Часто задаваемые вопросы: Как предотвратить водородное охрупчивание

Часто задаваемые вопросы: Как предотвратить водородное охрупчивание и другие проблемы при работе с водородом

Бадди Дамм (Buddy Damm), старший научный сотрудник, Swagelok

Независимость от ископаемых видов топлива. Энергетический кризис вследствие геополитического конфликта. Возрастающая необходимость борьбы с изменением климата. Это лишь несколько причин для поиска надежных альтернативных видов энергии.

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. Это самый маленький и легкий атом. В развивающейся экономике водородной энергетики водород используется 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 H2 в жидком состоянии более выгодно, но в момент практического применения H2 является газом. Вследствие этого металлы, используемые в водородных системах, могут подвергаться воздействию двух явлений.

1. Низкотемпературное охрупчивание: при низких температурах металлы становятся менее пластичными.
2. Водородное охрупчивание: атомарный водород может проникать в металл и вызывать его охрупчивание.

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.

Коротко о фактах, касающихся водорода

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»?

О. Низкотемпературное охрупчивание — это уменьшение пластичности, ударной вязкости, усталостной прочности и стойкости к разрушению при понижении температуры. Аустенитная нержавеющая сталь подвергается низкотемпературному охрупчиванию лишь в незначительной степени, тогда как ферритная сталь (низколегированная и ферритная нержавеющая сталь) подвергается такому влиянию намного сильнее. По этой причине аустенитная нержавеющая сталь считается эталоном для систем с жидким водородом.

В. Как водород проникает в металл?

О. Молекулы водорода (H₂, синего цвета) могут распадаться на атомарный водород (H, красного цвета) и проникать в металл. Атомы водорода накапливаются в зонах с концентрацией напряжений, таких как вершина трещины, или в микроструктурных зонах, таких как границы зерен, включения или выделения. В некоторых случаях атомарный водород может преобразовываться в двухатомный водород.

В. Что такое «водородное охрупчивание»?

О. Водородное охрупчивание уменьшает усталостную прочность и стойкость металла к разрушению. Высокопрочные материалы подвергаются более сильному водородному охрупчиванию.
 

Хотя нержавеющая сталь, как правило, более совместима с водородом по сравнению со многими другими металлами, ее сопротивляемость водородному охрупчиванию зависит от типа стали.

Аустенитная нержавеющая сталь отличается гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической структурой, средней прочностью и высокой пластичностью. И хотя она, как правило, более совместима с водородом по сравнению со многими другими металлами, ее сопротивляемость водородному охрупчиванию зависит от типа стали.

В. Каковы потенциальные последствия применения более восприимчивой стали?

О. Выбор материалов, более восприимчивых к водородному охрупчиванию, может повысить вероятность нарушения целостности системы.

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, приводящим к пластической деформации. Однако циклические нагрузки, вызванные колебаниями давления, вибрацией или иными рабочими нагрузками, могут привести к постепенному повреждению и разрушению из-за усталости — ослабления стали по причине повторяющихся нагрузок или напряжений. Вероятность выхода системы или компонента из строя может повыситься, если материалы подвергаются внешнему коррозионному воздействию, например воздействию воды.

Выход компонента из строя, естественно, может повлечь за собой ряд нежелательных последствий, включая следующие:

В. Кат отличить высококачественную нержавеющую сталь от некачественной?

Высококачественная нержавеющая сталь с повышенным содержанием никеля лучше подходит для H₂, особенно при длительной эксплуатации.

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 особых проблем, связанных с водородом, лучше подходит нержавеющая сталь 316 с содержанием никеля как минимум 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 убедиться в выборе высокоэффективных материалов?

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.

Ознакомьтесь с решениями в сфере экологически чистой энергии