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 vazar.É uma combinação de tendências muito perigosa e mortal, um líquido volátil difícil de controlar.Estas são tendências a serem consideradas ao escolher materiais, juntas e vedações, bem como as características de projeto de tais sistemas.Esses tópicos sobre a distribuição de H2 gasoso são o foco desta discussão, não a produção de H2, H2 líquido ou H2 líquido (veja a barra lateral direita).
Aqui estão alguns pontos-chave para ajudá-lo 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 viajam pela mistura em velocidades subsônicas.Isso ocorre, por exemplo, quando uma nuvem livre de mistura de hidrogênio-ar é inflamada por uma pequena fonte de ignição.Nesse caso, a chama se moverá a uma velocidade de dez a várias centenas de pés por segundo.A rápida expansão do gás quente cria ondas de pressão cuja força 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 e causar ferimentos.
explodir.Quando explodiu, chamas e ondas de choque viajaram pela 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 é 300 psi.Quando esta onda de pressão colide com um objeto estacionário, a taxa de pressão aumenta para 40-60.Isso se deve à reflexão de uma onda de pressão de um obstáculo estacionário.
Tendência a vazar.Devido à sua baixa viscosidade e baixo peso molecular, o gás H2 tem alta tendência a vazar e até mesmo permear ou penetrar em vários 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 aumentará e se dissipará rapidamente, reduzindo qualquer sinal de vazamento.Mas pode ser uma faca de dois gumes.Uma explosão pode ocorrer se a soldagem for realizada em uma instalação externa acima ou abaixo 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 entrar em contato com fontes de ignição próximas ao solo.
Incêndio acidental.A auto-ignição 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” ou “combustão espontânea”.A autoignição depende da temperatura, não da pressão.
A temperatura de autoignição é a temperatura mínima na qual um combustível entrará em ignição 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 mistura combustível específica a uma temperatura e pressão específicas.Energia mínima de ignição por faísca para H2 gasoso em 1 atm de ar = 1,9 × 10–8 BTU (0,02 mJ).
Limites explosivos são as concentrações máximas e mínimas de vapores, névoas ou poeiras no ar ou oxigênio em que 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 explosão para misturas de H2 no ar são 18,3 vol.% (limite inferior) e 59 vol.% (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 ASME B31.3.300(b)(1) afirma: “O proprietário também é responsável por determinar a classe D, M, alta pressão e tubulação de alta pureza e determinar se um sistema de qualidade específico deve ser usado”.
A categorização do fluido 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 é do departamento de engenharia do proprietário ou de um engenheiro terceirizado.
Embora o Código de tubulação de processo B31.3 não diga ao proprietário qual material usar para um determinado fluido, ele fornece orientações sobre resistência, espessura e requisitos de conexão de material.Há também duas declarações na introdução do código que afirmam claramente:
E expanda o primeiro parágrafo acima, parágrafo B31.3.300(b)(1) também declara: “O proprietário de uma instalação de tubulação é o único responsável por cumprir este Código e por estabelecer os requisitos de projeto, construção, inspeção, inspeção e teste que regem todo o manuseio de fluidos ou processo do qual a tubulação faz parte.Instalação."Então, depois de estabelecer algumas regras básicas de responsabilidade e requisitos para definir as categorias de serviços de fluidos, vamos ver onde o gás hidrogênio se encaixa.
Como o gás hidrogênio atua como um líquido volátil com vazamentos, o gás hidrogênio pode ser considerado um líquido normal ou um líquido Classe M na categoria B31.3 para serviço líquido.Conforme declarado acima, a classificação do manuseio de fluidos é uma exigência do proprietário, desde que atenda às diretrizes para as categorias selecionadas descritas em B31.3, parágrafo 3. 300.2 Definições na seção “Serviços hidráulicos”.A seguir estão as definições para serviço de fluido normal e serviço de fluido Classe M:
“Serviço de fluido normal: serviço de fluido aplicável à maioria das tubulações sujeitas a este código, ou seja, não sujeito aos regulamentos para classes D, M, alta temperatura, alta pressão ou alta limpeza de 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 graves lesões permanentes a quem o inalar ou entrar em contato com ele, mesmo que sejam tomadas medidas de recuperação imediata.levado
(2) Depois de considerar o projeto da tubulação, experiência, condições de operação e localização, o proprietário determina que os requisitos para uso normal do fluido não são suficientes para fornecer a estanqueidade necessária para proteger o pessoal da exposição.”
Na definição acima de M, o gás hidrogênio não atende aos critérios do parágrafo (1) porque não é 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 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 alto de integridade no projeto, construção, inspeção, 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, padrões e regulamentos estão listados nesta tabela, que inclui seis documentos sobre o tópico de fragilização por hidrogênio (HE), uma anomalia de corrosão comum que inclui o HTHA.OH pode ocorrer em baixas e altas temperaturas.Considerada uma forma de corrosão, pode ser iniciada de diversas formas e também afetar uma ampla gama de materiais.
HE tem várias formas, que podem ser divididas em trincas por hidrogênio (HAC), trincas por estresse de hidrogênio (HSC), trincas por corrosão sob tensão (SCC), trincas por corrosão por hidrogênio (HACC), bolhas de hidrogênio (HB), trincas por hidrogênio (HIC).)), trincamento de hidrogênio orientado por tensão (SOHIC), trincamento progressivo (SWC), trincamento por tensão de sulfeto (SSC), trincamento de 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 limites de grão do metal, resultando em ductilidade reduzida devido à penetração do hidrogênio atômico.As formas pelas quais isso ocorre são variadas e são parcialmente definidas por seus respectivos nomes, como HTHA, onde alta temperatura e alta pressão simultâneas de hidrogênio são necessárias para a fragilização, e SSC, onde o hidrogênio atômico é produzido como gases fechados e hidrogênio.devido à corrosão ácida, eles se infiltram nas caixas de metal, 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 devido à volatilidade do líquido.
Além da espessura da parede e do desempenho da junta mecânica, há dois fatores principais a serem considerados ao selecionar materiais para serviço de gás H2: 1. Exposição a alta temperatura de hidrogênio (HTHA) e 2. Sérias preocupações sobre possíveis vazamentos.Ambos os tópicos estão atualmente em discussão.
Ao contrário do hidrogênio molecular, o hidrogênio atômico pode se expandir, expondo o hidrogênio a altas temperaturas e pressões, criando a base para o potencial HTHA.Sob essas condições, o hidrogênio atômico é capaz de se difundir em materiais ou equipamentos de tubulação de aço carbono, onde reage com 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 tubulações ou vasos – isso é HTGA.Você pode ver claramente os resultados do HTHA na Figura 2, onde rachaduras e rachaduras são evidentes na parede de 8″.A parte do tubo de tamanho nominal (NPS) que falha nessas condições.
Aço carbono pode ser usado para serviço de hidrogênio quando a temperatura operacional é mantida abaixo de 500°F.Como mencionado acima, HTHA ocorre quando o gás hidrogênio é mantido em alta pressão parcial e alta temperatura.O aço carbono não é recomendado quando se espera que a pressão parcial do hidrogênio esteja em torno de 3.000 psi e a temperatura esteja acima de 450°F (que é a condição de acidente na Figura 2).
Como pode ser visto no gráfico de Nelson modificado na Figura 3, parcialmente retirado do API 941, a alta temperatura tem o maior efeito no forçamento de 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. Esta carta de Nelson modificada (adaptada da API 941) pode ser usada para selecionar materiais adequados para serviço de hidrogênio em várias temperaturas.
Na fig.3 mostra a escolha de aços que garantem evitar o ataque de hidrogênio, dependendo da temperatura de operação e pressão parcial de hidrogênio.Os 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 de hidrogênio e tem 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 (HAZ) após a soldagem, não é necessário para aços inoxidáveis ​​austeníticos.
Os efeitos termotérmicos causados ​​pelo tratamento térmico e 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 formar tubos de aço inoxidável austenítico, suas propriedades mecânicas mudam, incluindo a diminuição da plasticidade do material.
Se o aço inoxidável austenítico exigir conformação a frio, o recozimento por solução (aquecimento a aproximadamente 1045°C seguido de têmpera ou resfriamento rápido) restaurará as propriedades mecânicas do material aos seus valores originais.Ele também eliminará a segregação da liga, a sensibilização e a fase sigma alcançada após o trabalho a frio.Ao executar o recozimento de solução, esteja ciente de que o resfriamento rápido pode devolver a tensão residual ao material se não for manuseado adequadamente.
Consulte as tabelas GR-2.1.1-1 Índice de especificação de material de montagem de tubulação e GR-2.1.1-2 Índice de especificação de material de tubulação em ASME B31 para seleções de materiais aceitáveis ​​para serviço H2.tubos são um bom lugar para começar.
Com um peso atômico padrão de 1,008 unidades de massa atômica (amu), o hidrogênio é o menor e mais leve elemento da tabela periódica e, portanto, tem uma alta propensão a vazar, com consequências potencialmente devastadoras, devo acrescentar.Portanto, o sistema de gasodutos deve ser projetado de forma a limitar as conexões do tipo mecânico e melhorar as conexões realmente necessárias.
Ao limitar possíveis 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 as conexões roscadas não puderem ser evitadas por qualquer motivo, recomenda-se encaixá-las totalmente sem veda-roscas e depois vedar a solda.Ao usar tubos de aço carbono, as juntas dos tubos devem ser soldadas e tratadas termicamente após a soldagem (PWHT).Após a soldagem, os tubos na zona afetada pelo calor (HAZ) são expostos ao ataque de hidrogênio mesmo à temperatura ambiente.Embora o ataque de hidrogênio ocorra principalmente em altas temperaturas, o estágio PWHT reduzirá completamente, se não eliminar, essa possibilidade mesmo sob condições ambientais.
O ponto fraco do sistema totalmente soldado é a conexão do flange.Para garantir um alto grau de estanqueidade nas conexões de flange, devem ser usadas juntas Kammprofile (fig. 4) ou outra forma de juntas.Feito quase da mesma forma por vários fabricantes, este bloco é muito indulgente.Consiste em anéis de metal dentados imprensados ​​entre materiais de vedação macios e deformáveis.Os dentes concentram a carga do parafuso em uma área menor para proporcionar um ajuste firme com menos tensão.Ele é projetado de forma que possa compensar superfícies de flange irregulares, bem como condições de operação flutuantes.
Figura 4. As juntas Kammprofile têm um núcleo de metal colado em ambos os lados com um enchimento macio.
Outro fator importante na 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, é recomendável selecionar uma válvula com vedação de fole.
Use 1 polegada.Tubo de aço carbono School 80, em nosso exemplo abaixo, dadas as tolerâncias de fabricação, corrosão e tolerâncias mecânicas de acordo com ASTM A106 Gr B, a pressão máxima de trabalho permitida (MAWP) pode ser calculada em duas etapas em temperaturas de até 300°F (Nota: A razão para “… A equação (1) requer ajuste para temperaturas acima de 300ºF.)
Referindo-se à fórmula (1), o primeiro passo é calcular a pressão de ruptura teórica da tubulação.
T = espessura da parede do tubo menos tolerâncias mecânicas, de corrosão e de fabricação, em polegadas.
A segunda parte do processo é 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 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 de Vasos de Pressão ASME Seção VIII-1 2019, Parágrafo 8. UG-101 calculado da seguinte forma:
O valor MAWP resultante é 810 psi.polegada refere-se apenas ao tubo.A conexão de flange ou componente com a classificação mais baixa no sistema será o fator determinante na determinação da pressão permitida no sistema.
De acordo com ASME B16.5, a pressão de trabalho máxima permitida para conexões de flange de aço carbono 150 é de 285 psi.polegadas a -20°F a 100°F.A classe 300 tem uma pressão de trabalho máxima 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, apenas em testes hidrostáticos, esses valores podem ultrapassar 1,5 vezes.
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.polegadas, pode conter os requisitos de material mostrados na Tabela 2. A seguir estão os tipos que podem exigir atenção para serem incluídos na especificação:
Além da própria tubulação, há 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 discuti-los em detalhes, isso exigirá mais páginas do que podem ser acomodadas.Este artigo.