Influence de l’hydrogène sur les matériaux métalliques:
Avec le développement progressif des technologies de l'hydrogène, les essais de matériaux sont confrontés à de nouveaux enjeux: Afin d’analyser l’influence de l’hydrogène (fragilisation) sur les matériaux métalliques pendant le transport et le stockage, des études approfondies sur les matériaux sont nécessaires. Pour transporter l'hydrogène gazeux, les principaux moyens utilisés sont les pipelines et réservoirs. La norme ASME B31.12 joue ici un rôle central dans les essais de matériaux en tant que norme leader des essais sur tuyaux et pipelines utilisés pour transporter de l'hydrogène.
- L’hydrogène gazeux est comprimé (200 - 700 bar) avant son transport ou stockage dans des réservoirs d'hydrogène ou des cylindres d'hydrogène. Pour permettre une sécurité optimale, la stabilité mécanique du matériau doit être garantie contre la fragilisation par l'hydrogène à une pression similaire. Pour répondre au mieux aux exigences de sécurité, une caractérisation du matériau utilisé est requise.
- Les pipelines sont adaptés au transport de grandes quantités d'hydrogène sur de longues distances. Le pipeline de gaz naturel constitue - moyennant quelques adaptations - une solution efficace pour le transport de l’hydrogène. Dans ce cas, la caractérisation des matériaux joue un rôle décisif dans le respect des normes de sécurité afin d'utiliser l'infrastructure existante de manière optimale, tant pour le gaz naturel que pour l'hydrogène. L’hydrogène peut de plus être mélangé à du gaz naturel. Lors du développement et de l'adaptation de nouvelles infrastructures, les valeurs de fragilisation à l'hydrogène des éléments et composants utilisés sont d’autre part très importantes.
La fragilisation à l’hydrogène et le comportement des matériaux dans un environnement d’hydrogène à haute pression sont des éléments clés pour le contrôle qualité et le développement de nouveaux matériaux.
Méthodes normalisées Solutions d’essais en environnement d’hydrogène sous pression Normes de sécurité Projets cliens intéressants
Qu’entend-on par fragilisation par l’hydrogène?
On parle de fragilisation par l’hydrogène lorsque de l'hydrogène pénètre dans le matériau métallique. Le matériau métallique perd alors sa ductilité et devient cassant avec le temps. Cela conduit à une défaillance prématurée en dessous de la limite d'élasticité du matériau métallique ou de la contrainte de conception des composants concernés. En d’autres termes, le matériau „se fatigue“ progressivement.
Selon la source de l’hydrogène, deux types de fragilisation par l’hydrogène (HE) se distinguent:
- La fragilisation interne par l’hydrogène (HE). Dans ce cas, l'hydrogène pénètre dans le matériau pendant le processus de fabrication.
- La fragilisation par l’hydrogène ambiant (HEE). Il s'agit d'un processus au cours duquel l'hydrogène est absorbé par l'environnement et favorise la fragilisation du matériau.
Méthode d'essais pour l'évaluation du comportement des matériaux métalliques sous l'influence de l'hydrogène (fragilisation par l'hydrogène)
Pour évaluer le comportement des matériaux métalliques sous influence de l’hydrogène, de nombreuses méthodes d’essais normalisées sont utilisées. Des solutions d'essais ZwickRoell sont proposées pour ce faire:
- L’ASTM F519 décrit une méthode d'essais mécanique sous charge continue pour évaluer le comportement des matériaux métalliques à haute résistance sous l'influence de l'hydrogène (fragilisation par l'hydrogène, procédé de revêtement)
- L’ASTM F1624 décrit une méthode d'essais accélérée servant évaluer la sensibilité des matériaux métalliques à haute résistance à une rupture retardée par l'influence de l'hydrogène.
- L’ASTM E1681 décrit une méthode qui détermine la résistance à la propagation d'une fissure métallique pré-fissurée dans des conditions environnementales et de charge spécifiques. Cette méthode d'essai est également prescrite par la norme ASME B31.12 dans le cadre des essais de tuyaux et de pipelines dans un environnement d'hydrogène.
Les essais standard suivants sont notamment réalisés dans un environnement d'hydrogène:
- Essais de traction: ASTM E8 Essai de traction Matériaux métalliques (également ISO 6892-1)
- Essais de fatigue: ASTM E319 Directives pour la réalisation d'essais de stabilité, de résistance au fluage et de charge de rupture, ISO 204 Essai de fluage uniaxial en traction, ASTM E1457 Méthode d'essai standard pour mesurer la croissance des fissures de fluage
- SSRT (Slow-Strain-Rate-Testing): ASTM G129, ASTM G142
- Creep Fatigue / Creep Fatigue Crack Growth: ASTM E2714, ASTM E2760
- Mécanique de la rupture: ASTM E399 facteur d’intensité de contrainte critique K1C, ASTM E1820, BS8571, ASTM E647 croissance de la fissure
- Low Cycle Fatigue / LCF: ASTM E606
- High Cycle Fatigue / HCF (essai de fatigue): DIN 50100, ASTM E466-15, ISO 1099
- Essais de dureté tels que ISO 9015 Essai de dureté sur assemblages soudés à l'arc, ISO 22826 Essais de dureté sur joints étroits soudés par faisceau d'électrons et faisceau laser (Essais de dureté Vickers et Knoop), ISO 2639 Détermination et vérification de la profondeur de cémentation des parois de citernes à gaz
Systèmes d'essais et possibilités de simulation d'un environnement d'hydrogène sous pression
ZwickRoell propose des solutions permettant de déterminer avec précision dans quelle mesure les pipelines et réservoirs sont vulnérables aux fissures induites par l'hydrogène. Les connaissances et résultats des tests et essais sont ensuite intégrés dans l'approche de conception basée sur la mécanique de la rupture pour l'infrastructure de transport et de stockage de l'hydrogène. Cela garantit la plus grande sécurité des matériaux structurels.
Des machines d’essai de fluage, machines d’essai statiques et systèmes d’essai servo-hydrauliques jusqu’à 100 kN sont utilisés pour les essais. La gamme des essais englobe les essais de traction, essais de fatigue et inspections mécaniques de la rupture, qui sont réalisés à des pressions jusqu’à 1 000 bar dans un environnement d’hydrogène au moyen d’un autoclave à hydrogène (jusqu’à 400 bar ; modèles spéciaux jusqu’à 1 000 bar) ou adaptateurs pour éprouvettes creuses (technique de l’éprouvette creuse ; jusqu’à 200 bar) et à des températures allant de -85 °C à +150 °C.
Comparaison de la technique de l’autoclave et de la méthode de l’éprouvette creuse
| Autoclave | Éprouvette creuse | |
|---|---|---|
| Avantages |
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| Inconvénients |
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Aperçu des normes de sécurité
- GB/T 26466: Réservoirs fixes en acier plat à bande d’enroulement pour le stockage d'hydrogène sous haute pression
- GB/T 35544: Cylindres renforcés de fibres de carbone entièrement enveloppés avec un liner en aluminium pour le stockage embarqué d'hydrogène comprimé utilisé comme carburant pour les véhicules terrestres
- GB/T 34542: Systèmes de stockage et de transport d'hydrogène gazeux - Partie 1: Exigences générales
- EN 17533: Hydrogène gazeux:- Réservoirs de carburant pour véhicules terrestres
- EN 17339: Bouteilles à gaz transportables - Bouteilles et tubes entièrement gainés en matériau composite à base de carbone pour l'hydrogène
- ISO 19881: Hydrogène gazeux: - Réservoirs de carburant pour véhicules terrestres
- CGA G-5.4-2019 Norme pour les systèmes de tuyauterie d'hydrogène sur les sites de consommation
- CGA G-5.6-2005 Systèmes de tuyauterie d'hydrogène
- CGA G-5.8-2007 Systèmes de tuyauterie d'hydrogène sur les sites de consommation
- ASME B31.12- 2019 Tuyauteries et conduites d’hydrogène
- ASME STP-PT006-2017 Directives de conception pour les tuyauteries et conduites d'hydrogène
