El dimensionamiento adecuado, la selección de materiales y el control son más importantes que nunca.
KEVIN JACKSON, NEW ENERGY SPECIALIST, BAKER HUGHES
El hidrógeno tiene una larga historia en el mercado de la energía, desde que propulsó los primeros motores de combustión interna hace más de 200 años hasta convertirse en una parte integral de la industria de refinación moderna. Cuando pensamos en las aplicaciones del hidrógeno, la mayoría de la gente piensa en el hidrógeno que se usa en las refinerías para eliminar el azufre de la gasolina, el combustible diésel y otros productos refinados, como catalizador para estimular la reacción química o como combustible para hornos que generan vapor para varios procesos de refinación. . Es importante tener en cuenta que el hidrógeno es un gas que debe tratarse con respeto, especialmente cuando se trata de la selección de materiales. De lo contrario, el riesgo de seguridad asociado con el uso de materiales inadecuados puede ser catastrófico y representar un peligro para la seguridad a largo plazo.
A medida que avanzamos hacia un mundo más verde, el hidrógeno se está convirtiendo en un combustible cada vez más común y se espera que se utilice en diversas aplicaciones. Estas aplicaciones incluyen la mezcla, en diferentes porcentajes, de hidrógeno con gas natural, comúnmente 20 %/80 %, para producir un gas para la generación de energía a base de gas que reduce la emisión de CO2 en aproximadamente un 6-7 %, o en el transporte, ya sea como en combustibles, celdas de gas hidrógeno o en forma líquida para vehículos que requieren mayor autonomía.
El hidrógeno se puede producir de cuatro formas básicas. En la refinería, el hidrógeno se produce tradicionalmente a partir de gas natural, petróleo o carbón mediante reformado de metano con vapor o mediante gasificación, y aproximadamente el 96 % del hidrógeno actual se produce mediante este proceso. La electrólisis es el cuarto método y hoy representa alrededor del 4% del hidrógeno total producido a nivel mundial.
Cuando se trata de dimensionar y configurar válvulas de control para aplicaciones de hidrógeno gaseoso y líquido, los ingenieros de válvulas de control deben tener cuidado. Esto es especialmente cierto ahora, ya que el hidrógeno se genera y transporta en grandes cantidades en todo el mundo en diversas formas, incluido el hidrógeno gaseoso, los líquidos puros de hidrógeno y los compuestos orgánicos que absorben hidrógeno o lo mezclan con nitrógeno para producir amoníaco. Todas estas formas de hidrógeno requieren un control adecuado de la presión y la temperatura para que sean viables como hidrógeno puro o como vehículo para trasladarlo a áreas donde el hidrógeno no se puede fabricar localmente en cantidad suficiente para satisfacer la demanda local.
Hay cinco áreas clave a tener en cuenta al determinar el tamaño y la configuración de una válvula de control para uso en hidrógeno, así como al configurar válvulas de aislamiento y seguridad.
Selección de Materiales
La fragilización por hidrógeno (HE), también conocida como craqueo asistido por hidrógeno o craqueo inducido por hidrógeno (HIC), es un proceso complejo que involucra varios micromecanismos contribuyentes distintos, familiar para cualquiera que haya trabajado en el sector upstream. Sin embargo, en años más recientes, se ha aceptado ampliamente que HE es un problema complejo que puede ser el resultado de una selección de materiales y condiciones ambientales inadecuadas, la formación de hidruros metálicos, las transformaciones de fase del hidrógeno y una variedad de otros factores sin que siempre sea posible. identificar una sola causa. El resultado de HE es una reducción de la ductilidad debido a la absorción de los átomos de hidrógeno muy pequeños.
Los aceros con una resistencia a la tracción de menos de aproximadamente 145 ksi (1000 MPa), o con una dureza Rockwell de menos de HRC 32, son las aleaciones que generalmente no son susceptibles a la fragilización por hidrógeno. También se debe considerar la temperatura porque HE se maximiza alrededor de la temperatura ambiente en los aceros, pero la mayoría de los metales son relativamente inmunes a la fragilización por hidrógeno a temperaturas superiores a 150 °C (302 °F). También se debe considerar la presión, ya que se estima que la presión parcial de hidrógeno a la que se produce la fragilización máxima está entre 300 y 1500 psi (20 y 100 bar).
Cabe señalar que la fragilización por hidrógeno ocurre en aceros y metales similares a concentraciones de hidrógeno relativamente bajas, dependiendo de la temperatura y las presiones. Los materiales generalmente aceptables para el servicio de hidrógeno incluyen aceros inoxidables austeníticos, aleaciones de aluminio, cobre y aleaciones de cobre. El níquel y la mayoría de las aleaciones de níquel no deben usarse ya que están sujetos a una severa fragilización por hidrógeno. Los hierros fundidos grises, dúctiles y maleables tampoco deben usarse para el servicio de hidrógeno.
Se pueden usar pruebas como la ASTM F1624 para clasificar las aleaciones y los recubrimientos durante la selección de materiales para garantizar que el umbral de agrietamiento esté por debajo del umbral para el agrietamiento por corrosión bajo tensión asistido por hidrógeno. Se deben realizar pruebas durante el control de calidad para calificar los materiales que se producen de manera rápida y comparable. Los estándares como NACE MR-0175 para exploración y producción aguas arriba y NACE MR-0103 para entornos de refinería pueden ayudar a definir y especificar los requisitos de las válvulas de control para los gases de hidrógeno.
Al considerar los materiales, considere también los materiales utilizados para los diafragmas y el sellado. Si bien la investigación y las pruebas continúan, el conocimiento de la compatibilidad del hidrógeno con los polímeros continúa sometiéndose a extensas pruebas de campo. Los usuarios entienden los principios de la descompresión explosiva de los gases, pero el hidrógeno agrega otra capa de complejidad, especialmente para los diafragmas. Los materiales de empaquetadura para las válvulas de control pueden parecer sencillos en términos de selección, enrollado en espiral, PTFE o grafito, pero se debe prestar especial atención a la temperatura y la presión para las aplicaciones de hidrógeno.
Una emisión fugitiva se define como la emisión, fuga o descarga no intencional y/o no deseada de gases o vapores de equipos que contienen presión, como válvulas defectuosas o aplicadas incorrectamente.
Hay dos tipos principales de emisiones que afectan el medio ambiente, la calidad del aire y la salud humana: las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y las emisiones de contaminantes atmosféricos. Para las válvulas, nos preocupan las emisiones de gases de efecto invernadero.
La prueba de emisiones fugitivas es un término genérico para una amplia variedad de diferentes procedimientos y métodos de prueba utilizados para probar y evaluar la integridad de la fuga externa de los sellos/empaquetaduras del vástago de la válvula y las juntas del cuerpo de las válvulas de control: de globo, rotativas y reguladoras.
La prueba debe ser un reflejo directo de las condiciones de servicio reales, desde criogénicas hasta ambientales y temperaturas y presiones extremadamente altas. Los estándares de prueba más comunes utilizados para las válvulas de control son ISO-15848-1 y 2, ANSI/ISA S93.00.01, ANSI/FCI 91-1, TA-Luft/VDI 2440, API-622, API-624 y API-641 . Algunas empresas tienen sus propios procedimientos de prueba, por ejemplo, Shell SPE 77/300 y Shell SPE 77/312. Al especificar, configurar o comprar válvulas de control, se debe usar el estándar apropiado con prueba de certificados de testigos de terceros que cubran los diámetros de vástago, materiales y gas de prueba correctos. Cabe señalar que cualquier prueba presenciada no solo debe incluir el empaque de vapor, sino también todas las juntas del cuerpo a través del ciclo y las variaciones de temperatura.
Aproximadamente el 60 % de las emisiones fugitivas provienen de las válvulas, y hasta el 80 % de las fugas por válvula se originan en el empaque del vástago. Otras fuentes de la válvula son los puertos de purga o escape de las válvulas solenoides, posicionadores y otros accesorios de control. Para evitar el desarrollo de fugas, las pruebas y el mantenimiento regulares contribuyen en gran medida a prevenir las emisiones fugitivas. Para las emisiones fugitivas gaseosas, el uso regular de dispositivos de detección de gases es útil ya que ayuda a detectar la fuente de dichas emisiones.
Rendimiento y confiabilidad
El rendimiento de las características de seguridad de una válvula se mide en términos de probabilidad de falla a pedido (PFD). A través de este cálculo, obtiene un Nivel de integridad de seguridad (SIL) como una indicación de la confiabilidad e integridad del sistema, y se mide en una escala de 1 a 4 (siendo 4 el más seguro y el que tiene menos probabilidades de fallar, pero rara vez se usa). Este no es un requisito para seleccionar un tipo de válvula o un fabricante; sin embargo, brinda un nivel de confianza de que el proveedor tiene buena reputación y una medida de rendimiento y seguridad basada en los estándares internacionales de la industria.
Sin embargo, si la falla de la válvula de control no genera una demanda en el Sistema instrumentado de seguridad (SIF), del cual forma parte, pero podría generar una demanda en cualquier otro SIF asociado, se requerirá un análisis adicional.
Dimensionamiento de la Válvula de Control
El proceso de dimensionamiento de la válvula de control es un procedimiento en el que la dinámica de fluidos del sistema se adapta a las características de rendimiento de la válvula. Esto selecciona una válvula de control de un tamaño y tipo apropiado que mejor se adapte a las necesidades de gestión del flujo dentro del sistema de proceso. Cada fabricante de válvulas de control, junto con algunas empresas de software independientes, ha desarrollado sus propias plataformas para el dimensionamiento de válvulas basadas en las normas ANSI/ISA-75.01.01 e IEC 60534-2-1.
Obviamente, todas las válvulas de control son ligeramente diferentes entre sí en cuanto a sus características de diseño únicas. Aunque todos usan estos estándares de la industria, cada fabricante tiene ciertos matices debido al perfil de diseño único de ciertos componentes de la válvula que pueden afectar el resultado de la evaluación del tamaño de la válvula. Cada tamaño debe ir acompañado de las hojas de datos de tamaño del fabricante. El software de dimensionamiento independiente puede proporcionar el tamaño ideal y los datos de rendimiento, pero es genérico.
Los fabricantes de válvulas de control acreditados llevan a cabo pruebas de verificación para garantizar que el rendimiento calculado establecido con sus válvulas coincida, dentro de una tolerancia mínima aceptable, con el rendimiento real de la válvula cuando se instala. A pedido, se pueden realizar pruebas adicionales para verificar caudales precisos, ruido generado, capacidad y caída de presión.
Junto con lo anterior, al dimensionar y seleccionar válvulas de control para usar con hidrógeno, el dimensionamiento se ve afectado por varios factores:
Mientras que el hidrógeno es un elemento puro (H2 ), el metano es un compuesto formado por carbono e hidrógeno (CH4). La ausencia de carbono en el hidrógeno es el principal factor detrás de las diferencias en comparación con el gas natural.
La tabla periódica de elementos está ordenada por peso molecular. El hidrógeno (H2), como primer elemento de la tabla periódica, es una molécula muy ligera. El metano (CH4) es un compuesto formado por carbono e hidrógeno y es mucho más pesado, con un peso molecular de ocho veces el peso del hidrógeno. Esto significa que el hidrógeno es una molécula más pequeña, lo que aumenta el potencial de fugas en empaquetaduras y juntas, así como el tamaño de la válvula.
La inflamabilidad es otra preocupación que afecta la selección de válvulas, especialmente las empaquetaduras y las juntas. El hidrógeno entrará en combustión con concentraciones de aire tanto más altas como más bajas, lo que hará que la combustión sea más probable si hay fugas.
Diagnostico de Valvulas en Hidrógeno
A medida que el mundo avanza en IIoT y sistemas inteligentes, el diagnóstico de válvulas de control ahora es una parte clave del monitoreo y la gestión de válvulas de control en la nueva era. Esto implica usar el posicionador para monitorear el estado de la válvula y recopilar datos sobre su posición, condiciones y rendimiento para mejorar la eficiencia de la planta y el tiempo de actividad del proceso.
Comprender los cambios en las condiciones de funcionamiento y el rendimiento de las válvulas es fundamental para actuar antes de que se produzca una avería. Si no está midiendo y rastreando un sistema, solo está adivinando y perdiendo su rendimiento óptimo.
Cualquier diagnóstico de válvula en línea debe consistir en indicadores clave de rendimiento (KPI) que se monitorean continuamente mientras la válvula está en servicio, lo que brinda información real sobre el rendimiento operativo real del sistema de válvula sin la necesidad de desconectar un proceso.
Para aprovechar al máximo su sistema y procesos, es ideal ser independiente de la marca y tener un sistema de gestión de activos de válvulas que pueda rastrear los activos de todos los fabricantes a lo largo de todo el ciclo de vida de todas las válvulas en la planta.
Conclusión
El hidrógeno es ligero, almacenable, denso en energía y no produce gases de efecto invernadero directos. Pero para que el hidrógeno haga una contribución significativa a una transición de energía limpia, todas las industrias deben adoptarlo como un combustible clave para reducir los gases de efecto invernadero. A medida que la industria continúa creciendo, como siempre, es imperativo que las válvulas utilizadas en aplicaciones de hidrógeno tengan el tamaño adecuado y estén construidas con los materiales adecuados para las aplicaciones en las que se utilizarán.
Todavía hay muchos obstáculos que superar, incluidos la seguridad, la regulación, la escalabilidad y la reducción de costos. Considere el hidrógeno en comparación con el lugar donde estaba el GNL (gas natural licuado) hace 20 años y la transformación que ha tenido lugar en la producción, el transporte y la descarga. Ciertamente, los desafíos son diferentes y actualmente no existen todos los procesos y equipos para aprovechar al máximo el hidrógeno y su nuevo papel en el mundo, pero el futuro del hidrógeno parece seguro como una fuente importante de combustible.
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