Método de ensayo criogénico

Especialmente en el caso del almacenamiento de hidrógeno líquido, los siguientes aspectos desempeñan un papel fundamental desde el punto de vista de los ensayos de materiales:

• La investigación del comportamiento estático, dinámico y de mecánica de la fractura del material en el rango criogénico y la determinación de los valores característicos necesarios para el diseño y el análisis de los valores característicos necesarios. Dado que el hidrógeno en contacto con el oxígeno es explosivo en determinadas cantidades y que un fallo del material tendría consecuencias fatales, el comportamiento a fatiga o el comportamiento mecánico de fractura son de especial interés.
• En el caso de las infraestructuras de H2, el material compuesto -a diferencia de los metales- no suele estar en contacto directo con el medio de hidrógeno. Por esta razón, el medio refrigerante helio, que es mucho menos complejo en su manipulación, también puede utilizarse para alcanzar la temperatura de 20 K cuando se ensayan materiales compuestos.
• En los materiales compuestos, los muy diversos coeficientes de dilatación térmica de la fibra y la matriz en los plásticos reforzados con fibra provocan tensiones congeladas en el material durante el proceso de fabricación. Debido a las diferencias de temperatura mucho mayores en las aplicaciones de la tecnología del hidrógeno, se generan fuertes tensiones termomecánicas. Es importante comprender perfectamente este comportamiento a temperaturas reales, ya que las fuertes fluctuaciones de presión y temperatura (por ejemplo, durante el repostaje) pueden provocar microfisuras en el material compuesto, que influyen negativamente en las propiedades mecánicas y la permeabilidad.

Dependiendo de la temperatura de funcionamiento y de la aplicación, se utilizan cámaras de temperatura, criostatos de inmersión para realizar ensayos a temperaturas criogénicas. Con estos equipos de ensayos se pueden alcanzar temperaturas de ensayo en el rango de temperaturas criogénicas, entre 77 K y 130 K, dependiendo del diseño.

Dado que el coste del helio es mucho más elevado que el del nitrógeno, siempre hay que sopesar los costes y las ventajas del intervalo de temperatura y el medio de refrigeración elegidos. Las temperaturas de ensayo vienen determinadas por la aplicación.

Normas para los ensayos criogénicos de materiales compuestos

• ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Ensayos de tracción
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Ensayos de compresión
• ISO 14129, ASTM D3518: Cizallamiento en el plano, IPS
• ISO 14230, ASTM D2344: Resistencia al cizallamiento interlaminar , ILSS
• ISO 14125, ASTM D7264: Ensayos de flexión
• EN 1465, ASTM D3164: Determination of tensile lap-shear strength of bonded assemblies
• ASTM D7905: Interlaminar Fracture Toughness Mode II
• ISO 13003, ASTM D3479: Ensayo de fatiga con tensión pulsante
• ISO 13003 anexo A: Ensayo de fatiga a flexión

Normas para los ensayos criogénicos de metales

• ISO 6892-3: Ensayo de tracción a bajas temperaturas
• ASTM E1450: Método de ensayo para el ensayo de tensión en aceros estructurales en helio líquido

Existen tres opciones para el almacenamiento eficiente del hidrógeno, de las que se derivan los requisitos para los distintos tipos de depósitos, que son decisivos para los parámetros de ensayo a elegir.

• En estado líquido hasta 4 bar en el rango de licuefacción del hidrógeno a 20 K
• En el rango de presión de 250 ...700 bar a temperatura ambiente
• En el rango de presión de 500 ... 1000 bar entre 33 y 73 K

Especialmente, el hidrógeno líquido representa una alternativa para transportar hidrógeno en grandes cantidades. Además de los metales, a menudo también se emplean materiales compuestos para aplicaciones de hidrógeno líquido. En comparación con los metales, éstos presentan una ventaja significativa: su bajo peso. Este aspecto desempeña un papel esencial sobre todo en aplicaciones del sector aeroespacial o de automoción, para desarrollar depósitos de hidrógeno muy ligeros. En el sector aeroespacial, por ejemplo, son interesantes las aplicaciones del hidrógeno líquido a temperaturas criogénicas, por ejemplo, gracias a una densidad de almacenamiento más eficiente. En el sector de la automoción, en cambio, la industria también confía cada vez más en los depósitos para almacenar hidrógeno gaseoso a altas presiones.

Por lo tanto, los ensayos para determinar los valores característicos para el diseño y ensayo de estructuras de materiales compuestos/metales en plantas de licuefacción o tanques de hidrógeno líquido en condiciones criogénicas son esenciales para cumplir mejor los requisitos de seguridad y comprender las tensiones termomecánicas causadas por los cambios de temperatura en las aplicaciones de hidrógeno líquido. Esto ocurre -por ejemplo, durante el repostaje- debido a los diferentes coeficientes de dilatación térmica de las fibras y la matriz en los materiales compuestos.

ZwickRoell ofrece los tres dispositivos para ensayos criogénicos mencionados tanto para máquinas de ensayos estáticos como para máquinas de ensayos dinámicos de materiales. Se aplica el principio: Cuanto más baja la temperatura, más complejo el esfuerzo mecánico.

Para que los costes del refrigerante sean razonables y para obtener el menor gradiente de temperatura posible a través de los pasantes metálicos, es recomendable que las masas a refrigerar –por ejemplo las mordazas de las probetas así como los pasantes– tengan el menor volumen de material posible. Además, la fuerza máxima de ensayo debe ser lo más baja posible. Esto se debe a que, a diferencia de los ensayos a temperatura ambiente, las dimensiones seleccionadas generosamente no sólo suponen costes elevados, sino que también repercuten en la temperatura mínima más baja alcanzable, la capacidad de regulación de la temperatura y, en última instancia, en unos resultados de ensayo fiables y reproducibles.

Se basa en la regla: «Tanto como sea necesario», entra en juego especialmente en este caso y debe tenerse especialmente en cuenta en la fase de planificación del sistema. Los sistemas de ensayos criogénicos de la gama de productos ZwickRoell tienen una carga máxima de 100 kN.

En el diseño de un sistema de ensayo criogénico se deben muy tener en cuenta los siguientes puntos:

• Selección correcta del material para las mordazas
• El volumen más reducido posible en la zona de baja temperatura, de forma que se requiera la menor cantidad posible de refrigerante.
• Mantener las pérdidas de temperatura al mínimo, a través de la conexión introducida en el depósito de refrigeración.
• Evitar la formación de hielo con manguitos calefactores especiales.
• Proteger la máquina de ensayos contra la condensación.
• Garantizar la alineación y la orientabilidad de la cadena de carga.
• Garantizar la capacidad de calibración del sistema.
• Seleccionar correctamente los extensómetros.
• Compensar las derivaciones de fuerza a través de juntas.
• Compensar la dilatación térmica.