Abordando el desafío de la fragilización
por hidrógeno en la metalurgia
Documentación técnica
hidrógeno podría llevar varios años o
incluso décadas, el compromiso con la
economía del hidrógeno de gobiernos
de todo el mundo ciertamente
acelerará su ritmo.
Como fabricante líder en tecnologías
de movimiento y control, Parker
ofrece una amplia gama de productos
orientados al mercado de transporte
de hidrógeno, desde plataformas
alimentadas por pilas de combustible
para camiones y autobuses, hasta el
almacenamiento de hidrógeno.
Clara Moyano
Clara es ingeniera de materiales
en la División de productos de
instrumentación en Europa y ha
publicado varios trabajos, entre
ellos Más allá del acero inoxidable:
aleaciones resistentes a la corrosión
en la industria de petróleo y gas
El desafío del hidrógeno
El hidrógeno es el elemento más
abundante de la naturaleza y su
versatilidad ofrece ventajas muy
interesantes como fuente alternativa
de energía accesible, sostenible y
eficiente.
El hidrógeno puede atacar casi todos
los materiales metálicos y existen
varias formas de degradación por
hidrógeno. El agrietamiento que causa
la fragilización por hidrógeno es la
más común y afecta a las tres áreas
principales de las industrias que usan
hidrógeno:
•
•
•
1.
•
•
Medio ambiente
Hidrógeno interno y externo
Estado del hidrógeno (gas)
2.
Mecánica (factores internos y
externos)
Servicio cíclico
Vibraciones
Sobrecarga (mal diseño, equipo
de baja calidad, factor de
seguridad bajo)
Tensiones internas debido a
las técnicas de fabricación y el
procesamiento de materiales.
•
•
•
Producción
Transporte
Almacenamiento
•
3.
El ataque crece y produce
rotura bajo carga
Absorción de hidrógeno
Hidrógeno
•
•
•
•
•
•
•
El sector del transporte es un
excelente ejemplo de cómo las
tecnologías de hidrógeno están
despegando y haciendo que la
movilidad sostenible real sea más
tangible que nunca.
•
Para que se produzca una fractura
inducida por hidrógeno, deben de
estar presentes tanto el hidrógeno
como tensiones y cargas en un
material que sea sensible o susceptible
a este tipo de fallo.
En primer lugar, la absorción de
hidrógeno puede ocurrir tanto en la
etapa de fabricación del material y
el equipo así como en la de servicio.
Procesos como la fundición sin control,
la galvanización o la soldadura pueden
aumentar la carga previa de hidrógeno
en un metal determinado.
En términos de microestructura, y,
como regla general, los materiales que
poseen una alta resistencia mecánica o
se procesan de tal forma que tienen una
alta densidad de defectos e inclusiones
son más susceptibles a este tipo de fallo.
MICROE
CA
Fragilización
por hidrógeno
o
fractura asistida
por hidrógeno
DI
E
Hidrógeno en sitios
preferenciales como los límites
de grano, las dislocaciones o las
impurezas
Características de la
microestructura
Propiedades mecánicas
Calidad de la microestructura
Densidad de defectos e
inclusiones
Tratamiento térmico
Química
Proceso de fabricación del acero
Procesos de fabricación del
producto
Acabado superficial
Detalle de la propagación de grietas en una superficie de fractura frágil
debido al hidrógeno
M
Ya hay camiones pesados con pilas de
hidrógeno en las carreteras y, aunque
el desarrollo de una infraestructura
global de reabastecimiento de
El efecto de la fragilización por
hidrógeno está definido por tres
factores principales:
•
El medio ambiente
•
La mecánica del material
•
Las características de la
microestructura del material.
Hidrógeno
O A M BIE N
RUCTURA
ST
Las tecnologías basadas en el
hidrógeno, que impulsan la transición
ecológica, están evolucionando
rápidamente, introduciéndose
masivamente en el mercado y
convirtiéndose en parte de nuestra
vida cotidiana. Desde la generación
de energía limpia hasta automóviles
ecológicos, las posibilidades son
infinitas.
Nuestra completa cartera de
productos cubre un amplio rango
de presiones para ayudar a nuestros
clientes a superar algunos de los
desafíos técnicos de estas aplicaciones
críticas y exigentes.
Sin embargo, el hidrógeno puede
ser muy dañino para la mayoría de
materiales metálicos, causando lo
que se conoce como fragilidad o
ataque por hidrógeno. El hidrógeno
es una partícula de dimensiones
mínimas, y la degradación que causa
está directamente relacionada con la
facilidad con la que lo absorben los
metales junto con la alta movilidad
que tienen estas partículas a nivel
microestructural.
El resultado es una pérdida de
ductilidad que hace que el material
sea más frágil y más susceptible a la
rotura.
El hidrógeno puede ser un asesino
silencioso, ya que debilita el material
lentamente y sin signos claros del
daño, lo que a menudo conduce a un
fallo crítico.
TE
En la búsqueda de una sociedad descarbonizada, no hay duda de
que el hidrógeno como fuente de combustible ecológica está ganando
popularidad en la carrera para convertirse en el combustible del futuro.
Y es ahora que la revolución del hidrógeno se está produciendo.
MECÁN
I
El impacto del hidrógeno
La fragilización se produce cuando un
material pierde ductilidad y se vuelve
frágil como resultado de la difusión
de hidrógeno dentro del material. Los
átomos de hidrógeno penetran y se
sitúan en posiciones preferenciales
de la estructura del material,
modificando sus propiedades físicas y
su comportamiento mecánico.
La gravedad de la fragilización por
hidrógeno también depende de la
temperatura de funcionamiento,
siendo las temperaturas bajas el peor
de los casos en términos de ductilidad
del material y las temperaturas más
altas en cuanto a la tasa de absorción
de hidrógeno.
Los factores que pueden afectar a
la calidad de la microestructura son
numerosos y han sido ampliamente
documentados por la ciencia de
materiales.
Debido a la complejidad del tema,
no se puede evaluar el efecto de la
microestructura como principal factor
contribuyente al comportamiento
del hidrógeno en términos simples.
Observar una variable de forma
aislada no es suficiente para
garantizar la calidad o el rendimiento
de un componente dado y puede ser
engañoso.
Por ejemplo, un grado de material
con una “química perfecta” o con
niveles altos de un ingrediente en
particular puede dar como resultado
un producto de muy baja calidad.
Las consecuencias más comunes
del procesamiento de materiales,
el tratamiento térmico y/o las
operaciones de fabricación
incorrectos y no controlados son altas
densidades de fases no deseadas
e inclusiones en la materia prima.
Estos conducen inevitablemente
a un agrietamiento asistido por
hidrógeno grave y prematuro durante
su funcionamiento en entornos de
H2 exigentes. El procesamiento de
materiales es clave.
Además, la mecánica de la aplicación
tiene un papel muy importante.
Los estados de tensión en los
componentes pueden deberse a la
presencia de tensiones residuales
asociadas con ciertas técnicas de
fabricación, así como a tensiones
aplicadas durante el servicio. Un
diseño e instalación incorrectos
del producto pueden causar una
sobrecarga de tensión en el material.
Todos estos factores pueden causar
errores prematuros de los componentes
en el servicio del hidrógeno
Cómo Parker se ha puesto a la vanguardia de
la innovación en el mercado del hidrógeno
Cuando se trata de manipular
hidrógeno, la selección de materiales y
equipos se convierte, más que nunca,
en un ingrediente esencial del éxito.
De acuerdo con la norma industrial
internacional ISO 15916-2015, debido
a que la mayoría de los metales son
susceptibles a diferentes niveles
de fragilidad por H2, se deben
seleccionar cuidadosamente los
materiales de construcción y el
equipo adecuado para evitar fallos
cuando se prevé la exposición al
hidrógeno.
La buena noticia es que se puede
evitar la fragilización por hidrógeno.
Los usuarios finales deben prestar
especial atención a los materiales de
construcción y a la calidad del equipo
que utilizan en sus recursos.
© 2020 Parker Hannifin Corporation
Como fabricante de equipos de
presión, Parker cuenta con décadas
de experiencia en el servicio de
aplicaciones de hidrógeno. Los
productos de Parker están diseñados
para minimizar los riesgos asociados
con la corrosión y el ataque por
hidrógeno y ofrecer componentes
seguros y fiables, minimizar las vías
de fuga y, en definitiva, conseguir
un buen funcionamiento sobre el
terreno.
Las materias primas que utilizamos
son completamente rastreables y se
controlan cuidadosamente desde
el proceso de fundición hasta el
producto acabado final.
Además, se seleccionan procesos de
fabricación que garantizan un riesgo
operativo mínimo en entornos de
hidrógeno. Además de los aceros
inoxidables (el principal material
elegido para el sector del transporte
con H2), ofrecemos una selección de
aleaciones de níquel para una amplia
gama de aplicaciones.
La cartera de Parker también incluye
productos aprobados según la EC-79.
La homologación EC-79 (Reglamento
del parlamento Europeo y del Consejo
del 14 de enero de 2009 para motores
de hidrógeno) es una normativa de
la UE para componentes y sistemas
instalados en vehículos impulsados
por hidrógeno.
Las gamas de productos certificadas
según esta normativa se ensayan
exhaustivamente para garantizar
la seguridad y el rendimiento de
los equipos de H2 bajo distintas
condiciones de presión, eléctricas,
mecánicas, térmicas o químicas.
WP-Hydrogen_IPD_ES 12/2020
Parker Hannifin Corporation
División de productos de instrumentación en Europa
Riverside Road
Barnstaple EX31 1NP
Reino Unido
Teléfono 0044 1271 313131
parker.com/ipd