utilizando um tubo de aço carbono de 1 polegada (2,54 cm) da classe School 80, no exemplo abaixo, considerando as tolerâncias de fabricação, corrosão e mecânicas de acordo com a norma ASTM A106 Gr B, a pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) pode ser calculada em duas etapas para temperaturas de até 300 °F (149 °C). (Nota: A razão para "...para temperaturas de até 300 °F..." é que 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 do oleoduto.
T = espessura da parede do tubo menos as tolerâncias mecânicas, de corrosão e de fabricação, em polegadas.
A segunda parte do processo consiste em calcular a pressão máxima de trabalho admissível Pa da tubulação, aplicando o fator de segurança S f ao resultado P de acordo com a equação (2):
Assim, ao usar material escolar de 1″ (80), a pressão de ruptura é calculada da seguinte forma:
Em seguida, aplica-se um fator de segurança (Sf) de 4, de acordo com a Seção VIII-1 das Recomendações da ASME para Vasos de Pressão de 2019, Parágrafo 8. O valor de UG-101 é calculado da seguinte forma:
O valor de MAWP resultante é de 810 psi. A polegada refere-se apenas à tubulação. A conexão flangeada ou o componente com a menor classificação no sistema será o fator determinante para definir a pressão admissível no sistema.
De acordo com a norma ASME B16.5, a pressão máxima de trabalho admissível para conexões flangeadas de aço carbono classe 150 é de 285 psi (polegadas) a temperaturas entre -20°F e 100°F. A classe 300 possui uma pressão máxima de trabalho admissível de 740 psi. Este será o fator limite de pressão do sistema, conforme o exemplo de especificação de material abaixo. Além disso, somente em testes hidrostáticos, esses valores podem exceder 1,5 vezes o limite.
Como exemplo de uma especificação básica de material de aço carbono, uma especificação de linha de serviço de gás H2 operando a uma temperatura ambiente abaixo de uma pressão de projeto de 740 psi.pol. 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 própria tubulação, existem muitos elementos que compõem o sistema de tubulação, como conexões, válvulas, equipamentos de linha, etc. Embora muitos desses elementos sejam apresentados em detalhes em um diagrama de tubulação, isso exigiria mais páginas do que as disponíveis neste artigo.