Untersuchungen zur Best¤ndigkeit hochfester HFI ... -Standard NACE TM0177 12] -Standard NACE TM

  • View
    225

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Untersuchungen zur Best¤ndigkeit hochfester HFI ... -Standard NACE TM0177 12] -Standard NACE...

  • 1 Oldenburger Rohrleitungsforum 2014

    Untersuchungen zur Bestndigkeit hochfester HFI-geschweiter Rohre fr den Wasserstofftransport

    Von Michaela Trger, Christoph Bosch und Holger Brauer

    1 Einleitung

    Der steigende Energiebedarf sowie die Notwendigkeit, Treibhausgasemmissionen zu vermin-dern, begrnden die Entwicklung neuer Energietrger und Treibstoffe. Im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien und dem Ausstieg Deutschlands aus der Kernenergie gewinnt Was-serstoff als alternativer Energietrger zunehmend an Bedeutung. Fr den Einsatz von Was-serstoff kommen verschiedenste Anwendungsfelder in Betracht. In Power-to-Gas Konzepten ermglicht die Erzeugung von Wasserstoff ber moderne Elektrolyseure die Speicherung von berschussstrom aus erneuerbaren Energien und damit eine Anpassung an reale Ver-brauchszyklen. Eine weitere Anwendung stellt die Nutzung von Wasserstoff als sauberer Energietrger fr die Elektromobilitt dar. Die neuen Anwendungsfelder erfordern eine Infrastruktur fr den Transport und die Speiche-rung von Wasserstoff in groen Mengen. Der Transport von gasfrmigem Wasserstoff ber Rohrleitungen ist dabei nach heutigem Stand der Technik das Mittel der Wahl. Niederfeste Leitungsrohrgten sind auf ihre Verwendbarkeit zum Wasserstofftransport vielfltig untersucht worden und erste Erfahrungen mit Wasserstofftransportleitungen sind vorhanden. Diese Er-fahrungen beschrnken sich aber in der Regel auf niedrige Betriebsdrcke und Auslastungs-flle mit hohen Sicherheitsbeiwerten, bei denen die Leitungen ohne Schden betrieben wer-den knnen. Fr einen wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Transport werden grere Durchflussmengen bentigt, die durch eine hhere Auslastung niederfeste Leitungsrohrgten und/oder durch den Einsatz hherfester Gten realisiert werden knnen. Eine optimale L-sung fr den Bedarf an neuen Gasleitungen stellen niedrig legierte C-Mn Werkstoffe dar, die bestndig gegenber Wasserstoff-beeinflusster Korrosion sind. In der vorliegenden Studie wird das Verhalten hochfester hochfrequenz-induktiv (HFI) ge-schweiter Leitungsrohrsthle hinsichtlich ihrer Bestndigkeit gegenber Wasserstoff-beeinflusster Korrosion bewertet. Hierzu wurden SSRT Tests (slow strain rate tests) im Grundwerkstoff sowie im Schweinahtbereich unter praxisrelevanten Bedingungen unter 80 bar Druckwasserstoff durchgefhrt. Die Bewertung der Eignung des Materials erfolgte an-hand von Zhigkeitskennwerten, maximaler Spannungen und Beurteilung der Bruchflchen.

    2 Grundlagen und Mechanismen der Korrosion durch Wasserstoff

    Die Bestndigkeit von Sthlen gegenber Wasserstoff-beeinflusster Korrosion wird durch Werkstoffparameter wie Festigkeit, Mikrostruktur oder Zusammensetzung und durch die Wechselwirkung von Wasserstoff mit mikrostrukturellen Inhomogenitten (Wasserstofffallen) im Werkstoff mageblich beeinflusst. In Abbildung 1 sind wesentliche Einflussgren auf die Wasserstoffversprdung dargestellt. So spielen nicht nur Vorgnge im Werkstoffinneren, wie

  • 2 Oldenburger Rohrleitungsforum 2014

    z.B. Diffusionseigenschaften oder der Einfluss von Wasserstoff auf Kohsionskrfte, eine Role, sondern auch die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Oxidschichten oder Metallatomen an der Grenzflche zum Medium.

    Abbildung 1: Einflussgren auf die Wasserstoffversprdung [1]

    Die Aufnahme von Wasserstoff kann zum einen unter Einwirkung von stoff H2 erfolgen, welcher hufig als gasfrmiger Wasserstoff unter Druck vorliegt. Zum andren kann durch kathodischen (bertalloberflche atomarer WasserstoffStahl, anodische Teilreaktion). Nur Wasserstoff in atomarer Form kann in den Werkstoff eidringen. Trotz der unterschiedlichsten Prozessschritte, in denen angeboten wird, erfolgt die Aufnahme des Wasserstoffs nach dem gleichen Reaktionsmechnismus. Nach der Adsorption des atomaren Wasserstoffs an der Oberflche kommt es zur Durchtrittsreaktion, die zur Absserstoffs wird absorbiert. Der brige Teil rekombiniert zu an der Oberflche molekular adsobierten Wasserstoff. Durch die Anwesenheit von Promotoren, z.B. Schwefelwasserstoff oder Arsenverbindungen, wird die Donsgifte hemmen die Rekombination zum Molekl, so dass wesentlich mehr Wasserstoff in das Metall eindringt. Eine aktive, saubere Metalloberflche ist, vor allem bei Anwesenheit von gasfrmigem Waserstoff, Voraussetzung fr das Eindringen von Wasserstoff in den Werkstoff. Hierfr sind in der Regel kritische Dehnraten bzw. Verformungen im plastischen Bereich notwendig.Auf Grund des geringen Durchmessers des Wasserstoffatoms von etwa 0,1 nm lagert nach dem Eindringen in den Werkstoff vorzugsweise in Zwischengitterpltzen an. Neben dem so ideal gelsten Wasserstoff diffundiert Wasserstoff zu Bereichen grter Lslichkeit, die als Wasserstofffallen (-senken) wirken (z.B. Phasengrenzen). Je nach Bindungsstrke ist der Wasserstoff diffusiv oder nicht.

    Oldenburger Rohrleitungsforum 2014

    haften oder der Einfluss von Wasserstoff auf Kohsionskrfte, eine Role, sondern auch die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Oxidschichten oder Metallatomen an der Grenzflche zum Medium.

    Abbildung 1: Einflussgren auf die Wasserstoffversprdung [1]

    ie Aufnahme von Wasserstoff kann zum einen unter Einwirkung von molekularemerfolgen, welcher hufig als gasfrmiger Wasserstoff unter Druck vorliegt. Zum and

    durch kathodischen (ber-)schutz oder bei Korrosionsvorgngen direkt an Wasserstoff gebildet werden (Beispiel: Oxidation von niedriglegiertem

    . Nur Wasserstoff in atomarer Form kann in den Werkstoff ei

    Trotz der unterschiedlichsten Prozessschritte, in denen Wasserstoff an der Metallangeboten wird, erfolgt die Aufnahme des Wasserstoffs nach dem gleichen Reaktionsmechnismus. Nach der Adsorption des atomaren Wasserstoffs an der Oberflche kommt es zur Durchtrittsreaktion, die zur Absorption des Wasserstoffs fhrt. Nur ein geringer Teil des Waserstoffs wird absorbiert. Der brige Teil rekombiniert zu an der Oberflche molekular adsobierten Wasserstoff. Durch die Anwesenheit von Promotoren, z.B. Schwefelwasserstoff oder Arsenverbindungen, wird die Durchtrittsreaktion beeinflusst. Diese sogenannten Rekombinatonsgifte hemmen die Rekombination zum Molekl, so dass wesentlich mehr Wasserstoff in

    Eine aktive, saubere Metalloberflche ist, vor allem bei Anwesenheit von gasfrmigem Waserstoff, Voraussetzung fr das Eindringen von Wasserstoff in den Werkstoff. Hierfr sind in der Regel kritische Dehnraten bzw. Verformungen im plastischen Bereich notwendig.Auf Grund des geringen Durchmessers des Wasserstoffatoms von etwa 0,1 nm lagert nach dem Eindringen in den Werkstoff vorzugsweise in Zwischengitterpltzen an. Neben dem so ideal gelsten Wasserstoff diffundiert Wasserstoff zu Bereichen grter Lslichkeit, die als

    senken) wirken (z.B. Korngrenzen, Versetzungen, Mikroporen oder KarbidJe nach Bindungsstrke ist der Wasserstoff diffusiv oder nicht.

    haften oder der Einfluss von Wasserstoff auf Kohsionskrfte, eine Rol-le, sondern auch die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Oxidschichten oder Metallatomen

    molekularem Wasser-erfolgen, welcher hufig als gasfrmiger Wasserstoff unter Druck vorliegt. Zum ande-

    vorgngen direkt an der Me-gebildet werden (Beispiel: Oxidation von niedriglegiertem

    . Nur Wasserstoff in atomarer Form kann in den Werkstoff ein-

    Wasserstoff an der Metalloberflche angeboten wird, erfolgt die Aufnahme des Wasserstoffs nach dem gleichen Reaktionsmecha-nismus. Nach der Adsorption des atomaren Wasserstoffs an der Oberflche kommt es zur

    Nur ein geringer Teil des Was-serstoffs wird absorbiert. Der brige Teil rekombiniert zu an der Oberflche molekular adsor-bierten Wasserstoff. Durch die Anwesenheit von Promotoren, z.B. Schwefelwasserstoff oder

    urchtrittsreaktion beeinflusst. Diese sogenannten Rekombinati-onsgifte hemmen die Rekombination zum Molekl, so dass wesentlich mehr Wasserstoff in

    Eine aktive, saubere Metalloberflche ist, vor allem bei Anwesenheit von gasfrmigem Was-serstoff, Voraussetzung fr das Eindringen von Wasserstoff in den Werkstoff. Hierfr sind in der Regel kritische Dehnraten bzw. Verformungen im plastischen Bereich notwendig. Auf Grund des geringen Durchmessers des Wasserstoffatoms von etwa 0,1 nm lagert es sich nach dem Eindringen in den Werkstoff vorzugsweise in Zwischengitterpltzen an. Neben dem so ideal gelsten Wasserstoff diffundiert Wasserstoff zu Bereichen grter Lslichkeit, die als

    gen, Mikroporen oder Karbid-Je nach Bindungsstrke ist der Wasserstoff diffusiv oder nicht.

  • 3 Oldenburger Rohrleitungsforum 2014

    3 Werkstoffverhalten unter dem Einfluss von Wasserstoff

    Bei statischer Belastung ist, vor allem bei niederfesten Werkstoffgten, kein Einfluss von Druckwasserstoff auf die Festigkeit (Streckgrenze, Zugfestigkeit) bekannt. Die Duktilitt wird hingegen durch das Einwirken von Wasserstoff negativ beeinflusst. So wird eine Abnahme der Bruchzhigkeit und Brucheinschnrung und eine Zunahme von Sekundrrissen und des Sprdbruchanteils beobachtet [2-8]. Auch an hherfesten Leitungsrohrgten wie API X80 [9] wurde kein Einfluss auf die Festigkeit in Zugversuchen festgestellt [10]. Hingegen wurde ein deutlicher Rckgang der Bruchdehnung mit abnehmender Dehnrate gemessen. Die Wassers-toffversprdung in Bezug auf die Duktilitt der Werkstoffe erreichte sowohl in Untersuchungen mit einer niederfesten Gte als auch mit einer hochfesten Gte ein Maximum bei einem H2-Partialdruck von 5-7 MPa [8,10]. Die Anflligkeit der Werkstoffe gegenber Wasserstoffversprdung nimmt mit steigender Fes-tigkeit zu. Dies gilt insbesondere fr Werkstoffe ab einer Zugfestigkeit von ber 900 MPa [2]. So haben zyklische Belastungsversuche an Zugproben gezeigt, dass eine erhhte Bruchanfl-ligkeit erst oberhalb einer Zugfestigkeit von ca. 900 MPa/mm gegeben ist [3]. Bei der Erzeugung einer Rissausbreitung unter zyklischer Belastung sind Bereiche hoher Spannungskonzentration, wie z.B. Kerben, Risse,