Influência de hidrogênio sobre metais: Fragilização pelo hidrogênio
O ensaio de materiais enfrenta novos desafios com o desenvolvimento contínuo das tecnologias de hidrogênio: Em decorrência da influência de hidrogênio (fragilização pelo hidrogênio) sobre materiais metálicos no transporte e no armazenamento amplas análises do material são necessárias. Para viabilizar o transporte de hidrogênio em estado gasoso são principalmente utilizados tanques e gasodutos. Papel central no ensaio de materiais possui aqui a norma ASME B31.12 como norma principal para ensaios em tubulações e gasodutos condutores de hidrogênio.
- O hidrogênio em estado gasoso é comprimido antes do transporte ou do armazenamento em tanques e/ou cilindros de hidrogênio (200 - 700 bar). Para possibilitar segurança otimizada para a referida pressão a estabilidade mecânica do material contra a fragilização pelo hidrogênio deve ser garantida. Para atender aos requisitos de segurança na medida do possível é necessário caracterizar o material utilizado.
- Gasodutos são adequados para o transporte de hidrogênio em grandes volumes sobre grandes distâncias. Uma solução eficiente para o transporte de hidrogênio é – com adaptações – o gasoduto de gás natural já existente. Aqui a caracterização do material tem papel decisivo no atendimento às normas de segurança para utilizar a infraestrutura existente de forma otimizada tanto para gás natural quanto para hidrogênio. Ademais, é possível a mistura de hidrogênio com gás natural. No desenvolvimento e na adaptação de novas infraestruturas é importante conhecer a resistência dos materiais e componentes utilizados quanto a suas características de fragilização pelo hidrogênio.
A fragilização pelo hidrogênio e o comportamento de materiais em ambiente de hidrogênio sob alta pressão são os elementos centrais quanto ao controle de qualidade e ao desenvolvimento de novos materiais.
Métodos normalizados Soluções de ensaio - Ambiente de hidrogênio comprimido Normas de segurança Projetos interessantes de clientes
O que se entende por fragilização pelo hidrogênio?
Fala-se de fragilização pelo hidrogênio quando hidrogênio penetra em metal. Consequentemente o metal perde sua ductilidade (elasticidade, maleabilidade) e se torna frágil no decorrer do tempo. Isso causa a falha precoce abaixo do limite de escoamento do metal ou da tensão projetada dos respectivos componentes. Ou seja: o material “se cansa“ paulatinamente.
Dependendo da origem do hidrogênio distinguem-se dois tipos de fragilização pelo hidrogênio (HE):
- A fragilização interna pelo hidrogênio (IHE). Aqui o hidrogênio penetra no material durante o processo de fabricação.
- A fragilização pelo hidrogênio do ambiente (HEE). Aqui se trata de um processo no qual hidrogênio é absorvido a partir do ambiente e favorece a fragilização do material.
Métodos de ensaio para avaliação do comportamento de metais sob influência de hidrogênio (fragilização pelo hidrogênio)
Para a avaliação do comportamento de metais sob influência de hidrogênio muitos métodos de ensaio normalizados são aplicados. Para tal estão disponíveis soluções de ensaio da ZwickRoell:
- A norma ASTM F519 descreve um método de ensaio mecânico sob estresse contínuo para avaliação do comportamento de materiais metálicos de alta resistência sob influência do hidrogênio (fragilização pelo hidrogênio, método de revestimento)
- A norma ASTM F1624 descreve um método de ensaio acelerado para avaliação da suscetibilidade de materiais metálicos de alta resistência quanto à falha retardada causada pela influência do hidrogênio.
- A ASTM E1681 descreve um método que determina a resistência à propagação de um trinco iniciado em metal em determinadas condições ambientais e condições de carga. Esse método de ensaio também é indicado pela norma ASME B31.12 no âmbito do ensaio em tubos e ensaio em tubulação em um ambiente de hidrogênio.
Os seguintes ensaios normalizados são executados, entre outros, em um ambiente de hidrogênio:
- Ensaios de tração: ASTM E8 - Ensaio de tração em metais (também ISO 6892-1)
- Ensaios de fluência: ASTM E319 Diretrizes para a execução de ensaios de bancada, ensaios de fluência e resistência e ensaios de exposição à carga e fratura, ISO 204 ensaio de fluência de eixo único sob carga de tração, ASTM E1457 método de ensaio normalizado para medição da propagação de trinco por fadiga creep
- SSRT (Slow-Strain-Rate-Testing): ASTM G129, ASTM G142
- Creep Fatigue / Creep Fatigue Crack Growth: ASTM E2714, ASTM E2760
- Mecânica da fratura ASTM E399 K1C - Fator de intensidade de tensão crítica, ASTM E1820, BS8571, ASTM E647 crescimento de trinco
- Low Cycle Fatigue / LCF: ASTM E606
- High Cycle Fatigue/ HCF (ensaio de fadiga): DIN 50100, ASTM E466-15, ISO 1099
- Ensaios de dureza conforme ISO 9015 Ensaio de dureza em conexões de soldadura por arco, ISO 22826 Ensaio de dureza de conexões estreitas de soldadura a laser e feixe de elétrons conforme Vickers e Knoop, ISO 2639 Determinação e inspeção da profundidade de dureza da parede do tanque de gás
Sistemas de ensaio e opções de simulação de ambiente de hidrogênio comprimido
A ZwickRoell oferece soluções para determinar com precisão a suscetibilidade de tubulações e tanques a trincos induzidos pelo hidrogênio. As descobertas e os resultados dos testes e ensaios são subsequentemente incluídos no projeto de construção baseado na mecânica da fratura para a infraestrutura do transporte de hidrogênio e do armazenamento do hidrogênio. Dessa forma é garantida a segurança máxima dos materiais estruturais.
Paro os ensaios são utilizadas máquinas para ensaios de fluência, máquinas para ensaios estáticos e sistemas servo-hidráulicos para ensaios de até 100 kN. O leque de ensaios abrange ensaios de tração, ensaios de fadiga e análises da mecânica da fratura, os quais são executados com pressões de até 1.000 bar em ambiente de hidrogênio com o auxílio de autoclave de hidrogênio (até 400 bar; modelos especiais de até 1.000 bar) ou adaptador de amostra oca (tecnologia de amostra oca; até 200 bar) e a temperaturas de -85 °C até +150 °C.
Comparação da tecnologia de autoclave e do método de amostra oca
| Autoclave | Amostra oca | |
|---|---|---|
| Vantagens |
|
|
| Desvantagens |
|
|
Visualização das normas de segurança
- GB/T 26466: Recipientes estacionários revestidos com fita de aço plano para o armazenamento de hidrogênio de alta pressão
- GB/T 35544: Cilindros reforçados por fibra de carbono totalmente revestidos com forro de alumínio para o armazenamento a bordo de hidrogênio comprimido como combustível para veículos terrestres
- GB/T 34542: Sistemas de armazenamento e de transporte para hidrogênio em estado gasoso - Parte 1: Requisitos Gerais
- EN 17533: Hidrogênio gasoso - botijões e tubulações para o armazenamento estacionário
- EN 17339: Botijões de gás transportáveis - botijões e tubulações para hidrogênio totalmente revestidos feitos em material compósito de carbono
- ISO 19881: Hidrogênio gasoso - recipiente de combustível para veículos terrestres
- CGA G-5.4-2019 - norma para sistemas de tubulação para hidrogênio em localidades de consumidores
- CGA G-5.6-2005 - sistemas de tubulação para hidrogênio
- CGA G-5.8-2007 - norma para sistemas de tubulação para hidrogênio em localidades de consumidores
- ASME B31.12- 2019 tubulações e linhas de hidrogênio
- ASME STP-PT006-2017 Diretrizes de construção para tubulações e linhas de hidrogênio
