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La evaluación de materiales con hidrógeno en entornos donde este gas está presente es fundamental por varias razones, principalmente relacionadas con el uso seguro y eficiente del mismo como portador de energía y materia prima.
A medida que el mundo avanza hacia fuentes de energía más sostenibles, el hidrógeno se está convirtiendo en un actor clave en diversas aplicaciones. Se utiliza en pilas de combustible, sistemas de almacenamiento de hidrógeno y como agente reductor en procesos industriales, abarcando varios sectores, incluyendo energía, automotriz y aeroespacial.
El hidrógeno, debido a su reducido tamaño atómico y alta difusividad, representa un problema significativo para la integridad estructural y el desempeño de los materiales. Por lo cual, es necesario realizar evaluaciones constantes de los materiales en ambientes con altas concentraciones del mismo, para identificar y mitigar los daños por corrosión asociados a la fragilización por hidrógeno.
Las investigaciones sobre los mecanismos de corrosión por hidrógeno son importantes para entender las interacciones del hidrógeno con los materiales, favoreciendo el desarrollo de métodos de prevención más efectivos. Un enfoque sistemático no solo mejorará el diseño de materiales, sino que también ayudará a establecer directrices y normas que promuevan las mejores prácticas en la implementación de tecnologías relacionadas con el hidrógeno.
La selección del equipo está influenciada por las propiedades y condiciones específicas en las que se probarán los materiales. Diversos tipos de equipos de laboratorio y métodos de ensayo pueden adaptarse para su uso en entornos con hidrógeno. A continuación, se presenta un resumen de algunos equipos y técnicas clave:
- Equipos de hidrógeno a alta presión y temperatura: Recipientes a presión, sistemas de reactores y autoclaves para exponer los materiales a hidrógeno bajo condiciones controladas de temperatura y presión.
- Equipos de ensayo mecánico: Las máquinas de prueba de tracción evalúan las propiedades mecánicas de los materiales; los equipos de prueba de fatiga analizan cómo los materiales se comportan bajo cargas cíclicas en hidrógeno; y las máquinas de prueba de impacto analizan la ductilidad y tenacidad de los materiales.
- Equipos de ensayo de corrosión: Celdas electroquímicas para estudiar el comportamiento a la corrosión de los materiales en entornos con hidrógeno y/o ácidos.
- Equipos de ensayo de fragilización por hidrógeno: Los sistemas de carga/descarga de hidrógeno se utilizan para probar el efecto del hidrógeno sobre las propiedades mecánicas de los materiales, y los equipos de prueba de velocidad lenta de deformación (SSRT) pueden estudiar la fragilización por hidrógeno sometiendo los materiales a tasas de deformación lentas en un entorno con hidrógeno.
Sistema de prueba de hidrógeno de CORTEST (“El Enclosure”)
El desarrollo, la producción y la entrega del sistema tomaron aproximadamente tres años. Sin embargo, el proyecto ahora disponible se puede personalizar para satisfacer las necesidades específicas de los clientes. Fue creado para ayudar a evaluar los materiales en condiciones relevantes para la exposición al hidrógeno y sus efectos relacionados.
El sistema proporciona un marco extenso para realizar ensayos mecánicos y electroquímicos de materiales en entornos controlados de hidrógeno. Al simular las condiciones operativas, este equipo permite a los investigadores e ingenieros evaluar la resiliencia de diferentes aleaciones y compuestos, ofreciendo información sobre su rendimiento y fiabilidad a largo plazo.
Estos sistemas ofrecen una opción entre dos métodos de ensayo, descritos a continuación:
- Sistema de autoclave estático para ensayos a temperaturas y presiones elevadas. Se utilizan especímenes de desplazamiento constante para estas pruebas, y el sistema sigue la norma ASTM E1681.
- Sistema de bastidor de carga con autoclave utilizado para ensayos de fatiga a alta temperatura y presión, así como pruebas de tracción. El sistema sigue las normas ASTM E647, G142 o G129.
Se desarrolló una cabina o recinto de seguridad especial para albergar los sistemas de prueba y garantizar la seguridad. Esta cabina cuenta con dispositivos de seguridad como monitoreo de hidrógeno, detección de llamas de hidrógeno y detección de fugas basada en presión. Además, la cabina tiene sistemas de ventilación para asegurar que el entorno del laboratorio sea seguro.
Un panel de control externo puede desactivar la alimentación de todos los equipos eléctricos no clasificados, ventilar el gas de prueba y aumentar la ventilación si se detecta una fuga o llama para controlar y gestionar los sistemas de seguridad. La cabina también cuenta con un sistema de refuerzo de presión y un panel de válvulas neumáticas automatizado, lo que permite presurizar el recipiente de forma remota. Las pruebas de fuga y purga cíclica son procedimientos de seguridad esenciales para evitar que el hidrógeno y el oxígeno se mezclen; estos pasos deben realizarse antes de introducir hidrógeno en el sistema de prueba y después de realizar una prueba.
El autoclave utilizado para las pruebas de muestras de Compact Tension (CT) es estático y está equipado con una caja de guantes y un sistema de purificación de aire. Esto ayuda a crear un ambiente inerte para las pruebas estáticas de desplazamiento constante de larga duración, las cuales pueden realizarse cerca de la temperatura ambiente. El autoclave está diseñado para soportar presiones de trabajo de hasta 30 MPa (4,350 psi) y temperaturas de hasta 300 °C (572 °F).
El bastidor de carga tiene una capacidad de carga de hasta 50 kN y puede utilizarse para diversas pruebas como fatiga, velocidad lenta de deformación, carga constante estática, carga creciente y pruebas de carga programable. Además, el bastidor de carga cuenta con un sistema para pruebas de iniciación de grietas y medición precisa del crecimiento de grietas utilizando la técnica DCPD.
El uso de equipos avanzados de laboratorio es necesario para la investigación académica y las aplicaciones industriales, donde la seguridad y eficiencia de los sistemas que utilizan hidrógeno son fundamentales. A través de la evaluación sistemática y caracterización de materiales expuestos al hidrógeno, el equipo de Cortest es una herramienta crucial en los esfuerzos continuos por mejorar el rendimiento de los materiales y los estándares de seguridad en ambientes con altos contenidos de hidrógeno.
Este artículo fue desarrollado por Cortest y publicado como parte de la cuarta edición de la revista Inspenet Brief Diciembre 2024, dedicada a contenidos técnicos del sector energético e industrial.
