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Preguntas Frecuentes: Cómo evitar la debilitación por hidrógeno

FAQ: Cómo Evitar el Debilitamiento por Hidrógeno y Otros Problemas de la Manipulación del Hidrógeno

Buddy Damm, Director Científico, Swagelok

Gráfico de la producción de hidrógeno, desde la producción hasta el transporte para la utilización.Independencia de los combustibles fósiles. Una crisis energética derivada de un conflicto geopolítico. La creciente urgencia de hacer frente al cambio climático. Éstas son sólo algunas de las razones que impulsan la búsqueda de combustibles alternativos viables.

El hidrógeno es una solución prometedora. Gestionar el hidrógeno de forma segura y fiable, desde su generación hasta su uso final, es la clave para alcanzar su máximo potencial como fuente de combustible con cero emisiones en una amplia variedad de aplicaciones.

Sin embargo, contener y transferir hidrógeno presenta algunos retos únicos. El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica, formado por un único protón con carga positiva y un único electrón con carga negativa. Es el átomo más ligero y uno de los más pequeños. En la economía del hidrógeno en desarrollo, el hidrógeno deberá manipularse en estado líquido y gaseoso. El hidrógeno se licua a −252,9°C (−423°F) y es unas 140 veces más denso en estado líquido que en estado gaseoso. Transportar y almacenar el H2 en forma líquida es más eficiente, pero en su punto de uso, el H2 es un gas. Como resultado, hay dos fenómenos que pueden afectar a los metales utilizados en los sistemas de hidrógeno.

  1. Debilitamiento a baja temperatura: Al disminuir la temperatura, los metales pierden cierta ductilidad.
  2. Debilitamiento por hidrógeno: El hidrógeno atómico puede difundirse en el metal y debilitarlo.

En este caso, debilitamiento se refiere a una reducción de la ductilidad y la resistencia a la fractura y la fatiga de un metal en su entorno de servicio en comparación con su resistencia a la fractura y la fatiga en el aire y a temperatura ambiente. Estos problemas pueden provocar fallos en el sistema, con los consecuentes riesgos para la seguridad, aumento del tiempo de inactividad y pérdidas económicas. A medida que la industria del hidrógeno continúa expandiéndose, es fundamental resolver estos problemas de construcción de sistemas para que el combustible se adopte como una solución sostenible a largo plazo.

Resumen de Datos sobre el Hidrógeno

Entonces, ¿cómo pueden los profesionales del hidrógeno construir sistemas de conducción de hidrógeno que duren? Es fundamental recordar que los materiales son importantes para la contención del hidrógeno. Los sistemas de fluidos  fabricados con acero inoxidable de alta calidad específicamente formulado pueden resistir mejor los retos inherentes a la contención del hidrógeno. Las siguientes preguntas frecuentes explican cómo y qué deben tener en cuenta los responsables de la selección de materiales para los componentes de contención de hidrógeno.

Gráfico que muestra el efecto de la temperatura en la debilitación de distintos tipos de acero inoxidable

P: ¿Qué es el debilitamiento a baja temperatura?

R: El debilitamiento a baja temperatura se refiere a una reducción de la ductilidad, la solidez o la resistencia a la fatiga y a la fractura a medida que disminuye la temperatura. Los aceros inoxidables austeníticos sólo experimentan debilitamiento menor a baja temperatura, mientras que los aceros ferríticos (aceros de baja aleación y aceros inoxidables ferríticos) son más susceptibles. Por este motivo, los aceros inoxidables austeníticos son el patrón oro para los sistemas de hidrógeno líquido.


Representación de moléculas de hidrógeno que se disocian en hidrógeno atómico y penetran en un metal

P: ¿Cómo penetra el hidrógeno en los metales?

R: Las moléculas de hidrógeno (H2, azul) pueden disociarse en hidrógeno atómico (H, rojo) y penetrar en un metal. Los átomos de hidrógeno se acumulan en los puntos de tensión, como los extremos de las grietas, o en las microestructuras propias como los límites de los granos, inclusiones o los precipitados. En algunos casos, el hidrógeno atómico puede regenerarse como hidrógeno diatómico.

P: ¿Qué es el debilitamiento por hidrógeno?

R: El debilitamiento por hidrógeno provoca una reducción de la resistencia a la fatiga y a la fractura de un metal Los materiales de muy alta resistencia experimentan un debilitamiento por hidrógeno más grave.El debilitamiento por hidrógeno provoca una reducción de la resistencia a la fatiga y a la fractura de un metal
 

Aunque los aceros inoxidables suelen ser más compatibles con el hidrógeno que muchos otros metales, no todos resisten por igual el debilitamiento por hidrógeno.

 

Los aceros inoxidables austeníticos se caracterizan por su estructura cristalina cúbica centrada en la cara (FCC por sus siglas en inglés, de face center cubic), una resistencia moderada y una ductilidad naturalmente elevada. Y aunque suelen ser más compatibles con el hidrógeno que muchos otros metales, no todos resisten por igual el debilitamiento por hidrógeno.

P: ¿Cuáles son las posibles consecuencias de utilizar acero inoxidable más susceptible al debilitamiento?

R: La elección de materiales más susceptibles al debilitamiento por hidrógeno puede dar lugar a una mayor probabilidad de fallo en la integridad del sistema.

La reducción de la capacidad de resistencia a la fatiga es más preocupante que la pérdida de ductilidad. La ductilidad se refiere al grado en que el material puede soportar una deformación plástica bajo tensión de tracción antes de fallar. Los componentes diseñados adecuadamente no están sometidos a tensiones que provoquen deformaciones plásticas. En cambio, las cargas cíclicas debidas a ciclos de presión, vibraciones u otras cargas de servicio pueden provocar daños que se acumulan lentamente y fallos por fatiga—el debilitamiento del acero debido a tensiones o cargas repetidas. El potencial de fallo del sistema o de los componentes puede agravarse aún más si los materiales están sujetos a factores ambientales corrosivos como el agua.

El fallo de los componentes, por supuesto, puede dar lugar a una serie de resultados no deseados, entre ellos:

Gráfico que demuestra las ventajas del contenido de níquel para combatir el debilitamiento provocado por el hidrógeno.
Las aleaciones ferríticas con muy bajo contenido en níquel se debilitan significativamente, mientras que las aleaciones austeníticas entre el 10% y el 30% de níquel muestran relativamente poco debilitamiento.
  • Posibles problemas de seguridad
  • Paradas excesivas para mantenimiento o reparación
  • Sustitución más frecuente de componentes
  • Preocupaciones por la sostenibilidad debido al escape de hidrógeno al medio ambiente.
  • Mayor Coste total de operación y propiedad de los activos.
  •  

    P: ¿Cómo puedo diferenciar los aceros inoxidables de mayor calidad de los de menor?

    Se ha demostrado que los aceros inoxidables de alta calidad que contienen niveles elevados de níquel son más adecuados para manejar el H2, especialmente durante una larga vida de servicio.

    La Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM) exige un mínimo del 10% de níquel en las formulaciones de acero inoxidable 316, pero el acero inoxidable 316 con un mínimo del 12% de níquel es mejor para las exigencias únicas del hidrógeno. El contenido de níquel ayuda a estabilizar la microestructura del acero inoxidable, permitiéndole ser más resistente al debilitamiento por hidrógeno. En nuestras pruebas, hemos comprobado que el efecto del debilitamiento por hidrógeno sobre la resistencia a la tracción del acero inoxidable 316 con un 12% de Ni es menor.Icono de Ciencias del Material

    El acero inoxidable 316 con un mínimo del 12% de níquel es más adecuado para los desafíos únicos del hidrógeno.



    Gráfico que muestra el mayor contenido de níquel en el acero inoxidable Swagelok 316.
    El acero inoxidable con mayor contenido de níquel puede ayudar a prevenir el debilitamiento por hidrógeno.

    Aunque el acero inoxidable 316 con alto contenido en níquel suele ser una elección convincente para la construcción de sistemas de hidrógeno, puede haber situaciones en las que los criterios de rendimiento para una aplicación específica, como la necesidad de establecer como prioridad la resistencia del material o la resistencia a la corrosión, hagan que la elección de otro material sea una buena opción. Un diseño y mantenimiento adecuados del sistema pueden contribuir a evitar el debilitamiento en estos casos. Organizaciones como Swagelok siguen investigando y comprendiendo el impacto del hidrógeno en otras aleaciones y pueden ayudarle a tomar decisiones acertadas.

    P: ¿Cómo puedo asegurarme de que estoy seleccionando materiales de alto rendimiento?

    Puede resultar difícil discernir qué materiales son óptimos para las distintas aplicaciones de conducción de fluidos, sobre todo en la floreciente industria del hidrógeno. Pero es importante hacerlo bien. Existen implicaciones a largo plazo al especificar los materiales para los sistemas de conducción de hidrógeno. Y lo que es más importante, unas decisiones equivocadas pueden dañar la reputación del hidrógeno como fuente de combustible fiable y viable para un futuro más limpio.

    Busque proveedores que puedan demostrar un sólido conocimiento de las ciencias de los materiales y que hayan desarrollado productos utilizados correctamente en aplicaciones de hidrógeno. Si necesita ayuda, los especialistas en hidrógeno Swagelok estarán encantados de ayudarle a seleccionar los materiales óptimos para sus aplicaciones y encontrar una solución que satisfaga sus necesidades.

    Dos especialistas en hidrógeno asesoran en la selección de materiales óptimos para aplicaciones de hidrógeno

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