Fragilización por hidrógeno a alta presión: Ensayos de riesgos de materiales hasta 1000 bar en condiciones reales
Los materiales para aplicaciones de hidrógeno deben resistir altas presiones y, al mismo tiempo, una posible fragilización por hidrógeno. Sin embargo, los ensayos de tracción convencionales no suelen ser suficientes para ello. El motivo: los cambios críticos en el comportamiento del material a menudo solo son visibles bajo cargas lentas y en condiciones reales. Los ensayos con hidrógeno a presión hasta 1000 bar ayudan a evaluar los materiales de forma fiable y a detectar los riesgos en una fase temprana.
El hidrógeno somete los materiales a condiciones diferentes de las aplicaciones convencionales
El hidrógeno desempeña un papel fundamental en muchas aplicaciones de futuro, desde la movilidad y los procesos industriales hasta el almacenamiento de energía. Al mismo tiempo, aumentan los requisitos de seguridad de los materiales utilizados. Los depósitos, tuberías o válvulas suelen funcionar a presiones de varios cientos de bar. Incluso pequeños cambios en la microestructura del material pueden provocar que los componentes fallen inesperadamente bajo carga.
Y precisamente ahí reside uno de los mayores retos de la tecnología del hidrógeno: El hidrógeno puede fragilizar los metales. El material pierde ductilidad y puede romperse mucho antes que en condiciones normales. Para el desarrollo, el control de calidad y la homologación de materiales, esto significa que: Los materiales deben ensayarse en condiciones lo más reales posible.
Los ensayos de tracción convencionales alcanzan rápidamente sus límites con el hidrógeno
Los ensayos de tracción convencionales suelen realizarse a velocidades de ensayo relativamente altas. Aunque esto permite determinar las propiedades mecánicas básicas, los cambios progresivos provocados por el hidrógeno a menudo no se hacen suficientemente visibles. En la práctica, es precisamente aquí donde surge el problema. La fragilización por hidrógeno no se produce de forma repentina, sino que suele desarrollarse durante periodos prolongados de carga. Esto resulta especialmente crítico en aplicaciones de alta presión, en las que los materiales están expuestos permanentemente a tensiones mecánicas y, al mismo tiempo, al hidrógeno.
Para poder evaluar este comportamiento de forma fiable, se utilizan los denominados ensayos de velocidad de deformación lenta (SSRT). En ellos, la probeta se deforma muy lentamente y de manera uniforme. De este modo, se puede observar cómo afecta el hidrógeno al comportamiento del material y si se produce una fragilización crítica.
Los ensayos con hidrógeno conformes a las normas permiten obtener resultados comparables
Para los ensayos bajo la influencia del hidrógeno, es fundamental contar con métodos que cumplan con las normas y sean reproducibles. Para los ensayos con probetas huecas bajo gas a alta presión, la norma ISO 7039:2024 proporciona un marco para evaluar los cambios en las propiedades de los materiales metálicos. El método es adecuado como procedimiento de cribado o preselección, entre otros, para ensayos con hidrógeno. La norma que debe aplicarse en cada caso concreto depende del material, el objetivo del ensayo, la geometría de la probeta y los requisitos de homologación.
En el laboratorio de ensayos, la precisión y la seguridad son decisivas para obtener resultados fiables
El verdadero reto comienza en el laboratorio de ensayos. Los ensayos con hidrógeno a altas presiones plantean grandes exigencias en cuanto a seguridad, precisión de regulación y tecnología de medición. La realización controlada de un ensayo hasta 1000 bar ya supone un reto técnico. Al mismo tiempo, incluso los cambios más pequeños en el comportamiento del material deben registrarse de forma fiable. Especialmente a velocidades de deformación lentas, la precisión de la regulación determina si los resultados de ensayo son reproducibles y significativos.
A ello se suma el aspecto relacionado con el proceso: Unas condiciones de ensayo imprecisas o unas mediciones inestables conducen rápidamente a la repetición de ensayos, retrasos en las homologaciones o evaluaciones poco fiables de los materiales. Especialmente en aplicaciones de hidrógeno críticas para la seguridad, esto puede prolongar los tiempos de desarrollo y generar trabajo adicional. La medición de la deformación también plantea grandes exigencias. Las roturas frágiles de probetas bajo la influencia del hidrógeno pueden liberar una gran cantidad de energía. Por este motivo, los sistemas de medición deben funcionar de forma fiable sin interferir en el desarrollo del ensayo.
Así se puede evaluar la fragilización por hidrógeno en condiciones reales
Para evaluar los materiales bajo la influencia del hidrógeno en condiciones reales son decisivos varios factores: condiciones de presión controladas, regulación precisa de la velocidad de carga y medición segura de la deformación, incluso cuando el material presenta un comportamiento crítico. El sistema de ensayos Kappa SS-CF con probetas huecas de ZwickRoell se ha desarrollado específicamente para aplicaciones de fluencia-fatiga y, por ello, resulta especialmente adecuado para ensayos de velocidad de deformación lenta en condiciones de hidrógeno. La máquina permite realizar ensayos hasta 1000 bar y ofrece una regulación muy precisa de la velocidad de carga. De este modo, los materiales pueden evaluarse bajo una carga lenta y uniforme, es decir, en condiciones que reproducen los escenarios de uso típicos de forma mucho más realista que los ensayos de tracción convencionales.
Para medir la deformación se utiliza el videoXtens, que funciona sin necesidad de marcas. El sistema resulta especialmente adecuado para roturas frágiles y de alta energía de las probetas, sin que el operador tenga que retirar el sistema de medición durante el ensayo. El concepto de seguridad también está diseñado para ensayos con hidrógeno a alta presión. El ensayo no comienza hasta que todos los enclavamientos de seguridad están activos. La carcasa de protección y un extensómetro óptico de luz azul contribuyen a garantizar un desarrollo controlado del ensayo. Otra ventaja práctica se deriva del uso de probetas huecas compactas. Gracias al menor volumen de hidrógeno, se reducen los requisitos de seguridad en comparación con las soluciones convencionales con autoclave. De este modo, los ensayos pueden realizarse de forma más eficiente.
Los ensayos reproducibles facilitan los procesos de desarrollo y homologación
Un ensayo con hidrógeno reproducible permite, ante todo, tomar decisiones fundamentadas. Los departamentos de desarrollo pueden comparar los materiales de forma más fiable y evaluar con mayor fundamento su idoneidad para aplicaciones de hidrógeno. Los departamentos de control de calidad y los laboratorios de ensayo se benefician de unas condiciones de ensayo estables y unos resultados conformes a las normas. Al mismo tiempo, los riesgos derivados de materiales inadecuados pueden detectarse en una fase más temprana. También se obtienen ventajas en los procesos: menos repeticiones de ensayos, procesos reproducibles y una mejor comparabilidad de los resultados contribuyen a agilizar las homologaciones y a lograr procesos de desarrollo más planificables. Especialmente en aplicaciones de alta presión, los ensayos en condiciones reales ayudan a prevenir en una fase temprana futuros fallos o problemas críticos para la seguridad.
Conclusión: Los ensayos con hidrógeno en condiciones reales como factor decisivo
Las aplicaciones de hidrógeno plantean retos especiales para los materiales. Los métodos de ensayo convencionales a menudo no son suficientes para detectar de forma fiable los cambios críticos provocados por el hidrógeno.
Los ensayos de velocidad de deformación lenta en condiciones de presión reales ayudan a detectar la fragilización por hidrógeno en una fase temprana y a evaluar los materiales de forma fiable. Para ello son fundamentales una regulación precisa, unas condiciones de ensayo seguras y unos resultados reproducibles.
Con el sistema de ensayos de probetas huecas Kappa SS-CF, ZwickRoell ayuda a las empresas a realizar ensayos con hidrógeno hasta 1000 bar de forma segura y eficiente, como socio tecnológico para procesos de ensayo reproducibles y normalizados.
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Preguntas frecuentes sobre el ensayo con hidrógeno hasta 1000 bar
Muchas aplicaciones con hidrógeno funcionan a presiones muy altas. Entre ellas se incluyen, por ejemplo, depósitos, tuberías o válvulas. Los ensayos hasta 1000 bar ayudan a reproducir con la mayor precisión posible las condiciones reales de uso y a detectar los riesgos de los materiales en una fase temprana.
La fragilización por hidrógeno describe la alteración de los materiales provocada por el hidrógeno absorbido. Como consecuencia, los materiales pueden perder ductilidad y romperse antes cuando están sometidos a carga.
SSRT significa «Slow Strain Rate Test» (ensayo de velocidad de deformación lenta). En este ensayo, una probeta se deforma muy lentamente para hacer visibles los cambios en el comportamiento del material bajo la influencia del hidrógeno.
Los ensayos de tracción convencionales suelen realizarse a velocidades de ensayo más altas. Por este motivo, los mecanismos de daño lentos, como la fragilización por hidrógeno, a menudo no pueden detectarse adecuadamente.
Las probetas huecas requieren volúmenes de hidrógeno menores. Esto reduce los requisitos de seguridad en comparación con sistemas de ensayo de mayor tamaño, lo que puede aumentar la eficiencia de los ensayos.
La norma ISO 7039 describe métodos de ensayo para ensayos de velocidad de deformación lenta bajo la influencia del hidrógeno. El objetivo es obtener una evaluación reproducible y comparable de los materiales.
