Wie werden Drucktransmitter durch Wasserstoffpermeation beeinträchtigt?

Wasserstoff ist heutzutage in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen und Prozessen zu finden, und zwar fast überall. Wasserstoff ist eine der am schnellsten wachsenden alternativen Energieressourcen, die heute genutzt werden. Einige seiner Anwendungen sind:

• Erdölraffination – Hydrocracken
• Brennstoffzellen
• Wasserstofftankstellen
• Glasherstellung
• Herstellung von Halbleitern
• Luft- und Raumfahrtanwendungen
• Düngemittel- und Ammoniakproduktion
• Schweißen, Glühen und Wärmebehandeln von Metallen
• Pharmazeutische Anwendungen
• Kühlung von Kraftwerksgeneratoren
• Hydrierung von ungesättigten Fettsäuren in Pflanzenöl

Bei vielen dieser Wasserstoffanwendungen gibt es Prozesse, die zur Diffusion von Wasserstoffionen führen können. Dies kann zu Wasserstoffpermeation und Versprödung führen, was einen vorzeitigen Ausfall Ihres Drucktransmitters zur Folge haben kann.

Druckmessgeräte, Schalter und Sensoren können alle in Wasserstoffanwendungen eingesetzt werden. In diesem Artikel konzentriere ich mich auf Druckmessgeräte (hier als Drucktransmitter bezeichnet), die den anliegenden Druck in ein elektrisches Signal umwandeln, um den in einer Anwendung anliegenden Druck zu messen.

Um sicherzustellen, dass Sie den besten Druckmessumformer für eine Wasserstoffanwendung haben, müssen Sie einige Dinge beachten, wie z. B. das benetzte Material der Membran und den Druckbereich der Anwendung. Je höher der Druck einer Anwendung ist, desto stärker wird die Membran belastet, was die Versprödung des Wasserstoffs beschleunigen kann.

Werfen wir einen Blick auf Permeation und Versprödung und die Auswirkungen, die sie auf Ihre Druckmessumformer haben können.

Wasserstoffpermeation

Unter Wasserstoffpermeation versteht man das Eindringen von Wasserstoffionen durch die Gitterstruktur eines bestimmten Materials. Dies kann zu Problemen bei Druckmessumformern führen, die auf eine dünne Metallmembran angewiesen sind, um den Druck entweder direkt auf einen Dehnungsmessstreifen oder über einen flüssigkeitsisolierten Sensor, der an einem Dehnungsmessstreifen befestigt ist, zu übertragen.

In beiden Fällen ist die Membran das schwache Glied im System. Im Laufe der Zeit führt die Permeation zu einer Signalabweichung oder zu einem völligen Ausfall, wenn nicht das richtige benetzte Material für die Anwendung ausgewählt wird.

Wenn die Messwandler flüssigkeitsisolierte Sensoren enthalten, kann die Wasserstoffpermeation ein Problem darstellen. Flüssigkeitsisolierte Sensoren sind auf eine dünne Metallmembran angewiesen, um zu verhindern, dass Wasserstoff in die Isolationsflüssigkeit eindringt.

Kommt es bei diesem Sensortyp zu einer Wasserstoffpermeation, können sich die Wasserstoffionen, die durch das Membranmaterial dringen, in der Isolierflüssigkeit zu Wasserstoffmolekülen umwandeln. Die Moleküle sammeln sich dann und bilden eine Wasserstoffblase. Diese Blasen führen zu einer Verschiebung des Nullpunkts im Ausgang des Messwertaufnehmers und können im Laufe der Zeit zu einer Drift des Ausgangswertes führen.

Eine Möglichkeit, die Wasserstoffpermeation zu verringern, ist die Verwendung eines Materials mit einer dichten Gitterstruktur wie Edelstahl 316L oder Varianten von Edelstahl 316. Eine andere Lösung besteht darin, die Membran mit einer sehr dünnen Goldschicht zu versehen. Die Goldschicht hat eine sehr dichte Gitterstruktur, die den Widerstand der Membran gegen das Eindringen von Wasserstoff erhöht.

Neben der Gitterstruktur eines Materials wird die Wasserstoffpermeation auch durch den Druck einer Anwendung beeinflusst. Je höher der Druck der Anwendung ist, desto größer ist die Kraft, die auf die Membran einwirkt.

Durch diese Kraft wird die Gitterstruktur des Materials gedehnt, so dass mehr Wasserstoffionen in das Material eindringen können. Daher sollten Sie ein Material verwenden, das nicht nur eine dichte Gitterstruktur aufweist, sondern auch für den Druckbereich der Anwendung gut geeignet ist.

Wasserstoffversprödung

Versprödung ist ein Phänomen, das zum Verlust der Duktilität und damit zur Sprödigkeit eines Werkstoffs führt. Zu den besonders anfälligen Materialien gehören hochfeste Stähle, Titan- und Aluminiumlegierungen sowie elektrolytisch zähes Pechkupfer.

Wasserstoffversprödung wird auch als wasserstoffinduzierte Rissbildung oder Wasserstoffangriff bezeichnet. Die Mechanismen können wässrig oder gasförmig sein und beinhalten das Eindringen von Wasserstoff in das Metall, wodurch dessen Duktilität und Tragfähigkeit verringert wird.

Doch wie kommt es zur Versprödung?

Da Wasserstoff ein so kleines Atom ist, kann er durch Mikrorisse in der Oberfläche in das Metall eindringen. Im Inneren des Metalls rekombinieren die Wasserstoffatome mit anderen und bilden Wasserstoffmoleküle (H2).

Diese Moleküle verbinden sich mit anderen H2-Molekülen, was zu einer größeren Wasserstoffmasse führt, die in der Rissstelle Druck nach außen ausübt. Spannungen unterhalb der Fließspannung des anfälligen Materials führen dann zu Rissen und katastrophalen Sprödbrüchen.

Wenn Wasserstoffmoleküle zerfallen, bilden sie Wasserstoffionen, die zu den kleinsten Ionen der Welt gehören. Sie können die Gitterstruktur vieler Metalle durchdringen und in das Metall eindringen, wo sie sich dann als Wasserstoffmoleküle neu bilden.

Die absorbierten Wasserstoffmoleküle erzeugen Druck und Spannung im Inneren des Materials. Dies kann die Verformbarkeit und Festigkeit des Materials beeinträchtigen und schließlich zu Rissen im Material führen.

Die NASA-Crews arbeiten häufig mit Wasserstoff und haben mehrere Arten von Wasserstoffversprödung definiert:

• Wasserstoffversprödung (Hydrogen Embrittlement) – Ein Prozess, der zu einer Abnahme der Bruchzähigkeit oder Duktilität eines Metalls aufgrund der Anwesenheit von atomarem Wasserstoff führt.
• Wasserstoffversprödung in der Umwelt (Hydrogen Environmental Embrittlement, HEE) – Die Verschlechterung bestimmter mechanischer Eigenschaften, die auftritt, wenn ein Material unter dem Einfluss einer angewandten Spannung absichtlich einer gasförmigen Wasserstoffumgebung ausgesetzt ist.
• HEE-Index – Ein erstes Material-Screening-Instrument zur Bewertung des Schweregrads der Wasserstoffversprödung bei bestimmten Materialien.
• Interne Wasserstoffversprödung (IHE) – Die Verschlechterung bestimmter mechanischer Eigenschaften, die durch das unbeabsichtigte Eindringen von Wasserstoff in anfällige Metalle während der Umformung oder Endbearbeitung entsteht.
• Wasserstoffreaktionsversprödung (HRE) – Die Verschlechterung bestimmter mechanischer Eigenschaften, die auftritt, wenn Wasserstoff mit der Metallmatrix selbst reagiert und bei relativ niedrigen Temperaturen Metallverbindungen wie Metallhydrid bildet. Diese Form der Wasserstoffbeschädigung kann bei Materialien wie Titan, Zirkonium und sogar bei einigen Arten von Eisen- oder Stahllegierungen auftreten.

Ich hoffe, dass dieser Artikel dazu beigetragen hat, die Gefahren der Wasserstoffpermeation und -versprödung zu verdeutlichen. Wenn Sie sichere Wasserstoffanwendungen gewährleisten wollen, sollten Sie Druckmessumformer aus mindestens 316L-Edelstahl und für Druckbereiche von 350 bar oder mehr A286-benetzte Membranen verwenden und ölgefüllte Sensoren vermeiden, da diese Blasen und Sensordrift verursachen können.

Für Wasserstoffanwendungen empfiehlt Ashcroft den Werkstoff A286 für Druckbereiche über 350 bar. A286 behält sein dichtes Gitter bei einem Druck von bis zu 1.400 bar bei und begrenzt so die Wasserstoffpermeation (es enthält jedoch keine Isolierflüssigkeit).

Die E2X- und F-Messumformer von Ashcroft bieten die Zuverlässigkeit von A286 und sind explosionsgeschützt. Unser eigensicherer Messumformer E2S ist ebenfalls für Wasserstoffanwendungen zugelassen.

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