Förstå och minska väteförsprödning i höghållfasta kolstål för vätgasinfrastruktur

Infrastrukturen för vätgastransport och -lagring behöver snarast utvecklas. Vätgasinducerad skada i kolstål innebär dock en betydande risk för haveri, där vätgasförsprödning är ett stort problem.

Kolstål är kostnadseffektiva och mångsidiga material som har använts i årtionden inom gasindustrin för långväga transporter och lagring av olika gaser. Numera är de avsedda att användas för att transportera betydande mängder vätgas. Att identifiera rätt stål för rörledningar och tryckkärl i den kommande vätgasekonomin är en avgörande säkerhetsåtgärd.

I detta projekt syftar vi till att analysera olika höghållfasta kolstål (HSCS) med olika mikrostrukturer och hållfasthetsnivåer för att bestämma deras lämplighet för transport och lagring av vätgas. För att bedöma vätgasens inverkan på HSCS används en kombination av mekaniska provnings- och mikrostrukturanalystekniker.

"Väteförsprödning är ett tvärvetenskapligt område som spänner över materialvetenskap, brottmekanik, elektrokemi och korrosion, bland annat. För att verkligen förstå problemet bör man betrakta det ur alla dessa perspektiv."

- Eduard Navalles

Metall-väte-interaktionen studeras med hjälp av löslighet, diffusivitet och så kallade "fångstplatser", föredragna platser där väte tenderar att ackumuleras. För att göra detta är det avgörande att ha en detaljerad kunskap om stålets mikrostruktur, inklusive kornstorlek, dess mikrobeståndsdelar, utfällda karbider, bearbetningsinducerade föroreningar (inneslutningar) och mellanfaser.

"Att säkerställa att materialen som används i vätgasinfrastrukturen kan motstå verkliga förhållanden är ryggraden i en säker energiomställning Nuria Fuertes
Mekaniskt beteende analyseras med hjälp av ihåliga provkroppsmetoden (HSM), en in-situ-testteknik där trycksatt vätgas införs i en ihålig provkropp. Provkropparna testas under långsam töjningshastighetstestning (SSRT) och lågcykelutmattning (LCF), vilket ger insikter i hur de olika HSCS:erna beter sig i en vätgasmiljö. Sprickmekaniska tester, inklusive utmattningsspricktillväxt (FCG) och brottseghet, kompletterar resultaten.

”Vätgas kan vara lösningen på ett fossilfritt samhälle, men denna dröm kan bara förverkligas genom verklig förståelse från ingenjörer och materialforskare och genom att lösa utmaningarna med väteförsprödning av metalliska material”

- Birhan Sefer

Fraktografi och väteanalys efter mekanisk provning ger en bättre förståelse av felmekanismerna. Svepelektronmikroskopi (SEM) och ljusoptisk mikroskopi (LOM) används för att bedöma graden av försprödning. Elektronbakåtspridningsdiffraktion (EBSD) hjälper till att spåra sprickutbredningsvägen. Dessutom mäter termisk desorptionsmasspektrometri (TDMS) vätehalten i stålet, vilket möjliggör uppskattning av den kritiska vätekoncentrationen som leder till försprödning.

Genom att integrera avancerad mekanisk testning, mikrostrukturell karakterisering och vätekvantifieringsmetoder syftar detta projekt till att identifiera högkvalitativa stål (HSCS) som kan motstå väterika miljöer, vilket i slutändan bidrar till utvecklingen av en säkrare och mer tillförlitlig väteinfrastruktur för framtiden.