Métodos de ensaio criogênicos
Os métodos de ensaio criogênicos (temperaturas extremamente baixas inferiores a <120 K) são especialmente necessários no setor de tecnologia de hidrogênio que apresenta forte crescimento. O objetivo: Identificar as características do material e obter conhecimentos sobre o comportamento do material a temperaturas extremamente baixas - as temperaturas operacionais do material. No transporte e armazenamento de hidrogênio líquido a temperatura operacional é de 20 K.
Ao lado das características exclusivamente estáticas sob carga de tração, compressão ou cisalhamento a temperaturas extremamente baixas também o comportamento de fadiga e/ou o comportamento de mecânica da fratura e de grande interesse uma vez que o hidrogênio em contato com oxigênio é explosivo já em pequenas quantidades e a falha do material teria consequências fatais.
A ZwickRoell oferece para os métodos de ensaios criogênicos como ensaio de tração, ensaio de fadiga ou ensaio de impacto as seguintes opções:
Refrigeração com câmaras de temperatura Refrigeração com criostatos de submersão Refrigeração com criostatos de vazão Ensaio de impacto criogênico Máquinas de ensaios criogênicos adequadas
Objetivo do ensaio criogênico
Especialmente no armazenamento de hidrogênio líquido aos seguintes aspectos são de grande importância do ponto de vista do ensaio de materiais:
- A análise do comportamento estático, dinâmico e de mecânica da fratura de materiais no âmbito criogênico e a determinação dos valores característicos necessários para o design e a manutenção de registros das respectivas estruturas de materiais Visto que hidrogênio em contato com oxigênio em determinadas quantidades é explosivo e a falha do material teria consequências fatais, especialmente o comportamento de fadiga e/ou o comportamento de mecânica da fratura são de alto interesse.
- Na infraestrutura H2 o material de compósito - diferentemente do caso de metais - está muitas vezes não em contato direto com o produto hidrogênio. Por esse motivo é possível utilizar no ensaio de compósitos também o agente de refrigeração hélio, cujo manuseio é muito menos complexo, para alcançar a temperatura de ensaio de 20 K.
- No caso de materiais compósitos os coeficientes de expansão térmica para fibras e matriz em plásticos reforçados por fibra muito diferentes levam no processo de fabricação a tensões congeladas no material. Em decorrência das diferenças de temperatura muito maiores nas aplicações na tecnologia de hidrogênio surgem fortes estresses termomecânicos. Este comportamento deve ser exatamente entendido com temperaturas reais uma vez que as fortes variações de pressão e de temperatura (por ex. no reabastecimento) podem causar micro-fissuras no material compósito as quais comprometerão as características mecânicas assim como a permeabilidade.
Para o ensaio no âmbito criogênico são utilizados, dependendo da temperatura operacional e da aplicação, câmaras de temperatura regulada , criostatos de caudal e criostatos submersíveis. Com este equipamento de ensaio a temperaturas extremamente baixas podem ser alcançadas, dependendo do modelo, temperaturas de ensaio no range criogênico entre 20 K e 130 K.
Visto que os custos de hélio são bem acima dos custos de nitrogênio, é sempre necessário avaliar os custos e os benefícios para decidir o range de temperatura e o agente de refrigeração adequados. As temperaturas de ensaio em si são determinadas pela aplicação.
Normas para métodos de ensaios criogênicos
Normas para ensaios criogênicos em compósitos
- ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Ensaios de tração
- ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Testes de compressão
- ISO 14129, ASTM D3518: Cisalhamento no nível de camada, IPS
- ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminaren Scherfestigkeit, ILSS
- ISO 14125, ASTM D7264: Ensaios de flexão
- EN 1465, ASTM D3164: Determination of tensile lap-shear strength of bonded assemblies
- ASTM D7905: Interlaminar Fracture Toughness Mode II
- ISO 13003, ASTM D3479: Ensaio de fadiga de tração crescente
- ISO 13003 Anexo A: Ensaio de fadiga de flexão
Normas para ensaios criogênicos em metais
- ISO 6892-3: Ensaio de tração a temperaturas baixas
- ASTM E1450: Método de ensaio para o ensaio de tensão em aços para construção civil em hélio líquido
Ensaio criogênico no armazenamento de hidrogênio
Existem três opções de armazenamento de hidrogênio especialmente eficiente das quais resultam os requisitos para diferentes tipos de tanques e os quais são relevantes para os parâmetros de ensaio a serem selecionados.
- No estado líquido ate 4 bar no range de liquidificação de hidrogênio a 20 K
- No range de pressão de 250 …700 bar a temperatura ambiente
- No range de pressão de 500 … 1000 bar entre 33 e 73 K
Especialmente hidrogênio líquido representa uma alternativa para transportar hidrogênio em grandes volumes. Além do metal são frequentemente utilizados compósitos nas aplicações de hidrogênio líquido. Eles possuem em comparação aos metais uma vantagem significativa: o baixo peso. Este aspecto é principalmente importante em aplicações da indústria aeroespacial ou na indústria automotiva para desenvolver tanques de hidrogênio muito leves. Dessa forma são interessantes no segmento aeroespacial por ex. aplicações de hidrogênio líquido a temperaturas criogênicas – por ex. em virtude da eficiência maior da densidade de armazenamento. Já no segmento automotivo, a indústria também aposta fortemente em recipientes para armazenamento de hidrogênio gasoso a pressões elevadas.
Ensaios para determinação de valores característicos para projeto e ensaio e estruturas de materiais compósitos/metais em instalações de liquidificação e/ou tanques de hidrogênio líquido em condições criogênicas são, portanto, indispensáveis para atender aos requisitos de segurança da melhor forma possível e para entender o estresse termomecânico causado pelas variações de temperatura nas aplicações de hidrogênio líquido. Isso acontece - por ex. no reabastecimento - em decorrência de diferentes coeficientes de expansão térmica de fibras e anel guia em materiais compósitos.
Refrigeração com câmara de temperatura regulada
Para ensaios a temperaturas elevadas e a temperaturas extremamente baixas de até apróx. -170 °C são indicadas câmaras de temperatura regulada. Desta forma, a temperatura baixa depende do volume refrigerado na câmara e do volume das tirantes de ensaio as quais invadem a câmara de temperatura regulada. No modelo com câmara de temperatura regulada as tirantes são introduzidas na câmara de temperatura regulada por cima e por baixo.
Refrigeração com criostato submersível de nitrogênio
No caso de criostatos submersíveis de nitrogênio a amostra de material é submerso em um banho de nitrogênio. O range de temperatura de ensaio de criostatos submersíveis é reduzido à temperatura do nitrogênio líquido. As amostras são introduzidas por cima no criostato submersível junto com a garra através de um jugo de carga fechado. Após a finalização do ensaio criogênico, o nitrogênio é normalmente esvaziado e evapora na atmosfera.
Refrigeração com nitrogênio e hélio em um criostato de caudal
Criostatos de nitrogênio e hélio de caudal são utilizados, dependendo do agente de refrigeração, a temperaturas desde a temperatura ambiente até temperaturas extremamente baixas de apróx. 20 K. É decisivo reduzir os volumes e os corpos os quais invadem o criostato ao necessário. A fórmula é: Quanto menor o volume (de metal) que sobressai do criostato de caudal, tanto menor as temperaturas as quais podem ser alcançadas.
Por motivos de custos os criostatos de caudal são pré-arrefecidos com nitrogênio. Quando a temperatura mais baixa possível do nitrogênio foi alcançada, hélio de um recipiente Dewar é utilizado para a pós-refrigeração até que a temperatura final de apróx. 10 K até 20 K (-253 °C) é alcançada. O agente de ambiente ao redor da amostra é sempre o hélio. Por motivo dos custos é possível coletar o gás e comprimi-lo ou novamente liquidificá-lo.
Como variante especial os criostatos de caudal da ZwickRoell também podem ser operados com hidrogênio. Nesse caso, hidrogênio é o agente de ambiente ao redor da amostra. Pressupostas as devidas medidas de segurança no manuseio de hidrogênio a operação do criostato de caudal da ZwickRoell requer apenas poucas adaptações técnicas.
O portfólio de produtos da ZwickRoell não inclui criostatos submersíveis exclusivos para a operação com hélio líquido.
Pêndulo de impacto criogênico com refrigeração por hélio
Quando hidrogênio entra em contato com oxigênio, ele pode ser explosivo em determinadas quantidades. A falha de material de componentes condutores de hidrogênio teria consequências fatais. Por esse motivo, as características de resistência de um material - ao lado das características mecânicas e o comportamento de fadiga e o comportamento de mecânica da fratura – são de alto interesse para a pesquisa de materiais.
O pêndulo de impacto criogênico é utilizado para a determinação das características de resistência em condições criogênicas. Com o auxílio de um dispositivo de refrigeração especial uma amostra Charpy é refrigerada até que ela alcança a temperatura de 20 K. Na sequência é realizado um ensaio de impacto Charpy clássico conforme DIN EN ISO 148-1 na amostra metálica de temperatura extremamente baixa.
Um pêndulo de impacto instrumentado faz a medição da força durante o impacto, fornece dados quanto à tensão e deformação e informa os valores característicos de resistência quanto à mecânica da fratura. Portanto, a instrumentação permite determinar o tipo de falha e não apenas a energia de falha.
Utilização em máquinas para ensaios estáticas e dinâmicos
A ZwickRoell oferece os três dispositivos de ensaios criogênicos mencionados para máquinas para ensaios estáticos e para máquinas para ensaios dinâmicos. Para tal se aplica o princípio: Quanto menor a temperatura, tanto mais complexas as exigências mecânicas .
Para conter os custos por ex. do agente de refrigeração dentro de limites razoáveis e para obter o gradiente de temperatura mais baixo possível via passagens metálicas , é recomendado providenciar que as massas a serem arrefecidas – por ex. garras e passagens – tenham o menor volume de material possível. Ademais, a força de ensaio máxima deve ser a mais baixa possível. Diferentemente do ensaio a temperatura ambiente, dimensões de grande porte não somente envolvem altos custos, mas também afetam a temperatura mais baixa alcançável, a possibilidade de regulagem da temperatura e, em fim, os resultados confiáveis e reprodutíveis.
A regra: “Tanto quanto necessário“ é nesse caso a regra a ser observada, a qual deve ser especialmente considerada já na fase de projeto da instalação. As instalações de ensaio de temperatura baixa no portfólio de produtos da ZwickRoell possuem carga máxima de 100 kN.
Na execução de uma instalação de ensaio de temperatura baixa devem ser especialmente considerados os seguintes itens:
- Seleção correta do material para as garras
- Menor volume possível no range de temperatura baixa para assegurar a menor quantidade possível de agente refrigerante necessário.
- Minimizar as perdas de temperatura em decorrência das tirantes introduzidas no recipiente de refrigeração.
- Impedir a formação de gelo com o auxílio de luvas de aquecimento especiais.
- Proteger a máquina para ensaios de materiais contra condensação.
- Garantir a centralização e a possibilidade de centralização do cabo de carga.
- Garantir a capacidade de calibração do sistema.
- Seleção correta dos Extensômetros.
- Compensar forças em derivação por meio de vedações.
- Compensar a expansão térmica.
FAQ
A tecnologia criogênica é a tecnologia para gerar temperaturas extremamente baixas. Temperaturas inferiores a 120 K (-153 °C) pertencem ao range criogênico.
O ensaio de materiais no ambiente criogênico fornece valores característicos dos materiais a temperaturas extremamente baixas. Esta tecnologia é utilizada em diferentes segmentos da indústria com o objetivo de analisar o comportamento de materiais em temperaturas reais de uso. A tecnologia criogênica é utilizada no ensaio de materiais principalmente nos segmentos de materiais compósitos, metais, indústria aeroespacial, indústria automotiva e armazenamento de energia (hidrogênio).
Temperaturas criogênicas são temperaturas de 120 K (-153 °C) e inferiores. Estas temperaturas extremamente baixas são na maioria das vezes indicadas em Kelvin.
A refrigeração criogênica é utilizada para gerar temperaturas extremamente baixas. Na maioria das vezes são utilizados para tal gases liquefeitos como nitrogênio ou hélio.