Componenti e impianti destinati all’utilizzo di idrogeno: come garantire
sicurezza e conformità

L’utilizzo dell’idrogeno gassoso come risorsa energetica finalizzata alla transizione verde e alla decarbonizzazione, a livello industriale come nella vita di tutti i giorni, richiede la considerazione di diversi impatti che la nuova tecnologia può avere in termini di operatività e sicurezza. Sia che si tratti di utilizzarlo come vettore energetico in sostituzione di altri gas (come per esempio il metano) o applicato a nuovi processi dedicati in sostituzione o a supporto di altre forme energetiche, per esempio motori endotermici o motori elettrici. È necessario procedere a un’attenta valutazione dei rischi e delle soluzioni da adottare per contenere tali rischi.

di Igor Giroletti, Head of NDT & Metallurgical Analysis Department,
Laboratorio OMECO, ICIM Group

MAGAZINE

26 lug 2023

La prima considerazione, seppur apparentemente banale, è relativa proprio alla natura dell’idrogeno gassoso. Si tratta del gas più leggero conosciuto, che si miscela velocemente nell’aria. La molecola H2, molto piccola rispetto a quella degli altri gas attualmente utilizzati, rende l’idrogeno un gas molto permeabile all’interno di un impianto, per questo può fuoruscire con maggiore facilità da raccordi flangiati, guarnizioni, ecc.

L’idrogeno, inoltre, è notoriamente conosciuto come un gas estremamente
infiammabile nell’aria, con un’energia di innesco talmente piccola che anche cariche elettrostatiche e attrito di flusso sono da considerare variabili critiche. Anche le miscele di idrogeno possono risultare estremamente esplosive, ma con fattori di innesco normalmente trascurabili. Va da sé che un gas altamente permeabile e potenzialmente esplosivo, sebbene sostituibile senza troppi
problemi a livello di processo ad altri carburanti meno green, implica
complicazioni e attenzioni su tutta la catena a monte dell’utilizzo, target
principale degli sviluppi tecnici e delle implementazioni normative in corso e che terranno impegnati gli addetti ai lavori per i prossimi anni.

Molti sono gli aspetti in corso di sviluppo, tutti tra loro legati ma indipendenti.
Per esempio, l’idrogeno è un gas già considerato dalla normativa Atex
(che prevede classificazioni specifiche per la certificazione di componenti da utilizzare con idrogeno) mentre se si pensa alla certificazione dei processi
e dei prodotti legati all’utilizzo, al trasporto, allo stoccaggio dell’idrogeno
gassoso, è inevitabile constatare un vuoto normativo che lentamente i vari
player stanno cercando di colmare.

L’utilizzo di alcuni impianti (es. compressori per idrogeno) fino a pressioni
intorno ai 300 bar è diffuso e ampiamente conosciuto da oltre mezzo secolo.
Però la maggiore diffusione di soluzioni che utilizzano questo gas e nuove
applicazioni in fase di sviluppo con richiesta di sempre maggiori prestazioni
è la motivazione che giustifica uno dei trend topic dell’idrogeno: ovvero gli studi per una corretta scelta dei materiali.

Un argomento aperto

L’idrogeno, a livello metallurgico, è comunemente accompagnato dal problema
dell’infragilimento dei materiali. In letteratura l’argomento è ampiamente
trattato mentre a livello normativo l’argomento è coperto e affrontato,
sebbene non ancora in maniera diffusa. L’infragilimento dei materiali è necessariamente legato alla presenza di idrogeno atomico. L’idrogeno gassoso
è invece molecolare, per cui in condizioni non estreme non si creano
condizioni critiche, che non possono però essere escluse in particolari
condizioni di pressione e temperature. È proprio in questa direzione che
vanno i principali studi legati ai materiali per l’utilizzo in ambiente idrogeno, simulando situazioni limite e caratterizzando le varie classi di materiali potenzialmente utilizzabili.

L’elevata permeabilità della molecola dell’idrogeno gassoso accresce la criticità di tutti quei componenti di un impianto che devono garantire la tenuta. Per quanto riguarda valvole e altri componenti le classi di riferimento per una tenuta adeguata sono in
parte già normate, un occhio di riguardo va posto, invece, sui raccordi flangiati. Se pure un approccio legato al monitoraggio dell’efficienza di questi raccordi nel tempo è fattibile, una soluzione definitiva a livello progettuale potrebbe essere l’estensione di giunzioni fisse dove possibile, ovvero giunzioni saldate

A monte della fase di compatibilità e scelta dei materiali per il servizio
idrogeno, un ambito meno focalizzato, ma altrettanto importante, è
quello della corretta fabbricazione degli impianti e del successivo monitoraggio di integrità nel ciclo di vita. L’elevata permeabilità della molecola
dell’idrogeno gassoso accresce la criticità di tutti quei componenti di un impianto che devono garantire la tenuta. Se per quanto riguarda valvole e altri
componenti le classi di riferimento per una tenuta adeguata sono in parte
già normate, un occhio di riguardo va posto, invece, sui raccordi flangiati. Se
pure un approccio legato al monitoraggio dell’efficienza di questi raccordi nel
tempo è fattibile, una soluzione definitiva a livello progettuale potrebbe essere
l’estensione di giunzioni fisse dove possibile, ovvero giunzioni saldate.

La necessità di un piano di controllo

Una volta completata la costruzione, la garanzia di un impianto nelle ottimali
condizioni di servizio passa necessariamente dalla progettazione e stesura di
un piano di controllo, finalizzato all’effettiva verifica dello stato dell’impianto
al momento della messa in servizio. All’interno del piano di controllo un
ruolo particolare è da attribuire ai controlli non distruttivi. L’integrità
dell’impianto deve essere verificata e garantita, oltre che per la funzionalità,
per l’adeguatezza ad esercire in sicurezza con un gas come l’idrogeno.
L’esecuzione della prova di tenuta è sicuramente uno dei test tra i più importanti. Questo viene eseguito mettendo in pressione l’impianto e cercando, mediante sniffer, eventuali perdite. Il gas tracciante utilizzato è generalmente l’elio, il gas più leggero in natura dopo l’idrogeno, con la caratteristica di essere inerte e monoatomico. La verifica della tenuta potrebbe essere anche, in alcuni ambienti, integrata all’impianto stesso,
in modo da avere un controllo continuo di eventuali situazioni critiche.

L’applicazione di un piano di controllo con esecuzione dei vari test per la verifica dell’impianto permette quindi di avere una fotografia dello stesso
prima dell’inizio della sua attività. Da qui la sua importanza: in ogni momento è possibile prevedere controlli periodici, ripetizione di verifiche in accordo al piano di controllo per monitorare l’eventuale insorgere di imperfezioni o difetti e la loro eventuale evoluzione nel tempo

L’integrità dei componenti e dei giunti saldati dell’impianto è invece garantita
da verifiche con adeguati piani di controlli non distruttivi, che permettano
di escludere la presenza di difetti superficiali (controllo con particelle magnetiche e liquidi penetranti), o difetti volumetrici all’interno del materiale
(controllo radiografico, tomografico, controllo con ultrasuoni e phased array).
L’applicazione di un piano di controllo con esecuzione dei vari test per la
verifica dell’impianto permette quindi di avere una fotografia dello stesso
prima dell’inizio della sua attività. Da qui la sua importanza: in ogni momento
è possibile prevedere controlli periodici, ripetizione di verifiche in accordo al piano di controllo per monitorare l’eventuale insorgere di imperfezioni o difetti e la loro eventuale evoluzione nel tempo. Infatti i meccanismi
di degrado dell’impianto nel tempo, in particolare in condizioni di pressione e temperatura molto spinte e non usuali, potrebbero essere molteplici e non completamente previsti.

La crisi dell’energia ha un impatto devastante sul mercato, che si trova in balia di forze opposte che spingono i prezzi verso il basso, come il consumo reale basso e la produzione siderurgica calata, o verso l’alto, tra cui la scarsità delle scorte, la pressione dei costi e la previsione positiva sulla domanda reale. Si fronteggiano quindi questi due set di forze, e non è ancora chiaro quale prevarrà.

•scelta dei procedimenti adeguati a seconda dei componenti e dei giunti da eseguire
•scelta dei materiali d’apporto e le relative specifiche tecniche applicabili
•preparazione e sviluppo delle relative procedure di saldatura (WPS)
•eventuale scelta dei trattamenti termici post saldatura
•redazione delle qualifiche di procedimento (PQR)
•preparazione e qualifica del personale, saldatori e operatori (WPQ/WOPQ)
•preparazione piano di qualifica (Talloni per la qualifica dei procedimenti necessari alla fabbricazione)
•qualifica del procedimento di saldatura, compresa l’esecuzione dei test sui coupon
•redazione del welding book necessario per la corretta esecuzione di ogni giunto.

Queste attività, insieme a tutte le attività di certificazione dei materiali di partenza, sono eseguite al fine di garantire un processo sotto controllo, con variabili fissate e controllate per l’ottenimento di un prodotto finale adeguato all’utilizzo.

Componenti e impianti destinati all’utilizzo di idrogeno: come garantire sicurezza e conformità

Componenti e impianti destinati all’utilizzo di idrogeno: come garantire
sicurezza e conformità