I meccanismi di danno nella conversione ad idrogeno di una stazione di compressione di un gasdotto

Tempo di lettura: 5 minuti, 19 secondi | Livello di difficoltà: Difficile
Lo studio di fattibilità di conversione di un gasdotto portante Gas Naturale (CH4), analizza se le tubazioni e i principali componenti del sistema possono o meno sostenere un cambio di utilizzo con idrogeno puro o miscelato al 20% con CH4.

Lo studio viene eseguito in accordo agli standard internazionali per la progettazione di tubazioni e componenti di condutture trattati con idrogeno come fluido di processo. In generale lo studio di conversione procede attraverso le seguenti fasi:

1. Identificazione dei meccanismi di danno chimico/fisico che potrebbero innescarsi con l’idrogeno in servizio;

2. Identificazione delle tubazioni e dei componenti delle tubazioni e del loro materiale di costruzione appartenenti a ciascuna classe di tubazioni;

3. Definizione delle specifiche meccaniche e delle proprietà chimico/fisiche che il materiale in esame dovrebbe avere in accordo con la norma internazionale di riferimento, al fine di evitare il meccanismo di danno precedentemente menzionato;

4. Determinazione se le specifiche tecniche sui materiali hanno o meno un impatto sul progetto;

5. Definizione di eventuali prove aggiuntive e/o Post Weld Heat Treatment per le tubazioni ed i componenti in servizio con idrogeno in accordo ad ASME B31.12.

L’identificazione dei meccanismi di danno è pertanto la base di partenza per realizzare lo studio di fattibilità, ed è oggetto del presente approfondimento per cercare di dare un’indicazione sui principali fenomeni fisici e chimici che agiscono in presenza di idrogeno come vettore energetico.

I meccanismi di danno per i componenti della stazione vengono identificati facendo riferimento alle norme API 581 RP e si possono dividere in due macrocategorie:

1. Meccanismi di Danno chimico: in altri termini cracking indotto dall’idrogeno sulle tubazioni;

2. Meccanismi di Danno fisico: di fatto, perdite fisiche del vettore energetico dai sistemi di tubazioni.

I fenomeni di danno, sia esso fisico o chimico, vengono valutati singolarmente in accordo alla norma API 571 RP, in modo da definire i range di temperatura e pressione in cui il fenomeno diventa rilevante per i componenti a idrogeno in servizio. Di seguito in Tabella 1, i principali meccanismi di danno individuati per lo studio in esame:

Damage Mechanism

Typology

Included / Excluded

Hydrogen Induced Cracking (HIC)

Chemical

Included

Blistering

Chemical

Included

Hydrogen Embrittlement (HE)

Chemical

Included

Leakage

Physical

Included

High Temperature H2S Corrosion

Chemical/Physical

Excluded

Tabella 1: Damage Mechanisms for piping and pipe components under analysis according to API 581 RP

HIC

Il meccanismo di danno HIC si verifica in ambienti umidi di idrogeno solforato (H2S) e si manifesta essenzialmente negli acciai al carbonio e in quelli a bassa lega.

Le bolle di idrogeno possono formarsi a diverse profondità dalla superficie dell’acciaio, al centro della lamiera o vicino a una saldatura.

In alcuni casi, vesciche vicine o adiacenti che si trovano a profondità leggermente diverse, possono sviluppare cricche che le collegano tra loro.

Le cricche di interconnessione tra le vesciche hanno spesso un aspetto a gradini, e quindi l’HIC viene talvolta definito “cricca a gradini”.

I principali fattori che influenzano questo tipo di meccanismo di danno sono:

  • Condizioni ambientali (pH, Temperatura, livello di H2S, contaminanti e loro temperatura);
  • Proprietà del materiale (durezza, microstruttura, resistenza meccanica);
  • Livello di stress a trazione (applicato o residuo-PWHT).

Nel caso in esame la composizione del nuovo vettore energetico composto da idrogeno ha sempre una concentrazione di H2S umido inferiore a 50 ppm, pertanto l’applicazione di questo meccanismo di danno potrebbe essere evitato in accordo a quanto indicato nella API 571 paragrafo 5.1.2.3.3, tuttavia, si consiglia di considerarlo per avere un’analisi più conservativa.

BLISTERING

Le bolle di idrogeno coinvolgono sia gli acciai al carbonio sia gli acciai a basso tenore di carbonio, in ambienti H2S umidi. Le bolle di idrogeno possono formarsi come rigonfiamenti superficiali sulla superficie interna, sulla superficie esterna o all’interno dello spessore della parete di una tubazione.

La bolla deriva da atomi di idrogeno che si formano durante il processo di corrosione da solfuro sulla superficie dell’acciaio, che si diffondono nell’acciaio e si raccolgono in una discontinuità nella struttura cristallina dell’acciaio come un’inclusione o una laminazione.

Gli atomi di idrogeno si combinano per formare molecole di idrogeno che sono troppo grandi per diffondere all’esterno e la pressione aumenta fino al punto in cui si verifica una deformazione locale, formando una bolla. Il blistering deriva dall’idrogeno generato dalla corrosione e dall’umidità (in ambienti altamente aggressivi).

Nel caso in esame la composizione del nuovo vettore energetico composto da idrogeno ha sempre una concentrazione di H2S umido inferiore a 50 ppm, pertanto l’applicazione di questo meccanismo di danno potrebbe essere evitato in accordo a quanto indicato nella API 571 paragrafo 5.1.2.3.3, tuttavia, si consiglia di considerarlo per avere un’analisi più conservativa.

HE

La penetrazione di idrogeno atomico può portare a cricche fragili dovute a una perdita di duttilità negli acciai ad alta resistenza. L’HE può verificarsi durante la saldatura, la fabbricazione o da servizi che possono caricare l’idrogeno nell’acciaio in un ambiente acquoso, corrosivo o gassoso.

I materiali colpiti da questo meccanismo di danno sono essenzialmente l’acciaio al carbonio, l’acciaio a bassa lega e alcune leghe a base di nichel ad alta resistenza. I principali fattori che influenzano questo tipo di meccanismo di danno sono:

  • Concentrazione di H all’interno dell’acciaio/lega;
  • Livello di forza e microstruttura del componente, in altri termini la resistenza all’infragilimento (UTS > 800 MPa).

La fonte di idrogeno potrebbe derivare sia dal servizio con atmosfere di gas ad alta temperatura (l’H2 molecolare si dissocia per formare idrogeno atomico che può diffondersi nell’acciaio) sia dai processi di fabbricazione, saldatura o pulizia.

LEAKAGE

L’idrogeno è incolore, inodore e altamente esplosivo, ha una bassa viscosità, un basso peso molecolare ed è un gas asfissiante ed esplosivo. Queste caratteristiche rendono necessari precisi accorgimenti affinchè vi sia perdita nulla nel sistema.

In particolare, questo meccanismo di danno, che è di tipo fisico, coinvolge le valvole (sia il corpo che la sede), le guarnizioni e le filettature. Pertanto, a causa dell’utilizzo di H2 e del suo sfruttamento in un sistema del genere, è necessario prevedere materiali speciali/procedure di trattamento e di prestazioni a perdita zero.

HIGH TEMPERATURE H2S Corrosion

La presenza di idrogeno nei flussi di idrocarburi contenenti H2S aumenta la gravità della corrosione da solfuro ad alta temperatura a temperature superiori a 260°C, come riportato da API 571 RP.

Ci sono molti fattori che possono influenzare questo specifico meccanismo di danno, ma la temperatura è il più rilevante.

Quindi, poiché tutte le classi di tubazioni della stazione in esame, rientrano in intervalli di temperatura di progetto ben inferiori, questo meccanismo può essere considerato non applicabile per lo studio in esame.

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