Come sono influenzati i trasmettitori di pressione dalla permeazione dell’idrogeno?

L’idrogeno si trova oggi in un’ampia gamma di applicazioni e processi industriali, praticamente ovunque. L’idrogeno è una delle risorse energetiche alternative in più rapida crescita. Alcune delle sue applicazioni sono:

• raffinazione del petrolio – hydrocracking
• celle a combustibile
• stazioni di rifornimento di idrogeno
• produzione del vetro
• produzione di semiconduttori
• applicazioni aerospaziali
• produzione di fertilizzanti e ammoniaca
• saldatura, ricottura e trattamento termico dei metalli
• Applicazioni farmaceutiche
• Raffreddamento dei generatori delle centrali elettriche
• Idrogenazione degli acidi grassi insaturi nell’olio vegetale

In molte di queste applicazioni dell’idrogeno vi sono processi che possono portare alla diffusione di ioni idrogeno. Questo può portare alla permeazione dell’idrogeno e all’infragilimento, che può causare il guasto prematuro del trasmettitore di pressione.

I manometri, i commutatori e i sensori possono essere utilizzati nelle applicazioni con l’idrogeno. In questo articolo, mi concentro sui manometri (qui chiamati trasmettitori di pressione), che convertono la pressione applicata in un segnale elettrico per misurare la pressione applicata in un’applicazione.

Per assicurarsi di avere il miglior trasmettitore di pressione per un’applicazione con idrogeno, è necessario considerare alcuni aspetti, come il materiale bagnato della membrana e il campo di pressione dell’applicazione. Più alta è la pressione di un’applicazione, maggiore è la sollecitazione del diaframma, che può accelerare l’infragilimento da idrogeno.

Diamo un’occhiata alla permeazione e all’infragilimento e agli effetti che possono avere sui vostri trasmettitori di pressione.

Permeazione dell’idrogeno

La permeazione dell’idrogeno è la penetrazione degli ioni di idrogeno attraverso la struttura reticolare di un particolare materiale. Questo può causare problemi ai trasmettitori di pressione che si affidano a un sottile diaframma metallico per trasmettere la pressione direttamente a un estensimetro o tramite un sensore isolato dai liquidi collegato a un estensimetro.

In entrambi i casi, il diaframma è l’anello debole del sistema. Con il tempo, la permeazione causerà una deviazione del segnale o un vero e proprio guasto se non si sceglie il materiale bagnato corretto per l’applicazione.

Se i trasduttori contengono sensori isolati da liquidi, la permeazione di idrogeno può essere un problema. I sensori isolati da liquidi si basano su una sottile membrana metallica per impedire all’idrogeno di entrare nel liquido di isolamento.

Se in questo tipo di sensore si verifica la permeazione dell’idrogeno, gli ioni di idrogeno che penetrano nel materiale della membrana possono convertirsi in molecole di idrogeno nel liquido di isolamento. Le molecole si raccolgono e formano bolle di idrogeno. Queste bolle causano uno spostamento del punto zero nell’uscita del trasduttore e possono portare a una deriva del valore di uscita nel tempo.

Un modo per ridurre la permeazione dell’idrogeno è quello di utilizzare un materiale con una struttura reticolare densa, come l’acciaio inox 316L o varianti dell’acciaio inox 316. Un’altra soluzione consiste nell’applicare uno strato molto sottile di oro alla membrana. Lo strato d’oro ha una struttura reticolare molto densa, che aumenta la resistenza della membrana alla penetrazione dell’idrogeno.

Oltre alla struttura reticolare di un materiale, la permeazione dell’idrogeno è influenzata anche dalla pressione di un’applicazione. Più alta è la pressione dell’applicazione, maggiore è la forza che agisce sulla membrana.

Questa forza allunga la struttura reticolare del materiale, permettendo a un maggior numero di ioni di idrogeno di penetrare nel materiale. Pertanto, utilizzare un materiale che non solo abbia una struttura reticolare densa, ma che sia anche adatto alla gamma di pressioni dell’applicazione.

Infragilimento da idrogeno

La fragilità è un fenomeno che porta alla perdita di duttilità e quindi alla fragilità di un materiale. I materiali particolarmente sensibili sono gli acciai ad alta resistenza, le leghe di titanio e alluminio e il rame a pece elettrolitica.

L’infragilimento da idrogeno è noto anche come cricca indotta da idrogeno o attacco da idrogeno. I meccanismi possono essere acquosi o gassosi e comportano la penetrazione dell’idrogeno nel metallo, riducendone la duttilità e la capacità di carico.

Ma come avviene l’infragilimento?

Poiché l’idrogeno è un atomo così piccolo, può penetrare nel metallo attraverso microfessure nella superficie. All’interno del metallo, gli atomi di idrogeno si ricombinano con altri per formare molecole di idrogeno (H2).

Queste molecole si combinano con altre molecole di H2, dando origine a una massa più grande di idrogeno che esercita una pressione verso l’esterno nella crepa. Le sollecitazioni inferiori alla tensione di snervamento del materiale suscettibile portano a cricche e fratture fragili catastrofiche.

Quando le molecole di idrogeno decadono, formano ioni di idrogeno, che sono tra gli ioni più piccoli al mondo. Possono penetrare nella struttura reticolare di molti metalli e penetrare nel metallo, dove si riformano in molecole di idrogeno.

Le molecole di idrogeno assorbite creano pressione e stress all’interno del materiale. Le molecole di idrogeno assorbite creano pressione e stress all’interno del materiale e possono influenzare la formabilità e la resistenza del materiale e, alla fine, portare alla formazione di cricche.

Gli equipaggi della NASA lavorano spesso con l’idrogeno e hanno definito diversi tipi di infragilimento da idrogeno:

• Infragilimento da idrogeno – Processo che comporta una diminuzione della tenacità alla frattura o della duttilità di un metallo a causa della presenza di idrogeno atomico.
• Infragilimento ambientale da idrogeno (HEE) – Il deterioramento di alcune proprietà meccaniche che si verifica quando un materiale viene intenzionalmente esposto a un ambiente gassoso di idrogeno sotto l’influenza di una sollecitazione applicata.
• Indice HEE – Uno strumento di screening dei materiali, primo nel suo genere, per valutare la gravità dell’infragilimento da idrogeno in materiali specifici.
• Internal Hydrogen Embrittlement (IHE) – Il deterioramento di alcune proprietà meccaniche che si verifica a causa della penetrazione involontaria di idrogeno nei metalli sensibili durante la formatura o la finitura.
• Infragilimento da reazione dell’idrogeno (HRE) – deterioramento di alcune proprietà meccaniche che si verifica quando l’idrogeno reagisce con la matrice metallica stessa e forma composti metallici come l’idruro metallico a temperature relativamente basse. Questa forma di danno da idrogeno può verificarsi in materiali come il titanio, lo zirconio e persino alcuni tipi di leghe di ferro o acciaio.

Spero che questo articolo abbia contribuito a chiarire i pericoli della permeazione e dell’infragilimento da idrogeno. Se volete garantire applicazioni sicure con l’idrogeno, utilizzate trasmettitori di pressione realizzati almeno in acciaio inox 316L e diaframmi bagnati in A286 per intervalli di pressione di 350 bar o più, ed evitate sensori riempiti d’olio perché possono causare bolle e deriva del sensore.

Per le applicazioni con l’idrogeno, Ashcroft raccomanda il materiale A286 per intervalli di pressione superiori a 350 bar. L’A286 mantiene il suo reticolo stretto a pressioni fino a 1.400 bar, limitando la permeazione dell’idrogeno (ma non contiene liquido isolante).

I trasmettitori E2X e F di Ashcroft offrono l’affidabilità dell’A286 e sono a prova di esplosione. Il nostro trasmettitore E2S a sicurezza intrinseca è approvato anche per le applicazioni con idrogeno.

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