¿Qué es la fragilización por hidrógeno?
Los átomos de hidrógeno ocupan lugares preferentes en la estructura del material, modificando su comportamiento físico y sus propiedades mecánicas. El resultado de la difusión del hidrógeno en el material es una pérdida de ductilidad, haciéndolo más frágil y más susceptible al agrietamiento.
El hidrógeno atómico y molecular puede ser un asesino silencioso, debilitando el material lentamente y sin signos claros de daño, lo que a menudo conduce a un fallo crítico. El colapso del puente de la bahía de San Francisco-Oakland es un ejemplo de ello. Durante el infame terremoto de Loma Prieta en 1989, la cubierta superior del lado este se derrumbó sobre la cubierta inferior, aplastando varios vehículos. La causa del colapso fue que los pernos fallaron debido a la fragilización por hidrógeno inducida por el medio ambiente.
¿Cómo entender la fragilización por hidrógeno?
Para que se produzca una fractura asistida por hidrógeno, es necesario que el material susceptible esté formado por hidrógeno y tensión. El escenario está preparado para una posible fractura inducida por hidrógeno, ya que este se difunde en el material estructural. En primer lugar, la absorción de hidrógeno puede ocurrir durante las etapas de producción y servicio. Procesos como la fusión no controlada, la galvanoplastia o la soldadura pueden promover la precarga de hidrógeno atómico en un metal determinado. En términos de microestructura, y como regla general, es probable que los materiales que confieren propiedades mecánicas de alta resistencia o muestran una gran cantidad de defectos e inclusiones sean más susceptibles a este tipo de falla.
La gravedad de la fragilización por hidrógeno también es una función de la temperatura de operación, siendo las temperaturas bajas el peor escenario en términos de ductilidad del material. Es justo decir que evitar este defecto es uno de los desafíos clave en la metalurgia en general.
¿Cuáles son los factores que afectan?
Los factores que pueden afectar la calidad de la microestructura son numerosos y han sido ampliamente documentados por la sociedad de materiales. Debido a la complejidad del tema, el efecto de la microestructura (como un factor contribuyente principal al comportamiento del hidrógeno) no se puede evaluar en términos simplistas. Tomar una variable de forma aislada no es suficiente para garantizar la calidad o el rendimiento de un componente determinado y puede ser engañoso. Por ejemplo, un grado de material con una "química perfecta" o con altos niveles de un ingrediente en particular puede dar como resultado un producto de muy baja calidad.
Las consecuencias comunes de un procesamiento de material, tratamiento térmico y/o operaciones de fabricación inadecuados y no controlados son altas densidades de fases e inclusiones indeseables en la materia prima. Esto conducirá inevitablemente a un agrietamiento prematuro asistido por hidrógeno durante el servicio, particularmente en entornos exigentes de H2. Por lo tanto, el procesamiento del material es clave.
Además, la mecánica de la aplicación juega un papel importante. Los estados de tensión en los componentes pueden ser causados por la presencia de tensiones residuales asociadas con ciertas técnicas de fabricación, así como tensiones aplicadas durante el servicio. Un diseño inadecuado del producto y una instalación inadecuada pueden provocar una sobrecarga de tensión sobre el material.
Todos estos factores pueden provocar fallos prematuros en los componentes en servicio con hidrógeno. Por lo tanto, cuando se trata de manipular hidrógeno, la selección de materiales y equipos se convierte, más que nunca, en un ingrediente esencial para el éxito.
¿Cuáles-son-los-pasos-que-pueden-ayudar-a-innovar-en-el-sector-del-hidrógeno-con-respecto-a-la-agregación-del-hidrógeno?
La Norma Industrial Internacional ISO 15916-2015 proporciona directrices para el uso del hidrógeno en sus formas gaseosa y líquida, así como para su almacenamiento. La mayoría de los metales son susceptibles a diferentes niveles de fragilización por hidrógeno. Para evitar fallos, deben seleccionarse cuidadosamente la construcción de los materiales y los equipos adecuados, especialmente cuando se prevé una exposición al hidrógeno. La buena noticia es que la fragilización por hidrógeno puede prevenirse.
Se deben utilizar productos especialmente diseñados para minimizar el riesgo asociado a la corrosión y al ataque por hidrógeno, proporcionando componentes seguros y fiables, minimizando las vías de fuga del gas hidrógeno y, en última instancia, ofreciendo un rendimiento satisfactorio sobre el terreno. Las materias primas utilizadas también deben ser totalmente trazables y estar estrechamente controladas desde la fase de fundición hasta el producto acabado.
Además, deben seleccionarse los procesos de fabricación adecuados para garantizar el mínimo riesgo operativo en entornos de hidrógeno. El acero inoxidable, que es el material elegido para el sector del transporte de hidrógeno, y una variedad de aleaciones de níquel deben utilizarse para una amplia gama de otras aplicaciones.
Información general sobre el sector del hidrógeno:
¿Cuáles son los retos relacionados con el hidrógeno?
El hidrógeno es el elemento más abundante en la naturaleza y su versatilidad puede ofrecer ventajas convincentes como fuente de energía alternativa accesible, sostenible y eficiente. Sin embargo, puede ser muy perjudicial para la mayoría de los materiales metálicos, provocando lo que se conoce como daño por hidrógeno o ataque por hidrógeno. Al ser extremadamente pequeño, la degradación por hidrógeno está directamente relacionada con su capacidad para ser fácilmente absorbido por los metales, unida a la gran movilidad que presenta a nivel microestructural.
¿Por qué son importantes las tecnologías del hidrógeno para el futuro?
En la búsqueda de una sociedad descarbonizada, no hay duda de que el hidrógeno desempeñará un papel importante como fuente de combustible respetuosa con el medio ambiente. Las tecnologías basadas en hidrógeno están evolucionando rápidamente, entrando en el mercado a gran escala y convirtiéndose en parte de nuestra vida diaria. Desde la generación de energía limpia hasta los automóviles respetuosos con el medio ambiente, las posibilidades son infinitas.
El sector del transporte es un excelente ejemplo de cómo las tecnologías del hidrógeno están despegando y haciendo que la movilidad verdaderamente sostenible sea más tangible que nunca. Los camiones pesados con celdas alimentadas con hidrógeno ya están circulando por las carreteras. Aunque el desarrollo de una infraestructura global de reabastecimiento de hidrógeno puede llevar varios años o incluso décadas, el compromiso con las economías del hidrógeno por parte de los gobiernos de todo el mundo está acelerando su ritmo.
Casi todos los materiales metálicos pueden ser susceptibles al daño por hidrógeno y existen varias formas de degradación del hidrógeno. El agrietamiento por fragilización por hidrógeno es el más común y afecta a las tres áreas principales de las industrias que utilizan hidrógeno, que son la producción, el transporte y el almacenamiento.
Contenido aportado por Parker
Parker Hannifin es una empresa de la lista Fortune 250 líder mundial en tecnologías de control y movimiento. Durante más de un siglo, la empresa ha propiciado avances de ingeniería que conducen a un futuro mejor. Parker respalda los esfuerzos globales de descarbonización a través de una amplia gama de soluciones, componentes y sistemas compatibles con hidrógeno que permiten un funcionamiento seguro y eficiente para una variedad de aplicaciones.
Última actualización: 15.1.2023