Ny kunskap om vätgasflöden ska bidra till säkra rörledningar

Med hjälp av avancerade mätmetoder har forskare vid Luleå tekniska universitet tagit fram ny kunskap om flödesfenomen i vätgasrörledningar. Resultaten visar hur små virvelrörelser kan påverka ledningars livslängd och säkerhet. Den nya kunskapen kan bidra till utvecklingen av säkrare standarder för framtidens vätgasinfrastruktur.

Ett ökande behov av vätgas innebär också ett växande behov av rörledningar som kan transportera gasen säkert över långa sträckor. Men vätgasens unika egenskaper gör att dess flödesbeteende skiljer sig från andra gaser och kunskapen om hur dessa flöden påverkar rörledningarnas livslängd är ännu begränsad.

I projektet Vätgastransport i rörledningar har Sofia Larsson, biträdande professor i strömningslära vid Luleå tekniska universitet, undersökt hur flöden i rörböjar beter sig och vilka mekaniska påfrestningar som kan uppstå över tid. Resultaten bidrar till att öka förståelsen för så kallad swirl-switching, ett fenomen där virvlar i flödet växlar mellan två tillstånd och skapar upprepade belastningar i rörmaterialet.

– Våra mätningar visar att virvelväxlingar i rörböjar kan ske upp till tio gånger per sekund, vilket över en rörlednings livstid motsvarar miljarder belastningscykler. Att förstå hur dessa påverkar materialets hållfasthet är avgörande för att rörledningar ska kunna användas säkert under lång tid, säger Sofia Larsson, biträdande professor i strömningslära vid Luleå tekniska universitet.

Sofia Larsson, biträdande professor i strömningslära vid Luleå tekniska universitet.

Säkrare metoder och bättre förståelse

Eftersom det är både riskfyllt och komplicerat att experimentera med vätgas har forskarna utvecklat en metod där vatten används som modellvätska. Genom optiska mätningar och simuleringar kan resultaten från vattenflöden överföras till vätgasflöden med hög noggrannhet.

Den experimentella uppställningen, som bygger på tomografisk Particle Tracking Velocimetry (PTV), gör det möjligt att visualisera flöden tredimensionellt och är, så vitt forskarna vet, de första 3D-mätningarna i sitt slag för en rörböj.

– Genom att använda vatten kan vi på ett säkert och kostnadseffektivt sätt studera de flödesmekanismer som är centrala i vätgastransporter. Det ger oss en solid vetenskaplig grund innan vi går vidare till experiment med vätgas i större skala, säger Sofia Larsson.

Grund för framtida standarder

Kunskapen som projektet har genererat är viktig för att utforma framtidens vätgasinfrastruktur. Resultaten kan på sikt användas för att utveckla nationella och internationella standarder för hur rörledningar ska dimensioneras och testas, särskilt med hänsyn till kalla klimat.

I norra Sverige varierar både mark- och lufttemperatur kraftigt. Det kalla klimatet påverkar framför allt distributionsledningar ovan jord, som ofta innehåller många rörböjar. För dessa konstruktioner är robusthet och noggrann design avgörande för säker drift.

– Det kalla klimatet i norra Sverige ställer särskilda krav på konstruktionen av vätgasledningar. Våra resultat kan bidra till att skapa säkrare och mer tillförlitliga standarder för hur dessa system ska byggas och testas, säger Sofia Larsson.

Projektet har också resulterat i en vetenskaplig översiktsartikel publicerad i International Journal of Hydrogen Energy, som fått stor spridning och klassats som Highly Cited av Web of Science, ett tecken på dess genomslag inom forskningsfältet.

Nästa steg är att validera simuleringsresultaten mot experimentella mätningar. På längre sikt vill forskarna genomföra tester i verkliga vätgasrörledningar, bland annat vid den kommande testanläggningen H2-Lab i Piteå. För att det ska bli möjligt krävs dock fortsatt finansiering och långsiktig satsning på forskningen.

• Jubileumsfonden
• Strömningslära