Wasserstoffversprödung: Was ist das und wie kann man sie verhindern?

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Wasserstoffversprödung: Was ist das und wie kann man sie verhindern?

Wasserstoff wird als nachhaltiger Brennstoff und Energieträger immer beliebter, aber der vielseitige Stoff hat auch seine Tücken. Eine davon ist die Wasserstoffversprödung, die in Rohrleitungen und Infrastrukturen aus austenitischem Edelstahl auftreten kann.

In diesem Blog konzentrieren wir uns auf die Wasserstoffversprödung. Wir erklären Ihnen, was dieses Phänomen genau bedeutet, welche Risiken es birgt und wie Sie das Risiko der Versprödung von Infrastrukturen aus nichtrostendem Stahl verringern können.

Definitionen: Sprödigkeit und Wasserstoffversprödung

Bevor wir uns eingehender mit Risikofaktoren, Gefahren und Lösungen befassen, zunächst ein paar Definitionen:

Was ist Sprödigkeit?

Sprödigkeit kann definiert werden als „die Eigenschaft, bei minimaler Dehnung zu brechen“. Wenn eine erhebliche Kraft auf ein sprödes Material ausgeübt wird, zerbricht es oder reißt. Einige Beispiele für sehr spröde Materialien sind Glas und Keramik. Bei der geringsten Belastung oder Erschütterung zerbrechen diese Materialien sofort.

Das Gegenteil von Sprödigkeit ist Duktilität. Duktile Werkstoffe weisen mit zunehmender Dehnung oder Erschütterung eine plastische Verformung auf, die jedoch nicht zu einem sofortigen Bruch führt.

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Was ist Wasserstoffversprödung?

Unter Wasserstoffversprödung versteht man die Versprödung von Werkstoffen durch den Einfluss von Wasserstoff. Dieses Phänomen entsteht durch die Diffusion und Auflösung von Wasserstoff in der Mikrostruktur von Metallrohren oder Infrastrukturen. In Verbindung mit mechanischer Belastung führt der Wasserstoff zu Haarrissen, die mit der Zeit immer größer werden.

Das Phänomen der Wasserstoffversprödung ist nicht neu. Bereits 1875 entdeckte Johnson, dass sich die Elastizität und Bruchspannung von Eisen verändert, wenn es vorübergehend in Säure getaucht wird.

Johnsons Erkenntnisse führten zu weiteren Forschungen, die zeigten, dass nur Säuren, die Wasserstoff erzeugen, die Eigenschaften von Eisen durch ihre Wirkung verschlechtern. Die Verbindung zum Wasserstoff war also schnell hergestellt.

Risikofaktoren

Heute sind 146 Jahre vergangen, und die Forschung ist noch nicht abgeschlossen. Inzwischen wissen wir jedoch viel mehr über die Auswirkungen der Wasserstoffversprödung und die Anfälligkeit von austenitischem nichtrostendem Stahl für dieses Phänomen. Wir wissen heute, dass die folgenden Risikofaktoren das Risiko der Wasserstoffversprödung erhöhen:

  • Ein Anstieg des Wasserstoffdrucks in Transferleitungen oder Anwendungen.
  • Die Bildung von martensitischen und ferritischen Strukturen in Werkstoffen durch plastische Verformung.
  • Die Anwendung von nicht stabilisierten Formen von rostfreiem Stahl.
  • Betriebstemperaturen zwischen -173 °C (100 K) und 27°C (300 K), wie in der Abbildung unten dargestellt.
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Plastisches Dehnungsverhältnis bei Bruch in Abhängigkeit von der Prüftemperatur

Warum ist Wasserstoffversprödung zerstörerisch?

Es gibt einen Grund, warum so viel Forschung über Wasserstoffversprödung betrieben wird. Viele Industriezweige sind auf Stahlkonstruktionen angewiesen, die im Betrieb oder beim Bau mit Wasserstoff in Berührung kommen können. Dazu gehören Öl- und Gasstrukturen, Stahlteile von Windkraftanlagen, architektonische Strukturen und natürlich Infrastrukturen für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff.
Wenn Wasserstoff die Qualität des Stahls beschädigt, müssen diese Strukturen relativ schnell ersetzt oder repariert werden, und im Laufe der Zeit besteht die Gefahr des Zusammenbruchs. In der Öl- und Gasindustrie gibt es noch eine zweite Gefahr: Leckagen. Wenn große Mengen Wasserstoff eine Infrastruktur verlassen, besteht die Gefahr von Bränden und Explosionen.

Die Entstehung von Wasserstoffversprödung braucht Zeit. Es kann Jahre dauern, bis eine Infrastruktur so weit beschädigt ist, dass sie zusammenbricht. Wenn dieser Zeitpunkt jedoch gekommen ist, sind die Folgen oft schwerwiegend. Der relativ langsame Prozess bedeutet nicht, dass geeignete Sicherheitsmaßnahmen zur Verhinderung der Wasserstoffversprödung nicht erforderlich sind.

Wie kann man Wasserstoffversprödung verhindern?

Aber was kann man tun, um das Risiko der Wasserstoffversprödung zu verringern? Welche Anforderungen müssen Wasserstoffinfrastrukturen erfüllen, um möglichst lange stabil und rissfrei zu bleiben?

Wahl des Materials

Erstens ist die richtige Auswahl des Materials entscheidend. So verringert beispielsweise eine Erhöhung des Ni-Anteils und eine Verringerung des C-Anteils im Material die Gefahr der Wasserstoffversprödung. Der Zusatz von Ti ist ebenfalls hilfreich. Diese Atome besetzen kritische Stellen in der Kristallstruktur des austenitischen rostfreien Stahls. Mit anderen Worten: Die hinzugefügten Elemente stabilisieren das gewünschte Gefüge. Zur sicheren Verwendung mit Wasserstoff wird häufig ein Mindestnickelgehalt von 10 % eingehalten.

Der Unterschied im plastischen Dehnungsverhältnis verschiedener Materialien ist in der zuvor gezeigten Abbildung von G.R. Caskey zu sehen. Die Stahlsorten in dieser Abbildung zeigen sehr unterschiedliche Reaktionen bei verschiedenen Temperaturen. Ein Material bleibt im kritischen Temperaturbereich wesentlich stabiler als andere.

Welche Stahlsorte für eine bestimmte Rohrleitung oder Infrastruktur am besten geeignet ist, ist sehr unterschiedlich. Ist eine Infrastruktur beispielsweise regelmäßigen Temperaturschwankungen ausgesetzt, ist die Wahl des Materials entscheidend, um Wasserstoffversprödung zu verhindern. Ein Beispiel für eine Infrastruktur, in der die Temperaturveränderung vorherrscht, ist eine Tankstelle.

Schweißtechnik

Neben der Wahl der besten Stahlsorte beeinflusst auch die angewandte Schweißtechnik, ob eine Wasserstoffversprödung auftritt oder nicht. Durch die falsche Wahl von Material und Legierung kann es zu einer Sensibilisierung kommen. Unter Sensibilisierung versteht man die Bildung von Karbiden an den Kristallgrenzen des Werkstoffs während des Schweißens.

Glücklicherweise lässt sich eine Sensibilisierung durch die Verwendung von rostfreiem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (<0,03%), wie z.B. rostfreier Stahl 316L oder 1.4404, verhindern. Der Zusatz von Ti zur Legierung, wie bei rostfreiem 316Ti oder 1.4571, ist ebenfalls eine hervorragende Methode, um dieses Problem zu vermeiden.

Wir bei Demaco sind uns der Risiken, die Wasserstoff mit sich bringt, bewusst wie kein anderer. Wir verfolgen die Forschung auf dem Gebiet der Wasserstoffversprödung genau und wissen genau, welche Materialien für die verschiedenen Anwendungen geeignet sind und welche nicht. Deshalb können wir optimale Qualität und Sicherheit garantieren.

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