La fragilización del acero por hidrógeno representa un desafío en diversas aplicaciones, desde la industria del petróleo y gas hasta la construcción de infraestructuras. La fragilización del acero por hidrógeno implica una serie de complejos mecanismos que afectan las propiedades mecánicas del material. Algunos estudios recientes, como el de Zhang et al. (2022), han proporcionado una mayor comprensión de los procesos de difusión de hidrógeno, la interacción hidrógeno-atómico y la formación de microgrietas.
La fragilización por hidrógeno presenta desafíos considerables en términos de detección temprana y prevención. Investigaciones, como las de Li et al. (2023), han destacado la necesidad de métodos avanzados de monitoreo y técnicas de evaluación no destructiva para identificar la presencia de hidrógeno y su impacto en las propiedades mecánicas del acero.
La fragilización por hidrógeno es uno de los temas más estudiado por los investigadores. La interacción del hidrógeno con diferentes materiales es causa de fallo prematuro en distintas situaciones. Algunos ejemplos concretos los podemos encontrar en: los trenes de aterrizaje de los aviones, los depósitos de combustible de refinerías y plantas químicas, las turbinas para la generación de energía eléctrica o las tuberías y válvulas para el transporte de líquidos y gases.
Los daños causados en materiales debidos al hidrógeno se denominan fragilización por hidrógeno. Este fenomeno es especialmente devastador por las averias que puede causar en diversos materiales de componentes esenciales. Dicho fallo sucede a tensiones muy pequeñas (en comparación a las que serían necesarias en ausencia de hidrógeno), es bastante frágil y tiene un periodo de “incubación” tan variable que lo hace prácticamente impredecible.
Daños causados por fragilización por hidrógeno
El problema de la fragilización por hidrógeno afecta a los cuatro puntos esenciales de la cadena de valor del hidrógeno. Estos son:
✅ Producción
✅ Transporte
✅ Almacenamiento
✅ Aplicación
La elección de los materiales para el confinamiento del hidrógeno para una aplicación específica dependerá de la fiabilidad y coste que requiera el sistema.
Materiales usados con hidrógeno
Las propiedades del hidrógeno provocan efectos sobre los materiales donde se produce contacto. Esto se aprecia facilmente con las temperaturas criogénicas que provocan alteraciones en el comportamiento de los distintos materiales.
Existen distintos materiales que funcionan satisfactoriamente en las distintas condiciones de servicio. Estas condiciones pueden variar desde baja presión y baja temperatura hasta alta presión y alta temperatura.
La sección del material dependerá de las condiciones de operación específicas. Esta elección de los materiales deben considerar los siguientes aspectos:
✅ Capacidad de realizar ensayos de calidad y resistencia.
✅ Contracción térmica.
✅ Cambio en las propiedades a temperaturas criogénicas.
✅ Fragilización en frío.
✅ Corrosión y resistencia.
✅ Propiedades óptimas de diseño y funcionamiento.
✅ Compatibilidad con el ambiente de trabajo.
✅ Toxicidad.
✅ Facilidad para su fabricación, montaje e inspección.
✅ Fragilización por hidrógeno.
✅ Disponibilidad del material
✅ Consecuencias del fallo del material.
✅ Capacidad de exposición a las altas temperaturas de un fuego por hidrógeno.
Puntos a verificar en la selección de materiales
Los ingenieros deben verificar los valores de las propiedades que aparecen en los manuales convencionales. La experiencia en desarrollo ha demostrado en numerosas ocasiones, que las condiciones de ensayo son muy variables fundamentalmente en función de la temperatura.
Los materiales empleados deben ser compatibles con el hidrógeno bajo las condiciones de funcionamiento proyectadas (temperatura, presión, vibración) y cumplir con las especificaciones.
Ante la ausencia de garantías que muestren que un material es compatible con el hidrógeno, este no debe ser empleado. Se recomienda la vaidación mediante test, pruebas y análisis.
Un ejemplo de la aplicación de la selección del material está en laposibilidad de inyectar hidrógeno en red de gas natural. Las propiedades manejadas en el diseño deben estar basadas en pruebas que simulen las condiciones más desfavorables que se pueden encontrar durante su vida útil.
Ensayos de materiales en presencia de hidrógeno
No sólo se debe tener un especial cuidado con la selección de los materiales sino que además se deben llevar a cabo controles de calidad adecuados. Por ejemplo, los métodos de ensayo a los que someta el material para determinar su compatibilidad con hidrógeno deben incluir la exposición directa al hidrógeno.
Los materiales seleccionados deben pasar pruebas en las que se compruebe su comportamiento frente a los esfuerzos, la presión, la temperatura y la exposición al ambiente.
Se pueden encontrar valores de diseño en ASME BPVC (1995) acerca de las tensiones admisibles para los materiales empleados en depósitos a presión. En NASA 1997 Tabla A5.3 se encuentran las tensiones admisibles para los materiales más representativos de ASMI/ASME B31.3 (1996), las Tablas A5.4 (propiedades elásticas), A5.5 (propiedades mecánicas) y A5.6 (propiedades térmicas) proporcionan valores típicos a temperatura ambiente y a las temperaturas del hidrógeno líquido para los materiales susceptibles de emplearse con hidrógeno líquido.
Las causas de la fragilización por hidrógeno
Los daños en materiales causados por hidrógeno, o fragilización, es la pérdida de resistencia y ductilidad inducida por el hidrógeno. Esta puede derivar en la iniciación o propagación de fracturas mecánicas.
Los daños causados en los materiales debidos al hidrógeno se agrupan en tres categorías. Es posible que se produzca una, dos , o incluso las tres combinadas. Las clases de degradación causada por el hidrógeno son:
✔ Fragilización por hidrógeno ambiental: se produce en ambientes hidrogenados donde hay pérdida de ductilidad o rotura por tensiones.
✔ Fragilización por reacción con el hidrógeno: se trata de una descarburación debida a un ataque generado por hidrógeno.
✔ Fragilización interna reversible.
La solubilidad de hidrógeno en biomateriales
Un artículo técnico publicado en la Revista Internatinal Journal of hydrogen energy comparte los descubrimientos sobre la solubilidad del hidrógeno en cinco bioquímicos de importancia industrial. Estos son: furfural , furano, eugenol, alcohol alílico y alcohol furfurílico .
Los cientificos han empleado inteligencia artificial para calcular la solubilidad del hidrógeno en diferentes biomateriales. Este campo está en desarrollo para avanzar en la cadena de valor del hidrógeno.
En su investigación han empleado técnicas como: la programación de expresión genética, tres redes neuronales artificiales diferentes, y la regresión vectorial de soporte de mínimos cuadrados (LS-SVR). El análisis de clasificación emplea siete criterios estadísticos. El LS-SVR es el modelo más preciso para este propósito. El LS-SVR desarrollado es superior a Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong y las correlaciones basadas en la termodinámica de la teoría de fluidos de asociación estadística de cadena perturbada.
El modelo LS-SVR predice la solubilidad del hidrógeno en los productos bioquímicos considerados con la desviación absoluta relativa del 1,91%, el error cuadrático medio de 6,4 × 10 −7 y el coeficiente de regresión de 0,99924.
Los modelos analizados y las observaciones experimentales coincidieron. El furano tiene la máxima tendencia a absorber moléculas de hidrógeno. Un análisis de simulación pura indica que el furano puede absorber la máxima solubilidad en hidrógeno de 0,11 (fracción molar) a una presión = 14,93 MPa y una temperatura = 402 K.
Resultado de la investigación de hidrógeno en biomateriales
Las investigaciones de biomateriales para el hidrógeno han ofrecido estas conclusiones:
· El modelo propuesto LS-SVM tiene mayor precisión que las ecuaciones de estado disponibles. Destaca su precisión para modelar los equilibrios de fase de H 2 / bioquímicos.
· La solubilidad del hidrógeno en bioquímica aumenta al aumentar la presión y la temperatura.
· Efecto de la temperatura sobre la H 2 solubilidad en productos bioquímicos es más fuerte que la presión.
· La máxima solubilidad del hidrógeno se logra mediante el furano a P = 14,93 MPa y T = 402 K.
Estrategias para mitigar la fragilización por hidrógeno
Diversas estrategias se están explorando para mitigar la fragilización del acero por hidrógeno. Investigaciones recientes, como el trabajo de Wang et al. (2024), han examinado la aplicación de recubrimientos protectores, la modificación de procesos de fabricación y el desarrollo de aleaciones resistentes al hidrógeno como enfoques clave para reducir la susceptibilidad del acero a la fragilización.
La selección de materiales y el diseño estructural juegan un papel fundamental en la resistencia a la fragilización por hidrógeno. Estudios, como los de Chen et al. (2022), han abordado la importancia de la selección de aleaciones específicas y la optimización de los procesos de tratamiento térmico para minimizar la absorción de hidrógeno y preservar la integridad del acero.
El futuro de la investigación sobre la fragilización del acero por hidrógeno se centra en la identificación de nuevos mecanismos, la mejora de métodos de detección, y el desarrollo continuo de estrategias de mitigación. La colaboración entre la industria y la universidad es esencial para abordar este desafío crítico y garantizar la seguridad y confiabilidad de las estructuras de acero en diversos entornos.
Un proyecto que aborda la fragilización por hidrógeno
Existen numerosos proyectos de hidrógeno en España que buscan la superación de los abstaculos actuales para la implantación de la energía de hidrógeno. El proyecto CANDHy ensaya la tolerancia al hidrógeno de materiales metálicos distintos del acero.
El proyecto CANDHy busca resultados fiables y reproducibles sobre la tolerancia al hidrógeno de materiales y su aplicación a las redes europeas de gas a baja presión. La investigación facilitará el uso de datos científicos exhaustivos y directrices adaptadasa los materiales de las redes.
CANDHy es coordinado por la Fundación Hidrógeno de Aragón. La fase inicial del proyecto consiste en una evaluación exhaustiva de la prevalencia de materiales metálicos distintos del acero en las redes de distribución europeas. También se centra en el establecimiento de protocolos de ensayo para evaluar su tolerancia al hidrógeno.
El proyecto pretende documentar al menos cinco tipos de materiales de distintas familias, como hierro fundido, cobre, latón, plomo y aluminio, abarcando tanto materiales nuevos como antiguos. Las pruebas mecánicas realizadas en el marco del proyecto abarcarán condiciones estáticas y dinámicas para evaluar la sensibilidad al hidrógeno de los materiales ensayados, en consonancia con las normas actuales y actualizadas más relevantes.
Candhy
Junto con la campaña experimental, se desarrollará un modelo semiempírico para investigar más a fondo los mecanismos que subyacen a la fragilización por hidrógeno en materiales metálicos distintos del acero. Este modelo permitirá comprender mejor los procesos y comportamientos fundamentales observados durante las pruebas.
Cuando el proyecto llegue a su fin, CANDHy propondrá directrices prenormativas, procedimientos y áreas de desarrollo para la evaluación de materiales en condiciones de servicio de hidrógeno. Estas directrices constituirán un valioso recurso para las partes interesadas de la industria y los investigadores en este campo.
Además, los resultados obtenidos en la campaña de ensayos, junto con el modelo desarrollado, se pondrán a disposición del público. Se podrá acceder a ellos a través de una base de datos actualizada y completa, lo que garantizará que todas las partes interesadas puedan beneficiarse de los conocimientos generados por el proyecto.
