Válvulas para aplicaciones de hidrógeno

A medida que el hidrógeno gana impulso como vector de energía limpia, crece rápidamente la demanda de válvulas diseñadas específicamente para aplicaciones de hidrógeno. Las válvulas de hidrógeno deben cumplir estrictos requisitos de seguridad y rendimiento para garantizar la manipulación segura y eficaz de la naturaleza altamente inflamable y volátil del hidrógeno. Este artículo ofrece una visión general de las consideraciones clave a la hora de especificar válvulas para aplicaciones de hidrógeno, incluyendo la selección de materiales, las características de diseño y las normas de ensayo.

Índice de contenidos

• Retos del hidrógeno
• Importancia del alto rendimiento en las válvulas de hidrógeno
• Válvulas para servicio de hidrógeno
• Preguntas frecuentes

Retos del hidrógeno

El hidrógeno desempeña un papel vital en el transporte y las fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente. Tiene varias aplicaciones, desde proporcionar una fuente de combustible alternativa para el transporte hasta utilizarse en pilas de combustible. Además, mezclado con gas natural en una proporción de 20:80, produce un gas generador de electricidad que puede reducir las emisiones de CO2 en aproximadamente un 6-7%.

A la hora de elegir y dimensionar válvulas de control para aplicaciones de hidrógeno, hay que tener en cuenta varios factores.

• El hidrógeno tiene uno de los tamaños moleculares más pequeños. Estas diminutas moléculas pueden penetrar en los aceros inoxidables de menor calidad, provocando la fragilización por hidrógeno. Con el tiempo, esto puede hacer que el material se agriete y crear problemas importantes en los servicios de hidrógeno.
• Dado su carácter ligero, las moléculas de hidrógeno son pequeñas, lo que aumenta la posibilidad de fugas en empaquetaduras y juntas e influye en el tamaño de la válvula. Garantizar la integridad de los sistemas de hidrógeno es crucial debido al requisito de sellado completo en cada unión. Las fugas suponen riesgos para la seguridad, sobre todo en los surtidores de combustible, y provocan pérdidas innecesarias cuando el gas se escapa de los vehículos o de las instalaciones de almacenamiento.
• La propensión del hidrógeno a inflamarse en presencia de altas y bajas concentraciones de aire es otro factor que influye en la selección de válvulas, en particular empaquetaduras y juntas.

Importancia del alto rendimiento en las válvulas de hidrógeno

Las condiciones de funcionamiento de los sistemas de combustible de hidrógeno son naturalmente duras. Todas las válvulas de hidrógeno deben cumplir los requisitos siguientes.

1. Presiones: El hidrógeno debe almacenarse en depósitos de vehículos a 350 - 700 bar (5076 - 10152 psi) para alcanzar la densidad requerida.
2. Estrés y vibración: Los sistemas deben ser lo bastante resistentes para soportar altas velocidades, carreteras en mal estado y condiciones meteorológicas adversas.
3. Seguridad: Las estaciones de repostaje deben ser lo suficientemente seguras para operar.
4. Mantenimiento: El sistema debe permitir reparar fácilmente las juntas estancas durante el mantenimiento.

Deberán mostrar un comportamiento estanco en el punto de conexión y en su punto de cierre o control, al tiempo que soportan las condiciones de funcionamiento específicas de las aplicaciones del hidrógeno.

Selección de materiales

La fragilización por hidrógeno (HE) es la degradación de las propiedades mecánicas de un metal causada por la presencia de hidrógeno. Puede ser el resultado de una elección inadecuada de los materiales y de las condiciones ambientales, y provoca una reducción de la flexibilidad de los metales debido a la absorción de átomos de hidrógeno.

La mayoría de los metales son inmunes a la HE a temperaturas superiores a 150𐩑C (302 𐩑F). La presión óptima del hidrógeno para la fragilización se sitúa entre 20 y 103 bar (300 - 1500 psi). La HE se produce en aceros y metales similares a concentraciones de hidrógeno relativamente bajas. Normas como NACE MR-0175 y NACE MR-0103 definen los requisitos de las válvulas de control para los gases de hidrógeno.

• Los materiales adecuados para el servicio de hidrógeno incluyen aleaciones de aluminio, aceros inoxidables austeníticos, cobre y aleaciones de cobre. El níquel y la mayoría de las aleaciones de níquel, así como las fundiciones dúctiles, grises y maleables, no deben utilizarse ya que son susceptibles de sufrir una grave fragilización por hidrógeno.
• La junta ISO es una junta mecánica avanzada diseñada para satisfacer las estrictas necesidades del servicio de hidrógeno. Su estructura consta de una secuencia de anillos construidos con materiales como PTFE o grafito. Éstos se organizan en una configuración particular para formar un escudo que impide que el hidrógeno presurizado interactúe con el entorno.
• Los materiales utilizados para los diafragmas y el sellado en aplicaciones de hidrógeno deben considerarse cuidadosamente, prestando atención a las condiciones de temperatura y presión. La compatibilidad del hidrógeno con los polímeros sigue siendo objeto de extensas pruebas sobre el terreno.

Emisiones fugitivas

Una emisión fugitiva es una fuga o descarga no intencionada de gases procedentes de equipos que contienen presión, como las válvulas. Las pruebas de emisiones fugitivas se refieren a las pruebas utilizadas para comprobar las fugas externas de las juntas del vástago de la válvula y las juntas del cuerpo de las válvulas de control. Estas pruebas reflejan las condiciones de servicio reales y abarcan todas las temperaturas y presiones de funcionamiento. Entre las normas de ensayo habituales se incluyen ISO-15848-1 y 2, TA-Luft/VDI 2440, ANSI/FCI 91-1, API-622 y ANSI/ISA S93.00.01.

Se cree que aproximadamente el 60% de las emisiones que se escapan proceden de las válvulas, y casi el 80% de las fugas por válvula proceden de la empaquetadura de su vástago. Otros factores que contribuyen a estas emisiones son los orificios de escape o purga de las electroválvulas, los posicionadores y otros accesorios de control. Las inspecciones y el mantenimiento rutinarios pueden ayudar a prevenir estas emisiones.

Válvulas para servicio de hidrógeno

Válvulas de bola de hidrógeno

Las válvulas de bola controlan el caudal de gas hidrógeno en los sistemas de hidrógeno. A la hora de elegir válvulas de bola para aplicaciones de hidrógeno gaseoso, es fundamental elegir válvulas con diseños de sellado del vástago duraderos. Una buena elección puede ser una bola tipo muñón con un diseño de carga directa, que garantiza un cierre seguro cada vez que la válvula se abre y se cierra. Un diseño de vástago con carga inferior también puede minimizar la posibilidad de reventón del vástago, lo que aumenta la seguridad. Por último, asegúrese de que son altamente compatibles con los accesorios específicamente diseñados para el uso de hidrógeno.

Válvulas de aguja de hidrógeno

Las válvulas de aguja ayudan a realizar ajustes finos en el flujo de fluidos de un sistema. Cuando se utilizan en sistemas de hidrógeno, hay que tener en cuenta algunos factores importantes.

• Las válvulas de aguja suelen ser totalmente metálicas y necesitan mucha fuerza para sellar correctamente. Esta fuerza puede deformar la aguja o incluso el asiento, produciendo un riesgo potencial y dando lugar a un mantenimiento costoso.
• La fuerza suele requerir grandes actuadores neumáticos para cerrar y abrir las válvulas, que pueden tardar hasta dos minutos en funcionar a pleno rendimiento.

Teniendo en cuenta estos factores, es fundamental utilizar válvulas de aguja fabricadas con acero inoxidable 316 de alta calidad que puedan resistir la deformación del uso repetido. Elija también una válvula de aguja homologada para las altas presiones de trabajo de los sistemas de hidrógeno (350/700 bar). Y, al igual que con las válvulas de bola, asegúrese de que son compatibles con otros componentes homologados para hidrógeno.

Válvulas de retención de hidrógeno

Las válvulas antirretorno desempeñan una función de seguridad crucial en los compresores de hidrógeno utilizados en los sistemas de repostaje, ya que gestionan el exceso de reflujo para salvaguardar al usuario. Las válvulas de retención de hidrógeno tienen que hacer frente a algunos retos en comparación con las aplicaciones de servicio normales.

La mayoría de las válvulas antirretorno tienen muelles fabricados normalmente con un material que se endurece bajo tensión, lo que lo hace más propenso a la fragilización por hidrógeno que el acero inoxidable 316 de alta calidad. Además, las aplicaciones de repostaje exponen estas válvulas a cambios rápidos y significativos de temperatura y presión, lo que ejerce una presión adicional sobre las juntas de goma de la válvula. Teniendo en cuenta estos factores, las válvulas de retención de bola son una opción más adecuada para los compresores de hidrógeno.

Electroválvulas de hidrógeno

Las electroválvulas controlan el flujo de hidrógeno en estaciones de repostaje de hidrógeno, centrales eléctricas, plantas petroquímicas e industrias aeroespaciales. Generalmente, las electroválvulas de acción directa pueden trabajar de 0 a 1000 bar (0 - 14.503 psi), mientras que las electroválvulas de acción indirecta trabajan de 10 a 1000 bar (145 - 14.503 psi). El cuerpo de la válvula y los demás componentes deben estar fabricados con materiales resistentes a la fragilización por hidrógeno y a la difusión. Suelen utilizarse titanio, acero inoxidable y otros metales resistentes a la corrosión. Además, el polímero que construye la válvula debe estar homologado contra la descompresión explosiva (la liberación rápida e incontrolada de presión en un entorno sellado).

Válvulas de seguridad y alivio de presión de hidrógeno

Las válvulas de descarga de presión y las válvulas de seguridad se utilizan en tanques de almacenamiento de hidrógeno, sistemas de pilas de combustible e instalaciones de producción para liberar automáticamente el exceso de presión de los sistemas de hidrógeno cuando la presión supera un valor predeterminado. El acero inoxidable y las aleaciones a base de níquel se utilizan habitualmente en la construcción de válvulas, ya que estos materiales resisten el agrietamiento inducido por el hidrógeno.

Lea nuestro artículo sobre el par para válvulas de cuarto de vuelta para obtener más detalles sobre el efecto del par para accionar válvulas de cuarto de vuelta.

Preguntas frecuentes

¿Qué es una válvula de gas hidrógeno?

Una válvula de hidrógeno gaseoso es un tipo especializado diseñado para controlar el flujo de hidrógeno gaseoso en diversas aplicaciones, como los vehículos de pila de combustible de hidrógeno y la producción y almacenamiento de hidrógeno.

¿Cuáles son algunas de las aplicaciones de las válvulas de control de hidrógeno?

Las válvulas de control de hidrógeno se utilizan en diversas aplicaciones, como sistemas de pilas de combustible, instalaciones de producción de hidrógeno y sistemas de almacenamiento de hidrógeno.