Terwijl waterstof razendsnel groeit in populariteit als duurzame brandstof en energiedrager, brengt de veelzijdige stof ook de nodige zorgen met zich mee. Eén daarvan is de waterstofbrosheid die kan ontstaan in austenitisch roestvaststalen leidingen en infrastructuren.
In deze blog gaan we uitgebreid in op waterstofbrosheid. We leggen uit wat dit fenomeen precies inhoudt, wat de risico’s zijn die hierbij komen kijken en hoe de kans op brosheid in roestvaststalen infrastructuren beperkt kan worden.
Definities: brosheid en waterstofbrosheid
Voordat we dieper ingaan op risicofactoren, gevaren en oplossingen, eerst enkele definities:
Wat is brosheid?
Brosheid kan worden gedefinieerd als ‘de eigenschap om met minimale rek te breken’. Wordt er veel kracht uitgeoefend op een bros materiaal, dan zal dit versnipperen of barsten. Enkele voorbeelden van extreem brosse materialen zijn glas en keramiek. Bij de kleinste rek of schok breken deze materialen direct.
Het tegenovergestelde van brosheid, is taaiheid. Taaie materialen vertonen bij een toenemende rek of schok uiteindelijk plastische vervorming, waardoor er nog niet direct een breuk plaatsvindt.
Â
Wat is waterstofbrosheid?
Waterstofbrosheid is het bros worden van materiaal door de invloed van waterstof. Dit fenomeen ontstaat door de diffusie en oplossing van waterstof in de microstructuur van metalen leidingen of infrastructuren. In combinatie met mechanische belasting, zorgt de waterstof voor haarscheurtjes die na verloop van tijd steeds groter worden.
Het concept waterstofbrosheid is niet nieuw. Al in 1875 ontdekte Johnson veranderingen in de taaiheid en breukspanning van ijzer, nadat dit tijdelijk in zuur werd ondergedompeld.
Johnson’s bevindingen leidden tot verder onderzoek, waaruit bleek dat alléén zuren die waterstof produceren door hun inwerking op ijzer tot een verslechtering van eigenschappen leidden. De link met waterstof werd hierdoor al snel gelegd.
Risicofactoren
Inmiddels zijn we 146 jaar verder, en het onderzoek loopt nog steeds. We zijn echter al een stuk wijzer geworden over de werking van waterstofbrosheid en de gevoeligheid van austenitisch roestvaststaal voor dit fenomeen. Zo weten we inmiddels dat de kans op waterstofbrosheid toeneemt door de volgende risicofactoren:
- Een verhoging van de waterstofdruk in transferleidingen of applicaties.
- De vorming van martensitische- en ferritische structuren in materialen door plastische deformatie.
- De toepassing van niet-gestabiliseerde vormen van roestvaststaal.
- Bedrijfstemperaturen tussen de -173 °C (100 K) en 27 °C (300 K), zoals te zien op de onderstaande figuur.
Verhouding plastische rek bij breuk als functie van de testtemperatuur
Waarom is waterstofbrosheid schadelijk?
Er wordt niet voor niets zoveel onderzoek gedaan naar waterstofbrosheid. Een flink aantal industrieën is namelijk afhankelijk van stalen constructies, die mogelijk in bedrijf of tijdens de bouw met waterstof in contact komen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan olie- en gasconstructies, stalen onderdelen van windturbines, architecturale bouwwerken en natuurlijk infrastructuren voor de opslag en het transport van waterstof.
Beschadigt waterstof de kwaliteit van het staal, dan zouden deze constructies relatief snel aan vervanging of reparatie toe zijn en is er na verloop van tijd kans op instorting. Binnen de olie- en gasindustrie speelt daarnaast nog een tweede gevaar: lekkage. Wanneer grote hoeveelheden waterstof een infrastructuur verlaten, is er sprake van brand- en explosiegevaar.
De vorming van waterstofbrosheid neemt tijd in beslag. Het kan jaren duren voordat een infrastructuur zo ver beschadigd is, dat deze instort. Is het echter zover, dan zijn de gevolgen vaak zeer ernstig. Het relatief langzame proces betekent daardoor niet dat de juiste veiligheidsmaatregelen voor het voorkomen van waterstofbrosheid niet essentieel zijn.
Hoe voorkom je waterstofbrosheid?
Maar wat kun je nu doen om het risico op waterstofbrosheid te beperken? Waar moeten infrastructuren voor waterstof aan voldoen om zo lang mogelijk sterk en vrij van scheuren te blijven?
Materiaalkeuze
Ten eerste is de juiste materiaalkeuze essentieel. Zo wordt de kans op waterstofbrosheid verkleind door het verhogen van het Ni-percentage en het verlagen van het C-percentage in het materiaal. Ook de toevoeging van Ti helpt. Deze atomen bezetten kritische plaatsen in de kristalstructuur van austenitisch roestvaststaal. Met andere woorden, de toegevoegde elementen stabiliseren de gewenste microstructuur. Voor veilig gebruik bij waterstof wordt vaak een minimum nikkelgehalte van 10% aangehouden.
Het verschil in de plastische rekverhouding van diverse materialen is duidelijk te zien in de eerder getoonde figuur van G.R. Caskey. De staalsoorten in deze figuur vertonen zeer verschillende reacties bij diverse temperaturen. Het ene materiaal blijft aanzienlijk stabieler in het kritische temperatuurgebied dan het andere.
Welke staalsoort het meest geschikt is voor een specifieke leiding of infrastructuur, verschilt aanzienlijk. Heeft een infrastructuur bijvoorbeeld te maken met regelmatige temperatuurwisselingen, dan is materiaalkeuze extra belangrijk om waterstofbrosheid te voorkomen. Een voorbeeld van een infrastructuur waarbij temperatuurwisselingen gangbaar zijn, is het tankstation.
Lastechniek
Naast de keuze voor de beste staalsoort, heeft ook de gekozen lastechniek invloed op het wel of niet ontstaan van waterstofbrosheid. Door een onzorgvuldige keuze voor materiaal en legering, kan sensitisering plaatsvinden. Sensitisering is de vorming van carbides op de kristalgrenzen van het materiaal bij het lassen.
Gelukkig is sensitisering te voorkomen door het gebruik van een roestvaststaal met een laag koolstofpercentage (<0.03%), zoals RVS 316L of 1.4404. Ook de toevoeging van Ti aan de legering, zoals bij RVS 316Ti of 1.4571, is een goede manier om problemen te voorkomen.
Bij Demaco zijn we ons als geen ander bewust van de risico’s die waterstof met zich meebrengt. We volgen de onderzoeken op het gebied van waterstofbrosheid op de voet en weten precies welke materialen wel en niet geschikt zijn voor verschillende toepassingen. Zo garanderen we optimale kwaliteit en veiligheid.
Meer weten?
Demaco is expert in het ontwikkelen van de beste infrastructuren voor waterstof. Heb je vragen over ons werk? Neem gerust contact met ons op of neem een kijkje tussen onze producten en projecten voor meer informatie.
Meer weten over ons werk met vloeibare waterstof? Bekijk dan deze pagina of onze recente blog over vloeibare waterstof eens. Hierin lees je alles over deze veelzijdige cryogene vloeistof en de jarenlange ervaring die Demaco heeft opgebouwd binnen diverse geavanceerde waterstofprojecten.
Â