Influencia del hidrógeno en metales: Fragilización por hidrógeno
Los ensayos de materiales se enfrentan a nuevos retos con el avance de las tecnologías del hidrógeno: Debido a la influencia del hidrógeno (fragilización por hidrógeno) en los materiales metálicos durante el transporte y el almacenamiento, es necesario realizar ensayos exhaustivos de los materiales. Para el transporte de hidrógeno gaseoso se utilizan principalmente tuberías y depósitos. La norma ASME B31.12 desempeña un papel fundamental en los ensayos de materiales, ya que es la norma principal para los ensayos de tuberías y conductos que transportan hidrógeno.
- El hidrógeno gaseoso se comprime (200 - 700 bar) en depósitos o botellas de hidrógeno, antes de su transporte o durante su almacenamiento. Para permitir la máxima seguridad, debe garantizarse la estabilidad mecánica del material ante la fragilización por hidrógeno a dicha presión. Para cumplir los requisitos de seguridad de la mejor manera posible, es necesario caracterizar el material utilizado.
- Las tuberías son adecuadas para transportar grandes cantidades de hidrógeno a largas distancias. El gasoducto de gas natural ya existente es ,con adaptaciones, una solución eficaz para el transporte de hidrógeno. En este caso, la caracterización de los materiales desempeña un papel crucial para cumplir las normas de seguridad y poder utilizar de forma óptima la infraestructura existente, tanto para el gas natural como para el hidrógeno. Además, es posible mezclar hidrógeno con gas natural. A la hora de desarrollar y adaptar nuevas infraestructuras, es importante conocer la resistencia de los componentes utilizados en relación con sus propiedades de fragilización por hidrógeno.
La fragilización por hidrógeno y el comportamiento de los materiales en un ambiente de hidrógeno presurizado son los elementos fundamentales en relación con el control de calidad y el desarrollo de nuevos materiales.
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¿Qué es la fragilización por hidrógeno?
La fragilización por hidrógeno se produce cuando el hidrógeno penetra en el metal y hace que el metal pierda su ductilidad (elasticidad, deformabilidad) y con el tiempo se vuelva frágil. Esto provoca un fallo prematuro por debajo del límite de fluencia del metal o de la tensión de diseño de los respectivos componentes. En otras palabras: el material sufre una "fatiga" gradual.
En función del origen del hidrógeno, se distinguen dos tipos de fragilización por hidrógeno (HE):
- La fragilización interna por hidrógeno (IHE). En este caso, el hidrógeno penetra en el material durante el proceso de fabricación.
- La fragilización por hidrógeno ambiental (HEE). Se trata de un proceso en el que el hidrógeno es absorbido del medio ambiente y favorece la fragilización del material.
Métodos de ensayo para evaluar el comportamiento de los metales bajo la influencia del hidrógeno (fragilización por hidrógeno)
Para la evaluación del comportamiento de metales bajo la influencia de hidrógeno se emplean muchos métodos de ensayo normalizados. Para ello, ZwickRoell ofrece las siguientes soluciones:
- La norma ASTM F519 describe un método de ensayo mecánico bajo carga continua para la evaluación del comportamiento de materiales metálicos de alta resistencia bajo la influencia de hidrógeno (fragilización por hidrógeno, método de recubrimiento).
- La norma ASTM F1624 describe un método de ensayo acelerado para evaluar la susceptibilidad de los materiales metálicos de alta resistencia al fallo retardado por la influencia del hidrógeno.
- La norma ASTM E1681 describe un método que determina la resistencia al crecimiento de grietas de un metal previamente agrietado en condiciones ambientales y de carga específicas. Este método de ensayo también se especifica en la ASME B31.12 en el contexto de los ensayos de tuberías y conductos en un ambiente de hidrógeno.
Los siguientes ensayos estándar, entre otros, se realizan en un ambiente de hidrógeno:
- Ensayos de tracción: Ensayo de tracción en metales ASTM E8 (también ISO 6892-1)
- Ensayos de fluencia: ASTM E319 Directrices para la realización de ensayos de fluencia, ensayos de resistencia a la fluencia y ensayos de carga de fractura, ISO 204 Ensayo de fluencia uniaxial bajo carga de tracción, ASTM E1457 Método de ensayo estándar para medir el crecimiento de grietas por fluencia
- SSRT (Slow-Strain-Rate-Testing): ASTM G129, ASTM G142
- Creep Fatigue / Creep Fatigue Crack Growth: ASTM E2714, ASTM E2760
- Mecánica de la fractura: ASTM E399 Factor crítico de intensidad de tensiones K1C, ASTM E1820, BS8571, ASTM E647 Crecimiento de grieta
- Low Cycle Fatigue / LCF: ASTM E606
- High Cycle Fatigue / HCF (ensayo de fatiga de alto ciclo): DIN 50100, ASTM E466-15, ISO 1099
- Ensayos de dureza como ISO 9015 Ensayo de dureza en uniones soldadas por arco, ISO 22826 Ensayo de dureza de uniones estrechas soldadas con láser y haz de electrones según Vickers y Knoop, ISO 2639 Determinación y verificación de la profundidad de dureza de la pared del depósito de gas
Sistemas de ensayos y posibilidades para la simulación de un ambiente de hidrógeno presurizado
ZwickRoell ofrece soluciones para la determinación exacta del grado de susceptibilidad de tuberías y depósitos a la fisuración inducida por hidrógeno. Los hallazgos y resultados de ensayos e inspecciones se incorporan posteriormente en el enfoque de diseño basado en la mecánica de fractura para infraestructuras de transporte y almacenamiento de hidrógeno. De este modo, se garantiza la máxima seguridad de los materiales estructurales.
Para los ensayos se utilizan máquinas de ensayos de fluencia, máquinas de ensayos estáticas y sistemas de ensayos servohidráulicos de hasta 100 kN. La gama de ensayos incluye ensayos de tracción, ensayos de fatiga y análisis de mecánica de la fractura, que se realizan a presiones de hasta 1.000 bar en un ambiente de hidrógeno utilizando un autoclave (hasta 400 bar; ejecuciones especiales hasta 1.000 bar) o un adaptador para probetas huecas (técnica de probetas huecas; hasta 200 bar) y a temperaturas que oscilan entre -85 °C y +150 °C.
Comparación entre la técnica del autoclave y el método de la probeta hueca
| Autoclave | Probeta hueca | |
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| Ventajas |
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| Inconvenientes |
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Resumen de las normas de seguridad
- GB/T 26466: Depósitos estacionarios de acero plano flejado para el almacenamiento de hidrógeno presurizado
- GB/T 35544: Cilindros reforzados con fibra de carbono totalmente revestidos de aluminio para el almacenamiento a bordo de hidrógeno comprimido como combustible para vehículos terrestres
- GB/T 34542: Sistemas de almacenamiento y transporte de hidrógeno gaseoso - Parte 1: Requisitos generales
- EN 17533: Hidrógeno gaseoso - Botellas y tubos para almacenamiento estacionario
- EN 17339: Bombonas de gas transportables - Bombonas y tubos de compuesto de carbono totalmente recubiertos para hidrógeno
- ISO 19881: Hidrógeno gaseoso - Depósitos de combustible para vehículos terrestres
- CGA G-5.4-2019 Norma para sistemas de tuberías de hidrógeno en lugares de consumo
- CGA G-5.6-2005 Sistemas de tuberías de hidrógeno
- CGA G-5.8-2007 Sistemas de tuberías de hidrógeno a alta presión en lugares de consumo
- ASME B31.12- 2019 Sistemas de tuberías y conductos de hidrógeno
- ASME STP-PT006-2017 Directrices de diseño para tuberías y conductos de hidrógeno
