Modelización de la vida residual en fatiga de equipos sometidos a presión de hidrógeno

Abstract

Para alcanzar los objetivos de la transición energética con el fin de reducir el uso de combustibles tradicionales ricos en petróleo y disminuir el impacto ambiental, el sistema de energía de hidrógeno esta en desarrollo, siendo una gran alternativa no contaminante. El hidrógeno como vector energético podría contribuir a des-carbonizar determinados sectores industriales, asegurando el almacenamiento de electricidad o el abastecimiento del sector del transporte (trenes, coches, etc). Sin embargo, el despliegue de las tecnologías del hidrógeno tiene varios obstáculos en el aspecto material. Air Liquide es uno de los productores de hidrógeno más importantes del mundo, realizando toda la cadena de valor: producción, transporte, almacenamiento y distribución. En cuanto a la producción, hoy en día la técnica más común y eficiente es la Steam Methane Reforming o Tecnología de reformado de metano (SMR). El SMR es una tecnología probada que utiliza vapor para reformar metano en tubos compuestos de catalizadores calentados en un horno de fuego superior, para así lograr el hidrógeno. El último paso del proceso SMR se llama Pressure Swing Adsorption (PSA) y es el elemento encargado de la purificación del hidrógeno. En este paso, el uso de recipientes a presión para recuperar y purificar el H2 es crítico. Los recipientes de PSA están compuestos por diferentes materiales absorbentes, el más importante se denomina ”zeolito”, que tiene una estructura porosa y permite separar la molécula de gas según su tamaño. De esta forma, y sabiendo que la molécula de hidrógeno es la más pequeña, se produce la purificación del gas. Este proceso consiste en un aumento progresivo de la presión hasta alcanzar la presión máxima de trabajo, y luego se procede a una despresurización para vaciar los poros de los materiales absorbentes y así eliminar las impurezas. Sin embargo, el hidrógeno tiene la capacidad de acelerar la propagación de grietas en un material metálico y reducir la vida útil, en un proceso dañino y complejo llamado fragilización por hidrógeno (HE). A medida que aumenta la adopción de tecnologías de hidrógeno, la necesidad de almacenar el H2 dentro del proceso de producción, así como para su uso posterior, es crucial. Por esta razón, la comprensión y la capacidad de predecir la vida restante es fundamental para tener un uso seguro. Por ello, son necesarios diversos estudios e investigaciones a fin de garantizar la seguridad y el funcionamiento de dichos recipientes a presión. El objetivo principal de este proyecto es crear un modelo automático capaz de predecir la vida restante de los equipos PSA una vez que se detecta un defecto inicial, así lograr extender la vida en servicio mientras se mantiene la seguridad en la operación. Además, mejorar el conocimiento de las leyes de propagación que tienen en cuenta el fenómeno de fragilización. Esta capacidad sera implementada en el software interno de Air Liquide llamado FatCalc para mejorar la predicción de la vida residual. El uso y la comprensión del método de elementos finitos extendido (XFEM), asi como la utilizacion del software de calculo Abaqus fue crucial para desarrollar todas las capacidades requeridas por el proyecto. Los puntos principales que permitieron agregar nuevas perspectivas. fue la introducción de las subrutinas a través del lenguaje Fortran para cambiar y modificar las leyes de propagación, y los scripts en Python para automatizar el proceso. Los resultados de la simulación fueron razonables de acuerdo con la precisión esperada, siempre tomando el lado conservador para enfatizar la seguridad en el cálculo. Por otro lado, se aclaró la falta de datos para este tipo de simulación, y se planteó una propuesta experimental para la obtención de datos. El resultado final fue implementado dentro del software interno de Air Liquide, proporcionando una herramienta adicional al proceso de calculo. Respecto a las perspectivas a futuro se tiene en cuenta la mejora del producto a través de la implementación de condiciones y defectos más complejos tales como defectos de soldadura, espesor no uniforme y otros defectos de fabricación. Mail del autor Jeremias Perez Sanchez <jeredperezsanchez@gmail.com>