Serbatoi criogenici per gas industriali

La sfida di mantenere le cose fredde

Gas naturale liquefatto, azoto liquido, ossigeno liquido: non sono prodotti che si possono immagazzinare in un normale serbatoio a pressione atmosferica. A temperature inferiori a -150 °C, le regole cambiano. I materiali diventano fragili. L’isolamento diventa fondamentale. E il prodotto stesso tende continuamente a evaporare. I serbatoi di stoccaggio criogenici rappresentano la risposta ingegneristica a queste sfide e, nel corso di decenni, si sono evoluti in alcuni dei recipienti a pressione più sofisticati del mondo industriale.

La scala è impressionante. Un singolo grande serbatoio per GNL può contenere 160.000 metri cubi di liquido, sufficienti per rifornire una città di medie dimensioni per diversi giorni. All’altro estremo dello spettro, un serbatoio da 50 metri cubi di azoto liquido potrebbe servire un singolo ospedale o un impianto di produzione di elettronica. Tuttavia, indipendentemente dalle dimensioni, i principi fisici e ingegneristici sottostanti sono gli stessi.

Tipi di serbatoio: dal contenimento singolo alla membrana

I serbatoi per stoccaggio criogenico sono disponibili in diverse configurazioni, ciascuna con differenti filosofie di sicurezza e profili di costo .

Serbatoi a contenimento singolo rappresentano la progettazione più semplice. Un serbatoio a parete singola o a doppia parete contiene il liquido criogenico; in caso di perdita, ci si attende che il liquido venga trattenuto da un argine o da una diga esterna. Si tratta dell’opzione meno costosa, ma richiede una notevole superficie per l’area di contenimento.

Serbatoi a doppio contenimento aggiungere una parete secondaria intorno al serbatoio primario. In caso di perdita del serbatoio interno, la parete esterna trattiene il liquido e garantisce una tenuta ermetica contro i vapori. Ciò elimina la necessità di un grande argine e riduce l’occupazione di superficie.

Serbatoi a contenimento totale rappresentano lo stato dell’arte attuale per lo stoccaggio su larga scala di GNL entrambi i serbatoi, interno ed esterno, sono progettati per contenere il liquido e il serbatoio esterno fornisce anche un contenimento ermetico contro i vapori. In caso di guasto del serbatoio interno, il serbatoio esterno trattiene in sicurezza l’intero contenuto. Questi serbatoi sono i più costosi, ma offrono il livello più elevato di sicurezza e sono richiesti da molti enti regolatori per lo stoccaggio su larga scala.

Serbatoi a membrana utilizzano una sottile membrana in acciaio inossidabile supportata da isolamento e da un involucro esterno in calcestruzzo originariamente sviluppati per le navi metaniere, questi serbatoi sono stati adottati anche a terra e offrono un eccellente contenimento con un peso dei materiali inferiore rispetto ai serbatoi a contenimento totale.

Norme che disciplinano lo stoccaggio criogenico

I serbatoi criogenici per lo stoccaggio non vengono costruiti senza un consistente insieme di norme di riferimento. I principali documenti includono :

• API 625 – La norma principale per la progettazione e la costruzione di serbatoi per lo stoccaggio di GNL, che copre tutti gli aspetti, dai materiali alle prove

• EN 14620 – Norma europea per la costruzione di serbatoi a contenimento totale per GNL

• NFPA 59A – Norma sulla sicurezza che disciplina la protezione antincendio, le distanze di sicurezza e la prevenzione dei rischi

• BS 7777 / EEMUA – Linee guida per la progettazione di serbatoi per lo stoccaggio refrigerato

API 625 è la norma globale più riconosciuta . Essa specifica la pressione di progetto, i materiali, i requisiti di isolamento e i protocolli di prova. La conformità alla norma API 625 non è facoltativa per la maggior parte dei grandi progetti: è infatti esplicitamente prevista nelle polizze assicurative e negli accordi di finanziamento.

Evaporazione: la perdita inevitabile

Ecco un dato che sorprende chi si avvicina per la prima volta allo stoccaggio criogenico: il prodotto contenuto nel serbatoio bolle sempre. Anche con l’isolamento migliore, una certa quantità di calore penetra nel serbatoio e parte del liquido si vaporizza. Questo fenomeno è noto come gas di evaporazione (BOG, boil-off gas) e la sua gestione costituisce una delle principali responsabilità dell’operatore.

Il tasso di evaporazione accettabile, secondo lo standard industriale, per i serbatoi di stoccaggio di GNL è tipicamente ≤0,2% del volume del serbatoio al giorno. I grandi serbatoi a contenimento totale possono raggiungere tassi più bassi, pari a 0,05–0,08% al giorno, poiché il rapporto superficie/volume migliora con l’aumentare delle dimensioni. Un serbatoio da 160.000 metri cubi che evapora al tasso dello 0,08% al giorno perde circa 128 metri cubi di GNL ogni giorno. Si tratta di una quantità tutt’altro che trascurabile: è sufficiente a riscaldare diverse migliaia di abitazioni.

Cosa accade quindi al gas di ebollizione? Nella maggior parte dei terminali, viene raccolto e successivamente riliquefatto oppure inviato al sistema di gas combustibile dell’impianto. Negli impianti più piccoli, potrebbe essere bruciato in torcia o rilasciato all’atmosfera (sebbene i regolamenti ambientali ne limitino sempre più l’uso). L’economia della gestione del BOG è di notevole importanza: ogni metro cubo di LNG che evapora rappresenta prodotto non venduto.

Isolamento: il vero eroe

Le prestazioni di un serbatoio criogenico dipendono interamente dal suo sistema di isolamento. Per i serbatoi di LNG, l’isolamento è costituito tipicamente da perlite espansa, un vetro vulcanico leggero inserito tra le pareti interna ed esterna, oppure da schiuma di poliuretano per serbatoi di dimensioni ridotte. L’isolamento a vuoto viene utilizzato in alcuni serbatoi per azoto liquido e ossigeno liquido, dove lo spazio è limitato e il salto termico è estremo.

L'isolamento in perlite di un grande serbatoio per GNL può avere uno spessore di diversi piedi. La sfida non riguarda soltanto le prestazioni termiche, ma anche l'assestamento. Nel tempo, la perlite si assesta, creando vuoti nella parte superiore dello spazio isolante, dove il calore può aggirare l'isolamento. I progetti moderni includono indicatori di assestamento e predisposizioni per il rabbocco della perlite durante le fermate del serbatoio.

Un aspetto spesso trascurato è l'isolamento intorno alle aperture del serbatoio—tubazioni, strumentazione e bocchette di ispezione. Si tratta dei punti deboli attraverso i quali il calore riesce a penetrare. Un'apertura scarsamente isolata può generare una zona fredda sulla superficie esterna del serbatoio, causando la formazione di ghiaccio, corrosione e, in ultima analisi, problemi strutturali. I migliori progetti di serbatoi trattano le aperture con lo stesso rigore riservato alle pareti principali del serbatoio.

Selezione dei materiali: la sfida delle basse temperature

L'acciaio al carbonio diventa fragile a temperature criogeniche. Ciò rappresenta un problema poiché la maggior parte dei serbatoi industriali per lo stoccaggio è realizzata in acciaio al carbonio. La soluzione consiste nell'utilizzare materiali che mantengano la tenacità a -162 °C e inferiori.

Per i serbatoi di GNL, il serbatoio interno è generalmente realizzato in acciaio al 9% di nichel o in lega di alluminio. L'acciaio al 9% di nichel è il materiale più utilizzato: conserva la tenacità agli urti fino a -196 °C ed è saldabile con procedure appropriate. Le leghe di alluminio sono più leggere e presentano eccellenti proprietà a basse temperature, ma sono più costose e richiedono tecniche di saldatura specializzate.

Il serbatoio esterno, invece, è solitamente realizzato in acciaio al carbonio o in calcestruzzo armato. Non è direttamente esposto a temperature criogeniche — l'isolamento termico lo mantiene a temperatura ambiente — ma deve comunque resistere alla pressione idrostatica del contenuto del serbatoio interno in caso di perdita.

Realistiche esigenze operative: ciò che i manuali non vi dicono

I serbatoi criogenici per lo stoccaggio sono notevolmente affidabili, ma non sono esenti da manutenzione. Il problema operativo più comune è la stratificazione termica: gradienti di temperatura all'interno del liquido che, se non gestiti adeguatamente, possono provocare un rapido aumento della pressione.

Un altro aspetto da considerare: il riempimento e lo svuotamento di un serbatoio criogenico generano sollecitazioni termiche. Il serbatoio interno si espande e si contrae al variare della temperatura e le connessioni delle tubazioni devono essere in grado di assorbire questo movimento. I compensatori a soffietto e i tratti di tubazione a spirale (expansion loops) sono soluzioni standard, ma richiedono ispezioni periodiche e, in alcuni casi, sostituzione. Un impianto di azoto liquido nel Midwest ha appreso questa lezione a proprie spese quando un compensatore a soffietto è ceduto durante un'operazione di riempimento, causando il rilascio di gas freddo e un fermo di sei settimane.

La sfida della fabbricazione e della costruzione

Costruire un serbatoio per lo stoccaggio criogenico non è come costruire un normale recipiente a pressione. Le tolleranze sono più strette, le procedure di saldatura sono più impegnative e i requisiti di ispezione sono più rigorosi. Un singolo difetto di saldatura nel serbatoio interno può compromettere l’intero sistema di contenimento.

Per i proprietari del progetto, la scelta del costruttore è estremamente importante. Un costruttore con esperienza nella realizzazione di apparecchiature per servizio criogenico conosce le procedure specializzate di saldatura, i requisiti di prova non distruttiva e l’importanza critica della pulizia durante la fabbricazione. Aziende come GreenFir, che hanno maturato una consolidata esperienza nella fabbricazione di apparecchiature criogeniche, mettono tale competenza a disposizione di ogni progetto di serbatoio, riducendo il rischio di problemi in cantiere e garantendo che il serbatoio funzioni secondo le specifiche già dal primo riempimento.