Przejdź do zawartości strony

Wpływ wodoru na metale: Kruchość wodorowa

Gazowy wodór: Wymagania badawcze i wyzwania w magazynowaniu i transporcie.

Badanie materiałów stoi przed nowymi wyzwaniami w miarę ciągłego rozwoju technologii wodorowych: Ze względu na wpływ wodoru (kruchość wodorowa) na materiały metaliczne podczas transportu i przechowywania, wymagane są szeroko zakrojone badania materiałów. Rurociągi i zbiorniki służą przede wszystkim do transportu wodoru w postaci gazowej. Kluczową rolę w badaniu materiałów norma ASME B31.12 odgrywa tutaj wiodącą rolę w badaniu rur i rurociągów przenoszących wodór.

  • Wodór gazowy jest sprężany (200 - 700 barów) przed transportem lub przechowywaniem w zbiornikach lub butlach z wodorem. Aby zapewnić optymalne bezpieczeństwo, przy takim ciśnieniu należy zagwarantować mechaniczną stabilność materiału przed kruchością wodorową. Aby jak najlepiej spełnić wymagania bezpieczeństwa, należy scharakteryzować zastosowany materiał.
  • Rurociągi nadają się do transportu dużych ilości wodoru na duże odległości. Istniejący gazociąg ziemny stanowi efektywne rozwiązanie w zakresie transportu wodoru – z modyfikacjami. W tym przypadku charakterystyka materiałów odgrywa kluczową rolę w spełnieniu norm bezpieczeństwa w celu optymalnego wykorzystania istniejącej infrastruktury zarówno dla gazu ziemnego, jak i wodoru. Możliwe jest także mieszanie wodoru z gazem ziemnym. Podczas opracowywania i dostosowywania nowej infrastruktury ważna jest znajomość wytrzymałości stosowanych części i komponentów w odniesieniu do ich właściwości związanych z kruchością wodorową.

Kruchość wodorowa i zachowanie materiału w środowisku wodoru pod wysokim ciśnieniem to kluczowe elementy kontroli jakości i opracowywania nowych materiałów.

standaryzowane procedury Rozwiązania badawcze w środowisku wodoru pod ciśnieniem Standardy bezpieczeństwa Ciekawe projekty klientów

Co oznacza kruchość wodorowa?

Kruchość wodorowa występuje, gdy wodór penetruje metal. W rezultacie metal traci swoją plastyczność (rozciągliwość, odkształcalność) i z czasem staje się kruchy. Prowadzi to do przedwczesnego uszkodzenia poniżej granicy plastyczności metalu lub naprężenia obliczeniowego odpowiednich komponentów. Innymi słowy: materiał stopniowo „męczy się”.

W zależności od źródła wodoru istnieją dwa rodzaje kruchości wodorowej (HE):

  • Wewnętrzna kruchość wodorowa (IHE). Wodór przenika do materiału podczas procesu produkcyjnego.
  • Kruchość środowiskowa wodoru (HEE). Jest to proces, w którym wodór jest absorbowany ze środowiska i powoduje kruchość materiału.

Metoda badania oceny zachowania metali pod wpływem wodoru (kruchość wodorowa)

Do oceny zachowania metali pod wpływem wodoru stosuje się wiele znormalizowanych metod badawczych . W tym celu dostępne są rozwiązania badawcze ZwickRoell:

  • ASTM F519 opisuje metodę badań mechanicznych pod ciągłym obciążeniem do oceny zachowania materiałów metalicznych o wysokiej wytrzymałości pod wpływem wodoru (kruchość wodorowa, procesy powlekania)
  • ASTM F1624 opisuje przyspieszoną metodę badania służącą do oceny podatności materiałów metalowych o wysokiej wytrzymałości na opóźnione w czasie uszkodzenie spowodowane wpływem wodoru.
  • ASTM E1681 opisuje metodę określania odporności na rozwój pęknięć w metalu wstępnie pękniętym w określonych warunkach środowiskowych i obciążeniowych. Ta procedura testowa jest również określona w normie ASME B31.12 dotyczącej badania rur i badania rurociągów w środowisku wodoru.

W środowisku wodorowym przeprowadzane są m.in. następujące standardowe badania:

  • Badanie w kierunku na rozciąganie: ASTM E8 Badanie w kierunku na rozciąganie Metal (także ISO 6892-1)
  • Badanie pełzania: ASTM E319 wytyczne dotyczące przeprowadzania badania stabilności, badania pełzania i badania obciążenia zrywającego, ISO 204 Jednoosiowe badanie pełzania pod obciążeniem rozciągającym, standardowa metoda badawcza ASTM E1457 do pomiaru wzrostu pęknięć pełzających
  • SSRT (Slow-Strain-Rate-Testing): ASTM G129, ASTM G142
  • Creep Fatigue / Creep Fatigue Crack Growth: ASTM E2714, ASTM E2760
  • Mechanika pękania: ASTM E399 Współczynnik intensywności naprężeń krytycznych K1C, ASTM E1820, BS8571, ASTM E647 Wzrost rysy
  • Low Cycle Fatigue / LCF: ASTM E606
  • High Cycle Fatigue / HCF (Badanie zmęczeniowe): DIN 50100, ASTM E466-15, ISO 1099
  • Badania twardości takie jak badanie twardości połączeń spawanych łukowo według ISO 9015 , badanie twardości wąskich połączeń spawanych wiązką lasera i elektronów wg ISO 22826 wg Vickersa i Knoopa, wyznaczanie i weryfikacja głębokości twardości ścianki zbiornika gazu wg ISO 2639
Wodór & Metal | Test KIH
ASTM E1681
Test KIH według ASTM E1681 to test mechaniki pękania mający na celu określenie progowego współczynnika intensywności naprężenia (KIH) materiału metalicznego w środowisku wodoru.
do Wodór & Metal | Test KIH
Wodór & Metal | Uszkodzenie materiału spowodowane kruchością wodorową
ASTM F1624
Norma ASTM F1624 opisuje przyspieszoną metodę badania służącą do określania podatności materiałów metalowych o wysokiej wytrzymałości na opóźnione w czasie uszkodzenie spowodowane kruchością wodorową.
do Wodór & Metal | Uszkodzenie materiału spowodowane kruchością wodorową
Wodór & Metal | Kruchość wodorowa stali w procesie powlekania
ASTM F519
ASTM F519 opisuje mechaniczną metodę badania kruchości wodorowej materiałów metalowych o wysokiej wytrzymałości.
do Wodór & Metal | Kruchość wodorowa stali w procesie powlekania

Systemy badawcze i opcje symulacji środowiska wodoru pod ciśnieniem

ZwickRoell oferuje rozwiązania pozwalające precyzyjnie określić, w jakim stopniu rurociągi i zbiorniki są podatne na pęknięcia wywołane wodorem. Ustalenia i wyniki testów i badań są następnie uwzględniane w podejściu do projektowania infrastruktury transportu i magazynowania wodoru w oparciu o mechanikę pękania . Zapewnia to najwyższe bezpieczeństwo materiałów konstrukcyjnych.

Do badań stosowane są pełzarki, statyczne uniwersalne maszyny wytrzymałościowe i serwo-hydrauliczne systemy badawcze do 100 kN. Zakres badań obejmuje próby rozciągania, próby zmęczeniowe i badania mechaniki pękania, które przeprowadzane są pod ciśnieniami do 1000 barów w środowisku wodorowym z wykorzystaniem autoklawu wodorowego (do 400 bar; wykonania specjalne do 1000 bar) lub łącznik pustej próbki (technologia pustych próbek; do 200 bar) i w temperaturach od -85 °C do +150 °C.

Porównanie technologii autoklawowej i metod pustych próbek

Autoklaw Pusta próbka
Zalety
  • Sprawdzona metoda
  • Badanie na standardowych próbkach
  • Niższe koszty
  • Krótszy czas trwania badania
Niedogodności
  • Wysokie koszty
  • Długie czasy testów, zwłaszcza przy wysokich ciśnieniach i niskich temperaturach
  • Geometria próbek do badań nie została jeszcze ujednolicona
  • Należy ustalić korelację wyników z wynikami uzyskanymi w autoklawie
Wodór | Badanie materiałów w atmosferze wodoru pod ciśnieniem – technologia pustych próbek
do 200 bar
do Wodór | Badanie materiałów w atmosferze wodoru pod ciśnieniem – technologia pustych próbek
Wodór | Badanie materiałów w ciśnieniowych autoklawach wodorowych
do 400 barów; Wersje specjalne do 1000 barów
do Wodór | Badanie materiałów w ciśnieniowych autoklawach wodorowych

Standardy bezpieczeństwa w skrócie

  • GB/T 26466: Stacjonarne płaskie zbiorniki stalowe zwijane taśmowo do magazynowania wodoru pod wysokim ciśnieniem
  • GB/T 35544: Całkowicie owinięte butle wzmocnione włóknem węglowym z aluminiową wkładką do przechowywania na pokładzie sprężonego wodoru jako paliwa do pojazdów lądowych
  • GB/T 34542: Systemy magazynowania i transportu wodoru gazowego – Część 1: Ogólne wymagania
  • EN 17533: Wodór gazowy - butle i tuby do stacjonarnego przechowywania
  • EN 17339: Przenośne butle z gazem — w pełni pokryte butle i rurki z kompozytu węglowego na wodór
  • ISO 19881: Wodór gazowy – zbiornik paliwa do pojazdów lądowych
  • CGA G-5.4-2019 Norma dotycząca systemów rurociągów wodoru w zakładach konsumenckich
  • CGA G-5.6-2005 Systemy rurociągów wodorowych
  • CGA G-5.8-2007 Wysokociśnieniowe rurociągi z wodorem w zakładach konsumenckich
  • ASME B31.12- 2019 Rury i linie wodorowe
  • ASME STP-PT006-2017 Wytyczne projektowe dotyczące rurociągów i rur wodorowych

Ciekawe projekty klientów w badaniach wodorowych

Dodatkowe informacje

Wodór | Badania materiałów kriogenicznych
Badania materiałów kriogenicznych przeprowadza się w niskich temperaturach poniżej <120 K (-153°C). Niskie temperatury są generowane przy użyciu komór temperaturowych, kriostatów zanurzeniowych lub kriostatów przepływowych.
do Wodór | Badania materiałów kriogenicznych
Wodór | Badanie ogniw paliwowych
do Wodór | Badanie ogniw paliwowych
Top