¿Cómo afectan la permeación y la fragilización por hidrógeno a los transductores de presión?

Este artículo se publicó originalmente el 31 de mayo de 2023 y se actualizó el 11 de junio de 2025.

A medida que las industrias adoptan el hidrógeno como fuente de energía limpia, la demanda de una tecnología robusta de detección de presión nunca ha sido mayor. Pero el hidrógeno plantea retos únicos. Por ejemplo, muchas aplicaciones de hidrógeno tienen procesos que pueden provocar la difusión de iones de hidrógeno. Esto puede dar lugar a la permeación y fragilización del hidrógeno, lo que puede provocar un fallo prematuro de sus instrumentos de medición. prematuro de sus instrumentos de medición..

Ashcroft es una autoridad líder en instrumentación de presión y temperatura, con décadas de experiencia en el diseño de soluciones que satisfacen las demandas únicas de los ambientes de hidrógeno. Escribimos este artículo en respuesta a una pregunta que llegó a nuestro servicio de ayuda.

Siga leyendo para aprender acerca de la permeabilidad al hidrógeno y la fragilización por hidrógeno, por qué son importantes en las aplicaciones de hidrógeno y cómo varios transductores de presión Ashcroft® están diseñados exclusivamente para mitigar cada uno de estos problemas. También encontrará recursos adicionales que pueden responder a otras preguntas que pueda tener acerca de las aplicaciones de hidrógeno y la selección de la instrumentación adecuada para su sistema. 

¿Qué es la permeación del hidrógeno?

La permeación del hidrógeno se produce cuando la presión y la temperatura elevadas hacen que las moléculas de H₂ se separen en iones de hidrógeno. Estos iones son lo suficientemente pequeños como para penetrar en la fina estructura reticular de los diafragmas metálicos, como los que se encuentran en muchos transductores de presión y sellos de diafragma. 

En los instrumentos que dependen de los diafragmas metálicos para transmitir la presión del sistema, ya sea directamente a un extensómetro o a través de un sensor aislado del fluido que se conecta a un extensómetro, el diafragma se convierte en el eslabón débil del sistema. Una vez dentro del diafragma, los iones se reforman como moléculas de H₂ en elfluido de aislamiento y forman burbujas de hidrógeno, lo que altera el rendimiento del sensor de presión y provoca errores de desplazamiento de cero y span(o fallos del instrumento) con el tiempo.

Figura 1. Ilustración de la permeación del hidrógeno

El hidrógeno se utiliza en muchas aplicaciones y procesos industriales, entre ellos:

• Refino de petróleo - hidrocraqueo
• Pilas de combustible
• Estaciones de servicio de hidrógeno
• Fabricación de vidrio
• Fabricación de semiconductores
• Aplicaciones aeroespaciales
• Producción de fertilizantes y amoníaco
• Soldadura, recocido y tratamiento térmico de metales
• Productos farmacéuticos
• Refrigeración del generador de la central eléctrica
• Hidrogenación de los ácidos grasos insaturados del aceite vegetal

Cómo evitar la permeación del hidrógeno

A la hora de seleccionar los instrumentos adecuados para sus aplicaciones de hidrógeno, los factores más importantes son el material y el diseño. He aquí algunas estrategias a tener en cuenta:

1. Instrumentos totalmente soldados con materiales húmedos 316L o A286

Los transductores de construcción totalmente soldada y los materiales con una estructura reticular firme, como el acero inoxidable 316L y el A286, mejoran la resistencia a los daños inducidos por el hidrógeno.

2. Diafragmas chapados en oro

El uso de diafragmas de acero inoxidable 316L chapados en oro, que se ofrece en las juntas de diafragma, proporciona un entramado ultradenso que actúa como barrera contra los iones de hidrógeno y aumenta drásticamente la resistencia del diafragma a la permeación.

3. Rango de presión de aplicación

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 aplicada al diafragma. Esta fuerza estira la estructura reticular del material, permitiendo que más iones de hidrógeno permeen el material.

Teniendo esto en cuenta, debe utilizar un material que no sólo tenga una estructura reticular firme, sino que también sea adecuado para soportar el rango de presión de la aplicación.

¿Qué es la fragilización por hidrógeno?

La fragilización por hidrógeno se produce cuando los átomos de hidrógeno se infiltran en los componentes metálicos, reduciendo su ductilidad y haciéndolos propensos a fracturas repentinas y quebradizas. Este fenómeno, también conocido como agrietamiento inducido por hidrógeno o ataque por hidrógeno, puede producirse tanto en entornos de hidrógeno gaseoso como acuoso.

Al igual que la permeación de hidrógeno, la fragilización se debe a la capacidad del hidrógeno para penetrar en las estructuras metálicas, pero en este caso, el resultado no es la desviación de las mediciones, sino el fallo del material.

Así es como ocurre:

Una vez más, a medida que las moléculas de hidrógeno (H₂) se difunden, crean iones de hidrógeno, que se encuentran entre los iones más pequeños del mundo y pueden penetrar en defectos o imperfecciones microscópicas de la superficie de metales como aceros de alta resistencia, aleaciones de titanio, aleaciones de aluminio y cobre electrolítico. Una vez dentro del metal, estos átomos pueden recombinarse en moléculas de H₂. A medida que las moléculas se acumulan, ejercen presión dentro de la estructura del material.

Con el tiempo, esta tensión interna puede provocar grietas, incluso cuando el material está expuesto a niveles de tensión inferiores a su límite elástico. El resultado es un fallo repentino y a menudo catastrófico del metal.

Figura 2. Ilustración de la fragilización por hidrógeno

Tipos de fragilización por hidrógeno

Además de la definición general de fragilización por hidrógeno comentada anteriormente, los equipos de la NASA que trabajan con hidrógeno crearon el Índice HEE. Esta herramienta de selección de materiales evalúa la gravedad de los efectos de la fragilización por hidrógeno en determinados materiales. También definieron algunos tipos más, entre los que se incluyen: 

• Fragilización por hidrógeno ambiental (HEE): Debilitamiento de determinadas propiedades mecánicas que se produce cuando un material se somete a una tensión aplicada y se expone intencionadamente a un entorno gaseoso de hidrógeno.
• Fragilización interna por hidrógeno (IHE): Deterioro de propiedades mecánicas específicas que resulta de la introducción inadvertida de hidrógeno en metales vulnerables durante procesos de conformado o acabado.
• Fragilización por reacción del hidrógeno (HRE): degradación de determinadas propiedades mecánicas que tiene lugar cuando el hidrógeno reacciona con la matriz metálica para formar compuestos metálicos como el hidruro metálico a temperaturas relativamente bajas. Esta forma de daño por hidrógeno puede producirse en materiales como el titanio, el circonio e incluso algunos tipos de aleaciones basadas en hierro o acero. 

Cómo prevenir la fragilización por hidrógeno

Al igual que ocurre con la permeabilidad al hidrógeno, a la hora de seleccionar instrumentos para combatir la fragilización por hidrógeno, la selección de materiales y el diseño de los instrumentos son fundamentales. Sin embargo, los factores de riesgo son diferentes.

Por ejemplo, aunque algunas estrategias de prevención, como la elección de acero inoxidable 316L o el uso de chapado en oro, ayudan con la permeabilidad y también pueden reducir el riesgo de fragilización cuando el material es delgado o está sometido a una tensión mínima. En el caso de la fragilización, donde el riesgo principal es el agrietamiento o fallo estructural, la atención debe centrarse en la tensión mecánica elevada, la resistencia del material y la exposición prolongada a la presión del hidrógeno.

En generali desea garantizar la seguridad de las aplicaciones de hidrógeno, utilice transductores de presión con al menos acero inoxidable 316L. Y para rangos de presión de 5,000 psi o mayores, Ashcroft recomienda usar diafragma A286, que mantiene una estructura reticular estanca a presiones de hasta 20.000 psi y evitar los sensores rellenos de aceite, que pueden crear burbujas y deriva del sensor.

El Transductor de Presión a Prueba de Explosión Ashcroft® E2F y el el E2S cuentan con diafragmas A286 y enchufes de acero inoxidable 316L que están aprobados para aplicaciones de hidrógeno.

¿Quiere saber más?

Con más información sobre los peligros de la permeación y la fragilización por hidrógeno, es posible que tenga más preguntas sobre la elección de la mejor instrumentación para su sistema de hidrógeno. He aquí algunos artículos relacionados que pueden resultarle interesantes: 

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