Comment les transmetteurs de pression sont-ils affectés par la perméation de l’hydrogène?

L’hydrogène est aujourd’hui présent dans une multitude d’applications et de processus industriels, et ce presque partout. L’hydrogène est l’une des ressources énergétiques alternatives les plus rapidement utilisées aujourd’hui. Voici quelques-unes de ses applications :

• Raffinage du pétrole – hydrocraquage
• Piles à combustible
• Réservoirs d’hydrogène
• Fabrication de verre
• Fabrication de semi-conducteurs
• Applications aérospatiales
• Production d’engrais et d’ammoniac
• Soudage, Recuit et traitement thermique des métaux
• Applications pharmaceutiques
• Refroidissement des générateurs de centrales électriques
• Hydratation des acides gras insaturés dans l’huile végétale

Dans beaucoup de ces applications de l’hydrogène, il existe des processus qui peuvent conduire à la diffusion d’ions hydrogène. Cela peut conduire à la perméation de l’hydrogène et à la fragilisation, ce qui peut entraîner une défaillance prématurée de votre transmetteur de pression.

Les manomètres, les interrupteurs et les capteurs peuvent tous être utilisés dans les applications à l’hydrogène. Dans cet article, je me concentre sur les capteurs de pression (appelés ici transmetteurs de pression) qui convertissent la pression appliquée en un signal électrique pour mesurer la pression appliquée dans une application.

Pour vous assurer d’avoir le meilleur transmetteur de pression pour une application d’hydrogène, vous devez tenir compte de certains éléments, tels que le matériau mouillé de la membrane et la plage de pression de l’application. Plus la pression d’une application est élevée, plus la membrane est sollicitée, ce qui peut accélérer la fragilisation de l’hydrogène.

Prenons un coup d’œil à la perméation et à la fragilisation et aux effets qu’elles peuvent avoir sur vos transmetteurs de pression.

Perméation de l’hydrogène

La perméation de l’hydrogène est la pénétration d’ions hydrogène à travers la structure réticulaire d’un matériau donné. Cela peut poser des problèmes aux capteurs de pression qui dépendent d’une fine membrane métallique pour transmettre la pression soit directement à une jauge de contrainte, soit via un capteur isolé par un liquide et fixé à une jauge de contrainte.

Dans les deux cas, la membrane est le maillon faible du système. Au fil du temps, la perméation entraîne une déviation du signal ou une défaillance totale si le matériau mouillé approprié n’est pas choisi pour l’application.

Si les transducteurs contiennent des capteurs à isolation liquide, la perméation de l’hydrogène peut poser problème. Les capteurs à isolation liquide dépendent d’une fine membrane métallique pour empêcher l’hydrogène de pénétrer dans le liquide isolant.

Si une perméation d’hydrogène se produit avec ce type de capteur, les ions d’hydrogène qui traversent le matériau de la membrane peuvent se transformer en molécules d’hydrogène dans le liquide isolant. Ces molécules s’accumulent alors et forment une bulle d’hydrogène. Ces bulles entraînent un décalage du point zéro à la sortie du transducteur et peuvent, au fil du temps, provoquer une dérive de la valeur de sortie.

Une solution pour réduire la perméation de l’hydrogène est d’utiliser un matériau avec une structure en grille dense, comme l’acier inoxydable 316L ou des variantes de l’acier inoxydable 316. Une autre solution consiste à recouvrir la membrane d’une très fine couche d’or. La couche d’or a une structure de grille très dense qui augmente la résistance de la membrane à la pénétration de l’hydrogène.

En plus de la structure de grille d’un matériau, la perméation de l’hydrogène est également influencée par la pression d’une application. Plus la pression de l’application est élevée, plus la force exercée sur la membrane est importante.

Cette force étire la structure réticulaire du matériau, ce qui permet à davantage d’ions hydrogène de pénétrer dans le matériau. Il est donc préférable d’utiliser un matériau qui présente non seulement une structure réticulaire dense, mais qui est également bien adapté à la plage de pression de l’application.

Fragilisation par l’hydrogène

La fragilisation est un phénomène qui entraîne la perte de ductilité et donc la fragilité d’un matériau. Les matériaux particulièrement sensibles à ce phénomène sont les aciers à haute résistance, les alliages de titane et d’aluminium, ainsi que le cuivre brai électrolytiquement tenace.

La fragilisation par l’hydrogène est également appelée fissuration induite par l’hydrogène ou attaque par l’hydrogène. Les mécanismes peuvent être aqueux ou gazeux et impliquent la pénétration d’hydrogène dans le métal, réduisant ainsi sa ductilité et sa capacité de charge.

Mais comment se produit la fragilisation?

L’hydrogène étant un atome si petit, il peut pénétrer dans le métal par des microfissures à la surface. À l’intérieur du métal, les atomes d’hydrogène se recombinent avec d’autres pour former des molécules d’hydrogène (H2).

Ces molécules se combinent avec d’autres molécules H2, ce qui entraîne une masse d’hydrogène plus importante qui exerce une pression vers l’extérieur dans la zone fissurée. Des tensions inférieures à la contrainte d’écoulement du matériau vulnérable entraînent alors des fissures et des ruptures fragiles catastrophiques.

Lorsque les molécules d’hydrogène se désintègrent, elles forment des ions hydrogène, qui comptent parmi les plus petits ions du monde. Ils peuvent traverser la structure réticulaire de nombreux métaux et pénétrer dans le métal, où ils se reforment alors en tant que molécules d’hydrogène.

Les molécules d’hydrogène absorbées créent une pression et une tension à l’intérieur du matériau. Cela peut affecter la malléabilité et la résistance du matériau et finalement entraîner des fissures dans le matériau.

Les équipes de la NASA travaillent souvent avec de l’hydrogène et ont défini plusieurs types de fragilisation par l’hydrogène :

• Fragilisation par l’hydrogène (Hydrogen Embrittlement) – Un processus qui entraîne une diminution de la ténacité à la rupture ou de la ductilité d’un métal en raison de la présence d’hydrogène atomique.
• Fragilisation par l’hydrogène dans l’environnement (Hydrogen Environmental Embrittment, HEE) – Dégradation de certaines propriétés mécaniques qui se produit lorsqu’un matériau est délibérément exposé à un environnement d’hydrogène gazeux sous l’influence d’une tension appliquée.
• Indice HEE – Un premier outil de dépistage des matériaux permettant d’évaluer la gravité de la fragilisation par l’hydrogène de certains matériaux.
• Fragilisation interne par l’hydrogène (IHE) – La détérioration de certaines propriétés mécaniques résultant de la pénétration involontaire d’hydrogène dans des métaux vulnérables pendant le formage ou la finition.
• Fragilisation par réaction à l’hydrogène (HRE) – La détérioration de certaines propriétés mécaniques qui se produit lorsque l’hydrogène réagit avec la matrice métallique elle-même et forme des composés métalliques tels que l’hydrure métallique à des températures relativement basses. Cette forme d’endommagement par l’hydrogène peut se produire dans des matériaux tels que le titane, le zirconium et même certains types d’alliages de fer ou d’acier.

J’espère que cet article aura contribué à clarifier les dangers de la perméation et de la fragilisation par l’hydrogène. Si vous voulez garantir des applications à l’hydrogène sûres, vous devez utiliser des capteurs de pression en acier inoxydable 316L au minimum, des membranes mouillées A286 pour les plages de pression de 350 bars ou plus, et éviter les capteurs remplis d’huile, qui peuvent provoquer des bulles et une dérive du capteur.

Pour les applications à l’hydrogène, Ashcroft recommande le matériau A286 pour les plages de pression supérieures à 350 bars. L’A286 conserve sa grille étanche à une pression allant jusqu’à 1.400 bars, limitant ainsi la perméation de l’hydrogène (mais il ne contient pas de liquide isolant).

Les transmetteurs E2X et F d’Ashcroft offrent la fiabilité de l’A286 et sont antidéflagrants. Notre transmetteur à sécurité intrinsèque E2S est également approuvé pour les applications à l’hydrogène.

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