Tubi in lega di nichel per applicazioni con idrogeno: guida alle temperature e alla compatibilità

Una ricerca su tubo in lega di nichel per impiego con idrogeno proviene solitamente da un elettrolizzatore, un reformer, un’unità di purificazione dell’idrogeno, un sistema di gas ad alta pressione, un pacchetto “balance-of-plant” per celle a combustibile, uno scambiatore di calore o un impianto di ricerca. L’impiego in presenza di idrogeno non rappresenta l’unica condizione. Il materiale può essere sottoposto ad alta pressione, alta temperatura, gas umido, solfuro di idrogeno, vapore, ossigeno, cicli di carico, gradienti termici e decompressione rapida.

Si prende in considerazione l’uso di tubi in lega di nichel poiché i materiali a base di nichel garantiscono resistenza alle alte temperature, resistenza all’ossidazione e una buona resistenza ad alcuni meccanismi di danneggiamento legati all’idrogeno. Si possono prendere in considerazione l'Inconel 600, l'Inconel 625, l'Inconel 718, i gradi della famiglia Alloy 800, l'Incoloy 825 e altre leghe ad alte prestazioni. La scelta finale deve tenere conto della pressione, della temperatura, della pressione parziale dell’idrogeno, delle sollecitazioni, delle condizioni superficiali, delle saldature e delle norme di progettazione applicabili.

La presente guida è destinata agli ingegneri che si occupano di progetti relativi all’idrogeno, ai produttori di apparecchiature (OEM), ai team di approvvigionamento EPC e ai fornitori di materiali. Illustra come redigere una richiesta di offerta (RFQ) concreta per i tubi e in quali casi un tubo in lega di nichel possa rappresentare o meno la soluzione più adatta.

Contatta 28Nickel per un preventivo relativo al progetto indicando la lega o i tipi di acciaio previsti, la forma del prodotto, le dimensioni, la quantità, le condizioni di impiego, la destinazione e i tempi di consegna.

Tubo in lega di nichel per impiego con idrogeno: la scelta rapida

La scelta più rapida e affidabile parte dalla funzione d'uso. Non scegliere un prodotto in lega di nichel solo perché contiene più nichel o perché un fornitore ne ha in magazzino. La forma, il grado, le dimensioni e le condizioni d'uso richiesti devono essere compatibili tra loro. Utilizza la tabella seguente come strumento di selezione prima della revisione dettagliata del progetto.

La tabella ha lo scopo di perfezionare la prima richiesta di preventivo (RFQ), non di sostituire l’approvazione tecnica. Una piccola variazione di temperatura, cloruri, concentrazione acida, ciclo di pressione, velocità o metallo collegato può determinare il passaggio da una famiglia di leghe all’altra nella scelta del materiale. Indicare le condizioni più sfavorevoli plausibili e le conseguenze di un eventuale guasto prima di richiedere un’offerta definitiva.

Cosa significa davvero il termine di ricerca

La compatibilità con l’idrogeno dipende dalla temperatura, dalla pressione, dalla purezza, dallo stato di sollecitazione, dalla microstruttura, dalle condizioni superficiali e dal tempo di esposizione. Affermare in generale che le leghe di nichel resistono all’idrogeno è troppo generico. Alcuni materiali offrono buone prestazioni in un ambiente di reformer a caldo, ma richiedono una valutazione diversa in presenza di idrogeno puro ad alta pressione, idrogeno umido o gas acido.

La progettazione dei tubi dipende anche dai limiti del sistema. Un tubo all’interno di un reformer è sottoposto a elevate temperature e a reazioni chimiche tra i gas. Un tubo all’interno di un gruppo elettrolizzatore può essere esposto a idrogeno umido e al passaggio di ossigeno. Un tubo all’interno di un skid di stoccaggio o distribuzione è soggetto a cicli di pressione, raccordi, vibrazioni e decompressione rapida. Le specifiche relative al materiale e al prodotto devono corrispondere alla posizione effettiva.

Dal punto di vista commerciale, gli acquirenti utilizzano spesso un’unica espressione per descrivere diverse esigenze: un articolo a magazzino, una piastra o una barra su misura per un progetto, una bobina per una linea di produzione in continuo, un tubo per uno scambiatore di calore o un componente di ricambio. Un fornitore è in grado di rispondere più rapidamente quando la richiesta specifica il codice dell’apparecchiatura, il fluido di esercizio, la temperatura, la pressione, le dimensioni, la quantità e la destinazione. Tali informazioni consentono inoltre di confrontare i preventivi dei diversi fornitori.

Famiglie di classi e adattamento dei materiali

Le classificazioni riportate di seguito indicano le famiglie di prodotti candidate, non costituiscono un'approvazione automatica. I nomi delle leghe di nichel possono essere utilizzati per diverse forme di prodotto e norme, e lo stesso nome commerciale può avere più riferimenti UNS o di produttore. Verificare la specifica in vigore, la forma del prodotto, le condizioni, la composizione chimica, i requisiti meccanici e le regole di accettazione del progetto prima di effettuare un ordine.

Un materiale altamente legato non è automaticamente la scelta più economica o tecnicamente corretta. Un’opzione a bassa lega con un margine di sicurezza verificato può ridurre i costi, mentre un’opzione altamente legata può essere giustificata quando l’accesso è difficile, un guasto comporterebbe la contaminazione di un flusso di prodotto o la sostituzione richiederebbe un’interruzione significativa dell’attività. Il costo del ciclo di vita dovrebbe essere considerato alla pari del prezzo del materiale nel processo decisionale.

Quando in un progetto si mettono a confronto due classi di qualità, occorre utilizzare gli stessi criteri di riferimento per ogni candidato: stesso intervallo di temperatura, stessa concentrazione o composizione del gas, stessa forma del prodotto, stesso spessore o diametro, stessa durata di progetto e stesse ipotesi di fabbricazione. È bene evitare di combinare una curva di laboratorio relativa a una determinata condizione con una scheda tecnica del fornitore relativa a un’altra condizione e definire il risultato come un confronto diretto.

Condizioni di servizio che determinano la progettazione

La pressione e la pressione parziale dell'idrogeno devono essere specificate per le condizioni normali, di progetto, di funzionamento anomalo e di prova. Se l'idrogeno è miscelato con vapore, azoto, metano, monossido di carbonio, anidride carbonica, ossigeno o composti dello zolfo, indicare l'intervallo e le variazioni previste durante l'avvio e l'arresto.

La temperatura modifica il meccanismo di danneggiamento. L’idrogeno caldo può interagire con il carbonio e con la microstruttura della lega, mentre l’idrogeno freddo ad alta pressione può influire sul comportamento alla frattura e sulla risposta alla decompressione rapida. È necessario considerare la temperatura del metallo del tubo, non solo quella del gas in ingresso.

I cicli di pressione possono essere più importanti della pressione costante. La produzione dell’elettrolizzatore, i cicli del compressore, il prelievo dall’accumulatore, il funzionamento delle valvole e l’arresto di emergenza possono generare migliaia di cicli. È necessario considerare il numero di cicli, la velocità di variazione, il tempo di mantenimento e i limiti ammissibili in termini di perdite o progressione delle crepe.

Saldature, curve, filettature, raccordi, supporti e segni superficiali concentrano le sollecitazioni. Il materiale del tubo deve essere verificato alla luce del piano di collegamento e di fabbricazione. Un tubo diritto in buone condizioni non garantisce la tenuta del sistema a idrogeno una volta installato.

Mappa delle applicazioni

Reformatori di idrogeno e tubi del forno

I tubi dei reformer e dei forni sono soggetti ad alte temperature, vapore, idrogeno, gas contenenti carbonio, cicli termici e scorrimento. A seconda della temperatura del metallo del tubo e della durata di vita prevista, si possono prendere in considerazione i gradi della famiglia Alloy 800, l’Inconel 600 e altre leghe resistenti alle alte temperature.

Profilo del forno, composizione chimica del gas, flusso termico, supporto dei tubi, ore di funzionamento, cicli di avvio e arresto e intervallo di sostituzione previsto. La scelta dei tubi deve tenere conto dei dati relativi allo scorrimento e alla carburazione.

Tubazioni del sistema ausiliario dell’elettrolizzatore

I sistemi elettrolitici possono produrre flussi di idrogeno e ossigeno in fase umida caratterizzati da variazioni di pressione, trascinamento di acqua e requisiti rigorosi in materia di pulizia. La valutazione dei materiali dovrebbe includere la purezza dei gas, il rischio di contaminazione incrociata, le proprietà chimiche dell’acqua deionizzata e l’essiccazione a valle.

Fornire il diametro esterno (OD), lo spessore della parete, la lunghezza, il tipo di giunto, i requisiti di pulizia, la pressione, la temperatura, lo schema dei cicli e la normativa applicabile alle attrezzature a pressione.

Moduli per l'idrogeno ad alta pressione

Gli skid di compressione, stoccaggio e distribuzione utilizzano tubazioni di piccolo diametro, raccordi, valvole e collettori sottoposti a pressioni elevate, vibrazioni e cicli di pressione ripetuti. Le leghe di nichel possono essere prese in considerazione nei casi in cui i requisiti di resistenza o compatibilità superino quelli delle comuni opzioni in acciaio inossidabile.

Definire la pressione di progetto, la pressione di prova, la temperatura, la purezza del gas, la velocità di decompressione, il supporto dei tubi e il sistema di raccordi. I materiali dei tubi e dei raccordi devono essere valutati nel loro insieme.

Scambiatori di calore a idrogeno

Negli scambiatori di calore, i tubi possono essere esposti all’idrogeno da un lato e a vapore, acqua, gas di processo o liquidi corrosivi dall’altro. È necessario effettuare un’analisi congiunta delle conseguenze derivanti dalla pressione differenziale, dalle vibrazioni, dai depositi e dalle perdite.

Elencare entrambi i fluidi, le temperature, la pressione, la velocità, il giunto tra tubo e piastra, i prodotti chimici di pulizia e le conseguenze della contaminazione incrociata.

Note tecniche e di progettazione

La progettazione di impianti a idrogeno dovrebbe attenersi alle norme vigenti e alle regole relative ai materiali utilizzati nel progetto. I requisiti relativi alla sollecitazione ammissibile, alla tenacità alla frattura, alla fatica, alla propagazione delle cricche, ai cicli di pressione e alla decompressione rapida possono risultare più importanti di un valore generico di resistenza alla trazione.

Le condizioni superficiali e il grado di pulizia possono influire sulle apparecchiature a idrogeno. Ossido, particelle di ferro incastrate, lubrificante, zolfo, umidità e particelle possono compromettere l’affidabilità o contaminare un sistema a celle a combustibile o un elettrolizzatore. Indicare nelle specifiche di progetto i requisiti relativi alla pulizia, all’asciugatura e ai limiti di particelle.

I raccordi rappresentano spesso il primo rischio di perdita. È necessario valutare complessivamente lo spessore della parete del tubo, la geometria del raccordo, la ghiera o il cono, la forma della filettatura, la distanza tra i supporti, le vibrazioni e la coppia di serraggio. La qualità del materiale non può compensare un sistema di raccordi scelto in modo errato.

I sistemi a idrogeno ad alta temperatura possono inoltre essere soggetti a carburazione, formazione di polveri metalliche o ossidazione. È necessario tenere conto della composizione del gas e dell’attività del carbonio nei casi in cui i tubi del reformer o del forno operino al di sopra dell’intervallo di pressione previsto per le tubazioni standard.

Dimensioni, fornitura e disponibilità

La forma del prodotto deve essere specificata utilizzando le dimensioni che definiscono l’apparecchiatura finita. Per le lamiere, tali dimensioni possono essere spessore, larghezza, lunghezza e planarità. Per le barre, possono essere diametro, sezione, lunghezza, rettilineità e tolleranza. Per i rotoli, possono essere lo spessore, la larghezza, il diametro interno del rotolo e il peso del rotolo. Per i tubi, possono essere il diametro esterno, lo spessore nominale o minimo della parete, la lunghezza, l’ovalità e la rettilineità. Un fornitore non dovrebbe dover dedurre tali valori solo dalla parola chiave.

La disponibilità fa parte della pianificazione tecnica. Le dimensioni standard e i tipi di materiale più diffusi potrebbero essere disponibili a magazzino, mentre spessori insoliti, sezioni di grandi dimensioni, bobine strette, tubi lunghi, condizioni speciali o quantità ridotte potrebbero richiedere un percorso produttivo specifico. È necessario specificare se il progetto può accettare una dimensione standard o se richiede una dimensione fissa. Ciò impedisce che un’alternativa commerciale proposta in fase avanzata si trasformi in una modifica progettuale non approvata.

Per i progetti di sostituzione, allegare il disegno esistente, l’etichetta dell’apparecchiatura, il materiale difettoso, la vecchia denominazione del fornitore e la data di consegna richiesta. Per i nuovi progetti, allegare il programma di progettazione e la data entro la quale il materiale deve pervenire al produttore. I tempi di consegna devono essere indicati come un intervallo, specificandone le ipotesi di base, e non come un numero isolato privo di contesto.

Norme e documenti di acquisto

Le norme forniscono un linguaggio comune per la chimica, le dimensioni e i requisiti meccanici, ma non sostituiscono la progettazione del servizio. La richiesta di offerta (RFQ) deve elencare le norme ASTM, ASME, EN, DIN, AMS, NACE, i documenti del committente o di progetto applicabili e, ove necessario, indicarne la revisione. Se il progetto accetta un grado equivalente o alternativo, indicare esplicitamente il percorso di approvazione.

Il documento di acquisto più efficace collega le caratteristiche del materiale alla funzione dell’apparecchiatura. Esso specifica cosa è richiesto, perché è richiesto e quali prove saranno utilizzate ai fini dell’accettazione. Una richiesta di offerta (RFQ) breve può comunque essere chiara se vengono elencate le variabili critiche; una richiesta di offerta lunga può invece risultare ambigua se mancano le condizioni di servizio.

Modalità di guasto più comuni e come evitarle

La maggior parte dei problemi relativi ai materiali non è causata da una singola parola errata in un catalogo. Tali problemi insorgono quando cambiano i parametri operativi, il processo di fabbricazione non viene rivisto, viene omesso un metallo di collegamento, si presume una dimensione o viene accettata un’alternativa commerciale senza l’approvazione tecnica. Una breve revisione del progetto in fase di richiesta di preventivo (RFQ) è solitamente meno costosa di una modifica dei materiali dopo la fabbricazione.

Quando si è già verificato un guasto, conservare il componente difettoso, i registri operativi, la cronologia dei fluidi, le fotografie, le dimensioni e la documentazione precedente. Non determinare il tipo di ricambio basandosi esclusivamente sull’aspetto della frattura. L’analisi delle cause alla radice deve distinguere tra corrosione, sovraccarico, fatica, danni termici, vibrazioni, errori di installazione e confusione tra materiali.

Lista di controllo per le richieste di preventivo (RFQ) destinata agli acquirenti

Prima di inviare una richiesta a un fornitore di leghe di nichel, utilizza la seguente lista di controllo:

1. Indicare il grado esatto della parola chiave o il grado del candidato, il riferimento UNS e la forma del prodotto.
2. Indicare il nome dell'apparecchiatura, il fluido o il gas di esercizio, nonché le condizioni normali e di progetto.
3. Indicare le dimensioni in un unico sistema di unità di misura e specificare lo spessore nominale o minimo, ove pertinente.
4. Indicare la quantità, il numero di pezzi, la stima del peso, i ricambi e il luogo di consegna del progetto.
5. Indicare la specifica di riferimento ASTM, ASME, EN, DIN, AMS, NACE o quella del committente.
6. Descrivere i cicli di temperatura, i cicli di pressione, la velocità, i depositi, la pulizia e le condizioni di sovratensione.
7. Indicare le modalità di giunzione, fissaggio, sigillatura, formatura o installazione dopo la consegna.
8. Indicare eventuali restrizioni relative alle sostituzioni, alle classi alternative o alle edizioni standard.
9. Chiedere ai fornitori di distinguere tra scorte, produzione standard e opzioni di produzione speciale.
10. Indicare in righe separate eventuali scostamenti, ipotesi, condizioni di consegna e validità dell'offerta.
11. Confermare la destinazione, l’Incoterm, la data di arrivo richiesta e le esigenze relative all’imballaggio e alla marcatura.
12. Inviateci disegni o schede tecniche quando la geometria, gli accoppiamenti, la disposizione delle bobine o i giunti delle piastre tubiere sono fattori rilevanti.

Una volta ricevuto il preventivo, confrontare le voci tecniche prima di confrontare i prezzi. Verificare che tutti i fornitori abbiano indicato la stessa lega, lo stesso standard, le stesse dimensioni, le stesse condizioni, la stessa quantità e le stesse modalità di consegna. Tenere a disposizione le alternative in modo che il team tecnico possa approvarle o respingerle in modo ponderato.

Note sulla pianificazione del progetto prima del rilascio

La scelta dei materiali dovrebbe essere definita nel momento in cui i dati di processo, la disposizione delle attrezzature e il percorso di fabbricazione siano sufficientemente maturi da consentire un confronto significativo. L’invio di una richiesta con una descrizione del servizio incompleta spesso genera diversi preventivi che sembrano simili ma si basano su presupposti diversi. Registrare in un unico documento le condizioni normali, le condizioni di progetto, le condizioni di sovraccarico e l’intervallo di manutenzione previsto, quindi utilizzare la stessa base di riferimento per ogni fornitore.

È necessario considerare la sequenza di lavorazione a valle già durante la fase di selezione del materiale. La lamiera può essere laminata o formata, la barra può essere lavorata per ottenere un componente rotante o filettato, la bobina può essere alimentata in modo continuo e il tubo può essere espanso, piegato o unito a una piastra tubiera. Ogni fase può modificare le condizioni richieste, le tolleranze dimensionali, la protezione superficiale e le pratiche di movimentazione consentite. Un coordinamento tempestivo riduce il rischio che un prodotto tecnicamente idoneo diventi inutilizzabile presso il produttore.

La pianificazione delle consegne dovrebbe includere i tempi necessari per la revisione dei disegni, l’assegnazione dei materiali, la produzione, l’imballaggio, il trasporto e il controllo in ricevimento. Una misura standard che arrivi prima del periodo previsto per la fabbricazione può risultare più vantaggiosa di una misura teoricamente ottimale che arrivi dopo un periodo di fermo. Chiedete al fornitore quali siano le sue ipotesi e individuate quali date siano definitive, quali approssimative e quali dipendano da una tempestiva approvazione tecnica.

Infine, conservate una documentazione chiara delle decisioni prese. Annotate la lega selezionata, le alternative scartate, i limiti di servizio applicabili, le dimensioni, la norma di riferimento, la quantità, le condizioni di consegna e il nome della persona che ha approvato la deroga tecnica. Questa documentazione aiuta i team di manutenzione a sostituire il materiale in modo coerente e fornisce al progetto successivo un punto di partenza affidabile, evitando agli ingegneri di dover ricostruire la decisione originale sulla base di e-mail sparse.

Domande frequenti

Qual è la lega di nichel più adatta per i tubi per l'idrogeno?

I gradi Inconel 600, 625, 718, della famiglia Alloy 800 e Incoloy 825 sono adatti a diversi intervalli di temperatura, pressione e contaminanti. Utilizzare il codice di progetto e i dati effettivi di esercizio.

I tubi in lega di nichel sono resistenti all'infragilimento da idrogeno?

Le leghe di nichel possono dare buoni risultati in determinati ambienti a idrogeno, ma la loro compatibilità dipende dalla temperatura, dalla pressione, dalle sollecitazioni, dalla microstruttura, dalla purezza e dai cicli di sollecitazione. Nessun materiale dovrebbe essere approvato sulla base di una semplice dichiarazione generica.

Quali sono gli aspetti fondamentali nella progettazione di tubi per idrogeno ad alta pressione?

La pressione, le pareti, la fatica, il comportamento a rottura, la decompressione rapida, i raccordi, la distanza tra i supporti, la pulizia, la purezza del gas e la normativa applicabile sono tutti fattori rilevanti.

È possibile utilizzare l'Alloy 800 nei reformer a idrogeno?

I gradi della famiglia Alloy 800 sono ampiamente utilizzati nei reformer e nei forni ad alta temperatura. È necessario verificare che il grado esatto e la temperatura del metallo del tubo siano conformi ai requisiti relativi allo scorrimento e alla carburazione.

Cosa dovrebbe contenere una richiesta di offerta per tubi per idrogeno?

Leghe standard, codice UNS, norma, diametro esterno, spessore della parete, lunghezza, pressione, temperatura, purezza dell’idrogeno, schema di ciclo, sistema di collegamento, grado di pulizia e data di consegna.

28Nickel è in grado di fornire tubi in lega di nichel per applicazioni con idrogeno?

Sì. Inviateci la busta di servizio, le dimensioni del tubo, la classe del prodotto, la norma di riferimento, la quantità, la destinazione e i tempi di consegna per una valutazione tecnica e commerciale.

Posizione definitiva in materia di appalti

Per i tubi in lega di nichel destinati all’impiego con idrogeno, la scelta corretta del materiale deve tenere conto della lega, della forma del prodotto, delle dimensioni, delle condizioni operative, delle norme, della quantità e dei tempi di consegna.

La richiesta di preventivo più utile comprende il tipo di materiale, la lega, le dimensioni, le condizioni operative, le norme di riferimento, la quantità, la destinazione e i tempi di consegna. Queste informazioni consentono a 28Nickel di valutare la disponibilità, il processo produttivo, i presupposti tecnici e le opzioni commerciali prima di preparare un'offerta.

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