Riconversione dei gasodotti tedeschi per l'idrogeno: metallurgia, de-rating e pianificazione delle ispezioni per le linee gas convertite

Perché riconvertire una linea gas per l'idrogeno è un problema di integrità, non solo una sostituzione di valvole

Una linea di trasporto di gas naturale con decenni di storia di ispezioni regolari non è automaticamente idonea per l'idrogeno. L'idrogeno penetra nell'acciaio e le proprietà che governavano il funzionamento sicuro con il metano (tenacità alla frattura, resistenza alla crescita delle cricche per fatica, duttilità) cambiano. Difetti che erano innocui con il gas naturale, come imperfezioni nelle saldature longitudinali, zone termicamente alterate indurite e cricche superficiali residue da servizi precedenti, possono finire per essere gli elementi che limitano la linea.

Il costo si manifesta in tre ambiti. Gli operatori che saltano lo screening dei materiali rischiano una conversione che in seguito richiederà una riduzione della pressione o addirittura la sostituzione di una sezione. Gli operatori che effettuano lo screening in modo troppo conservativo sprecano capacità che avrebbero potuto utilizzare. E gli operatori che sottovalutano i cicli di pressione scoprono che una linea che rispetta il suo limite di pressione statica ha comunque una vita a fatica breve.

Il programma tedesco per la conversione di parti della rete gas ha reso questo il quesito ingegneristico centrale per i team di progetto. Analizzare il materiale, stabilire un inviluppo giustificato di pressione e ciclicità e pianificare l'ispezione in base ai difetti rilevanti in presenza di idrogeno.

Contesto normativo e requisiti

Nessun singolo documento disciplina ogni aspetto della conversione. In pratica, i team combinano:

• ASME B31.12, Tubazioni e condotte per idrogeno. Copre la progettazione, la costruzione e l'esercizio delle tubazioni per idrogeno e offre un percorso prescrittivo e uno basato sulle prestazioni. Il percorso basato sulle prestazioni richiede test dei materiali in idrogeno.
• ASME B31.8, Sistemi di tubazioni per il trasporto e la distribuzione di gas, in base ai quali è stata progettata e gestita la maggior parte delle linee esistenti.
• ASME B31.8S, Gestione dell'integrità del sistema dei gasodotti, per l'identificazione delle minacce, la valutazione dei rischi e la pianificazione della valutazione dell'integrità.
• API 5L, Specifica per tubi di linea, la base per il grado del tubo, il processo di produzione e i requisiti delle proprietà meccaniche, necessaria per interpretare i record dei materiali esistenti.
• ASTM E1820 (misurazione della tenacità alla frattura) e ASTM E647 (misurazione della velocità di crescita delle cricche per fatica), i metodi di prova di base per la qualificazione dei materiali specifica per l'idrogeno.
• API 1163, Qualificazione dei sistemi di ispezione interna (ILI), per qualificare gli strumenti di ispezione utilizzati per dimensionare le caratteristiche che guidano la valutazione.

Il documento DVGW Costruzione, conversione ed esercizio di gasodotti in acciaio per l'idrogeno: dai test sui materiali all'approvazione descrive il percorso tedesco dai test sui materiali all'approvazione normativa. La copertura ENR del proposto gasodotto tedesco-olandese rileva che le linee guida europee e internazionali consentono l'idrogeno nelle linee convertite, ma prevedono norme di sicurezza aggiornate, limiti di pressione, test sui materiali, sostituzione di valvole e guarnizioni e certificazione graduale prima della messa in servizio. Confermare le attuali norme tecniche nazionali e le aspettative dell'autorità competente all'inizio del progetto. Sono loro a decidere quali prove di test è necessario generare, ed è molto più economico apprenderlo nel mese 1 che nel mese 18.

Technical body

How hydrogen degrades line pipe steel

La revisione del JRC e l'articolo di Hydrogen Safety sull'integrità e la sicurezza delle condotte riconvertite concordano sull'effetto principale: l'infragilimento da idrogeno riduce la duttilità, la tenacità alla frattura e la resistenza alla crescita di cricche per fatica. Per la riconversione, le conseguenze pratiche sono:

• La crescita delle cricche per fatica accelera sotto cicli di pressione. La revisione MDPI elenca i cicli di pressione e l'integrità delle saldature come fattori che devono essere considerati in ogni valutazione di riconversione. Una linea che ha subito cicli modesti con il gas naturale può avere un regime di esercizio molto diverso su una rete a idrogeno che bilancia produzione variabile e stoccaggio.
• La tenacità alla frattura diminuisce in presenza di idrogeno. Un valore di tenacità Charpy misurato in aria non indica come si comporta una cricca in presenza di idrogeno gassoso. Questa discrepanza è il motivo per cui il lavoro di Fraunhofer sulla meccanica della frattura per la conversione di gasdotti in acciaio (Bruchmechanische Betrachtungen bei der Umstellung von Erdgasleitungen aus Stahl für den Transport von Wasserstoff) considera la valutazione della meccanica della frattura, e non semplici controlli di resistenza, come base per la conversione.
• Le saldature e le loro zone termicamente alterate sono le prime sospettate. Microstrutture più dure e tensioni residue concentrano gli effetti dell'idrogeno. La revisione MDPI richiede una valutazione rigorosa delle saldature della condotta.

La prevenzione consiste nel limitare l'ingresso di idrogeno nel reticolo dell'acciaio. Per una linea esistente non è possibile cambiare l'acciaio, quindi le leve sono l'inviluppo operativo (pressione, cicli, qualità del gas) e la popolazione dei difetti (ciò che si trova e si ripara prima della conversione).

Material screening: what to test and where

Un programma di screening a supporto di una decisione di conversione deve essere costruito attorno al materiale effettivo della linea, non alla specifica nominale. Una sequenza fattibile:

1. Ricostruire lo storico del materiale. Raccogliere grado del tubo, produttore, metodo di produzione (senza saldatura, saldatura longitudinale, elicoidale), anno di installazione, spessore della parete, rivestimento e procedure di saldatura. Lacune nello storico comportano più test, non ipotesi.
2. Raggruppare la linea in popolazioni di materiali. Diverse annate, acciaierie e tipi di saldatura devono essere mantenuti come popolazioni separate, ciascuna con il proprio piano di campionamento.
3. Prelevare campioni rappresentativi. Prelevare campioni da ritagli o sezioni sostituite. Includere il metallo base, la saldatura longitudinale e le zone termicamente alterate delle saldature di circonferenza.
4. Testare in idrogeno, non in aria. I test di tenacità alla frattura e di crescita delle cricche per fatica, adattati dalle metodologie di ASTM E1820 e ASTM E647 ma eseguiti in idrogeno gassoso a pressioni che rappresentano il servizio previsto, generano le proprietà del materiale specifiche per l'idrogeno necessarie. L'enfasi del documento DVGW sul passaggio "dal test del materiale all'approvazione" riflette il fatto che questi dati alimentano direttamente il caso di approvazione.
5. Inserire i risultati nella valutazione della meccanica della frattura. L'output è una dimensione del difetto ammissibile per una data pressione e un dato regime di cicli. Ciò diventa la base di accettazione per i risultati delle ispezioni.

Pressure derating and cycling limits

Il derating non è un unico fattore applicato alla pressione massima di esercizio ammissibile. Ha tre componenti:

• Base del fattore di progettazione. Secondo il percorso basato sulle prestazioni in ASME B31.12, le proprietà del materiale testate in idrogeno supportano una base di progettazione giustificata piuttosto che una riduzione generalizzata. Il percorso prescrittivo è più semplice, ma più conservativo.
• Massima pressione operativa. La valutazione della meccanica della frattura stabilisce la pressione più alta alla quale il più grande difetto residuo credibile è ancora tollerabile.
• Inviluppo dei cicli di pressione. Spesso il vero vincolo. La vita a fatica dipende dal range di pressione e dal numero di cicli, quindi la strategia operativa (buffering, uso dello stoccaggio, controllo del compressore, velocità di rampa) diventa parte del caso di integrità.

Inspection planning for converted lines

Pianificare l'ispezione attorno alla modalità di guasto che l'idrogeno peggiora, ovvero la crescita di cricche da difetti esistenti.

• Ispezione di base prima della conversione. Eseguire un'ispezione interna con strumenti in grado di rilevare e dimensionare anomalie simili a cricche e difetti di saldatura, oltre a strumenti per la geometria e la perdita di metallo. Qualificare le prestazioni dello strumento rispetto a API 1163 e confermare l'accuratezza del dimensionamento rispetto alle dimensioni dei difetti rilevanti nella valutazione della frattura. Uno strumento che rileva un'anomalia ma non può dimensionarla adeguatamente costringe a decisioni di riparazione conservative.
• Scavi di verifica. Scavare ed esaminare un campione di anomalie, specialmente in corrispondenza delle saldature longitudinali e di circonferenza, per convalidare le indicazioni ILI prima che sostengano un caso di conversione.
• Gestione dell'integrità secondo i principi ASME B31.8S. Aggiornare l'identificazione delle minacce per aggiungere la fatica e l'infragilimento legati all'idrogeno. Gli intervalli di rivalutazione dovrebbero derivare dalla crescita calcolata delle cricche sotto l'effettivo regime di cicli, non dagli intervalli utilizzati per il gas naturale.
• Monitoraggio dopo l'avvio. Tracciare i cicli di pressione rispetto all'ipotesi di progettazione. Il caso di integrità regge solo se l'esercizio reale corrisponde a quello ipotizzato.

Apparecchiature ausiliarie: dove avvengono realmente le perdite

Gli articoli di ENR e AVEVA evidenziano che valvole, guarnizioni e componenti delle stazioni di compressione rappresentano un limite pratico. L'idrogeno ha un'elevata diffusività e un basso peso molecolare, quindi trova la sua strada attraverso guarnizioni progettate per il gas naturale, e alcune valvole progettate per il gas naturale potrebbero non sigillare adeguatamente contro l'idrogeno. Revisionare ogni tipo di valvola, elastomero, guarnizione, connessione degli strumenti e componente del compressore per la compatibilità con l'idrogeno. Sostituire tutto ciò che manca di prove di qualificazione. Il rischio di perdite si concentra dove si incontrano componenti diversi.

Sicurezza durante le attività di ispezione e taglio

Qualsiasi lavoro che comporti l'apertura, la depressurizzazione o l'ispezione di sezioni contenenti idrocarburi richiede una sequenza controllata:

1. Isolare la sezione con isolamento positivo, non con una singola valvola.
2. Depressurizzare attraverso un percorso di sfiato ingegnerizzato e controllato verso una posizione sicura.
3. Verificare l'assenza di energia nel luogo di lavoro con manometri calibrati e verificare che l'isolamento tenga.
4. Applicare lockout/tagout (LOTO) a tutti i punti di isolamento e alle fonti di energia.
5. Classificare l'area classificata e utilizzare apparecchiature certificate e il controllo delle fonti di innesco intorno a scavi, sfiati e punti di taglio.
6. Utilizzare un rilevamento gas adatto al gas presente, prestando attenzione all'ampio intervallo di infiammabilità dell'idrogeno e al fatto che la sua fiamma è difficile da vedere.
7. Effettuare lo spurgo secondo la procedura approvata. Le miscele di idrogeno e aria in una sezione rappresentano un pericolo in entrambe le direzioni durante la conversione.

Scenario illustrativo: due epoche, una decisione di conversione

Questo scenario è illustrativo e non è tratto da un progetto specifico.

Un operatore sta valutando una linea di trasporto composta da due popolazioni. La sezione più vecchia presenta saldature longitudinali e record incompleti. La sezione più recente dispone di tubazioni moderne ben documentate.

L'operatore le tratta come popolazioni di materiali separate fin dall'inizio. Per la sezione più recente, i record supportano un programma di test ridotto e si applica l'approccio di qualificazione di tipo Mannesmann per tubi moderni. Per la sezione più vecchia, l'operatore preleva campioni, incluse le zone termicamente alterate della saldatura longitudinale, e testa la tenacità alla frattura e la crescita delle cricche per fatica in idrogeno.

La baseline ILI mostra caratteristiche simili a cricche in alcune saldature longitudinali nella sezione più vecchia. La valutazione della frattura, utilizzando le proprietà testate in idrogeno e il regime di cicli previsto dall'operatore, mostra che la sezione più vecchia tollera solo difetti più piccoli rispetto alla sezione più recente. Seguono due opzioni:

• Opzione 1: operare l'intera linea con un intervallo di pressione più ristretto, accettando una minore flessibilità per la rete.
• Opzione 2: riparare o sostituire le peggiori caratteristiche della sezione più vecchia e convertire la sezione con un inviluppo di cicli controllato.

La decisione dipende da quanto ciclaggio l'operatore di rete richiede da questa linea. Se il servizio previsto è costante, l'Opzione 1 funziona. Se la linea è necessaria per bilanciare l'offerta variabile, l'Opzione 2 diventa necessaria. L'esempio mostra perché la previsione del ciclaggio deve essere concordata prima della decisione di declassamento, non dopo.

Checklist decisionale

• Record dei materiali ricostruiti, con lacune identificate e popolazioni di materiali definite.
• Campioni prelevati dal metallo base, dalle saldature longitudinali e dalle zone termicamente alterate delle saldature circonferenziali per ogni popolazione.
• Tenacità alla frattura e crescita delle cricche per fatica testate in idrogeno a pressione rappresentativa.
• Percorso di progettazione selezionato (prescrittivo o basato sulle prestazioni secondo ASME B31.12) e giustificato.
• Previsione del ciclaggio di pressione concordata con l'operatore di rete e utilizzata nella valutazione della fatica.
• Strumenti ILI qualificati per caratteristiche simili a cricche e saldature, con accuratezza di dimensionamento adeguata alle esigenze di valutazione.
• Scavi di verifica completati e segnalazioni ILI convalidate.
• Criteri di accettazione dei difetti derivati dalla meccanica della frattura specifica per l'idrogeno.
• Valvole, guarnizioni, elastomeri, strumenti e componenti del compressore revisionati per la compatibilità con l'idrogeno e sostituiti dove mancano prove.
• Piano di gestione dell'integrità aggiornato secondo i principi ASME B31.8S con minacce specifiche per l'idrogeno e intervalli di rivalutazione.
• Procedure di isolamento, depressurizzazione, verifica dell'assenza di energia, LOTO, rilevamento gas, controllo delle aree classificate e sfiato approvate per tutti i lavori intrusivi.
• Percorso normativo e di certificazione confermato con l'autorità competente, inclusa la messa in servizio graduale.

Conclusione e prossimi passi

La conversione di un metanodotto all'idrogeno è fattibile, ma solo per i segmenti in cui le evidenze dei materiali lo supportano. La sequenza conta: ricostruire il record del materiale, testare in idrogeno, derivare l'accettazione dei difetti dalla meccanica della frattura e legare l'inviluppo di pressione e cicli al servizio reale dell'operatore. Quindi pianificare l'ispezione sulla crescita delle cricche e sostituire qualsiasi apparecchiatura ausiliaria che manchi di qualificazione per l'idrogeno.

Come primo passo, costruire la mappa della popolazione dei materiali e la previsione del ciclaggio per ogni linea candidata. Questi due input definiscono il programma di test, il percorso di declassamento e il piano di ispezione. Mostrano inoltre precocemente quali segmenti probabilmente si convertiranno così come sono e quali necessiteranno di riparazione o sostituzione.