Uso de diafragmas con recubrimiento de oro como barrera contra la permeación de hidrógeno
Los sensores de presión entran en contacto con el hidrógeno en una amplia gama de aplicaciones industriales, incluyendo innumerables proyectos de desarrollo e I+D, entre los que podemos mencionar:
- Medida y control de presión y caudal
- Humidificación de gases de proceso
- Dosificación de metanol líquido a una celda de combustible de metanol directo (DMFC)
- Verificación de catalizadores y generación de mezclas de gases
- Prueba de los sistemas de celdas de las pilas de combustible
- Estabilización de la presión en la pila de combustible frente a cambios de caudal
- Mantenimiento de una diferencia de presión constante a través de la membrana
- Dispensación de hidrógeno
- Distintas medidas de presión, caudal y nivel en electrolizadores
- Medida y control de presión y caudal en cualquier tipo de celda de combustible, incluidas PEMFC, PAFC, SOFC y MCFC
EL PROBLEMA
El hidrógeno (H) es el elemento atómico más simple y pequeño de la naturaleza y, si bien no se considera corrosivo, puede causar problemas en los transmisores de presión si la aplicación no se evalúa adecuadamente.
Los átomos de hidrógeno son extremadamente pequeños y, debido a esta propiedad, también pueden penetrar materiales sólidos. Este proceso se conoce como permeación.
Un diafragma de transmisor de presión típico tiene 25-50 µm de espesor. Si la permeación continúa el tiempo suficiente, se producirá una distorsión permanente del diafragma a medida que el diafragma continúa expandiéndose.
Debido a su pequeño espesor, los átomos de hidrógeno pueden penetrar a través del diafragma y unirse para formar hidrógeno molecular. Debido a que el hidrógeno molecular es demasiado grande para retornar a través del diafragma, queda atrapado y forma burbujas de hidrógeno en el fluido de llenado (oil filling) que se encuentra en la cara interna del diafragma, aumentando su volumen y creando una fuerza hacia afuera que termina afectando gravemente al rendimiento del transmisor en un período de tiempo relativamente corto, provocando:
- Cambios de cero y del span
- Expansión del diafragma hacia afuera en forma de abultamientos
- Rotura o explosión del diafragma
- Fuga de hidrógeno
LA SOLUCIÓN: DIAFRAGMAS RECUBIERTOS DE ORO
La permeabilidad del oro es aproximadamente 10.000 veces menor que la del acero inoxidable. Con un recubrimiento de oro (0.1 a 1 µm) de una membrana de acero de 50 µm, la permeación del hidrógeno se puede suprimir de forma significativamente más eficaz que duplicando el grosor de la membrana a 100 µm.
En el primer caso, el tiempo para que se acumule un volumen crítico de gas hidrógeno en el interior del sensor de presión se puede incrementar en un factor de 10 a 100, mientras que en el segundo caso solo en un factor de dos.
El requisito previo para ello es una soldadura optimizada y sin huecos, así como un recubrimiento prácticamente libre de defectos.
¿SABÍA QUE….?
- El contenido de níquel (Ni) del metal afecta la tasa de permeación de hidrógeno, aumentándolo exponencialmente, por lo que deben evitarse los metales a base de níquel, como Hastelloy C-276 y Monel, así como el Tántalo.
- El flujo de gas a través de la membrana (permeación) del diafragma es proporcional a la raíz cuadrada de la presión del gas. Una presión diez veces menor aumenta la vida útil del sensor en aproximadamente 3 veces.
- La vida útil de un diafragma aumenta de 33 a 40 veces por cada 100° C de reducción de temperatura.
- La permeación es inversamente proporcional al espesor de la membrana. El uso de una membrana de 100 µm en lugar de una de 50 µm de espesor duplica la vida útil del sensor.
- La penetración del hidrógeno es directamente proporcional al cuadrado del diámetro de la membrana. Utilizando una membrana de Ø 13 mm en lugar de una de Ø 18,5 mm, la vida útil del sensor se duplica.
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