Воздействие водорода на металлы: водородное охрупчивание
Прогрессивное развитие водородных технологий предъявляет новые требования к испытаниям материалов: По причине влияния водорода (водородное охрупчивание) на металлические материалы при транспортировке и хранении необходимы разнообразные исследования материалов. Для транспортировки газообразного водорода используют, прежде всего, трубопроводы и резервуары. Центральную роль в области испытаний материалов играет ASME B31.12 как ведущий стандарт для испытаний труб и трубопроводов для транспортировки водорода.
- Газообразный водород перед транспортировкой или при хранении сжимают в водородных резервуарах / цилиндрах (200 - 700 бар). Для обеспечения оптимальной безопасности при таком сжатии необходимо гарантировать механическую устойчивость материала к водородному охрупчиванию. Для наилучшего соответствия требованиям к безопасности необходимо знать характеристики используемого материала.
- Трубопроводы подходят для транспортировки больших объемов водорода на большие дистанции. Эффективным решением для транспортировки водорода является уже существующий трубопровод природного газа (с некоторой адаптацией). Здесь определение характеристик материала играет решающую роль для соблюдения требований стандарта к безопасности, чтобы оптимально использовать имеющуюся инфраструктуру как для природного газа, так и для водорода. Кроме того, водород можно смешивать с природным газом. При разработке и адаптации новых инфраструктур важно знать прочность используемых изделий и компонентов в плане их реакции на водородное охрупчивание.
Водородное охрупчивание и поведение материала в водородной среде при высоком давлении являются ключевыми элементами в плане контроля качества и разработки новых материалов.
Нормативные методики Решения для испытаний в водородной среде под давлением Стандарты безопасности Интересные проекты заказчиков
Что представляет собой водородное охрупчивание?
Под водородным охрупчиванием подразумевают проникновение водорода в металл. Вследствие этого металл теряет пластичность (деформируемость) и со временем становится хрупким. Это приводит к преждевременному разрушению ниже предела текучести металла или конструктивного напряжения соответствующих изделий. Другими словами: материал постепенно «устает».
В зависимости от источника водорода различают два типа водородного охрупчивания (HE):
- Внутреннее водородное охрупчивание (IHE). При этом водород проникает в материал в течение процесса изготовления.
- Атмосферное водородное охрупчивание (HEE). Здесь речь идет о процессе, при котором водород поступает из окружающей среды и провоцирует охрупчивание материала.
Испытательные методики для оценки поведения металлов вод влиянием водорода (водородное охрупчивание)
Для оценки поведения металлов под влиянием водорода существует много нормативных испытательных методик. Для этого фирма ZwickRoell предлагает соответствующие решения:
- Стандарт ASTM F519 описывает методику механического испытания при длительном нагружении для оценки поведения высокопрочных металлических материалов под влиянием водорода (водородное охрупчивание, технология покрытий)
- Стандарт ASTM F1624 описывает методику ускоренного испытания для оценки склонности высокопрочных металлических материалов к замедленному разрушению под влиянием водорода.
- Стандарт ASTM E1681 описывает методику, определяющую сопротивление роста предварительно нанесенной на металл трещины при определенных окружающих условиях и нагружении. Эта испытательная методика также регламентирована в стандарте ASME B31.12 в рамках испытаний труб и трубопроводов в водородной среде.
В водородной среде, кроме всего прочего, проводят следующие стандартные испытания:
- Испытания на растяжение: ASTM E8, испытание металлов на растяжение (также ISO 6892-1)
- Испытания на длительную прочность: ASTM E319 Директивы для проведения длительных испытаний, испытаний на длительную прочность, испытаний на разрушающее нагружение, ISO 204, одноосное усталостное испытание при растягивающем нагружении, ASTM E1457 стандартный метод испытания для измерения роста трещины
- SSRT (Slow-Strain-Rate-Testing): ASTM G129, ASTM G142
- Creep Fatigue / Creep Fatigue Crack Growth: ASTM E2714, ASTM E2760
- Механика разрушения: ASTM E399 K1C критический коэффициент интенсивности напряжения, ASTM E1820, BS8571, ASTM E647 рост трещины
- Low Cycle Fatigue / LCF: ASTM E606
- High Cycle Fatigue / HCF (усталостное испытание): DIN 50100, ASTM E466-15, ISO 1099
- Испытания на определение твердости: например, ISO 9015 определение твердости сваренных дуговой сваркой соединений, ISO 22826 определение твердости узких сваренных лазером и электронным лучом соединений по Виккерсу и Кнупу, ISO 2639 определение и проверка глубины твердости стенки резервуара для газа
Испытательные системы и возможности моделирования водородной среды под давлением
Фирма ZwickRoell предлагает решения для точного определения степени подверженности трубопроводов и резервуаров водородному растрескиванию. Выводы и результаты испытаний и исследований затем включаются в основанный на механике разрушения подход к проектированию инфраструктуры для транспортировки и хранения водорода. Таким образом гарантируется высочайшая степень безопасности структурных материалов.
Для исследований применяют машины для усталостных испытаний, статические универсальные испытательные машины и сервогидравлические испытательные машины номиналом до 100 кН. Спектр исследований включает в себя испытания на растяжение, усталостные испытания и исследования механики разрушения, проводимые под давлением до 1000 бар в водородной среде посредством водородного автоклава (до 400 бар; специальное исполнение - до 1.000 бар) или адаптера полых образцов (технология полых образцов; до 200 бар) и при температурах от -85 °C до +150 °C.
Сравнение автоклава и технологии полых образцов
| Автоклав | Полый образец | |
|---|---|---|
| Преимущества |
|
|
| Недостатки |
|
|
Обзор стандартов безопасности
- GB/T 26466: Стационарные плоские стальные емкости с ленточной обмоткой для хранения водорода под высоким давлением
- GB/T 35544: Полностью обернутые цилиндры, армированные углеродным волокном, с алюминиевым вкладышем для бортового хранения сжатого водорода в качестве топлива для наземных транспортных средств
- GB/T 34542: Системы хранения и транспортировки газообразного водорода - ч. 1: общие требования
- EN 17533: Газообразный водород - емкости и трубы для стационарного хранения
- EN 17339: Переносные газовые баллоны - баллоны и трубы из углеродных композитов в оболочке для водорода
- ISO 19881: Газообразный водород - топливные емкости для наземных транспортных средств
- CGA G-5.4-2019 Стандарт для систем водородных трубопроводов в местах расположения потребителей
- CGA G-5.6-2005 Водородные трубопроводы
- CGA G-5.8-2007 Водородные трубопроводы под высоким давлением в местах расположения потребителей
- ASME B31.12- 2019 Водородные трубопроводы и магистрали
- ASME STP-PT006-2017 Конструкционные директивы для водородных трубопроводов и магистралей
