El material que durante décadas ha permitido construir gasoductos, recipientes a presión, depósitos y multitud de equipos industriales no siempre responde de la misma manera cuando entra en contacto con hidrógeno. Bajo determinadas condiciones, este gas puede penetrar en su estructura interna y modificar sus propiedades mecánicas. El resultado puede ser una pérdida de ductilidad y tenacidad, una mayor facilidad para iniciar o propagar grietas y, en los escenarios más desfavorables, un fallo prematuro del componente.
Es lo que se conoce como fragilización por hidrógeno, un fenómeno que adquiere especial importancia ante el desarrollo de nuevas infraestructuras de transporte y almacenamiento. ¿Pueden utilizarse las conducciones de acero existentes? ¿Qué materiales ofrecen mejores garantías? ¿Cómo se puede anticipar el comportamiento de una tubería después de años de funcionamiento?
La respuesta exige combinar investigación metalúrgica, ingeniería de materiales y conocimiento de las condiciones reales de operación. Pero hay un punto de partida importante: la fragilización por hidrógeno no es un fenómeno nuevo ni una barrera tecnológica insalvable.
Javier Brey, presidente de la Asociación Española del Hidrógeno (AeH2), insiste en la necesidad de poner el problema en contexto. «La fragilización por hidrógeno es un fenómeno bien conocido y estudiado desde hace décadas, que puede provocar una pérdida de ductilidad y tenacidad en determinados materiales metálicos y favorecer la propagación de grietas», explica a industry TALKS.
Su incidencia depende de distintos factores. «Depende del material, de su microestructura y de las condiciones de operación, especialmente de las presiones y los esfuerzos mecánicos a los que está sometido», señala Brey. Por tanto, no todos los aceros presentan la misma susceptibilidad ni todos los componentes están expuestos al mismo nivel de riesgo.
Un átomo pequeño con capacidad para alterar el acero
Para comprender por qué el hidrógeno puede comprometer la integridad de un metal hay que descender hasta su estructura microscópica. El hidrógeno tiene una característica que explica buena parte de su comportamiento: es el átomo más pequeño de la tabla periódica. Su tamaño le permite difundirse a través de la estructura cristalina de muchos aceros y ocupar espacios entre los átomos que forman la red metálica.
Raúl Caracena, responsable de Materiales en Condiciones Extremas de Tecnalia, explica a industry TALKS que «el hidrógeno es el átomo más pequeño de la tabla periódica, lo que le permite difundirse con relativa facilidad a través de la red cristalina de muchos aceros ocupando posiciones intersticiales».
Su incorporación puede producirse en diferentes momentos de la vida de un componente. No es necesario que una tubería esté transportando hidrógeno para que exista riesgo de entrada de este elemento. También puede introducirse durante determinados procesos industriales de fabricación, tratamiento o reparación.
Caracena detalla que «el hidrógeno puede incorporarse durante los procesos de fabricación, por ejemplo, durante determinadas operaciones de decapado, electrodeposición de recubrimientos o soldadura, donde se genera hidrógeno atómico capaz de penetrar en el metal».
También puede introducirse durante el funcionamiento de las instalaciones, como ocurre en componentes expuestos a hidrógeno gaseoso a alta presión o en determinados procesos electroquímicos.
Una vez dentro del acero, el hidrógeno tiende a acumularse en zonas concretas de la microestructura, como dislocaciones, límites de grano, inclusiones o precipitados. Estos defectos microscópicos pueden convertirse en puntos donde se concentran sus efectos y se favorecen determinados procesos de degradación.
Por tanto, el problema no consiste simplemente en que el hidrógeno entre en contacto con la superficie de una tubería. Lo determinante es que pueda penetrar en el material, desplazarse por su estructura y alcanzar zonas en las que su interacción con las tensiones mecánicas altere la respuesta del acero.
Cómo se debilita el metal: dos mecanismos principales
La fragilización por hidrógeno es un fenómeno complejo. Aunque existen diferentes mecanismos para explicar cómo el gas modifica el comportamiento de los metales, dos de los más estudiados son el HEDE (Hydrogen Enhanced Decohesion), relacionado con la pérdida de cohesión atómica, y el HELP (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity), que describe la influencia del hidrógeno sobre el movimiento de las dislocaciones.
El primero plantea que la presencia de hidrógeno puede reducir la cohesión entre los átomos en determinadas regiones de la microestructura. En otras palabras, facilita que se separen zonas que, en condiciones normales, presentarían una mayor resistencia a la fractura.
Caracena explica que el mecanismo HEDE «reduce la cohesión atómica en determinadas regiones de la microestructura, especialmente en interfaces y límites de grano, disminuyendo la energía necesaria para iniciar y propagar una grieta».
El segundo mecanismo, HELP, se relaciona con las dislocaciones, defectos de la estructura cristalina responsables de buena parte de la deformación plástica de los metales. La presencia de hidrógeno puede favorecer su movimiento en determinadas regiones, facilitando que la deformación se concentre localmente.
Según el investigador de Tecnalia, «el mecanismo HELP propone que el hidrógeno favorece localmente el movimiento de las dislocaciones, facilitando la deformación plástica en regiones muy concretas del material».
Ambos mecanismos no tienen por qué actuar de forma independiente. De hecho, Caracena subraya que «los mecanismos HELP y HEDE no son necesariamente excluyentes y que, en muchos materiales, ambos pueden actuar simultáneamente».
La consecuencia puede ser una reducción significativa de tres propiedades esenciales para la seguridad de las infraestructuras: la ductilidad, la tenacidad a fractura y la resistencia a fatiga. El material pierde capacidad para deformarse antes de romperse, puede ofrecer menos resistencia a la propagación de grietas y resultar más vulnerable cuando soporta cargas repetidas.
En situaciones severas, esta degradación puede provocar fallos prematuros y aparentemente frágiles bajo tensiones inferiores a las previstas durante el diseño del componente.
Las tuberías, en el centro del desafío
El desarrollo de una economía del hidrógeno necesita infraestructuras capaces de conectar los centros de producción con los puntos de consumo. Las tuberías de acero tendrán un papel fundamental, tanto en nuevas conducciones como en las posibles adaptaciones de redes existentes.
Sin embargo, no puede darse por hecho que una infraestructura diseñada para transportar gas natural vaya a comportarse exactamente igual cuando se utiliza para transportar hidrógeno. Las condiciones de servicio cambian y, con ellas, las exigencias que deben cumplir los materiales.
La presión, los esfuerzos mecánicos, la frecuencia de los ciclos de operación, la temperatura y la microestructura del acero son algunas de las variables que intervienen en su susceptibilidad a la fragilización. También debe tenerse en cuenta el estado previo de las instalaciones, que pueden acumular décadas de funcionamiento y presentar defectos derivados de su fabricación, soldadura o explotación.
Javier Brey sitúa esta cuestión entre las decisiones que marcarán el desarrollo de las infraestructuras españolas. «En España, el desafío adquiere especial relevancia con el desarrollo de la futura red troncal de hidrógeno. Una cuestión importante será determinar qué infraestructuras existentes pueden adaptarse y cuáles deben construirse específicamente para hidrógeno», afirma.
Desde Enagás explican a industry TALKS que esta adaptación exige evaluar el comportamiento de cada material en presencia de hidrógeno y reproducir las condiciones a las que estará sometido durante su vida útil. Para ello, se analizan tanto el acero base como las soldaduras, sus propiedades mecánicas y de fractura, la posible presencia de defectos y las condiciones de presión y los ciclos de operación.
«Más que hablar de un riesgo genérico de fragilización, lo importante es cuantificar cómo afecta el hidrógeno a cada material y condición de servicio, mediante ensayos específicos y metodologías reconocidas, y trasladar esos resultados al diseño y a la gestión de integridad de la infraestructura», señala Claudio Rodríguez, director de Servicios Técnicos y Tecnología en Enagás.
La fragilización condiciona esas decisiones técnicas y económicas, pero no impide el desarrollo de una infraestructura segura. «No estamos ante una barrera tecnológica insalvable, sino ante una cuestión de ingeniería que sabemos abordar mediante una adecuada selección de materiales, criterios de diseño, ensayos y procedimientos de mantenimiento», recalca el presidente de AeH2.
Desde Tecnalia, Caracena apunta que en determinadas aplicaciones los aceros al carbono convencionales pueden seguir siendo una alternativa válida si se caracteriza correctamente su comportamiento.
«En aplicaciones donde las cargas son relativamente estables y las fluctuaciones de presión son limitadas, como puede ocurrir en determinadas tuberías de transporte de hidrógeno o mezclas con hidrógeno, no siempre es necesario recurrir a materiales de muy alta resistencia a la fragilización», explica.
La clave está en cuantificar la degradación e incorporarla al diseño. «En lugar de eliminar completamente el efecto del hidrógeno, se busca comprenderlo y considerarlo explícitamente durante el diseño estructural», añade.
Ensayos para anticipar el comportamiento de los materiales
¿Cómo se puede saber si una tubería o un equipo industrial resistirá durante años la exposición al hidrógeno? No existe una única prueba de laboratorio capaz de reproducir todos los escenarios de servicio. La evaluación requiere combinar diferentes ensayos que analizan distintas fases del proceso de degradación.
Uno de los procedimientos utilizados es el ensayo de tracción a baja velocidad de deformación, conocido como Slow Strain Rate Test (SSRT). En él, una probeta se somete a carga mientras está expuesta a hidrógeno o a un medio que favorece su generación. Los resultados permiten comparar la susceptibilidad de distintos materiales y tratamientos, analizando parámetros como la pérdida de ductilidad, la reducción de área o el tipo de fractura.
Cuando el objetivo es determinar qué tamaño de defecto puede soportar una infraestructura sin que se produzca una fractura inestable, adquieren especial importancia los ensayos de mecánica de fractura en presencia de hidrógeno. Estos permiten obtener parámetros de tenacidad a fractura asistida por hidrógeno, fundamentales para establecer criterios de aceptación de defectos, intervalos de inspección y márgenes de seguridad.
También son esenciales los ensayos de fatiga. Las tuberías y los recipientes a presión pueden experimentar variaciones de presión y ciclos de carga que se repiten miles o millones de veces durante su vida útil. El hidrógeno puede modificar su comportamiento y reducir el número de ciclos necesarios para que se inicie una grieta y se alcance el fallo.
A ello se suman los ensayos de propagación de grietas, que permiten medir la velocidad a la que crece una discontinuidad sometida a cargas cíclicas y estimar cuánto tiempo tardará en alcanzar un tamaño crítico.
Para Caracena, la combinación de estas técnicas es imprescindible porque «la interacción entre el hidrógeno y los materiales depende simultáneamente de la microestructura, el estado tensional, el ambiente fragilizante, la temperatura y las condiciones de carga».
Desde Enagás señalan que las pruebas deben realizarse tanto sobre el material base de las tuberías como sobre sus soldaduras y otros componentes de la infraestructura. «Se realizan ensayos sobre el material base y las soldaduras para determinar su comportamiento en hidrógeno, incluyendo propiedades mecánicas, resistencia a fractura y crecimiento de eventuales grietas por fatiga», explican desde la compañía.
La evaluación se extiende también a elementos como válvulas, accesorios y equipos auxiliares, cuya compatibilidad debe verificarse antes de su utilización. El objetivo es obtener datos que permitan tomar decisiones técnicas fundamentadas. «Estos ensayos permiten pasar de una valoración genérica de compatibilidad a parámetros cuantitativos utilizables en ingeniería, para seleccionar materiales, espesores y condiciones de operación», añaden.
La extrapolación de los resultados al entorno industrial requiere combinar los datos experimentales con modelos de mecánica de fractura, análisis de fatiga y conocimiento de las condiciones reales de funcionamiento. El objetivo es calcular la vida residual de los componentes y planificar las inspecciones y el mantenimiento antes de que un defecto alcance dimensiones críticas.
Nuevos materiales y recubrimientos protectores
La investigación no se limita a estudiar cómo se comportan los aceros actuales. También busca desarrollar materiales y soluciones que reduzcan la entrada de hidrógeno o mejoren la resistencia frente a sus efectos.
Entre las familias de materiales que despiertan interés se encuentran los aceros inoxidables austeníticos. Su estructura cristalina presenta velocidades de difusión de hidrógeno significativamente inferiores a las de muchos aceros ferríticos o martensíticos. También se investiga el papel de elementos de aleación como el níquel, que contribuye a estabilizar la estructura austenítica.
Otra vía consiste en desarrollar recubrimientos capaces de actuar como barrera frente a la permeación del hidrógeno. Esta estrategia podría permitir utilizar materiales más económicos en condiciones exigentes, aunque plantea un requisito fundamental: la capa protectora debe mantener su integridad durante toda la vida útil del componente.
Una grieta, un desprendimiento o una zona deteriorada pueden facilitar la entrada localizada de hidrógeno y generar concentraciones elevadas en determinadas regiones del metal.
Caracena advierte de que «no basta con que el recubrimiento actúe inicialmente como barrera al hidrógeno; también debe mantener su integridad durante toda la vida en servicio».
Entre las soluciones investigadas destaca el desarrollo de capas de óxido controladas mediante tratamientos de oxidación a alta temperatura. Según el experto de Tecnalia, «las capas de óxido suelen presentar coeficientes de difusión de hidrógeno varios órdenes de magnitud inferiores a los del metal base, por lo que pueden actuar como barreras eficaces frente a la permeación».
A estas líneas de investigación se suma la monitorización de la integridad estructural. El desarrollo de sensores, técnicas de inspección y modelos predictivos puede permitir estimar la evolución del daño y anticipar posibles problemas durante la operación.
«Cada vez se presta más atención al desarrollo de sensores, técnicas de inspección y modelos predictivos capaces de estimar en tiempo real la evolución del daño», explica Caracena. Estos sistemas combinan datos experimentales, modelos de difusión de hidrógeno, mecánica de fractura y comportamiento a fatiga para evaluar la vida remanente de los componentes.
España ante el reto de las nuevas infraestructuras
España cuenta con capacidades científicas, tecnológicas e industriales para abordar este desafío. Así lo destaca Javier Brey, que señala el trabajo de diferentes universidades, centros de investigación y centros tecnológicos vinculados a la Asociación Española del Hidrógeno.
Entre ellos menciona a la Universidad de Burgos, que estudia la fragilización y los ensayos de materiales en hidrógeno a alta presión; el Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM), perteneciente al CSIC, que investiga el comportamiento de los aceros; y centros tecnológicos como Tecnalia y AIMEN, que trabajan en la resistencia de los materiales, las soldaduras, los recubrimientos protectores y los fenómenos de permeación.
«España dispone de importantes capacidades científicas, tecnológicas e industriales para abordar este desafío», afirma Brey. El objetivo es trasladar ese conocimiento a soluciones que garanticen la integridad de las instalaciones durante décadas, optimizando al mismo tiempo los costes de construcción y mantenimiento.
El presidente de AeH2 identifica tres grandes retos para avanzar hacia un transporte y almacenamiento seguros a gran escala. El primero es profundizar en el comportamiento de los materiales a largo plazo, especialmente cuando están sometidos a hidrógeno a presión y cargas cíclicas. En este ámbito, considera especialmente importante comprender la respuesta de las soldaduras y de los materiales que llevan décadas en servicio.
El segundo pasa por mejorar las tecnologías de inspección, detección de fugas, monitorización y mantenimiento predictivo. El tercero consiste en validar industrialmente las soluciones y optimizar sus costes, tanto para adaptar las infraestructuras de gas natural como para desarrollar nuevos gasoductos y sistemas de almacenamiento, incluidos los subterráneos.
En el desarrollo de la Red Troncal Española de Hidrógeno, Enagás asegura que la seguridad y la integridad de las infraestructuras se contemplan desde las primeras fases de diseño. «El enfoque combina selección y cualificación de materiales, diseño y dimensionamiento, control de fabricación y soldadura y definición de las condiciones de operación, junto con criterios específicos de inspección, monitorización y mantenimiento», explican desde la compañía.
Uno de los aspectos que consideran especialmente relevantes es la evolución de la presión durante la vida útil de las instalaciones. «No solo [hay que considerar] la presión máxima, sino cómo evolucionará durante la vida del activo, ya que los ciclos de operación influyen en la fatiga y en la propagación de posibles defectos en presencia de hidrógeno», señalan.
La compañía también apunta a la digitalización como una herramienta para mejorar la gestión de estas infraestructuras. «Las nuevas infraestructuras ofrecen la oportunidad de ser concebidas como activos nativos digitales», explican. Entre las posibilidades figura la incorporación de un gemelo digital que integre información de ingeniería, estado, operación e integridad del activo físico. «El objetivo es avanzar hacia una gestión cada vez más predictiva de la integridad y la fiabilidad durante todo su ciclo de vida», añaden.
La fragilización por hidrógeno ilustra uno de los grandes desafíos tecnológicos de la transición energética: las nuevas moléculas y los nuevos usos industriales obligan a revisar infraestructuras concebidas para trabajar con otros gases y bajo condiciones diferentes.
La respuesta no pasa por buscar una solución universal. En unas aplicaciones podrán utilizarse materiales convencionales cuyo comportamiento haya sido correctamente caracterizado; en otras será necesario recurrir a aceros más resistentes, recubrimientos protectores o sistemas avanzados de monitorización.
Lo fundamental será conocer cómo penetra el hidrógeno en el acero, dónde se acumula y de qué manera puede favorecer la aparición y propagación de grietas. La seguridad de las futuras redes dependerá tanto de la selección de materiales como de la capacidad para inspeccionar, controlar y anticipar su degradación.
Como recuerda Javier Brey, «no se trata de descubrir cómo transportar hidrógeno de forma segura, porque eso ya sabemos hacerlo». El verdadero desafío es llevar ese conocimiento a la escala que exige la transición energética, con costes competitivos y manteniendo los máximos estándares de seguridad.
