Método de ensayo criogénico
Los métodos de ensayo criogénico (temperaturas criogénicas por debajo de <120 K) son especialmente necesarios en el sector en auge de la tecnología del hidrógeno. Su objetivo: Identificar las características de los materiales y conocer su comportamiento a las temperaturas más bajas. Para el transporte y almacenamiento de hidrógeno líquido, la temperatura de servicio es de 20 K.
Además de las propiedades puramente estáticas bajo carga de tracción, compresión o cizallamiento a temperaturas criogénicas, también es de gran interés el comportamiento mecánico de fatiga o fractura, ya que el hidrógeno en contacto con el oxígeno es explosivo incluso en pequeñas cantidades y el fallo del material podría tener consecuencias fatales.
ZwickRoell ofrece las siguientes posibilidades para métodos de ensayo criogénicos como el ensayo de tracción, el ensayo de fatiga o el ensayo de impacto:
Enfriamiento con cámaras de temperatura Enfriamiento con criostatos de inmersión Enfriamiento con criostatos de flujo Ensayo de impacto criogénico Máquinas para ensayos criogénicos
Objetivo del ensayo criogénico
Especialmente en el caso del almacenamiento de hidrógeno líquido, los siguientes aspectos desempeñan un papel fundamental desde el punto de vista de los ensayos de materiales:
- La investigación del comportamiento estático, dinámico y de mecánica de la fractura del material en el rango criogénico y la determinación de los valores característicos necesarios para el diseño y el análisis de los valores característicos necesarios. Dado que el hidrógeno en contacto con el oxígeno es explosivo en determinadas cantidades y que un fallo del material tendría consecuencias fatales, el comportamiento a fatiga o el comportamiento mecánico de fractura son de especial interés.
- En el caso de las infraestructuras de H2, el material compuesto -a diferencia de los metales- no suele estar en contacto directo con el medio de hidrógeno. Por esta razón, el medio refrigerante helio, que es mucho menos complejo en su manipulación, también puede utilizarse para alcanzar la temperatura de 20 K cuando se ensayan materiales compuestos.
- En los materiales compuestos, los muy diversos coeficientes de dilatación térmica de la fibra y la matriz en los plásticos reforzados con fibra provocan tensiones congeladas en el material durante el proceso de fabricación. Debido a las diferencias de temperatura mucho mayores en las aplicaciones de la tecnología del hidrógeno, se generan fuertes tensiones termomecánicas. Es importante comprender perfectamente este comportamiento a temperaturas reales, ya que las fuertes fluctuaciones de presión y temperatura (por ejemplo, durante el repostaje) pueden provocar microfisuras en el material compuesto, que influyen negativamente en las propiedades mecánicas y la permeabilidad.
Dependiendo de la temperatura de funcionamiento y de la aplicación, se utilizan cámaras de temperatura, criostatos de flujo y criostatos de inmersión para realizar ensayos en el rango criogénico. Con estos equipos de ensayos se pueden alcanzar temperaturas de ensayo en el rango de temperaturas criogénicas, entre 20 K y 130 K, dependiendo del diseño.
Dado que el coste del helio es mucho más elevado que el del nitrógeno, siempre hay que sopesar los costes y las ventajas del intervalo de temperatura y el medio de refrigeración elegidos. Las temperaturas de ensayo vienen determinadas por la aplicación.
Normas para los métodos de ensayo criogénicos
Normas para los ensayos criogénicos de materiales compuestos
- ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Ensayos de tracción
- ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Ensayos de compresión
- ISO 14129, ASTM D3518: Cizallamiento en el plano, IPS
- ISO 14230, ASTM D2344: Resistencia al cizallamiento interlaminar , ILSS
- ISO 14125, ASTM D7264: Ensayos de flexión
- EN 1465, ASTM D3164: Determination of tensile lap-shear strength of bonded assemblies
- ASTM D7905: Interlaminar Fracture Toughness Mode II
- ISO 13003, ASTM D3479: Ensayo de fatiga con tensión pulsante
- ISO 13003 anexo A: Ensayo de fatiga a flexión
Normas para los ensayos criogénicos de metales
- ISO 6892-3: Ensayo de tracción a bajas temperaturas
- ASTM E1450: Método de ensayo para el ensayo de tensión en aceros estructurales en helio líquido
Ensayo criogénico en el almacenamiento de hidrógeno
Existen tres opciones para el almacenamiento eficiente del hidrógeno, de las que se derivan los requisitos para los distintos tipos de depósitos, que son decisivos para los parámetros de ensayo a elegir.
- En estado líquido hasta 4 bar en el rango de licuefacción del hidrógeno a 20 K
- En el rango de presión de 250 ...700 bar a temperatura ambiente
- En el rango de presión de 500 ... 1000 bar entre 33 y 73 K
Especialmente, el hidrógeno líquido representa una alternativa para transportar hidrógeno en grandes cantidades. Además de los metales, a menudo también se emplean materiales compuestos para aplicaciones de hidrógeno líquido. En comparación con los metales, éstos presentan una ventaja significativa: su bajo peso. Este aspecto desempeña un papel esencial sobre todo en aplicaciones del sector aeroespacial o de automoción, para desarrollar depósitos de hidrógeno muy ligeros. En el sector aeroespacial, por ejemplo, son interesantes las aplicaciones del hidrógeno líquido a temperaturas criogénicas, por ejemplo, gracias a una densidad de almacenamiento más eficiente. En el sector de la automoción, en cambio, la industria también confía cada vez más en los depósitos para almacenar hidrógeno gaseoso a altas presiones.
Por lo tanto, los ensayos para determinar los valores característicos para el diseño y ensayo de estructuras de materiales compuestos/metales en plantas de licuefacción o tanques de hidrógeno líquido en condiciones criogénicas son esenciales para cumplir mejor los requisitos de seguridad y comprender las tensiones termomecánicas causadas por los cambios de temperatura en las aplicaciones de hidrógeno líquido. Esto ocurre -por ejemplo, durante el repostaje- debido a los diferentes coeficientes de dilatación térmica de las fibras y la matriz en los materiales compuestos.
Enfriamiento con cámara de temperatura
Las cámaras de temperatura son adecuadas para ensayos a temperaturas elevadas, pero también a bajas temperaturas de hasta aproximadamente -170 °C. La temperatura depende del tipo de material que se enfríe. La temperatura baja depende del volumen refrigerado en la cámara, así como del volumen de las varillas de ensayo que sobresalen en la cámara de temperatura. En la ejecución con cámara de temperatura, las varillas se introducen en la cámara de temperatura desde arriba y desde abajo.
Enfriamiento con criostato de inmersión en nitrógeno
En los criostatos de inmersión en nitrógeno, la probeta de material se sumerge en un baño de nitrógeno. Los criostatos de inmersión se reducen en su rango de temperatura de ensayo a la temperatura del nitrógeno líquido. Las probetas se introducen por arriba en el criostato de inmersión, a través de un yugo de carga independiente que incluye un soporte para probetas. Una vez finalizado el ensayo criogénico, el nitrógeno suele vaciarse o evaporarse a la atmósfera.
Enfriamiento con nitrógeno y helio en un criostato de flujo
Los criostatos de flujo de nitrógeno y helio funcionan desde temperatura ambiente hasta temperaturas criogénicas de unos 20 K, dependiendo del medio de refrigeración. Es fundamental reducir al mínimo los volúmenes y los cuerpos que sobresalen en el criostato. Se base en la fórmula: Cuanto menos volumen (de metal) sobresalga del criostato de flujo, más bajas serán las temperaturas que puedan alcanzarse.
Por razones de coste, los criostatos de flujo se enfrían previamente con nitrógeno. Una vez alcanzada la temperatura más baja posible del nitrógeno, el criostato se enfría con helio de un vaso Dewar, hasta alcanzar la temperatura final de aproximadamente 10 K a 20 K (-253 °C). El ambiente alrededor de la probeta es siempre de helio. Gracias a su coste, es posible recoger el gas y comprimirlo o licuarlo de nuevo.
Como variante especial, también se pueden utilizar los criostatos de flujo ZwickRoell con hidrógeno. En este caso, el ambiente alrededor de la probeta es de hidrógeno. Siempre que se tomen las precauciones de seguridad adecuadas al manipular hidrógeno, para operar el criostato de flujo ZwickRoell sólo se requieren unos pocos ajustes técnicos.
ZwickRoell no ofrece criostatos de inmersión para el funcionamiento exclusivo con helio líquido.
Péndulo de impacto criogénico con refrigeración por helio
Si el hidrógeno entra en contacto con el oxígeno, puede ser explosivo en ciertas cantidades. Un fallo del material de los componentes portadores de hidrógeno tendría consecuencias fatales. Por ello, las propiedades de tenacidad de un material -además de las propiedades mecánicas y el comportamiento mecánico a la fatiga y a la fractura- son de gran interés para la investigación de materiales.
El péndulo de impacto criogénico se utiliza para determinar las propiedades de tenacidad en condiciones criogénicas. Con ayuda de un dispositivo especial de refrigeración, se enfría una probeta Charpy hasta que alcanza una temperatura de 20 K. A continuación, la probeta a una temperatura extremadamente fría se somete a un ensayo de impacto Charpy K clásico conforme a la norma DIN EN ISO 148-1.
Un péndulo de impacto instrumentado mide la fuerza durante el impacto, proporciona datos sobre el esfuerzo y la deformación e informa sobre los parámetros de tenacidad mecánica de la fractura. De este modo, la instrumentación nos permite determinar el tipo de fallo y no sólo la energía de rotura.
Uso en máquinas de ensayo estáticas y dinámicas
ZwickRoell ofrece los tres dispositivos para ensayos criogénicos mencionados tanto para máquinas de ensayos estáticos como para máquinas de ensayos dinámicos de materiales. Se aplica el principio: Cuanto más baja la temperatura, más complejo el esfuerzo mecánico.
Para que los costes del refrigerante sean razonables y para obtener el menor gradiente de temperatura posible a través de los pasantes metálicos, es recomendable que las masas a refrigerar –por ejemplo las mordazas de las probetas así como los pasantes– tengan el menor volumen de material posible. Además, la fuerza máxima de ensayo debe ser lo más baja posible. Esto se debe a que, a diferencia de los ensayos a temperatura ambiente, las dimensiones seleccionadas generosamente no sólo suponen costes elevados, sino que también repercuten en la temperatura mínima más baja alcanzable, la capacidad de regulación de la temperatura y, en última instancia, en unos resultados de ensayo fiables y reproducibles.
Se basa en la regla: «Tanto como sea necesario», entra en juego especialmente en este caso y debe tenerse especialmente en cuenta en la fase de planificación del sistema. Los sistemas de ensayos criogénicos de la gama de productos ZwickRoell tienen una carga máxima de 100 kN.
En el diseño de un sistema de ensayo criogénico se deben muy tener en cuenta los siguientes puntos:
- Selección correcta del material para las mordazas
- El volumen más reducido posible en la zona de baja temperatura, de forma que se requiera la menor cantidad posible de refrigerante.
- Mantener las pérdidas de temperatura al mínimo, a través de la conexión introducida en el depósito de refrigeración.
- Evitar la formación de hielo con manguitos calefactores especiales.
- Proteger la máquina de ensayos contra la condensación.
- Garantizar la alineación y la orientabilidad de la cadena de carga.
- Garantizar la capacidad de calibración del sistema.
- Seleccionar correctamente los extensómetros.
- Compensar las derivaciones de fuerza a través de juntas.
- Compensar la dilatación térmica.
PREGUNTAS FRECUENTES
La criogenia es la técnica de generación de temperaturas ultrabajas. A partir de temperaturas de 120 K (-153 °C) o inferiores, se habla de la gama criogénica.
Los ensayos de materiales en el ambiente criogénico proporcionan características de los materiales a temperaturas muy bajas. Esta técnica se utiliza en diversos sectores para investigar el comportamiento de los materiales a temperaturas de funcionamiento reales. La criogenia se utiliza en ensayos de materiales principalmente en los sectores de los compuestos, metales, aeroespacial, automoción y almacenamiento de energía (hidrógeno).
Las temperaturas criogénicas son iguales o inferiores a 120 K (-153 °C). Estas temperaturas criogénicas suelen expresarse en grados Kelvin.
La refrigeración criogénica se emplea para generar temperaturas mínimas. Para ello, se suelen utilizar gases líquidos como el nitrógeno o el helio.