Selezione dei componenti di tenuta per fluidi contenenti gas naturale e idrogeno solforato: una guida per condizioni difficili

Nei settori petrolifero, del gas naturale e chimico, la manipolazione di gas naturale ricco di acido solfidrico (H₂S), spesso chiamato "gas acido", presenta sfide estreme per l'affidabilità e la sicurezza delle apparecchiature. L'acido solfidrico non è solo altamente tossico, infiammabile ed esplosivo, ma anche fortemente corrosivo. Può causare cricche da stress da solfuro metallico (SSC) e cricche indotte da idrogeno (HIC), oltre a causare rigonfiamento, indurimento e degradazione dei materiali di tenuta non metallici. Pertanto, la selezione dei componenti di tenuta appropriati per tali fluidi è fondamentale, in quanto influisce direttamente sulla sicurezza della produzione, sulla tutela ambientale e sul funzionamento a lungo termine delle apparecchiature.

​I. Analisi delle condizioni operative e sfide principali​

Prima di scegliere le guarnizioni, è essenziale comprendere appieno le proprietà del mezzo:

1. ​Corrosività dell'idrogeno solforato (H₂S): L'H₂S si dissolve in acqua formando un acido debole, che corrode fortemente molti elastomeri e metalli. Può rompere le catene molecolari dei materiali di tenuta, causandone la perdita di elasticità, la fragilità o un eccessivo rigonfiamento, con conseguente rottura.
2. ​Proprietà del gas naturale (principalmente metano): Il gas naturale è di per sé un mezzo non polare e può causare rigonfiamenti in alcune gomme. I sistemi sono spessoalta pressione, che richiedono guarnizioni con un'eccellente resistenza all'estrusione e una bassa deformazione permanente da compressione.
3. ​Condizioni operative combinate: La temperatura del mezzo, la pressione, la concentrazione e la presenza di acqua (che aggrava significativamente la corrosione da H₂S) sono tutti fattori critici. Le temperature operative comuni vanno dalla temperatura ambiente a oltre 100 °C.

​II. Selezione del materiale di tenuta consigliato​

Sulla base delle sfide sopra descritte, i seguenti materiali di tenuta si sono dimostrati affidabili per gli ambienti con gas naturale contenente acido solfidrico:

​1. Perfluoroelastomero (FFKM)​​

• ​Prestazione: Questo è attualmente il ​grado più alto​ opzione, nota come il "re degli elastomeri". Offre un'eccellente inerzia chimica, resistendo a quasi tutte le sostanze chimiche, tra cui acido solforico concentrato, basi forti e acido solfidrico aggressivo. La sua resistenza alle alte temperature è eccezionale (uso continuo fino a 280-300 °C+).
• ​Applicazione: Condizioni estreme con alte temperature, alte pressioni e alte concentrazioni di H₂S, come le apparecchiature delle teste di pozzo, le valvole ad alta pressione e le guarnizioni dei compressori. Sebbene costose, rappresentano la scelta primaria per garantire la sicurezza assoluta.
• ​Gradi comuni: Chemraz®, Perlast®, ecc.

​2. Gomma nitrile butadiene idrogenata (HNBR)​

• ​Prestazione: Rispetto alla gomma nitrilica standard (NBR), l'HNBR offre una migliore resistenza al calore, agli agenti chimici e all'invecchiamento grazie a un processo di idrogenazione. Offre una buona resistenza a fluidi oleosi e gassosi e a moderate concentrazioni di H₂S, oltre a un'elevata resistenza meccanica e una buona resistenza all'usura.
• ​Applicazione: Temperatura media (tipicamente da -25°C a 150°C), pressione media e condizioni di corrosione moderate. È un'opzione conveniente, spesso utilizzata per guarnizioni di valvole, O-ring e guarnizioni di flange.
• ​Nota: Non adatto ad ambienti estremi con concentrazioni di H₂S molto elevate e temperature elevate contemporaneamente.

​3. Fluoroelastomero (FKM/Viton®)​

• ​Prestazione: L'FKM è da tempo uno degli elastomeri ad alte prestazioni più utilizzati in ambienti con gas acidi. Offre un'eccellente resistenza alle alte temperature (circa 200-230 °C), agli oli e a molti prodotti chimici (incluso H₂S).
• ​ApplicazioneAdatto alla maggior parte degli ambienti con gas naturale contenente H₂S, è la scelta ideale per bilanciare prestazioni e costi. Ampiamente utilizzato per O-ring, V-ring, guarnizioni per flange e guarnizioni per steli di valvole.
• ​Nota importante: Fai attenzione agli FKMscarse prestazioni a bassa temperaturae potenziale degrado delle prestazioni a lungo termine in presenza di vapore o acqua calda. Verificare che il composto specifico sia adatto per l'uso in ambienti acidi.

​4. Politetrafluoroetilene (PTFE) e i suoi compositi​

• ​Prestazione: Il PTFE, noto come il "re delle materie plastiche", offre un'inerzia chimica pressoché perfetta, resistendo completamente a H₂S, acidi, basi e solventi a qualsiasi concentrazione. Il suo intervallo di temperatura è estremamente ampio (da -180 °C a 260 °C) e ha un coefficiente di attrito molto basso.
• ​Applicazione: Comunemente utilizzato per guarnizioni, sedi valvola, anelli antiestrusione e guarnizioni a labbro. Il PTFE puro è soggetto a scorrimento a freddo e ha scarsa resilienza, quindi viene spesso miscelato con fibra di vetro, grafite, fibra di carbonio, ecc., per migliorare la resistenza meccanica, la resistenza allo scorrimento e la resistenza all'usura.
• ​Forme: Spesso utilizzato per guarnizioni stampate o anelli di tenuta lavorati a macchina.

​5. Sigilli metallici​

• ​Prestazione: Per pressioni e temperature elevatissime o condizioni estreme in cui gli elastomeri non sono adatti, le guarnizioni metalliche rappresentano la soluzione definitiva. I materiali più comuni includonoacciaio inossidabile 316L, ​Lega 625 (Inconel 625), ​Lega C276 (Hastelloy C276)e altre leghe resistenti alla corrosione.
• ​Forme: Tipicamente O-ring metallici (pieni o cavi), C-ring metallici, guarnizioni energizzate da molla. Sfruttano la deformazione elastica del metallo per ottenere una tenuta e possono resistere a pressioni e temperature molto elevate.
• ​Applicazione: Alberi di Natale a testa di pozzo, valvole ad alta pressione, reattori e collegamenti di condotte.

​III. Materiali da evitare​

• ​Gomma nitrilica standard (NBR): Resistenza insufficiente all'H₂S e alle alte temperature; si degrada rapidamente.
• ​Monomero di etilene propilene diene (EPDM): Sebbene sia resistente al vapore, ha una resistenza molto scarsa agli oli e agli idrocarburi, gonfiandosi notevolmente nell'olio.
• ​Neoprene (CR)​: Resistenza agli acidi generalmente scarsa; le prestazioni sono di gran lunga inferiori a quelle di FKM/HNBR.
• ​Alcuni poliuretani (PU): Tendente all'idrolisi e non resistente alla corrosione da H₂S.

​IV. Selezione e considerazioni​

1. ​Confermare i parametri operativi: La temperatura, la pressione, la concentrazione di H₂S e CO₂ e la presenza di acqua sono le basi per la selezione.
2. ​Fare riferimento agli standard: Seguire gli standard del settore come NACE MR0175/ISO 15156 (Industria petrolifera e del gas naturale — Materiali per l'uso in ambienti contenenti H₂S nella produzione di petrolio e gas), che fornisce indicazioni dettagliate sulla selezione di materiali metallici e non metallici.
3. ​Test di compatibilità dei materiali: In caso di dubbi, richiedere sempre le tabelle di compatibilità chimica al fornitore della guarnizione o eseguire test di immersione simulando le condizioni operative per verificarne le prestazioni.
4. ​Progettazione del sigillo: Per ottenere prestazioni ottimali, i materiali eccellenti richiedono una progettazione adeguata (rapporto di compressione appropriato, utilizzo di anelli antiestrusione).
5. ​Qualifiche del fornitore: Scegli fornitori di sigilli qualificati ed esperti per garantire l'autenticità dei materiali e processi di produzione affidabili.

​Conclusione​

Quando si maneggiano gas naturale e mezzi di idrogeno solforato,la sicurezza è la massima prioritàLa selezione dei componenti di tenuta non dovrebbe basarsi principalmente sul costo ma suaffidabilità e idoneità del materiale.

• ​Raccomandazione primaria: Per la maggior parte delle condizioni, ​Fluoroelastomero (FKM)​ è una scelta economica e affidabile.
• ​Condizioni estreme: Per alte temperature, alte pressioni e alta corrosione,Perfluoroelastomero (FFKM)​ o ​guarnizioni metalliche in lega specialesono un investimento necessario.
• ​Applicazioni speciali: ​Compositi PTFE​ e ​Gomma nitrilica idrogenata (HNBR)​si comportano in modo eccellente nei rispettivi intervalli applicabili.

Scegliere il giusto componente di tenuta significa costruire una barriera sicura, affidabile e duratura. È una decisione tecnica fondamentale per garantire la sicurezza del personale, prevenire l'inquinamento ambientale e garantire la continuità produttiva.