Водородное охрупчивание: что это такое и как его предотвратить?

Это всё о Криогении.

Водородное охрупчивание1

Водородное охрупчивание: что это такое и как его предотвратить?

Хотя водород быстро набирает популярность в качестве экологичного топлива и энергоносителя, это универсальное вещество связано и с некоторыми проблемами. Одним из них является водородное охрупчивание, которое может произойти в трубопроводах и инфраструктурах из аустенитной нержавеющей стали.

В этом блоге мы сосредоточимся на водородном охрупчивании. Мы объясним, что именно влечет за собой это явление, какие риски существуют и как снизить риск хрупкости в инфраструктурах из нержавеющей стали.

Определения: хрупкость и водородное охрупчивание

Прежде чем мы углубимся в факторы риска, опасности и решения, сначала дадим несколько определений:

Что такое хрупкость?

Хрупкость можно определить как «свойство ломаться при минимальном удлинении». Если к хрупкому материалу приложить значительную силу, он разлетится на куски или треснет. Примерами высокохрупких материалов являются стекло и керамика. При малейшем растяжении или ударе эти материалы мгновенно разрушаются.

Противоположностью хрупкости является пластичность. Вязкие материалы в конечном итоге демонстрируют пластическую деформацию при увеличении деформации или удара, что не приводит к немедленному разрушению.

Водородное охрупчивание2

Что такое водородное охрупчивание?

Водородное охрупчивание — это хрупкость материала под воздействием водорода. Это явление происходит из-за диффузии и растворения водорода в микроструктуре металлических трубопроводов или инфраструктур. В сочетании с механическим напряжением водород создает волосяные трещины, которые со временем становятся все больше и больше.

Явление водородного охрупчивания не является новым. Еще в 1875 году Джонсон обнаружил изменения в упругости и напряжении разрушения железа после его временного погружения в кислоту.

Выводы Джонсона привели к дальнейшим исследованиям, которые показали, что только кислоты, выделяющие водород, ухудшают свойства железа в результате своего воздействия. Таким образом, связь с водородом была быстро установлена.

Факторы риска

Прошло 146 лет, а исследования все еще продолжаются. Однако мы стали гораздо лучше разбираться в эффекте водородного охрупчивания и уязвимости аустенитной нержавеющей стали к этому явлению. Теперь мы знаем, что следующие факторы риска увеличивают риск водородного охрупчивания:

  • Повышение давления водорода в линиях передачи или приложениях.
  • Формирование мартенситных и ферритных структур в материалах путем пластической деформации.
  • Применение нестабилизированных форм нержавеющей стали.
  • Рабочие температуры от -173 °C (100 K) до 27 °C (300 K), как показано на рисунке ниже.
Водородное охрупчивание3

Коэффициент пластического растяжения при разрушении в зависимости от температуры испытания

Почему водородное охрупчивание является разрушительным?

Существует причина, по которой так много исследований проводится по водородному охрупчиванию. Многие отрасли промышленности зависят от стальных конструкций, которые могут контактировать с водородом в процессе эксплуатации или строительства. К ним относятся нефтегазовые конструкции, стальные детали ветряных турбин, архитектурные сооружения и, конечно же, инфраструктура для хранения и транспортировки водорода.
Когда водород повреждает качество стали, эти конструкции необходимо относительно быстро заменить или отремонтировать, а со временем возникает риск обрушения. В нефтегазовой промышленности существует и вторая опасность: утечка. Когда большое количество водорода покидает инфраструктуру, возникает риск пожара и взрыва.

Формирование водородного охрупчивания требует времени. Могут пройти годы, прежде чем инфраструктура будет повреждена до состояния коллапса. Однако, когда это время наступает, последствия часто бывают тяжелыми. Относительно медленный процесс не означает, что надлежащие меры безопасности для предотвращения водородного охрупчивания не являются необходимыми.

Как предотвратить водородное охрупчивание?

Но что можно сделать для снижения риска водородного охрупчивания? Каким требованиям должна соответствовать водородная инфраструктура, чтобы как можно дольше оставаться прочной и не иметь трещин?

Выбор материала

Во-первых, необходимо правильно выбрать материал. Например, увеличение процентного содержания Ni и уменьшение процентного содержания C в материале снижает вероятность водородного охрупчивания. Добавление титана также помогает. Эти атомы занимают критические места в кристаллической структуре аустенитной нержавеющей стали. Другими словами, добавленные элементы стабилизируют желаемую микроструктуру. Для безопасного использования с водородом часто поддерживается минимальное содержание никеля 10%.

Разница в коэффициенте пластической деформации различных материалов видна на ранее показанном рисунке Г.Р. Каски. Типы стали на этом рисунке демонстрируют совершенно разные реакции при различных температурах. Один материал остается значительно более стабильным в критическом диапазоне температур, чем другие.

Тип стали, наиболее подходящий для конкретного трубопровода или инфраструктуры, существенно различается. Например, если инфраструктура подвергается регулярным изменениям температуры, выбор материала имеет большое значение для предотвращения водородного охрупчивания. Примером инфраструктуры, где преобладает изменение температуры, является автозаправочная станция.

Техника сварки

Помимо выбора оптимальной марки стали, применяемая технология сварки также влияет на возникновение или отсутствие водородного охрупчивания. При неправильном выборе материала и сплава может возникнуть сенсибилизация. Сенсибилизация — это образование карбидов на границах кристаллов материала во время сварки.

К счастью, сенсибилизацию можно предотвратить, используя нержавеющую сталь с низким процентным содержанием углерода (<0,03%), например, нержавеющую сталь 316L или 1.4404. Добавление Ti в сплав, как в нержавеющей стали 316Ti или 1.4571, также является отличным методом для предотвращения этой проблемы.

В компании Demaco мы, как никто другой, знаем о рисках, которые влечет за собой водород. Мы внимательно следим за исследованиями в области водородного охрупчивания и точно знаем, какие материалы подходят и не подходят для различных применений. Именно поэтому мы можем гарантировать оптимальное качество и безопасность.

Водородное охрупчивание4

Хочешь узнать больше?

Компания Demaco является экспертом в разработке наиболее оптимальных инфраструктур для водорода. У вас есть вопросы о нашей работе? Не стесняйтесь обращаться к нам или ознакомьтесь с нашими продуктами и проектами для получения дополнительной информации.

Хотите узнать больше о нашей работе с жидким водородом? Пожалуйста, загляните на эту страницу или прочитайте наш недавний блог о жидком водороде. В этом блоге вы можете прочитать все об этой универсальной криогенной жидкости и о многолетнем опыте компании Demaco в реализации различных передовых водородных проектов.

Поделиться в facebook
Поделиться в linkedin
Поделиться в email

Связанные должности

Пожалуйста, свяжитесь с нами для получения дополнительной информации

Subscribe to Demaco