Cómo Evitar la Fragilización por Hidrógeno en el Acero
FAQ: Cómo Prevenir la Fragilización por Hidrógeno en el Acero y Otros Problemas Relacionados con la Gestión del Hidrógeno
Buddy Damm, Científico Experto, Swagelok
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 hidrógeno en forma líquida es más eficiente, pero en su punto de uso, el hidrógeno es un gas. Como resultado, hay dos fenómenos que pueden afectar a los metales utilizados en los sistemas de hidrógeno.
- Fragilización a baja temperatura: Al disminuir la temperatura, los metales pierden cierta ductilidad.
- Fragilización por hidrógeno: A temperaturas ambiente en las que el hidrógeno es un gas, el hidrógeno atómico puede difundirse en el metal y provocar fragilización.
En este caso, fragilización 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.
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.
P: ¿Qué es la fragilización a baja temperatura del metal y qué materiales son resistentes a ella?
R: La fragilización del metal a baja temperatura se refiere a una reducción de la ductilidad, la dureza o la resistencia a la fatiga y a la fractura a medida que disminuye la temperatura. Los diferentes tipos de acero inoxidable tienen diferentes niveles de resistencia al agrietamiento debido a la fragilización. Vea la Figura 1 para los detalles. Los aceros inoxidables austeníticos sólo experimentan una fragilización menor a baja temperatura, mientras que los aceros ferríticos (aceros de baja aleación así como aceros inoxidables ferríticos o dúplex) son más susceptibles. Por este motivo, los aceros inoxidables austeníticos son el estándar de referencia para los sistemas de hidrógeno líquido y el tipo de acero inoxidable que se debe utilizar si le preocupa la fragilización a baja temperatura.
P: ¿Qué es la fragilización por hidrógeno y qué la provoca?
R: La fragilización por hidrógeno es una forma de corrosión por hidrógeno que provoca una reducción de la resistencia a la fatiga y la fractura del metal. Las moléculas de hidrógeno (iconos azules en la figura 2) pueden disociarse en hidrógeno atómico (iconos morados en la figura 2) y penetrar en un metal. Los átomos de hidrógeno se acumulan en concentradores de tensiones, como las puntas de grietas o en características microestructurales como los límites de grano, inclusiones o precipitados. En algunos casos, el hidrógeno atómico puede regenerarse como hidrógeno diatómico.
P: ¿Qué materiales son susceptibles a la fragilización por hidrógeno y cuáles son las posibles consecuencias de utilizar tipos de acero inoxidable inadecuados?
R: La elección de materiales más susceptibles a la fragilización por hidrógeno puede dar lugar a una mayor probabilidad de fallo en la integridad del sistema. Los materiales de muy alta resistencia experimentan una fragilización por hidrógeno más grave. Los aceros inoxidables austeníticos, caracterizados por su estructura cristalina cúbica centrada (FCC por sus siglas en inglés, de "face center cubic"), su resistencia moderada y su ductilidad naturalmente alta, son generalmente más compatibles con el hidrógeno que muchos otros metales. Sin embargo, no todos tienen la misma resistencia a la fragilización por hidrógeno. Vea la Figura 3.
Aunque los aceros inoxidables suelen ser más compatibles con el hidrógeno que muchos otros metales, no todos resisten por igual la fragilización por hidrógeno.
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 macroscópicas. Por el contrario, la carga cíclica debida a los ciclos de presión, la vibración u otras cargas de servicio puede provocar daños plásticos localizados que se acumulan lentamente y fallan por fatiga, es decir, por el agrietamiento 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.
El fallo de los componentes, por supuesto, puede dar lugar a una serie de resultados no deseados, entre ellos:
- 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 se sabe si el acero inoxidable es de la calidad adecuada para utilizarlo con hidrógeno?
R: Se ha demostrado que los aceros inoxidables de alta calidad que contienen niveles elevados de níquel son más adecuados para manejar el hidrógeno, especialmente durante una larga vida de servicio.
Como se ve en la Figura 4, la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM por sus siglas en inglés) 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 de la fragilización por hidrógeno sobre la resistencia a la tracción del acero inoxidable 316 con un 12% de Ni es menor.
El acero inoxidable 316 con un mínimo del 12% de níquel es más adecuado para los desafíos únicos del 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 la fragilización 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 elegir los materiales de alto rendimiento adecuados para la gestión del hidrógeno?
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.
Sobre el Autor
Buddy Damm se unió a Swagelok in 2023. Como científico experto en metalurgia, se centra en mejorar los productos existentes, desarrollar otros nuevos y seleccionar los materiales óptimos para diversos entornos industriales. Con más de 30 años de experiencia en metalurgia en sectores como el petróleo y el gas, el aeroespacial y la energía limpia, aporta una amplia experiencia en corrosión, fatiga, fracturas e ingeniería de materiales, respaldada por títulos avanzados de la Michigan Tech y la Colorado School of Mines.
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