Selección de manómetros de hidrógeno: materiales, seguridad, fragilidad y clasificaciones de peligro

Durante la puesta en marcha de un patín de hidrógeno, un ingeniero de proyecto me hizo la misma pregunta que escucho en casi todas las plantas de hidrógeno: "¿Podemos utilizar aquí un manómetro estándar?" La respuesta corta es no, y unas semanas más tarde, ese patín en particular tuvo una fuga en el enchufe del primer medidor. El hidrógeno es la molécula más pequeña de la tabla periódica y no respeta un instrumento de tubo de latón convencional. Un manómetro de hidrógeno adecuado necesita piezas húmedas de acero inoxidable 316L soldadas, una caja de seguridad de frente sólido con parte posterior reventable y, en la mayoría de las instalaciones, una clasificación a prueba de explosiones. Este artículo explica los cuatro modos de falla que diferencian al hidrógeno, las decisiones sobre materiales y protección que se derivan de ellos, y la documentación que debe solicitar antes de aceptar cualquier medidor para el servicio de hidrógeno.

Por qué el hidrógeno es difícil para un manómetro convencional

Antes de elegir un producto, es útil comprender las cuatro formas en que el hidrógeno ataca un medidor. Cada modo de falla conduce a un requisito de diseño diferente y ninguno de ellos importa en el servicio de aire, nitrógeno o vapor.

Permeación de hidrógeno

Las moléculas de hidrógeno son lo suficientemente pequeñas como para migrar a través de espacios diminutos e incluso a través de ciertos metales. Los casquillos de latón con uniones soldadas y juntas tóricas de elastómero se convierten en vías de fuga lentas en hidrógeno presurizado. En un espacio cerrado, el gas filtrado se acumula rápidamente y puede alcanzar una concentración inflamable. La respuesta del diseño es un conjunto de contención de presión totalmente soldado que elimina los puntos de sellado más débiles.

Fragilización por hidrógeno

El hidrógeno atómico se difunde en la red metálica y provoca fragilidad. Los aceros al carbono de alta resistencia son los más vulnerables: pierden ductilidad y pueden agrietarse mientras el calibre está en servicio normal. Es por eso que las piezas húmedas de los medidores de hidrógeno utilizan acero inoxidable austenítico con bajo contenido de carbono en lugar de acero al carbono endurecido, y por qué cualquier tubo Bourdon tratado térmicamente debe estar calificado para el uso de hidrógeno antes de que llegue al campo.

Riesgo de llama e ignición

El hidrógeno se enciende con una energía de ignición extremadamente baja, alrededor de 0,02 milijulios, y su llama es casi invisible a la luz del día. Una microfuga en la conexión de un medidor puede poner en riesgo todo el patín si el gas encuentra una fuente de ignición. Ésta no es sólo una cuestión de estanqueidad; también decide si el medidor puede contener contactos eléctricos y qué clasificación de gabinete requieren esos contactos.

Riesgo de explosión y sobrepresión

Los sistemas de hidrógeno experimentan aumentos repentinos de presión debido a los disparos del compresor, válvulas de cierre rápido y ciclos térmicos. Un manómetro cuyo tubo ya está debilitado por la fragilidad tiene muchas más probabilidades de fallar bajo una sobrepresión. Por lo tanto, el instrumento necesita un margen de sobrepresión adecuado, además de un diseño de caja que proteja al operador si alguna vez se rompe el tubo.

Especificar piezas húmedas soldadas de acero inoxidable 316L

Para el hidrógeno, la decisión sobre el material tiene un valor predeterminado claro: un tubo Bourdon y un casquillo de acero inoxidable 316L, unidos mediante soldadura en lugar de soldadura fuerte. La construcción soldada elimina los microespacios que permea el hidrógeno en las uniones soldadas o soldadas con bronce. El acero inoxidable austenítico 316L también mantiene su ductilidad en hidrógeno mucho mejor que los aceros al carbono de alta resistencia. Las piezas húmedas de latón y aleaciones de cobre, comunes en los medidores de uso general, deben mantenerse fuera de los circuitos de hidrógeno presurizado; su porosidad y uniones soldadas crean exactamente las vías de fuga que usted intenta eliminar.

Las juntas de elastómero merecen la misma atención. Si un manómetro utiliza juntas tóricas en la ruta de presión, verifique el grado del elastómero para servicio de hidrógeno, porque no todos los compuestos de caucho retienen el hidrógeno por igual. Un medidor de hidrógeno bien diseñado minimiza los sellos por completo y mantiene la ruta de presión completamente metálica.

Elija un estuche de seguridad y protección a prueba de explosiones

El caso es la última línea de defensa entre un tubo roto y un operador. Especifique una caja de frente sólido con parte posterior reventable: si el tubo o casquillo Bourdon falla, el pulso de presión se ventila hacia atrás en lugar de golpear a alguien que esté parado frente al medidor. Nuestro serie de manómetros de seguridad se basa en este principio, y es el mínimo que aceptaría para un patinaje de hidrógeno.

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Los aumentos repentinos de presión son parte del funcionamiento normal del hidrógeno. Un disparo del compresor o una válvula de aislamiento de cierre rápido pueden aumentar la presión más rápido de lo que el operador puede reaccionar. Si el medidor ya está funcionando cerca de la parte superior de su escala, el tubo puede ser forzado más allá de su límite elástico. Es por eso que la selección del rango, que se analiza en la siguiente sección, es tanto una decisión de seguridad como de precisión.

Para cualquier calibre con contactos eléctricos, el recinto cambia completamente el cuadro de riesgo. El hidrógeno en el aire se enciende en concentraciones de aproximadamente 4% a 75% en volumen, con una energía de ignición mínima cercana a 0,02 mJ, por lo que los contactos de interruptor ordinarios son inaceptables en un área clasificada. El instrumento correcto es un manómetro de contacto eléctrico a prueba de explosiones con una carcasa certificada a prueba de llamas, que mantiene las chispas internas aisladas de la atmósfera circundante.

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Establecer el rango, la precisión y el margen de sobrepresión

La selección del rango sigue la misma regla que para otros fluidos de proceso, pero la consecuencia de un error es más grave en el caso del hidrógeno. Mantenga la presión de funcionamiento normal en la mitad media de la escala, aproximadamente entre el 25% y el 75% de la escala completa. Para un remolque con tubo de hidrógeno de 200 bar, utilice al menos un manómetro de 0 a 400 bar; para un buffer de reabastecimiento de combustible de 700 bar, un manómetro de 0 a 1000 bar mantiene el punto de trabajo cerca del 70%. Cuando el sistema funciona por encima de 600 bar, manómetros de alta presión con capacidad de 600 a 1000 bar son la opción práctica.

La clase de precisión debe coincidir con las necesidades del proceso y no con el catálogo. Un manómetro de clase 1,6 es aceptable para la mayoría de los controles de procesos de hidrógeno; Elija la clase 1.0 cuando las operaciones de repostaje o mezcla dependan de una indicación más estricta. Cuando la sala de control necesite un valor en vivo, agregue un Transmisor de presión de uso general con salida de 4–20 mA junto con el medidor mecánico local, en lugar de forzar al instrumento mecánico más allá de su intención de diseño.

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Verificar registros de certificación y pruebas

Los proyectos de hidrógeno vienen con un rastro de documentación y el medidor debe caber en él. En zonas peligrosas europeas, los instrumentos normalmente requieren certificación ATEX; Fuera de Europa, la aceptación de IECEx está cada vez más incluida en las especificaciones de los proyectos. Confirme que el grupo de gases cubre IIC, donde se clasifica el hidrógeno, y que la clase de temperatura coincide con la zona. Un fabricante que construye regularmente Manómetros a prueba de explosiones certificados según ATEX e IECEx suministrará el paquete de certificados sin tratarlo como una solicitud especial.

Más allá del certificado, solicite los registros que demuestren que el medidor está preparado para hidrógeno:

1. Certificado de material de las piezas húmedas, que confirme 316L o la aleación especificada.
2. Informe de prueba de fugas de helio que muestra que el conjunto mantiene la presión sin fugas mensurables.
3. Registro de prueba de presión en el rango nominal.
4. Copia del certificado ATEX o IECEx, incluyendo grupo de gas y clase de temperatura.

ningún soltero manómetro se adapta a todas las aplicaciones de hidrógeno, y ese es exactamente el punto. Una línea de purga de baja presión, un remolque de almacenamiento de 200 bar y un patín de repostaje de 700 bar tienen diferentes requisitos de alcance, material y recinto. Resuelva los cuatro modos de falla, especifique piezas húmedas soldadas de 316L, agregue un frente sólido con una parte posterior explosiva y haga coincidir el gabinete con la clasificación de área peligrosa. Luego verifique los certificados y registros de prueba antes de la entrega. De esta manera, el manómetro de hidrógeno se convierte en un componente confiable y verificable del sistema en lugar de ser el accesorio más débil del patín.