Elección de un manómetro para aplicaciones de hidrógeno

Este artículo se publicó originalmente el 13 de marzo de 2023 y se actualizó el 20 de noviembre de 2024.

El hidrógeno se ha convertido rápidamente en una de las principales fuentes de energía alternativa, pero presenta retos únicos que requieren una cuidadosa consideración. Por ejemplo, el hidrógeno es inflamable, lo que puede provocar explosiones. También puede causar fragilización por hidrógeno y permeación por hidrógeno, que pueden dañar los instrumentos diseñados para garantizar la seguridad y la eficacia del sistema de hidrógeno.

Como líder de producto de Manómetros Industriales en Ashcroft con 15 años de experiencia en la industria, escribí este artículo para ayudarle a entender mejor los peligros asociados con el hidrógeno y proporcionar mis recomendaciones para seleccionar el mejor manómetro para estas aplicaciones. Cuando termine de leer, también encontrará recursos adicionales que pueden ayudar a profundizar su conocimiento sobre este tema tan oportuno. 

Cuatro retos que los manómetros pueden encontrar en las aplicaciones de hidrógeno.

Seleccionar un manómetro que pueda soportar las duras exigencias de los sistemas de hidrógeno es crucial para mantener la seguridad de las operaciones y alcanzar los niveles de rendimiento esperados para estas aplicaciones. Por otra parte, la elección de un manómetro inadecuado puede provocar daños en el equipo, mediciones imprecisas y lesiones a los trabajadores. A continuación se indican algunas de las condiciones peligrosas que deberá soportar su instrumento de presión:

1. Riesgos de las llamas de hidrógeno.

El hidrógeno es inflamable en concentraciones de entre el 4% y el 75% en el aire, lo que supone un rango muy amplio en comparación con otros combustibles comunes, como se muestra en la Figura 1. 

Figura 1. Intervalo de inflamabilidad del hidrógeno. 

En condiciones óptimas de combustión (una relación de volumen hidrógeno-aire del 29%), la energía necesaria para iniciar la combustión del hidrógeno es mucho menor que la requerida para otros combustibles comunes (por ejemplo, una pequeña chispa lo encenderá), como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, a concentraciones bajas de hidrógeno en aire, la energía necesaria para iniciar la combustión es similar a la de otros combustibles. Sin embargo, a bajas concentraciones de hidrógeno en aire, la energía necesaria para iniciar la combustión es similar a la de otros combustibles.

Figura 2. Energía mínima de ignición del hidrógeno.

2. Riesgos de explosión y sobrepresión del hidrógeno.

Cuando el hidrógeno está presente en concentraciones y cantidades suficientes, puede provocar una sobrepresión. Esto es el resultado de la liberación no encendida de gas presurizado o de la ignición de una nube de gas inflamable liberado. En ambos casos, la sobrepresión resultante puede ser peligrosa, planteando amenazas directas por la propia presión y amenazas indirectas por daños estructurales o desechos transportados por el aire.

• Sobrepresión por desprendimientos no encendidos

Como ocurre con cualquier fluido criogénico, si el hidrógeno líquido se calienta y se vaporiza en estado gaseoso, ocupa mucho más espacio. De su fase líquida a su fase gaseosa, el hidrógeno se expande unas 850 veces su tamaño. Por lo tanto, un recipiente de confinamiento, una tubería o un espacio sellado podrían sobrepresurizarse fácilmente durante un cambio de fase de líquido a gas.

Si se calienta un recipiente de gas presurizado, el gas se expandirá aún más. Si la presión supera el valor nominal de diseño del recipiente, se producirá un fallo mecánico.

Los dispositivos de alivio de presión (PRD), como los discos de ruptura o las válvulas de alivio, deben instalarse y purgarse a un lugar seguro para evitar la sobrepresión.

• Sobrepresión por desprendimientos encendidos

Más allá de la sobrepresión asociada al gas almacenado, los gases inflamables como el hidrógeno pueden arder. Si se enciende una nube de gas hidrógeno, la rápida combustión (es decir, la explosión) puede crear sobrepresión.

Al igual que en el caso de los vapores de gasolina en una estación de servicio, deben tomarse ciertas precauciones para limitar el número de fuentes de ignición (como cigarrillos encendidos o equipos eléctricos no clasificados) en las zonas en las que una fuga de hidrógeno podría formar una nube peligrosa con concentración suficiente para crear una sobrepresión por ignición. Estas zonas suelen denominarse "zonas de exclusión" o "distancias de separación".

Instrumentos de frente sólido como el manómetro Ashcroft® 8008S y 8009S Manómetro proporcionan una capa extra de seguridad en un pequeño manómetro de 63 mm. La característica de pared deflectora con un tapón de soplado trasero desvía la presión lejos del operador si el tubo Bourdon se rompe.

Figura 3. Medidor de frente sólido Ashcroft® 8008S.

3. Permeación de hidrógeno

La permeación de hidrógeno se refiere a la penetración de iones de hidrógeno a través de la estructura reticular de un material concreto. Esto puede ser motivo de preocupación en los manómetros a la hora de seleccionar los materiales húmedos internos, ya que determinados materiales pueden ayudar a reducir este problema.

Además de la estructura reticular de un material, la permeabilidad al hidrógeno también se ve influida por la presión de una aplicación. Cuanto mayor sea la presión de la aplicación, mayor será la fuerza que se aplique al manguito y al tubo de Bourdon.

Esta fuerza estira la estructura reticular del material, permitiendo que más iones de hidrógeno penetren en el material. Por lo tanto, su manómetro debe utilizar un material como el acero inoxidable 316L o variantes del acero inoxidable 316 que no solo tengan una estructura reticular apretada, sino que también sean adecuados para manejar el rango de presión de la aplicación.

Figura 4. Ejemplo de permeación de hidrógeno.

4. Fragilización por hidrógeno

La fragilización por hidrógeno, también conocida como agrietamiento inducido por hidrógeno o ataque por hidrógeno, es un fenómeno que provoca la pérdida de ductilidad y, en consecuencia, la fragilidad de un material. Entre los materiales altamente susceptibles se encuentran los aceros de alta resistencia, las aleaciones de titanio y aluminio y el cobre electrolítico de paso resistente.

Debido a su pequeño tamaño atómico, el hidrógeno puede infiltrarse en los metales a través de diminutas imperfecciones de sus superficies. Una vez dentro, los átomos de hidrógeno se combinan para formar moléculas de hidrógeno (H2). A continuación, estas moléculas se agregan, creando una masa de hidrógeno mayor que aplica presión hacia el exterior dentro de la imperfección. Cuando la tensión aplicada es inferior al límite elástico del material vulnerable, puede provocar grietas y fallos frágiles potencialmente catastróficos.

Para evitar que tanto la permeabilidad al hidrógeno como la fragilización por hidrógeno afecten a la eficacia de su operación, asegúrese de que su manómetro utiliza materiales resistentes como el acero inoxidable 316/316L con rangos de presión de hasta 20.000 psi. Estas características están disponibles tanto en el manómetro 8008S Ashcroft® como en el manómetro 8009S.

Figura 5. Ejemplo de fragilización por hidrógeno.

Otros factores a tener en cuenta en los manómetros utilizados en aplicaciones de hidrógeno. 

La soldadura láser se utiliza para reducir la posibilidad de contaminación. Su precisión permite que haya menos posibilidades de deformar o dañar las zonas cercanas para no reducir el grosor de la pared. Con algunos metales, como el acero inoxidable, la soldadura convencional podría provocar fragilidad si el electrodo utilizado para soldar contiene restos de humedad.

El calor de la soldadura hace que el agua se descomponga y libere hidrógeno que penetra en el metal y lo vuelve quebradizo. Esto no puede ocurrir con la soldadura láser porque no hay electrodo.

Si necesita un manómetro más grande, el manómetro 1279 de Ashcroft con partes húmedas de acero inoxidable 316 es también una buena opción para aplicaciones de hidrógeno. El 1279 es un manómetro de alto rendimiento de 4.5 pulgadas estilo ASME con un diseño integral para maximizar la seguridad y la fiabilidad. También viene con un sólido frontal de seguridad y puede manejar manómetros de hasta 20.000 psi.

¿Quiere saber más?

Ahora que conoce los factores que debe tener en cuenta a la hora de elegir el manómetro adecuado para aplicaciones de hidrógeno, puede buscar la mejor solución. Tener en cuenta estos factores puede ayudarle a evitar problemas o tiempos de inactividad con mediciones fiables y precisas de forma continua.

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