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Materiales en la tecnología del hidrógeno

Introducción

La fragilización por hidrógeno ha sido definida como la pérdida de resistencia y ductilidad inducida por el hidrógeno que puede derivar en la iniciación o propagación de fracturas mecánicas.

La interacción del hidrógeno con diferentes materiales es causa de fallo prematuro en distintas situaciones tal y como sucede en los trenes de aterrizaje de los aviones, los depósitos de combustible de refinerías y plantas químicas, las turbinas para la generación de energía eléctrica o las tuberías y válvulas para el transporte de líquidos y gases.

La fragilización por hidrógeno es especialmente devastadora debido a la naturaleza del fallo originado. Dicho fallo sucede a tensiones muy pequeñas (en comparación a las que serían necesarias en ausencia de hidrógeno), es bastante frágil y tiene un periodo de “incubación” tan variable que lo hace prácticamente impredecible.

El problema de la fragilización por hidrógeno afecta a los tres sistemas básicos de cualquier industria que emplee el hidrógeno:

1. Producción

2. Transporte/Almacenamiento

3. Utilización

La elección de los materiales para el confinamiento del hidrógeno para una aplicación específica dependerá de la fiabilidad y coste que requiera el sistema.

Materiales empleados con el hidrógeno

Por las especiales propiedades del hidrógeno es importante conocer los efectos que producen dichas propiedades y las temperaturas criogénicas sobre el comportamiento de los distintos materiales.

Existen distintos materiales que funcionan satisfactoriamente en las distintas condiciones de servicio. Estas condiciones pueden variar desde baja presión/baja temperatura hasta alta presión/alta temperatura. La sección del material dependerá de las condiciones de operación específicas.

La selección de materiales deben considerar los siguientes conceptos:

• Propiedades adecuadas para el diseño y condiciones de funcionamiento.

• Corrosión y resistencia.

• Compatibilidad con el ambiente de trabajo.

• Toxicidad.

• Facilidad para su fabricación, montaje e inspección.

• Fragilización por hidrógeno.

• Disponibilidad del material y de los ensayos realizados sobre él.

• Consecuencias del fallo del material.

• Cambio en las propiedades a temperaturas criogénicas.

• Capacidad de exposición a las altas temperaturas de un fuego por hidrógeno.

• Fragilización en frío.

• Contracción térmica.

No sólo se debe tener un especial cuidado con la selección de los materiales sino que además se deben llevar a cabo controles de calidad adecuados. A este respecto es conveniente observar ciertos aspectos:

• Los proyectistas deben manejar con cautela los valores de las propiedades que aparecen en los manuales convencionales ya que las condiciones de ensayo son muy variables especialmente en función de la temperatura.

• Si se desconoce si un material es compatible con el hidrógeno no debe ser empleado hasta que se hayan realizado las pruebas y análisis correspondientes que determinen su idoneidad.

• Los materiales empleados deben ser compatibles con el hidrógeno bajo las condiciones de funcionamiento proyectadas (temperatura, presión, vibración) y cumplir con las especificaciones.

• Las propiedades manejadas en el diseño deben estar basadas en pruebas que simulen las condiciones de servicio o las condiciones más desfavorables.

• Los métodos de ensayo a los que someta el material para determinar su compatibilidad con hidrógeno deben incluir la exposición directa al hidrógeno.

• Los materiales seleccionados deben pasar pruebas en las que se compruebe su comportamiento frente a los esfuerzos, la presión, la temperatura y la exposición al ambiente.

Se pueden encontrar valores de diseño en ASME BPVC (1995) acerca de las tensiones admisibles para los materiales empleados en depósitos a presión. En NASA 1997 Tabla A5.3 se encuentran las tensiones admisibles para los materiales más representativos de ASMI/ASME B31.3 (1996), las Tablas A5.4 (propiedades elásticas), A5.5 (propiedades mecánicas) y A5.6 (propiedades térmicas) proporcionan valores típicos a temperatura ambiente y a las temperaturas del hidrógeno líquido para los materiales susceptibles de emplearse con hidrógeno líquido.

Daños producidos por el hidrógeno

Aunque la degradación producida por el hidrógeno puede aparecer bajo distintas formas los casos más importantes se agrupan en tres categorías, que pueden combinarse entre si:

• Fragilización por reacción con el hidrógeno – “Hydrogen Reaction Embrittlement” (Formación de hidruros,       “Blistering” - formación de ampollas -, descarburación, ataque por hidrógeno).

• Fragilización interna reversible – “Internal Reversible Hydrogen Embrittlement”.

• Fragilización por hidrógeno ambiental – “Hydrogen Enviroment Embrittlement” (en ambientes hidrogenados que producen pérdida de ductilidad o rotura por tensiones)

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