Reutilización de tuberías de hidrógeno en Alemania: metalurgia, reducción de potencia y planificación de inspecciones para líneas de gas convertidas

Por qué reutilizar una línea de gas para hidrógeno es un problema de integridad, no solo un cambio de válvula

Una línea de transporte de gas natural con décadas de historial de inspección limpio no es automáticamente apta para el hidrógeno. El hidrógeno penetra en el acero y las propiedades que regían la operación segura con metano (tenacidad a la fractura, resistencia al crecimiento de grietas por fatiga, ductilidad) cambian. Los defectos que eran inofensivos bajo gas natural, como imperfecciones en la soldadura longitudinal, zonas afectadas por el calor endurecidas y grietas superficiales remanentes de servicios anteriores, pueden terminar siendo las características que limiten la línea.

El costo se manifiesta en tres lugares. Los operadores que omiten el cribado de materiales arriesgan una conversión que luego necesite una reducción de presión o incluso una sección de reemplazo. Los operadores que realizan un cribado demasiado conservador desperdician una capacidad que podrían haber utilizado. Y los operadores que subestiman el ciclado de presión descubren que una línea que cumple con su límite de presión estática aún tiene una vida útil corta por fatiga.

El programa alemán para convertir partes de la red de gas ha convertido esto en la cuestión de ingeniería central para los equipos de proyecto. Evaluar el material, establecer una envolvente justificada de presión y ciclos, y planificar la inspección en torno a los defectos que importan bajo hidrógeno.

Contexto de normas y requisitos

Ningún documento único rige todos los aspectos de la conversión. En la práctica, los equipos combinan:

• ASME B31.12, Tuberías y ductos de hidrógeno. Cubre el diseño, construcción y operación de tuberías de hidrógeno, y ofrece una ruta prescriptiva y una ruta basada en el desempeño. La ruta basada en el desempeño requiere pruebas de materiales en hidrógeno.
• ASME B31.8, Sistemas de tuberías de transporte y distribución de gas, bajo los cuales se diseñaron y operaron la mayoría de las líneas existentes.
• ASME B31.8S, Gestión de la integridad del sistema de tuberías de gas, para la identificación de amenazas, evaluación de riesgos y planificación de la evaluación de la integridad.
• API 5L, Especificación para tubería de línea, la base para el grado de la tubería, la ruta de fabricación y los requisitos de propiedades mecánicas, necesaria para interpretar los registros de materiales heredados.
• ASTM E1820 (medición de la tenacidad a la fractura) y ASTM E647 (medición de la tasa de crecimiento de grietas por fatiga), los métodos de prueba básicos detrás de la calificación de materiales específicos para hidrógeno.
• API 1163, Calificación de sistemas de inspección interna, para calificar las herramientas de inspección utilizadas para dimensionar las características que impulsan la evaluación.

El documento de la DVGW Construcción, conversión y operación de tuberías de gas de acero para hidrógeno: de las pruebas de materiales a la aprobación describe la ruta alemana desde las pruebas de materiales hasta la aprobación regulatoria. La cobertura de ENR sobre la propuesta de tubería germano-holandesa señala que las guías europeas e internacionales permiten el hidrógeno en líneas convertidas, pero esperan reglas de seguridad actualizadas, límites de presión, pruebas de materiales, reemplazo de válvulas y sellos, y certificación por fases antes de la puesta en marcha. Confirme las reglas técnicas nacionales actuales y las expectativas de la autoridad competente al inicio del proyecto. Ellos deciden qué evidencia de prueba debe generar, y es mucho más barato aprender eso en el mes 1 que en el mes 18.

Technical body

How hydrogen degrades line pipe steel

La revisión del JRC y el artículo de Hydrogen Safety sobre la integridad y seguridad de las tuberías reutilizadas coinciden en el efecto principal: la fragilización por hidrógeno reduce la ductilidad, la tenacidad a la fractura y la resistencia al crecimiento de grietas por fatiga. Para la reutilización, las consecuencias prácticas son:

• El crecimiento de grietas por fatiga se acelera bajo el ciclado de presión. La revisión de MDPI enumera el ciclado de presión y la integridad de la soldadura como factores que deben considerarse en cualquier evaluación de reutilización. Una línea que tuvo un ciclado moderado con gas natural puede tener un servicio muy diferente en una red de hidrógeno que equilibra la producción variable y el almacenamiento.
• La tenacidad a la fractura cae en presencia de hidrógeno. Un valor de tenacidad Charpy medido en aire no indica cómo se comporta una grieta en gas hidrógeno. Esa brecha es la razón por la cual el trabajo de mecánica de fractura de Fraunhofer sobre la conversión de gasoductos de acero (Bruchmechanische Betrachtungen bei der Umstellung von Erdgasleitungen aus Stahl für den Transport von Wasserstoff) trata la evaluación de la mecánica de fractura, y no simples comprobaciones de resistencia, como la base para la conversión.
• Las soldaduras y sus zonas afectadas por el calor son los primeros sospechosos. Las microestructuras más duras y el esfuerzo residual concentran los efectos del hidrógeno. La revisión de MDPI exige una evaluación rigurosa de las soldaduras de la tubería.

La prevención se reduce a limitar el ingreso de hidrógeno en la red cristalina del acero. Para una línea existente no se puede cambiar el acero, por lo que las palancas son la envolvente operativa (presión, ciclado, calidad del gas) y la población de defectos (lo que se encuentra y repara antes de la conversión).

Material screening: what to test and where

Un programa de cribado que respalde una decisión de conversión debe construirse en torno al material real de la línea, no a la especificación nominal. Una secuencia viable:

1. Reconstruir el registro del material. Recopilar grado de tubería, fabricante, ruta de fabricación (sin costura, costura longitudinal, helicoidal), año de instalación, espesor de pared, revestimiento y procedimientos de soldadura. Los vacíos en el registro significan más pruebas, no suposiciones.
2. Agrupar la línea en poblaciones de materiales. Las diferentes épocas, acerías y tipos de costura deben mantenerse como poblaciones separadas, cada una con su propio plan de muestreo.
3. Cosechar muestras representativas. Tomar muestras de recortes o secciones reemplazadas. Incluir metal base, soldadura de costura y zonas afectadas por el calor de la soldadura circunferencial.
4. Probar en hidrógeno, no en aire. Las pruebas de tenacidad a la fractura y crecimiento de grietas por fatiga, adaptadas de las metodologías de ASTM E1820 y ASTM E647 pero realizadas en gas hidrógeno a presiones que representen el servicio previsto, generan las propiedades del material específicas para hidrógeno que se necesitan. El énfasis del documento de la DVGW en "desde la prueba del material hasta la aprobación" refleja que estos datos alimentan directamente el caso de aprobación.
5. Introducir los resultados en la evaluación de la mecánica de fractura. El resultado es un tamaño de defecto permisible para una presión y un régimen de ciclado determinados. Eso se convierte en la base de aceptación para los hallazgos de la inspección.

Pressure derating and cycling limits

El derating no es un factor único aplicado a la presión máxima de operación permisible. Tiene tres componentes:

• Base del factor de diseño. Bajo la ruta basada en el desempeño en ASME B31.12, las propiedades del material probadas en hidrógeno respaldan una base de diseño justificada en lugar de una reducción generalizada. La ruta prescriptiva es más simple, pero es más conservadora.
• Presión máxima de operación. La evaluación de la mecánica de fractura establece la presión más alta a la cual el mayor defecto remanente creíble sigue siendo tolerable.
• Envolvente del ciclo de presión. A menudo es la restricción real. La vida a la fatiga depende del rango de presión y del recuento de ciclos, por lo que la estrategia operativa (amortiguación, uso de almacenamiento, control del compresor, tasas de rampa) se convierte en parte del caso de integridad.

Inspection planning for converted lines

Planifique la inspección en torno al modo de falla que el hidrógeno empeora, que es el crecimiento de grietas a partir de defectos existentes.

• Inspección base antes de la conversión. Realice una inspección interna con herramientas capaces de detectar y dimensionar características tipo grieta y anomalías de soldadura, además de herramientas de geometría y pérdida de metal. Califique el desempeño de la herramienta frente a API 1163, y confirme la precisión del dimensionamiento frente a los tamaños de defecto que importan en la evaluación de fractura. Una herramienta que detecta una característica pero no puede dimensionarla adecuadamente obliga a tomar decisiones de reparación conservadoras.
• Excavaciones de verificación. Excavar y examinar una muestra de características, especialmente en soldaduras de costura y circunferenciales, para validar los resultados de la ILI antes de que sustenten un caso de conversión.
• Gestión de la integridad bajo los principios de ASME B31.8S. Actualizar la identificación de amenazas para agregar la fatiga y fragilización relacionadas con el hidrógeno. Los intervalos de reevaluación deben provenir del crecimiento de grietas calculado bajo el régimen de ciclado real, no de los intervalos utilizados para el gas natural.
• Monitoreo después de la puesta en marcha. Rastrear el ciclado de presión frente a la suposición de diseño. El caso de integridad solo se mantiene si el servicio real coincide con el servicio asumido.

Equipo auxiliar: donde realmente ocurren las fugas

Los artículos de ENR y AVEVA destacan que las válvulas, los sellos y los componentes de las estaciones compresoras son un límite práctico. El hidrógeno tiene una alta difusividad y un bajo peso molecular, por lo que encuentra su camino a través de sellos diseñados para gas natural, y algunas válvulas diseñadas para gas natural pueden no sellar adecuadamente contra el hidrógeno. Revise cada tipo de válvula, elastómero, junta, conexión de instrumentos y componente del compresor para verificar la compatibilidad con el hidrógeno. Reemplace lo que carezca de evidencia de calificación. El riesgo de fuga se concentra donde se encuentran diferentes componentes.

Seguridad durante los trabajos de inspección y corte

Cualquier trabajo que abra, despresurice o inspeccione secciones que contengan hidrocarburos necesita una secuencia controlada:

1. Aísle la sección con aislamiento positivo, no con una sola válvula.
2. Despresurice a través de una ruta de venteo diseñada y controlada hacia una ubicación segura.
3. Verifique la energía cero en el lugar de trabajo con manómetros calibrados y verifique que el aislamiento se mantenga.
4. Aplique bloqueo/etiquetado (LOTO) a todos los puntos de aislamiento y fuentes de energía.
5. Clasifique el área clasificada y utilice equipos certificados y control de fuentes de ignición alrededor de excavaciones, venteos y puntos de corte.
6. Use detección de gas adecuada para el gas presente, prestando atención al amplio rango de inflamabilidad del hidrógeno y al hecho de que su llama es difícil de ver.
7. Purgue de acuerdo con el procedimiento aprobado. Las mezclas de hidrógeno y aire en una sección son un peligro en ambas direcciones durante la conversión.

Escenario ilustrativo: dos épocas, una decisión de conversión

Este escenario es ilustrativo y no se extrae de un proyecto específico.

Un operador está evaluando una línea de transporte compuesta por dos poblaciones. La sección más antigua tiene soldaduras de costura longitudinal y registros incompletos. La sección más nueva tiene tubería de línea moderna bien documentada.

El operador las trata como poblaciones de materiales separadas desde el principio. Para la sección más nueva, los registros respaldan un programa de pruebas más pequeño, y se aplica el enfoque de calificación tipo Mannesmann para tubería moderna. Para la sección más antigua, el operador corta muestras, incluidas las zonas afectadas por el calor de la soldadura de costura, y prueba la tenacidad a la fractura y el crecimiento de grietas por fatiga en hidrógeno.

La línea base de ILI muestra características similares a grietas en algunas soldaduras de costura en la sección más antigua. La evaluación de fractura, utilizando propiedades probadas en hidrógeno y el régimen de ciclos previsto por el operador, muestra que la sección más antigua tolera solo defectos más pequeños que la sección más nueva. Siguen dos opciones:

• Opción 1: operar toda la línea con un rango de presión más estrecho, aceptando una menor flexibilidad para la red.
• Opción 2: reparar o reemplazar las peores características de la sección más antigua y convertir la sección con una envolvente de ciclos controlada.

La decisión depende de cuánto ciclado necesite el operador de la red de esta línea. Si el servicio previsto es constante, la Opción 1 funciona. Si se necesita la línea para equilibrar el suministro variable, la Opción 2 se vuelve necesaria. El ejemplo muestra por qué el pronóstico de ciclos debe acordarse antes de la decisión de reducción de capacidad, no después.

Lista de verificación de decisión

• Registros de materiales reconstruidos, con brechas identificadas y poblaciones de materiales definidas.
• Muestras recolectadas del metal base, soldaduras de costura y zonas afectadas por el calor de la soldadura circunferencial para cada población.
• Tenacidad a la fractura y crecimiento de grietas por fatiga probados en hidrógeno a presión representativa.
• Ruta de diseño seleccionada (prescriptiva o basada en el desempeño bajo ASME B31.12) y justificada.
• Pronóstico de ciclos de presión acordado con el operador de la red y utilizado en la evaluación de fatiga.
• Herramientas ILI calificadas para características similares a grietas y de soldadura, con precisión de dimensionamiento adaptada a las necesidades de evaluación.
• Excavaciones de verificación completadas y llamadas de ILI validadas.
• Criterios de aceptación de defectos derivados de la mecánica de fractura específica del hidrógeno.
• Válvulas, sellos, elastómeros, instrumentos y componentes del compresor revisados para compatibilidad con hidrógeno y reemplazados donde falte evidencia.
• Plan de gestión de integridad actualizado bajo los principios de ASME B31.8S con amenazas específicas del hidrógeno e intervalos de reevaluación.
• Procedimientos de aislamiento, despresurización, verificación de energía cero, LOTO, detección de gas, control de áreas clasificadas y venteo aprobados para todo trabajo intrusivo.
• Ruta regulatoria y de certificación confirmada con la autoridad competente, incluyendo la puesta en marcha por fases.

Conclusión y próximos pasos

Convertir un gasoducto de gas natural a hidrógeno es factible, pero solo para los segmentos donde la evidencia del material lo respalde. La secuencia importa: reconstruir el registro del material, probar en hidrógeno, derivar la aceptación de defectos de la mecánica de fractura y vincular la envolvente de presión y ciclos al servicio real del operador. Luego, planificar la inspección en torno al crecimiento de grietas y reemplazar cualquier equipo auxiliar que carezca de calificación para hidrógeno.

Como primer paso, construya el mapa de población de materiales y el pronóstico de ciclos para cada línea candidata. Estas dos entradas establecen el programa de pruebas, la ruta de reducción de capacidad y el plan de inspección. También muestran tempranamente qué segmentos es probable que se conviertan tal cual y cuáles necesitarán reparación o reemplazo.