Infragilimento da idrogeno ad alta pressione: Rischi materiali fino a 1000 bar, prove realistiche
I materiali destinati alle applicazioni in idrogeno devono resistere alle alte pressioni e, al contempo, all'eventuale infragilimento da idrogeno. Tuttavia, le prove di trazione classiche spesso non sono sufficienti a tal fine. Il motivo: i cambiamenti significativi nel comportamento dei materiali sono spesso visibili solo in condizioni di carico lento e in condizioni realistiche. Le prove in idrogeno compresso fino a 1000 bar consentono di valutare in modo affidabile i materiali e individuare i rischi in una fase precoce.
L'idrogeno sottopone i materiali a sollecitazioni diverse rispetto alle applicazioni tradizionali
L'idrogeno riveste un ruolo centrale in molte applicazioni future: dalla mobilità ai processi industriali, fino allo stoccaggio di energia. Allo stesso tempo, i requisiti relativi alla sicurezza dei materiali utilizzati stanno diventando sempre più rigorosi. I serbatoi, le tubazioni o le valvole funzionano spesso a pressioni di diverse centinaia di bar. Anche piccole variazioni nella struttura del materiale possono causare il cedimento imprevisto dei componenti sotto carico.
Ed è proprio questa una delle sfide più grandi nel campo della tecnologia dell'idrogeno: l'idrogeno può rendere i metalli più fragili. Il materiale perde la sua duttilità e può rompersi molto prima rispetto a quanto accadrebbe in condizioni normali. Per quanto riguarda sviluppo, qualità e approvazioni dei materiali, ciò significa che i materiali devono essere testati in condizioni quanto più realistiche possibile.
Le prove di trazione classiche raggiungono rapidamente i propri limiti in presenza di idrogeno
Le prove di trazione convenzionali vengono solitamente eseguite a velocità di prova relativamente elevate. Sebbene ciò consenta di determinare le proprietà meccaniche di base, spesso le variazioni graduali causate dall'idrogeno non risultano sufficientemente evidenti. In pratica, è proprio qui che sorge un problema. L'infragilimento da idrogeno non si manifesta improvvisamente, ma spesso si sviluppa nel corso di periodi di esposizione prolungati. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni ad alta pressione, in cui i materiali sono costantemente esposti sia a sollecitazioni meccaniche che all'idrogeno.
Per poter valutare in modo affidabile questo comportamento, si ricorre a prove a bassa velocità di deformazione (slow strain rate test - SSRT). Il provino viene sottoposto a trazione in modo molto lento e uniforme. Ciò consente di osservare in che modo l'idrogeno influisce sul comportamento del materiale e se si verifica un infragilimento critico.
Le prove in idrogeno conformi alle normative producono risultati riproducibili
Per le prove in idrogeno è fondamentale ricorrere a metodi standardizzati e riproducibili. Per le prove su provini cavi sottoposti a gas ad alta pressione, la normativa ISO 7039:2024 fornisce un quadro di riferimento per la valutazione delle variazioni delle proprietà dei materiali metallici. Il metodo è adatto come procedura di screening o di preselezione, anche per prove in idrogeno. La normativa da applicare in un caso specifico dipende dal materiale, dall'obiettivo della prova, dalla geometria del provino e dai requisiti di omologazione.
Nel laboratorio di prova, la precisione e la sicurezza garantiscono risultati affidabili
La vera sfida inizia nel laboratorio di prova. Le prove in idrogeno ad alta pressione pongono requisiti elevati in termini di sicurezza, precisione di controllo e tecnologia di misurazione. Anche l'esecuzione controllata di una prova fino a 1000 bar è tecnicamente impegnativa. Allo stesso tempo, anche le più piccole variazioni nel comportamento del materiale devono essere registrate in modo affidabile. Soprattutto in presenza di velocità di deformazione ridotte, la precisione del controllo determina se i risultati delle prove siano riproducibili e significativi.
C'è poi l'aspetto procedurale: condizioni di prova non accurate o misurazioni instabili comportano rapidamente la necessità di ripetere le prove, ritardi nelle approvazioni o valutazioni inaffidabili dei materiali. Soprattutto nel caso di applicazioni con idrogeno in cui la sicurezza è fondamentale, ciò può allungare i tempi di sviluppo e comportare un carico di lavoro aggiuntivo. Anche la misurazione della deformazione è complessa. L'alimentazione di provini fragili sotto l'influenza dell'idrogeno può comportare un elevato apporto di energia. I sistemi di misurazione devono quindi funzionare in modo affidabile senza compromettere la sequenza di prova.
Ecco come è possibile valutare in modo realistico l'infragilimento da idrogeno
Diversi fattori sono fondamentali per una valutazione realistica dei materiali sotto l'influenza dell'idrogeno: condizioni di pressione controllate, controllo preciso della velocità di carico e misurazione affidabile della deformazione anche in presenza di comportamenti critici dei materiali. Il sistema di prova su provini cavi Kappa SS-CF di ZwickRoell è stato sviluppato appositamente per applicazioni di creep a fatica ed è quindi particolarmente indicato per prove a bassa velocità di deformazione in presenza di idrogeno. La macchina consente di effettuare prove fino a 1000 bar e garantisce un controllo estremamente preciso della velocità di carico. Ciò consente di valutare i materiali sottoponendoli a un carico lento e uniforme, ovvero in condizioni che rispecchiano gli scenari applicativi tipici in modo molto più realistico rispetto alle classiche prove di trazione.
Il videoXtens senza tracciatura viene utilizzato per la misurazione della deformazione e dell'allungamento. Il sistema è particolarmente indicato per le fratture di provini fragili e ad alta energia, senza che l'operatore debba rimuovere il sistema di misura durante la prova. Il sistema di sicurezza è progettato anche per le prove con idrogeno ad alta pressione. La prova ha inizio solo quando tutti i dispositivi di interblocco di sicurezza sono attivi. La cabina di sicurezza e un estensimetro ottico a luce blu consentono di eseguire una sequenza di prove controllata. Un altro vantaggio pratico deriva dall'uso di provini cavi compatti. Il volume ridotto di idrogeno comporta requisiti di sicurezza inferiori rispetto alle soluzioni convenzionali con autoclave. Ciò consente di eseguire le prove in modo più efficiente.
Le prove riproducibili facilitano i processi di sviluppo e approvazione
Una prova sull'idrogeno riproducibile garantisce in primo luogo decisioni affidabili. I reparti di sviluppo possono confrontare i materiali in modo più affidabile e valutarne l'idoneità alle applicazioni legate all'idrogeno su basi più solide. I laboratori di controllo qualità e di prova traggono vantaggio da condizioni di prova stabili e da risultati conformi alle normative. Allo stesso tempo, è possibile individuare tempestivamente i rischi derivanti dall'uso di materiali non idonei. Ci sono anche vantaggi dal punto di vista del processo: un minor numero di prove ripetute, procedure riproducibili e una maggiore comparabilità dei risultati favoriscono approvazioni più rapide e processi di sviluppo più prevedibili. Soprattutto nelle applicazioni ad alta pressione, prove realistiche consentono di evitare sin dalle prime fasi eventuali guasti successivi o problemi critici per la sicurezza.
In conclusione: Prove realistiche sull'idrogeno come fattore decisivo
Le applicazioni dell'idrogeno pongono sfide particolari per i materiali. I metodi di prova tradizionali spesso non sono sufficienti per individuare in modo affidabile i cambiamenti critici causati dall'idrogeno.
Le prove a bassa velocità di deformazione in condizioni di pressione realistiche consentono di individuare in fase precoce l'infragilimento da idrogeno e di valutare i materiali in modo affidabile. Un controllo preciso, condizioni di prova sicure e risultati riproducibili sono fondamentali.
Con il sistema di prova su provini cavi Kappa SS-CF, ZwickRoell supporta le aziende nell'esecuzione di prove in idrogeno fino a 1000 bar in modo sicuro ed efficiente, in qualità di partner tecnico per processi di prova riproducibili e conformi alle normative.
Domande frequenti sulle prove in idrogeno fino a 1000 bar
Molte applicazioni che utilizzano l'idrogeno funzionano a pressioni molto elevate. Tra questi figurano, ad esempio, serbatoi, tubazioni o valvole. Prove fino a 1000 bar consentono di simulare le condizioni operative reali nel modo più accurato possibile e di individuare tempestivamente i rischi legati ai materiali.
L'infragilimento da idrogeno descrive la variazione delle proprietà dei materiali causata dalla presenza di idrogeno intrappolato. Di conseguenza, i materiali possono perdere duttilità e rompersi prima sotto carico.
SSRT è l'acronimo di "slow strain rate testing". In questa prova, un provino viene sottoposto a trazione molto lentamente, al fine di rendere visibili i cambiamenti nel comportamento del materiale sotto l'influenza dell'idrogeno.
Le prove di trazione classiche vengono solitamente eseguite a velocità di prova più elevate. I meccanismi di danneggiamento lento, come l'infragilimento da idrogeno, spesso non sono quindi sufficientemente rilevabili.
I provini cavi richiedono minori volumi di idrogeno. Ciò comporta una riduzione dei requisiti di sicurezza rispetto ai sistemi di prova di dimensioni maggiori, questo può rendere le prove più efficienti.
ISO 7039 descrive metodi di prova per prove a velocità di deformazione lenta sotto l'influenza di idrogeno. L'obiettivo è una valutazione riproducibile e comparabile dei materiali.
