FAQ : Comment éviter le phénomène de fragilisation par l’hydrogène
FAQ : Comment éviter la fragilisation par l’hydrogène et d’autres problèmes liés à la manipulation de ce gaz
Buddy Damm, chargé de recherche senior chez Swagelok
L’hydrogène est une solution prometteuse. Pouvoir manipuler l’hydrogène avec efficacité et en toute sécurité – de sa production jusqu’à son utilisation – est la clé pour développer pleinement l’usage de cette source d’énergie zéro émission dans des applications diverses.
Toutefois, stocker et transporter l’hydrogène présente certaines difficultés propres à ce gaz. Premier élément de la classification périodique, l’atome d’hydrogène est constitué d’un seul proton chargé positivement et d’un seul électron chargé négativement,
c’est le plus léger et l’un des plus petits atomes. Dans une économie de l’hydrogène en plein essor, l’hydrogène devra être manipulé à la fois sous forme liquide et sous forme gazeuse. L’hydrogène se liquéfie à -253°C (-423°F) et il est environ 140 fois plus dense à l’état liquide qu’à l’état gazeux. Il est donc plus efficient de transporter et de stocker l’hydrogène sous forme liquide. En revanche, lorsqu’il est utilisé, l’hydrogène se trouve à l’état gazeux. Partant de là, deux phénomènes peuvent avoir un impact sur les métaux utilisés dans des systèmes où circule de l’hydrogène.
- La fragilisation à basse température : lorsque la température diminue, les métaux perdent de leur ductilité.
- La fragilisation par l’hydrogène : les atomes d’hydrogène peuvent diffuser dans le métal et fragiliser celui-ci.
Ici, la fragilisation désigne la perte de ductilité et la moindre résistance à la rupture et à la fatigue d’un métal dans son environnement d’exploitation par rapport aux propriétés du même métal au contact de l’air et à température ambiante. Ces problèmes peuvent entraîner une défaillance du système aux conséquences diverses – problèmes de sécurité, mises à l’arrêt d’installations, pertes financières. Alors que le secteur de l’hydrogène poursuit son développement, il est crucial de remédier à ces problèmes de fabrication des systèmes pour favoriser l’adoption à grande échelle de l’hydrogène comme source d’énergie viable et durable.
Comment les professionnels de l’hydrogène peuvent-ils alors construire des systèmes qui durent ? Il est capital de garder à l’esprit l’importance des matériaux que l’on va choisir pour confiner un gaz comme l’hydrogène. Les systèmes fluides fabriqués avec un acier inoxydable de qualité supérieure spécialement formulé résisteront mieux aux phénomènes de fragilisation mentionnés plus haut. Dans le forum aux questions ci-après, nous expliquons les facteurs à prendre en compte pour choisir des matériaux en vue de fabriquer des composants parfaitement étanches à l’hydrogène.
Q : Qu’est-ce que la fragilisation à basse température ?
R : Le phénomène de fragilisation à basse température correspond à une diminution de la ductilité, de la ténacité ou de la résistance à la fatigue et à la rupture d’un matériau, observée lorsque la température baisse. Les aciers inoxydables austénitiques sont peu sensibles à ce phénomène, tandis que les aciers ferritiques (aciers faiblement alliés et aciers inoxydables ferritiques) y sont plus sensibles. Pour cette raison, les aciers inoxydables austénitiques sont la règle d’or pour un système qui doit acheminer de l’hydrogène liquide.
Q : Comment l’hydrogène pénètre-t-il dans les métaux ?
R : Les molécules de dihydrogène (H2, en bleu) peuvent se décomposer en atomes d’hydrogène (H, en rouge), lesquels ont le pouvoir de pénétrer dans un métal. Les atomes d’hydrogène s’accumulent là où se concentrent des contraintes – extrémités de fissure, caractéristiques microstructurales telles que les limites intergranulaires, inclusions, précipités. Dans certains cas, les atomes d’hydrogène peuvent se réassembler pour former des molécules de dihydrogène.
Q : Qu’est-ce que la fragilisation par l’hydrogène ?
R : La fragilisation d’un métal par l’hydrogène entraîne une moindre résistance à la fatigue et à la rupture. Les matériaux à très haute résistance subissent davantage le phénomène.
Même si les aciers inoxydables sont généralement plus compatibles avec l’hydrogène que de nombreux autres métaux, ils ne résistent pas tous de la même manière au phénomène de fragilisation.
Les aciers inoxydables austénitiques se caractérisent par leur structure cristalline cubique à faces centrées (CFC), leur résistance modérée et leur ductilité naturellement élevée. Or, s’ils sont généralement plus compatibles avec l’hydrogène que de nombreux autres métaux, ils ne résistent pas tous aussi bien au phénomène de fragilisation.
Q : Quelles sont les possibles conséquences de l’utilisation d’un acier inoxydable plus sensible au phénomène de fragilisation par l’hydrogène ?
R : Choisir des matériaux plus sensibles à la fragilisation par l’hydrogène peut augmenter le risque de défaillance de l’étanchéité d’un système.
La moindre résistance à la fatigue est un souci plus important que la perte de ductilité. La ductilité d’un matériau est sa capacité à subir une déformation plastique en traction avant de rompre. Des composants correctement conçus ne sont pas soumis à des contraintes qui entraînent une déformation plastique. En revanche, les charges cycliques dues aux cycles de pression, aux vibrations ou à d’autres charges de service peuvent entraîner des détériorations lentes et des défaillances causées par la fatigue, c’est-à-dire à un affaiblissement de l’acier provoqué par des contraintes ou des charges répétées. Le risque de défaillance d’un système ou d’un composant peut augmenter encore davantage si les matériaux subissent les effets d’un environnement corrosif comme l’eau.
La défaillance d’un composant peut évidemment avoir des conséquences négatives, parmi lesquelles :
Q : Comment faire la distinction entre des aciers inoxydables de qualité supérieure et les aciers inoxydables de moindre qualité ?
Il a été démontré que des aciers inoxydables de haute qualité à forte teneur en nickel étaient plus adaptés sur le long terme dans des systèmes qui mettent en œuvre de l’hydrogène.
Si l’American Society for Testing and Materials (ASTM) impose une teneur minimale en nickel de 10 % dans la composition de l’acier inoxydable 316, un acier contenant au moins 12 % de nickel sera plus adapté aux problèmes particuliers posés par l’hydrogène. La teneur en nickel aide à stabiliser la microstructure de l’acier inoxydable, ce qui le rend plus résistant au phénomène de fragilisation par l’hydrogène. Lors de nos essais, nous avons constaté que l’effet de ce phénomène sur la ductilité en traction de l’acier inoxydable 316 contenant 12 % de nickel était minime.
Un acier inoxydable 316 contenant au moins 12 % de nickel est plus adapté pour faire face aux problèmes particuliers posés par l’hydrogène.
Même si ce type d’acier est généralement l’option qui s’impose pour fabriquer un système qui va mettre en œuvre de l’hydrogène, il arrive que les critères de performance d’une application particulière – p. ex. donner la priorité à la résistance des matériaux ou à la résistance à la corrosion – amènent à privilégier un autre matériau. Dans ces situations, une conception et un entretien appropriés du système aideront à prévenir le phénomène de fragilisation. Des entreprises comme Swagelok continuent d’étudier les effets de l’hydrogène sur d’autres alliages et pourront vous aider à prendre des décisions en connaissance de cause.
Q : Comment être sûr(e) de choisir des matériaux performants ?
Il peut être difficile de choisir le meilleur matériau pour une application donnée, en particulier dans un secteur en plein essor comme celui de l’hydrogène. Il est toutefois important de faire le bon choix. Dans un système qui met en œuvre de l’hydrogène, ce choix a des conséquences à long terme. Plus important encore, de mauvais choix concernant les matériaux peuvent nuire à la réputation de l’hydrogène en tant que source d’énergie fiable et viable pour un avenir plus propre.
Adressez-vous à des fournisseurs qui maîtrisent la physique des matériaux et qui ont mis au point des produits dont l’efficacité dans les applications du secteur de l’hydrogène est avérée. Si vous avez besoin d’aide, les spécialistes de l’hydrogène de Swagelok se feront un plaisir de vous aider à choisir des matériaux parfaitement adaptés à votre application et à trouver une solution adaptée à vos besoins.
Articles Liés
Ce qu’il faut rechercher dans une vanne à hydrogène
Les vannes sont des éléments essentiels des systèmes fluides qui acheminent de l’hydrogène. Découvrez ce qu’il faut rechercher dans une vanne utilisée avec de l’hydrogène et comment ces caractéristiques peuvent contribuer à rendre le transport à hydrogène plus sûr et plus fiable.
L’anatomie d’un raccord utilisé avec l’hydrogène
Découvrez pourquoi des raccords spécialement conçus pour des applications qui mettent en œuvre de l’hydrogène peuvent aider les fabricants de véhicules à hydrogène et les constructeurs d’infrastructures associées à réaliser des systèmes d’alimentation plus sûrs et plus fiables.
Mesurer et contrôler le débit d’hydrogène
Découvrez comment une entreprise spécialisée dans les essais et les simulations pour l’industrie automobile s’est associée avec Swagelok pour passer aux technologies de l’hydrogène.