Как предотвратить водородное охрупчивание стали
Часто задаваемые вопросы: Как предупредить водородное охрупчивание стали, а также другие проблемы при работе с водородом
Бадди Дамм (Buddy Damm), старший научный сотрудник, Swagelok
Водород – одно из перспективных решений. Обеспечение безопасности и надежности при работе с водородом от его производства до конечного применения является основным условием для полного раскрытия его потенциала в качестве топлива с нулевым уровнем выбросов, которое можно использовать в самых разных целях.
Однако хранение и транспортировка водорода представляет ряд особых трудностей. Водород – первый элемент в периодической таблице. Он состоит из одного положительно заряженного протона и одного отрицательно заряженного электрона. У водорода самый легкий и один из наименьших атомов. В рамках формирующейся водородной экономики водород применяется в жидкой и газообразной форме. Водород превращается в жидкость при температуре -−252,9°C (−423°F), а его плотность в жидком состоянии примерно в 140 раз выше, чем в газообразном. Транспортировать и хранить водород в жидком состоянии более выгодно, но в момент практического применения водород является газом. Вследствие этого металлы, используемые в водородных системах, могут подвергаться воздействию двух явлений.
- Низкотемпературное охрупчивание: при низких температурах металлы становятся менее пластичными.
- Водородное охрупчивание: При нормальных температурах, когда водород является газом, атомарный водород может проникать в структуру металла и приводить к его охрупчиванию.
В данном случае охрупчивание означает уменьшение пластичности металла, его сопротивления разрыву и усталостной стойкости в рабочей среде по сравнению с этими свойствами в атмосфере и при комнатной температуре. Следствием этих проблем может стать отказ системы, что приводит к повышению риска для безопасности, увеличению времени простоя и финансовым убыткам. С учетом распространения водородной индустрии решение этих проблем при проектировании систем является важнейшим условием для широкого применения водорода в качестве экологически безопасного топлива в долгосрочной перспективе.
Как же специалистам по водороду удается конструировать долговечные водородные системы? Первое, что нужно помнить, – важность выбора материалов для изоляции водорода. Жидкостные и газовые системы , изготовленные из высококачественной нержавеющей стали со специальным составом, лучше справляются с задачами, связанными с изоляцией водорода. Следующие часто задаваемые вопросы помогут понять, что должны учитывать составители спецификаций при выборе материалов для компонентов, которые используются в изоляции водорода.
В: Что такое низкотемпературное охрупчивание металла и какие материалы устойчивы к нему?
О: Низкотемпературное охрупчивание металла – это уменьшение пластичности, ударной вязкости, усталостной прочности и стойкости к разрушению при понижении температуры. Разные типы нержавеющей стали обладают различным уровнем сопротивляемости трещинообразованию, вызванному охрупчиванием. Подробнее смотрите на Рис. 1. Аустенитная нержавеющая сталь подвергается низкотемпературному охрупчиванию лишь в незначительной степени, тогда как ферритная сталь (низколегированная, а также ферритная или дуплексная нержавеющая сталь) подвергается такому влиянию намного сильнее. Именно поэтому аустенитные нержавеющие стали являются эталоном для систем жидкого водорода и представляют собой оптимальный выбор при риске низкотемпературного охрупчивания.
В: Что такое водородное охрупчивание и какие причины его возникновения?
О: Водородное охрупчивание является формой водородной коррозии, вызывающий уменьшение сопротивляемости металла усталостным нагрузкам и разрушению. Водородные молекулы (синего цвета на рис. 2) способны распадаться на атомарный водород (фиолетового цвета на рис. 2) и проникать в металл. Атомы водорода накапливаются в концентраторах напряжений, таких как вершины трещин, или в микроструктурных зонах – границы зерен, включения или выделения. В некоторых случаях атомарный водород может переходить в двухатомное состояние.
В: Какие материалы подвержены водородному охрупчиванию и к чему может привести использование неподходящих сортов нержавеющей стали?
О: Выбор более 'чувствительных' к водородному охрупчиванию материалов может увеличить вероятность нарушения механической целостности системы. Высокопрочные материалы подвергаются более сильному водородному охрупчиванию. Аустенитные нержавеющие стали, обладающие гранецентрированной кубической структурой, умеренной прочностью и высокой природной пластичностью, в целом более совместимы с водородом, чем многие другие металлы. Однако стойкость к водородному охрупчиванию у них различается. См. Рис. 3.
Хотя нержавеющая сталь, как правило, более совместима с водородом по сравнению со многими другими металлами, ее сопротивляемость водородному охрупчиванию зависит от типа стали.
Уменьшение усталостной прочности – более серьезная проблема, чем потеря пластичности. Пластичность – это степень, в которой материал способен выдерживать пластическую деформацию под нагрузкой на растяжение до момента разрушения. Правильно спроектированные компоненты не подвергаются нагрузкам, вызывающим макроскопическую пластическую деформацию. Однако циклические нагрузки, вызванные колебаниями давления, вибрацией или иными рабочими нагрузками, способны вызывать постепенное накопление локальных пластических повреждений и усталостное разрушение – образование трещин в стали под действием многократных нагрузок. Вероятность выхода системы или компонента из строя может увеличиться, если материалы подвергаются внешнему коррозионному воздействию.
Выход компонента из строя, естественно, может повлечь за собой ряд нежелательных последствий, включая следующие:
- Потенциальные проблемы с безопасностью
- Сверхнормативные простои во время обслуживания или ремонта
- Более частая замена компонентов
- Проблемы, связанные с экологией, из-за попадания водорода в окружающую среду
- Более высокие общие эксплуатационные расходы и стоимость владения объектом
В: Как узнать, соответствует ли нержавеющая сталь необходимому уровню качества для работы с водородом?
О: Установлено, что нержавеющие стали высокого качества с повышенным содержанием никеля лучше подходят для водорода, особенно при длительной эксплуатации.
Как видно на Рис. 4, согласно требованиям Американского общества испытаний и материалов (American Society for Testing and Materials, ASTM), нержавеющая сталь 316 должна содержать как минимум 10% никеля, но для решения специфических задач, связанных с водородом, лучше подходит нержавеющая сталь 316 с содержанием никеля не менее 12%. Никель способствует стабилизации микроструктуры нержавеющей стали, делая ее более стойкой к водородному охрупчиванию. В ходе проведения испытаний мы выяснили, что влияние водородного охрупчивания на пластичность при растяжении нержавеющей стали 316 с содержанием никеля 12% незначительно.
Нержавеющая сталь 316 с содержанием никеля как минимум 12% лучше подходит для решения особых проблем, связанных с водородом.
При том что нержавеющая сталь 316 с высоким содержанием никеля, как правило, хорошо подходит для построения водородной системы, возможны ситуации, когда для выполнения требований к характеристикам конкретной системы, например для достижения необходимой прочности или коррозионной стойкости, лучше подойдет другой материал. В таких случаях остановить охрупчивание помогут правильное проектирование и обслуживание. Такие компании, как Swagelok, продолжают исследовать воздействие водорода на другие сплавы и могут помочь вам принять взвешенное решение.
В: Как правильно подобрать высокоэффективные материалы для водородных систем?
Разобраться в том, какие материалы лучше всего подходят для различных жидкостных и газовых систем, может быть непросто, особенно в быстроразвивающейся водородной индустрии. Но прояснить этот вопрос необходимо. При подборе материалов для водородных систем используются стратегические соображения. Самым главным является то, что неправильный выбор может негативно отразиться на перспективе применения водорода в качестве надежного и целесообразного топлива для поддержания экологии.
Выбирайте поставщиков, хорошо разбирающихся в материаловедении и разрабатывающих продукцию, которая успешно используется в водородных системах. Если вам понадобится помощь, специалисты Swagelok по водороду помогут вам подобрать оптимальные материалы для вашей системы и найти решение, соответствующее вашим потребностям.
Сведения об авторе
Бадди Дэмм работает в компании Swagelok с 2023 года. В качестве старшего научного сотрудника по металловедению он занимается улучшением существующих изделий, созданием новых и подбором оптимальных материалов для различных условий эксплуатации. Более 30 лет стажа в нефтегазовой отрасли, авиакосмической промышленности и чистой энергетике позволили Бадди накопить глубокие знания коррозии, усталостных разрушений и инженерии материалов, подтвержденные высшим образованием в Michigan Tech и Colorado School of Mines.
Публикации по вопросам обращения с водородом
Конструкция фитингов для водородных систем
Узнайте, каким образом фитинги, разработанные специально для применения в водородных системах, помогут OEM-производителям транспортных средств на топливных элементах и разработчикам соответствующей инфраструктуры обеспечить более безопасную и надежную работу топливных систем.
Задай вопрос Swagelok: Подробнее о водороде, прооотборе и коррозии
Ознакомьтесь с мнениями экспертов о газовых и жидкостных системах через видеоматериалы от Swagelok. Среди рассматриваемых тем — проектирование и расчет водородных систем, охрупчивание, морская коррозия, отбор жидких проб и многое другое.