¿Cómo se elige un manómetro para aplicaciones con hidrógeno?

La elección de un manómetro para aplicaciones con hidrógeno requiere prestar especial atención a la seguridad, el rango de presión, los materiales en contacto con el fluido y la construcción del manómetro. El hidrógeno tiene un amplio rango de inflamabilidad, requiere relativamente poca energía para inflamarse y puede interactuar con determinados metales, por lo que el instrumento de medición de presión debe ser adecuado para las condiciones específicas de funcionamiento.

Estas consideraciones son importantes porque una elección incorrecta del calibre o del material puede provocar daños en los equipos, mediciones inexactas o condiciones de funcionamiento inseguras. Factores como la permeabilidad al hidrógeno, la fragilización por hidrógeno y la sobrepresión deben tenerse en cuenta en el proceso de selección.

Ashcroft cuenta con décadas de experiencia en el diseño de instrumentos de medición de presión para aplicaciones industriales exigentes, incluidos los manómetros utilizados en sistemas de hidrógeno. Comprender cómo se comporta el hidrógeno y cómo puede afectar a los instrumentos de presión puede ayudarte a elegir el manómetro más adecuado.

Lea este artículo para aprender:

• Qué retos plantean los manómetros en las aplicaciones con hidrógeno
• Por qué la inflamabilidad del hidrógeno y la sobrepresión requieren una atención especial
• Cómo la permeación y la fragilización por hidrógeno pueden afectar a los instrumentos de presión
• ¿Qué materiales y características de fabricación de las tuberías son importantes para el servicio de hidrógeno?
• ¿Qué otros factores hay que tener en cuenta a la hora de elegir un manómetro para hidrógeno?

¿A qué retos se enfrentan los manómetros en las aplicaciones con hidrógeno?

Los manómetros utilizados en aplicaciones con hidrógeno deben ser capaces de soportar las condiciones derivadas de la inflamabilidad del hidrógeno, la posible sobrepresión, la permeabilidad y la interacción con determinados metales. Comprender estos retos puede ayudarte a seleccionar un manómetro que garantice un funcionamiento seguro y el rendimiento de medición esperado.

Riesgos relacionados con las llamas de hidrógeno

El hidrógeno es altamente inflamable y tiene un rango de inflamabilidad en el aire más amplio que el de muchos combustibles comunes. El hidrógeno puede arder en el aire en concentraciones de entre el 4 % y el 75 % en volumen, aproximadamente.

Figura 1. Rango de inflamabilidad del hidrógeno

En condiciones óptimas de combustión —con una relación volumétrica entre hidrógeno y aire de aproximadamente el 29 %—, la energía necesaria para iniciar la combustión del hidrógeno es mucho menor que la requerida por muchos otros combustibles comunes. Una pequeña chispa puede proporcionar la energía suficiente para la ignición en condiciones favorables. Sin embargo, cuando las concentraciones de hidrógeno se sitúan cerca del límite inferior de inflamabilidad, se requiere más energía de ignición.

Figura 2. Energía mínima de ignición del hidrógeno

Estas características hacen que el control de posibles fugas y fuentes de ignición sea un aspecto importante a tener en cuenta a la hora de diseñar y poner en funcionamiento sistemas de hidrógeno.

¿Cómo puede el hidrógeno generar riesgos de explosión y sobrepresión?

El hidrógeno puede generar una sobrepresión peligrosa cuando se libera gas a presión o cuando se inflama una mezcla inflamable de hidrógeno y aire. La presión resultante puede suponer un peligro directo y también puede causar daños en estructuras o equipos cercanos.

Hay dos condiciones principales de sobrepresión que hay que tener en cuenta.

1. Sobrepresión provocada por descargas no detonadas

El hidrógeno líquido se expande considerablemente al calentarse y transformarse en gas. Este gran cambio de volumen puede provocar un rápido aumento de la presión si el hidrógeno se encuentra confinado en un recipiente, una tubería o un espacio cerrado.

Calentar un recipiente que contenga hidrógeno gaseoso a presión también puede aumentar su presión. Si la presión supera el valor nominal de diseño del recipiente o de otros componentes del sistema, puede producirse un fallo mecánico.

Los dispositivos de alivio de presión (PRD), como los discos de ruptura o las válvulas de alivio, suelen incorporarse a los sistemas de hidrógeno para ayudar a protegerlos contra la sobrepresión. Estos dispositivos deben descargar hacia un lugar seguro y adecuado, según lo determine el diseño del sistema y los requisitos aplicables.

2. Sobrepresión provocada por descargas inflamables

El hidrógeno también puede generar sobrepresión cuando una nube de gas de hidrógeno liberada se mezcla con el aire y se inflama. La combustión rápida puede generar una presión que afecte a los equipos, las estructuras y el personal.

Debido a este riesgo, las instalaciones de hidrógeno requieren una gestión cuidadosa de las posibles fuentes de ignición en aquellas zonas en las que una fuga podría generar una mezcla inflamable. Las normas y reglamentos aplicables establecen requisitos tales como las distancias de separación en función de la instalación concreta.

El diseño del manómetro también puede ofrecer una capa adicional de protección en caso de fallo del elemento de presión. Los manómetros Ashcroft® 8008S y Ashcroft® 8009S, por ejemplo, cuentan con un diseño de frente macizo. Una pared deflectora y un sistema de descarga trasera ayudan a desviar la presión lejos del operario en caso de rotura del tubo de Bourdon.

Figura 3. Medidor Ashcroft® 8008S con frente macizo

¿Qué es la permeabilidad al hidrógeno y cómo puede afectar a un manómetro?

La permeabilidad al hidrógeno es el movimiento del hidrógeno a través de un material, y puede afectar a los componentes en contacto con el hidrógeno en el interior de un manómetro. Por lo tanto, la selección del material es un factor importante a tener en cuenta a la hora de especificar un instrumento destinado a un uso con hidrógeno.

He aquí por qué es importante: 

• Los átomos de hidrógeno son extremadamente pequeños y pueden desplazarse a través de la estructura de determinados materiales.

• La presión y la temperatura, así como las propiedades y el espesor del material, pueden influir en la permeación.

• El casquillo y el tubo de Bourdon del manómetro están expuestos de forma continua a los medios del proceso.
• A medida que aumenta la presión de la aplicación, también aumenta la tensión a la que se ven sometidos los componentes que contienen la presión, por lo que resulta especialmente importante seleccionar adecuadamente los materiales y la presión nominal.

Por este motivo, materiales como el acero inoxidable 316 y 316L suelen considerarse adecuados para aplicaciones de medición de presión de hidrógeno. No obstante, siempre debe evaluarse la compatibilidad de los materiales en función de la presión, la temperatura y las condiciones específicas del hidrógeno de cada aplicación.

Figura 4. Ejemplo de permeación de hidrógeno

¿Qué es la fragilización por hidrógeno?

La fragilización por hidrógeno es una disminución de la ductilidad y la resistencia a la fractura de los metales susceptibles, provocada por la exposición al hidrógeno. En determinadas combinaciones de material, tensión, temperatura, presión y exposición al hidrógeno, este efecto puede aumentar el riesgo de agrietamiento y de rotura frágil.

El hidrógeno puede penetrar en los metales susceptibles e interactuar con su microestructura, lo que reduce su capacidad para deformarse sin agrietarse. La susceptibilidad y el mecanismo varían considerablemente según los materiales y las condiciones de funcionamiento.

Esto hace que la selección de materiales sea un aspecto importante del diseño de instrumentos de presión destinados al uso con hidrógeno.

Figura 5. Ejemplo de fragilización por hidrógeno

En el caso de los manómetros, hay que tener en cuenta varios factores de forma conjunta:

• Materiales en contacto con el hidrógeno: Los materiales expuestos directamente al hidrógeno deben ser compatibles con las condiciones de funcionamiento de la aplicación.
• Rango de presión: El manómetro y sus componentes sometidos a presión deben estar homologados adecuadamente para la presión del sistema.
• Temperatura de funcionamiento: La temperatura puede influir en las interacciones entre el hidrógeno y los materiales, por lo que debe tenerse en cuenta junto con la presión.
• Construcción del manómetro: Características como la construcción con parte frontal maciza pueden ofrecer una protección adicional en caso de fallo del elemento de presión.

Los manómetros Ashcroft® 8008S y 8009S están disponibles con componentes en contacto con el fluido de acero inoxidable 316/316L y rangos de presión de hasta 20 000 psi, lo que ofrece opciones para determinadas aplicaciones de hidrógeno a alta presión.

¿Qué otros factores hay que tener en cuenta a la hora de elegir un manómetro para hidrógeno?

Además de la compatibilidad de los materiales y la presión nominal, la construcción del manómetro y los métodos de fabricación pueden influir en su idoneidad para aplicaciones con hidrógeno. Se debe evaluar el sistema de contención de presión en su conjunto, en lugar de seleccionar un instrumento basándose únicamente en una sola característica.

Ten en cuenta cómo se unen los componentes que contienen presión

Los métodos de soldadura pueden afectar a las propiedades de los componentes sometidos a presión. La soldadura por láser proporciona un aporte de calor preciso y localizado, y no requiere el electrodo que se utiliza en algunos procesos de soldadura convencionales.

El control del proceso de soldadura reviste especial importancia en la fabricación de componentes destinados a aplicaciones con hidrógeno, ya que la contaminación, los defectos y las alteraciones del material pueden influir en su rendimiento.

Selecciona el calibre y el tipo de construcción adecuados

El calibre y el diseño de seguridad también deben adaptarse a la aplicación.

Para aplicaciones que requieran un dial más grande, el manómetro Ashcroft® 1279 es un manómetro de proceso de estilo ASME de 4,5 pulgadas, disponible con piezas en contacto con el fluido fabricadas en acero inoxidable 316. Además, cuenta con una estructura de frente macizo y está disponible para rangos de presión de hasta 20.000 psi.

La elección del manómetro adecuado depende, en última instancia, de la presión de funcionamiento de la aplicación, la temperatura, los materiales, los requisitos de instalación y otras condiciones del proceso.

¿Quiere saber más?

La selección de un manómetro para hidrógeno requiere algo más que adaptar un instrumento a la presión del sistema. La inflamabilidad del hidrógeno, el riesgo de sobrepresión, su capacidad para penetrar en los materiales y su interacción con metales sensibles hacen que la compatibilidad de los materiales y el diseño del manómetro sean aspectos fundamentales del proceso de selección.

Si tiene alguna duda sobre cómo elegir un manómetro para su aplicación con hidrógeno, póngase en contacto con Ashcroft para hablar con un experto en productos que le ayudará a evaluar los requisitos de su aplicación.

Mientras tanto, no dudes en descargar nuestro Guía de aplicaciones del hidrógeno para obtener más información sobre los aspectos que hay que tener en cuenta en la medición de la presión y la instrumentación para aplicaciones relacionadas con el hidrógeno.