Selezione del manometro dell'idrogeno: materiali, sicurezza, infragilimento e classificazione dei pericoli

Durante la messa in servizio di uno skid a idrogeno, un ingegnere di progetto mi ha posto la stessa domanda che sento su quasi tutti gli impianti a idrogeno: "Possiamo usare semplicemente un manometro standard qui?" La risposta breve è no, e poche settimane dopo quel particolare pattino ebbe il primo manometro che perdeva dalla presa. L'idrogeno è la molecola più piccola della tavola periodica e non rispetta uno strumento convenzionale a tubo di ottone. Un manometro dell'idrogeno adeguato necessita di parti saldate a contatto con il fluido in acciaio inossidabile 316L, una custodia di sicurezza con parte anteriore solida con retro esplosivo e, nella maggior parte delle installazioni, una classificazione a prova di esplosione. Questo articolo spiega le quattro modalità di guasto che rendono l'idrogeno diverso, le decisioni sui materiali e sulla protezione che ne conseguono e la documentazione da richiedere prima di accettare qualsiasi misuratore per il servizio dell'idrogeno.

Perché l'idrogeno è duro su un manometro convenzionale

Prima di scegliere un prodotto, è utile comprendere i quattro modi in cui l'idrogeno attacca un manometro. Ciascuna modalità di guasto porta a requisiti di progettazione diversi e nessuno di essi ha importanza nel servizio con aria, azoto o vapore.

Permeazione dell'idrogeno

Le molecole di idrogeno sono abbastanza piccole da migrare attraverso minuscoli spazi vuoti e persino attraverso alcuni metalli. Le prese in ottone con giunti saldati e O-ring in elastomero diventano percorsi a perdita lenta nell'idrogeno pressurizzato. In uno spazio chiuso il gas fuoriuscito si accumula rapidamente e può raggiungere una concentrazione infiammabile. La risposta progettuale è un gruppo di contenimento della pressione interamente saldato che elimina i punti di tenuta più deboli.

Infragilimento da idrogeno

L'idrogeno atomico si diffonde nel reticolo metallico e provoca infragilimento. Gli acciai al carbonio ad alta resistenza sono i più vulnerabili: perdono duttilità e possono rompersi mentre il calibro è in servizio normale. Questo è il motivo per cui le parti bagnate nei manometri dell’idrogeno utilizzano acciaio inossidabile austenitico a basso tenore di carbonio anziché acciaio al carbonio temprato, e perché qualsiasi tubo Bourdon trattato termicamente dovrebbe essere qualificato per l’uso dell’idrogeno prima che raggiunga il campo.

Rischio di fiamma e di accensione

L'idrogeno si accende con un'energia di accensione estremamente bassa, circa 0,02 millijoule, e la sua fiamma è quasi invisibile alla luce del giorno. Una microperdita in corrispondenza di un collegamento del manometro può mettere a rischio l'intero skid se il gas trova una fonte di accensione. Questa non è solo una questione di tenuta; decide inoltre se il manometro può contenere contatti elettrici e quale grado di protezione richiedono tali contatti.

Rischio di esplosione e sovrapressione

I sistemi a idrogeno subiscono picchi di pressione dovuti agli scatti del compressore, alle valvole a chiusura rapida e ai cicli termici. Un manometro il cui tubo è già indebolito dall'infragilimento ha molte più probabilità di guastarsi sotto pressione di picco. Lo strumento necessita quindi di un adeguato margine di sovrapressione, oltre a un design della custodia che protegga l'operatore in caso di rottura del tubo.

Specificare le parti a contatto con il fluido saldate in acciaio inossidabile 316L

Per l'idrogeno, la scelta del materiale ha una chiara impostazione predefinita: un tubo e un connettore Bourdon in acciaio inossidabile 316L, uniti mediante saldatura anziché brasatura. La struttura saldata rimuove i microinterstizi permeati dall'idrogeno nei giunti saldati o brasati. L'acciaio inossidabile austenitico 316L mantiene inoltre la sua duttilità nell'idrogeno molto meglio degli acciai al carbonio ad alta resistenza. Le parti bagnate in ottone e leghe di rame, comuni nei manometri per uso generale, dovrebbero rimanere fuori dai circuiti dell'idrogeno pressurizzato; la loro porosità e i giunti saldati creano esattamente i percorsi di perdita che stai cercando di eliminare.

Le guarnizioni in elastomero meritano la stessa attenzione. Se un manometro utilizza O-ring nel percorso della pressione, controllare il grado dell'elastomero per il servizio con idrogeno, poiché non tutte le mescole di gomma trattengono l'idrogeno allo stesso modo. Un manometro dell'idrogeno ben progettato riduce al minimo le guarnizioni e mantiene il percorso della pressione completamente metallico.

Scegli una custodia di sicurezza e una protezione antideflagrante

La custodia rappresenta l'ultima linea di difesa tra un tubo rotto e un operatore. Specificare un involucro con parte anteriore solida e parte posteriore esplosiva: se la valvola Bourdon o la presa si guastano, l'impulso di pressione si scarica all'indietro invece di colpire qualcuno in piedi davanti al manometro. Il nostro serie di manometri di sicurezza è costruito attorno a questo principio, ed è il minimo che accetterei per un pattino a idrogeno.

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I picchi di pressione fanno parte del normale funzionamento dell'idrogeno. Uno scatto del compressore o una valvola di isolamento a chiusura rapida possono aumentare la pressione più velocemente di quanto l'operatore possa reagire. Se il manometro sta già lavorando vicino al fondo scala, il tubo può essere forzato oltre il suo limite elastico. Questo è il motivo per cui la selezione della portata, discussa nella sezione successiva, è una decisione di sicurezza tanto quanto una decisione di precisione.

Per qualsiasi misuratore con contatti elettrici, la custodia cambia completamente il quadro del rischio. L'idrogeno nell'aria si accende a concentrazioni comprese tra circa il 4% e il 75% in volume, con un'energia minima di accensione vicina a 0,02 mJ, quindi i normali contatti di commutazione sono inaccettabili in un'area classificata. Lo strumento corretto è un manometro a contatto elettrico antideflagrante con custodia antideflagrante certificata, che mantiene le scintille interne isolate dall'atmosfera circostante.

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Impostare l'intervallo, la precisione e il margine di sovrapressione

La selezione della portata segue la stessa regola degli altri fluidi di processo, ma nel caso dell'idrogeno la conseguenza di un errore è più grave. Mantenere la normale pressione di esercizio nella metà centrale della scala, indicativamente tra il 25% e il 75% del fondo scala. Per un rimorchio con tubo di idrogeno da 200 bar, utilizzare almeno un manometro da 0 a 400 bar; per un buffer di rifornimento di 700 bar, un manometro da 0 a 1.000 bar mantiene il punto di lavoro vicino al 70%. Quando il sistema funziona sopra i 600 bar, manometri ad alta pressione da 600 a 1000 bar sono la scelta pratica.

La classe di precisione dovrebbe corrispondere alle esigenze del processo piuttosto che al catalogo. Un manometro di classe 1.6 è accettabile per la maggior parte del monitoraggio del processo dell'idrogeno; scegliere la classe 1.0 quando le operazioni di rifornimento o miscelazione dipendono da indicazioni più precise. Laddove la sala di controllo necessita di un valore in tempo reale, aggiungere a trasmettitore di pressione per uso generale con uscita 4–20 mA accanto al calibro meccanico locale, invece di forzare lo strumento meccanico oltre il suo intento progettuale.

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Verificare la certificazione e i record dei test

I progetti sull’idrogeno sono accompagnati da una documentazione e l’indicatore deve adattarsi ad essa. Nelle aree pericolose europee, gli strumenti normalmente richiedono la certificazione ATEX; al di fuori dell’Europa, l’accettazione IECEx è sempre più scritta nelle specifiche del progetto. Confermare che il gruppo di gas copra l'IIC, dove è classificato l'idrogeno, e che la classe di temperatura corrisponda alla zona. Un produttore che costruisce regolarmente manometri antideflagranti certificati ATEX e IECEx fornirà il pacchetto di certificati senza trattarlo come una richiesta speciale.

Oltre al certificato, richiedi i documenti che dimostrano che l'indicatore è pronto per l'idrogeno:

1. Certificato dei materiali per le parti a contatto con il fluido, che conferma il 316L o la lega specificata.
2. Rapporto sul test delle perdite di elio che mostra che il gruppo mantiene la pressione senza perdite misurabili.
3. Registrazione del test di pressione nell'intervallo nominale.
4. Copia del certificato ATEX o IECEx, comprensivo del gruppo gas e della classe di temperatura.

Nessun singolo manometro si adatta ad ogni applicazione dell’idrogeno, ed è proprio questo il punto. Una linea di spurgo a bassa pressione, un rimorchio di stoccaggio da 200 bar e uno skid di rifornimento da 700 bar hanno requisiti di gamma, materiale e custodia diversi. Analizza le quattro modalità di guasto, specifica le parti saldate a contatto con il fluido in 316L, aggiungi una parte anteriore solida con un retro esplosivo e abbina la custodia alla classificazione dell'area pericolosa. Quindi verificare i certificati e testare i record prima della consegna. Fatto in questo modo, il manometro dell'idrogeno diventa un componente affidabile e verificabile del sistema piuttosto che l'elemento più debole dello skid.