Wpływ wodoru na metale: Kruchość wodorowa
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
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 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 |
|
|
| Niedogodności |
|
|
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
