Diseño de tanque de pared delgada a presión para almacenamiento de hidrógeno

Diseño de tanque de pared delgada a presión para almacenamiento de hidrógeno

Juan José Medina1, Juan Diego Palacio2, María Angélica Barreto3,

Víctor Marin Uribe4.

Departamento de Ingeniería de Materiales, Universidad de Antioquia

 Medellín, Colombia.

Octubre de 2021

[pic 1]

Resumen

Partiendo como referencia un tanque de almacenamiento de hidrógeno a alta presión fabricado en material compuesto de fibra de carbono y recubierto completamente con una capa delgada de aluminio 6160. Este tanque tiene una resistencia máxima a la ruptura de 105 Mpa. Se pretende mejorar la resistencia a la temperatura y a la ruptura utilizando como material de construcción acero ASSAB SUPRA 709 Carbono 0,42% Cromo 1,1% Molibdeno 0,2% que estuvo sometido a un proceso de revenido a 300° durante 2 horas. Se replanteó el diseño usando una geometría esférica con un acero inoxidable AISI 304 laminado al 30% con una resistencia a la tracción máxima de 1425 Mpa los cuales dieron como resultado un contenedor con la capacidad de resistir una presión interna de hasta 167.6Mpa, superior a los 105 Mpa de presión que resiste el cilindro de material compuesto de fibra de carbono.

Palabras claves: Tanque de alta presión, recipiente de pared delgada, Explosion de tanque a presión, almacenamiento de hidrógeno.

[pic 2]

1. INTRODUCCIÓN

Un recipiente a presión es un recipiente cerrado, diseñado para soportar gases o líquidos a una presión sustancialmente diferente de la presión ambiental, ya sea por presión interna o presión externa, independientemente de su forma y dimensiones. Cuando el diseño interno de un contenedor excede 15 psi, este será conocido como un recipiente a presión [3].

[pic 3]

Fig 1. Tanque a presión de hidrógeno sometido a incendio justo después de explotar [2].

Los tanques de alta presión, han demostrado ser una forma bastante eficiente de almacenar hidrógeno, el cual es cada vez más  usado como fuente de energía en diferentes industrias, sin embargo, a lo largo del tiempo han ocurrido varios accidentes por ejemplo el de siete personas heridas dejó explosión de cilindro en Medellín el 14 de septiembre del 2021 [1] todo debido a que este gas es bastante explosivo e inflamable, lo que ocasiona graves daños a las personas e instalaciones cercanas a los tanques.

.

Es bien sabido que, con el aumento de la temperatura, los gases se expanden y aumenta drásticamente la presión dentro del tanque, para que los tanques no exploten bajo estas condiciones, existen dispositivos llamados válvulas de alivio TPRD que se encargan de dejar escapar poco a poco el gas para mantener una presión segura ¿Pero ¿qué sucede cuando estos dispositivos fallan en medio de un incendio? Para evitar un accidente de explosión durante la exposición al fuego se implementa la prueba de fuego la cual es una prueba prototipo esencial para garantizar el rendimiento de seguridad del tanque de almacenamiento de hidrógeno a alta presión sometido a un accidente de incendio [2]. Sin embargo, en ocasiones el tiempo que demora el tanque en llegar a su temperatura crítica no es suficiente para que las personas logren ponerse a salvo.

Para poder dar más tiempo a las personas durante la evacuación de una planta industrial, o inclusive evitar por completo que el tanque explote, cuando se presente un incendio, se van a usar materiales de construcción para los tanques que puedan soportar altas temperaturas y presiones mucho más elevadas.

1. METODOLOGÍA

El tanque de partida, el cual se pretende mejorar está fabricado en material compuesto de fibra de carbono y cubierto totalmente por una capa de aluminio 6061. El tanque tiene 1775 mm de longitud y 370 mm de diámetro exterior y un volumen interno de 165 litros, La presión de trabajo nominal y la presión de trabajo máxima permitida fueron 35,0 y 43,75 MPa, respectivamente y la presión máxima de rotura es de 105 Mpa. Al ser un material compuesto de matriz polimérica, con el aumento de la temperatura se empieza a degradar lo cual hace que el material pierda rápidamente sus propiedades mecánicas.

La idea entonces es hacer una selección de materiales que se puedan usar para para la construcción del tanque que cumplan con tres características principales: Buena resistencia térmica, que le proporcione al tanque una resistencia final de rotura mayor a 105 Mpa y que sea viable económicamente.

[pic 4]

Fig 2. dimensiones de los tanques que se van a usar con 1775 mm de longitud y 370 mm de diámetro exterior y un volumen interno de 165 litros.

Los tanques fabricados en materiales compuestos tienen la ventaja de que son livianos y fáciles de transportar, pero en esta aplicación específica se va a suponer que el tanque va a estar anclado a una planta industrial y no es necesario moverlo del sitio.

Para esta aplicación en específico se podrían usar super materiales como aleaciones Níquel-Cromo-Vanadio o aleaciones de titanio usadas en la industria aeroespacial, pero la idea es mantener los costos bajos por lo que se tomó la decisión de usar algún tipo de acero comercial.

1. PROPUESTA

Entre la gran variedad de aceros se decidió por un acero inoxidable austenítico ya que son extremadamente formales y soldables y se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a temperatura al rojo vivo. Tienen un alto contenido de cromo lo que contribuye a su alta resistencia a la corrosión [4]. lo cual es fundamental en este caso para que el tanque conserve sus propiedades mecánicas.

Se proponen entonces 2 posibles soluciones: La primera, es utilizar un acero de alta resistencia a la tracción el cual es una aleación de Carbono 0,42% Cromo 1,1% Molibdeno 0,2% conocido comercialmente como ASSAB SUPRA 709 el cual tiene una resistencia máxima a la tracción de 1693 Mpa[6]; la segunda, es recomendar fabricar el tanque con forma esférica el cual puede soportar mayor cantidad de presión debido a la distribución de esfuerzos en las paredes del tanque con acero inoxidable 304 el cual tiene una resistencia a la tracción de 1425 Mpa[7] pero es más económico que el SUPRA 709.

1. Diseño usando un tanque cilíndrico.

Se escogió específicamente el Acero ASSAB SUPRA 709 por su elevada resistencia a la tracción, que es del orden de 1693 Mpa. Este es un factor fundamental para desarrollar tanques que se someten a presiones muy grandes, permitiéndonos así fabricar recipientes con paredes muy delgadas.  

En este tipo de tanques cilíndricos sometidos a presiones internas, existen 2 tipos de esfuerzos 𝝈1 y 𝝈2:

[pic 5]

Fig 3. Tipos de esfuerzos presentes en un tanque hueco de geometría cilíndrica [5].

Donde: 𝝈1 =  ec. 1[pic 6]

...