Vliv vodíku na slitiny kovů: Vodíkové zkřehnutí
S pokračujícím rozvojem vodíkových technologií čelí zkoušení materiálů novým výzvám. Vzhledem k vlivu vodíku na kovové materiály během přepravy a skladování (vodíkové zkřehnutí) musí být podrobeny komplexnímu testování. Hlavním způsobem přepravy plynného vodíku jsou potrubí a nádrže. ASME B31.12 hraje zásadní roli při zkoušení materiálů jako hlavní norma pro zkoušky potrubních systémů pro přepravu vodíku.
- Plynný vodík se před přepravou nebo pro účely skladování stlačuje na 200–700 barů do vodíkových nádrží nebo lahví. Pro dosažení maximální bezpečnosti při tak vysokém tlaku musí být zajištěna odolnost materiálu proti vodíkové křehkosti. Aby byly v co největší míře splněny bezpečnostní požadavky, musí být použitý materiál přesně klasifikován.
- Pro přepravu značných objemů vodíku na velké vzdálenosti se jako ideální řešení nabízí potrubí. Také stávající plynovody jsou po určitých úpravách dobrým řešením pro přepravu vodíku. Charakterizace materiálů hraje klíčovou roli při plnění bezpečnostních norem, aby bylo možné optimálně využívat stávající infrastrukturu pro zemní plyn i vodík. Také je možné vytvořit směs vodíku se zemním plynem. Při vývoji a úpravách nových infrastruktur je důležité znát pevnost použitých součástí z hlediska jejich vodíkové křehkosti.
Vodíkové zkřehnutí a chování materiálů ve vodíkovém prostředí za vysokého tlaku jsou základními prvky kontroly kvality a vývoje nových materiálů.
Standardizované metody Řešení zkoušek v prostředí vodíku o vysokém tlaku Bezpečnostní standardy Zajímavé zakázkové projekty
Co označujeme jako vodíkové zkřehnutí?
K vodíkovému zkřehnutí dochází pronikáním vodíku do kovu, čímž kov ztrácí svou tažnost (houževnatost, tvárnost) a časem se stává křehkým. To vede k předčasnému porušení pod úrovní mezí kluzu kovu nebo konstrukčního napětí příslušných součástí. Jinými slovy, materiál postupně podléhá degradaci.
Podle typu zdroje vodíku se rozlišují dva typy vodíkové křehkosti (HE):
- Interní vodíkové zkřehnutí Vodík zde proniká do materiálu během výrobního procesu.
- Zkřehnutí v prostředí s vodíkem (HEE) Jedná se o proces, při kterém je vodík absorbován z prostředí a způsobí zkřehnutí materiálu.
Zkušební metoda pro hodnocení chování slitin kovů pod vlivem vodíku (vodíková křehkost)
K hodnocení chování kovů pod vlivem vodíku se používá mnoho standardizovaných zkušebních metod. ZwickRoell nabízí optimální řešení pro tuto oblast zkoušení materiálů:
- Norma ASTM F519 popisuje zkušební metodu s trvalým mechanickým zatížením pro hodnocení chování vysokopevnostních kovových materiálů pod vlivem vodíku (vodíková křehkost, proces pokovování).
- Norma ASTM F1624 popisuje zrychlenou zkušební metodu pro stanovení náchylnosti vysokopevnostních kovových materiálů k časově zpožděnému porušení vlivem vodíku.
- Norma ASTM E1681 definuje metodu pro stanovení prahové hodnoty intenzity napětí porušení kovových materiálů vlivem prostředí. Tato zkušební metoda je rovněž uvedena v normě ASME B31.12 v souvislosti se zkoušením potrubí a potrubních rozvodů ve vodíkovém prostředí.
Kromě jiných podmínek se v prostředí vodíku provádějí následující standardizované zkoušky:
- Zkoušky tahem: Zkouška tahem kovových materiálů podle ASTM E8 a ISO 6892-1
- Krípové zkoušky: ASTM E139: Směrnice k provádění krípových zkoušek, lomových a napěťových zkoušek kovových materiálů, ISO 204: Jednoosá krípová zkouška v tahu, ASTM E1457: Standardní zkušební metoda pro měření doby růstu krípových trhlin ve slitinách kovů
- Zkoušky velmi nízkou deformační rychlostí (SSRT): ASTM G129, ASTM G142
- Únava při krípu / Šíření trhliny při krípové únavě: ASTM E2714, ASTM E2760
- Lomová mechanika: ASTM E399 KIc Faktor intenzity kritického napětí, ASTM E1820, BS8571, ASTM E647: Rychlost šíření trhliny
- Nízkocyklová únava / LCF: ASTM E606
- Vysokocyklová únava / HCF: DIN 50100, ASTM E466-15, ISO 1099
- Zkoušky jako ISO 9015 – Zkouška tvrdosti obloukově svařovaných spojů, ISO 22826 – Zkouška tvrdosti tenkých spojů svařovaných laserem a elektronovým paprskem podle Vickerse a Knoopa, ISO 2639 – Stanovení a ověření hloubky nauhličených a kalených pouzder
Zkušební systémy a možnosti simulace prostředí se stlačeným vodíkem
ZwickRoell nabízí řešení pro přesné určení míry citlivosti potrubí a nádrží k trhlinám způsobených vodíkem. Poznatky a výsledky zkoušek a průzkumů jsou následně zahrnuty do přístupu k návrhu infrastruktury pro přepravu a skladování vodíku. Ty jsou založené na lomové mechanice, aby byla zajištěna maximální bezpečnost konstrukčních materiálů.
Pro tyto zkoušky se používají krípové stroje, statické stroje a servohydraulické zkušební systémy až do 100 kN. Široká škála zkoušek zahrnuje tahové zkoušky, únavové zkoušky a zkoušky lomové mechaniky, které se provádějí při tlaku až 1 000 barů ve vodíkovém prostředí ve vodíkovém autoklávu (až 400 barů; speciální verze až 1 000 barů) nebo adaptéru pro duté vzorky (technologie dutých vzorků; až 200 barů) a při teplotách od -85 °C do +150 °C.
Srovnání autoklávové technologie a metody dutých vzorků
| Autokláv | Dutý vzorek | |
|---|---|---|
| Výhody |
|
|
| Nevýhody |
|
|
Přehled norem o bezpečnosti
- GB/T 26466: Stacionární nádoby z ploché oceli s páskovým vinutím pro skladování vodíku o vysokém tlaku
- GB/T 35544: Plně opláštěné lahve vyztužené uhlíkovými vlákny s hliníkovou výstelkou pro úložiště stlačeného vodíku jako paliva pro pozemní vozidla
- GB/T 34542: Systémy skladování a přepravy plynného vodíku – Část 1: Všeobecné požadavky
- EN 17533: Plynný vodík – Lahve a trubky pro stacionární skladování
- EN 17339: Přepravní plynové lahve – Plně oplášťované lahve a trubky z uhlíkových kompozitů pro vodík
- ISO 19881: Plynný vodík – Palivové kontejnery pro pozemní vozidla
- CGA G-5.4-2019: Standard pro vodíkové potrubní systémy v místech uživatelů
- CGA G-5.6-2005: Vodíkové potrubní systémy
- CGA G-5.8-2007: Vysokotlaké vodíkové potrubní systémy v místech uživatelů
- ASME B31.12-2019: Vodíkové potrubí a rozvody
- ASME STP-PT006-2017: Směrnice pro navrhování vodíkových potrubí a produktovodů
