Gasoductos de Hidrógeno: Método Prescriptivo y Método Basado en Desempeño en ASME B31.12

El transporte de hidrógeno, un portador de energía limpio y versátil, requiere una infraestructura sólida para garantizar su entrega segura y eficiente. Entre las normas cruciales que rigen el diseño de gasoductos o tuberías lineales de hidrógeno (en inglés “pipelines”) se encuentra el código ASME B31.12, que describe dos métodos principales para este tipo de tuberías: el Método Prescriptivo y el Método Basado en el Desempeño. Cada uno de estos métodos tiene un enfoque distinto para garantizar la seguridad en el diseño de tuberías para hidrógeno, teniendo ambos el foco puesto en el riesgo de fragilización por la interacción de este gas con el metal de la tubería.

Cálculo de presión de trabajo en función del espesor de tubería – Método Prescriptivo

ASME B31.12 presenta una expresión matemática para determinar la presión de trabajo para una tubería de acero destinada a servicio de hidrógeno, dada una geometría, material y condiciones de contorno. Para el Método Prescriptivo, la fórmula presentada es:

Donde:

Los valores a utilizar en el cálculo se obtienen del propio diseño de ingeniería, y de diferentes tablas incluidas en el código.

Si se compara la presión de trabajo obtenida por esta expresión, con el cálculo realizado -por ejemplo- para transporte de gas natural en la misma tubería (utilizando en este caso el código ASME B31.8), . Según las condiciones, esta diferencia puede llegar a ser muy significativa. Esto es así, sobre todo, porque el factor de desempeño del material (H_f) añade un margen de seguridad considerando el riesgo de fragilización del metal en presencia de hidrógeno.

Cálculo de presión de trabajo en función del espesor de tubería – Método Basado en Desempeño

Si la fórmula que vimos anteriormente corresponde al método Prescriptivo, ¿Cuál es la expresión correspondiente al Método Basado en Desempeño?

Pues … exactamente la misma. Con dos matices importantes: El factor de diseño (F), que depende de la ubicación de la tubería respecto a edificios destinados a ocupación humana, y el factor de desempeño del material (H_f) toman valores de tablas diferentes, y corresponden con márgenes de seguridad mucho menos conservadores que los utilizados en el método Prescriptivo. El resultado final es que la presión de operación del ducto con hidrógeno, siguiendo el Método Basado en Desempeño, alcanza valores similares a los del transporte de gas natural para un ducto equivalente.

A cambio, y este es el punto crítico de la diferencia entre ambos métodos, para poder utilizar el método basado en desempeño el código impone restricciones adicionales a los materiales a utilizar, y exige la realización de ensayos destructivos muy exhaustivos sobre el material, siguiendo los lineamientos del artículo KD-10 del código ASME para Calderas y Recipientes a Presión (BPVC Sección VIII División 3).

Este artículo KD-10 se denomina “Requisitos Especiales de Diseño para Recipientes en Servicio de Transporte y Almacenamiento de Hidrógeno Gaseoso a Alta Presión”, y tiene un enfoque basado en análisis de tensiones, fatiga del material y mecánica de fractura.

Es muy importante tener en cuenta que los ensayos deben realizarse en las condiciones más próximas posibles a las de construcción y operación real. Esto implica la realización de los mismos tratamientos térmicos post construcción y pre / post soldadura. A modo de ejemplo, el código exige repetir los ensayos si se modifica el procedimiento detallado de soldadura a utilizar en la construcción del ducto.

Tubería nueva y reconversión de gasoductos de gas natural. Implicaciones

Con carácter general, el método Prescriptivo dará por resultado presiones menores de operación que el método Basado en Desempeño. Otra forma de realizar la misma afirmación es que para una presión de trabajo definida, el método Prescriptivo exigirá espesores de tubería mayores que el Basado en Desempeño.

Para un nuevo hidroducto, un espesor mayor implica mayor peso y mayor coste, por lo que en general se tenderá a utilizar el método Basado en Desempeño. Esto será especialmente cierto en la medida en que se vayan realizando y publicando ensayos sobre materiales, tratamientos y métodos de soldadura estandarizados, que permitan la reutilización de estos ensayos para la realización de nuevas obras.

Sólo en el caso de tramos relativamente cortos, podría justificarse la utilización del método Prescriptivo para obra nueva, evitando el coste y la complejidad de realizar u homologar los ensayos, a cambio de utilizar factores de diseño más conservadores.

En el caso de reconversión de gasoductos ya existentes de gas natural para el servicio de hidrógeno, la decisión no es tan evidente. Dependerá de la disponibilidad de información exhaustiva sobre la construcción, tratamientos térmicos y procedimientos de soldadura utilizados en la obra original del gasoducto; y de la posibilidad práctica de obtener muestras del material para ensayos destructivos a intervalos regulares y relativamente próximos del ducto a reconvertir.

Por supuesto, la reconversión de un gasoducto de gas natural a hidrógeno, cuando no es posible la aplicación del método Basado en Desempeño (por ejemplo, en un ducto submarino, donde no es económicamente viable la toma de muestras del material) implicará la operación del ducto convertido a una presión menor que la original. Una menor presión también implica una menor cantidad de energía transportada.

Para más información:

ASME B31.12 | Diseño de Sistemas de Tuberías de Hidrógeno

Introducción a ASME B31.12 | Sistemas de Tuberías de Hidrógeno (En Directo)

Introducción a ASME B31.12 | Sistemas de Tuberías de Hidrógeno (Autodirigido)

Tecnologías del Hidrógeno: Visión Práctica