Газовая Промышленность 6.2023

Научная статья

УДК 656.56:620.193:620.197
(UDK 656.56:620.193:620.197)

Для получения доступа к статьям

Авторизуйтесь

СТРОИТЕЛЬСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ (CONSTRUCTION AND OIL-AND-GAS PIPELINES’ OPERATION)

ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРА РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛА ТРУБ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К60 ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА В СОСТАВЕ ТРАНСПОРТИРУЕМЫХ МЕТАНОВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ

(CHANGES IN THE MECHANICAL PROPERTIES AND FRACTURE MODE OF THE K60 GRADE PIPE METAL EXPOSED TO HYDROGEN GAS WITHIN TRANSPORTED METHANE-HYDROGEN MIXTURES)

В статье представлены результаты оценки влияния газообразного водорода в составе транспортируемой метановодородной смеси на механические свойства и механизм разрушения металла труб с разным типом структуры стали. Цель работы – анализ изменения механических свойств и характера разрушения металла труб класса прочности К60, изготовленных из стали с различным составом и структурой, под воздействием сухого газообразного водорода, содержащегося в транспортируемой метановодородной смеси.
Исследование проведено по двум направлениям: анализ данных из недавних статей в профильных изданиях и механические испытания металла труб класса прочности К60 (Х70) с ферритно-перлитной и ферритно-бейнитной структурой в наводороженном состоянии. Рассмотрение литературных источников показало общие закономерности изменения механических свойств трубных сталей категорий прочности Х52 – Х100 (классов прочности К50 – К80) в зависимости от концентрации водорода в смеси, давления водорода, прочности металла и его структуры.
Собственные исследования склонности труб к водородному охрупчиванию металла соответствуют разным периодам производства труб (1980‑е гг. и настоящее время). Испытания проводили по методу растяжения с медленной скоростью деформирования на цилиндрических образцах с надрезом (по ASTM G142), которые перед растяжением подвергались наводороживанию в автоклаве с метановодородной смесью с концентрацией водорода 10, 30 и 100 % при давлении 10 МПа. Представлена оценка склонности металла труб к водородному охрупчиванию по относительному изменению параметров пластичности по сравнению с исходным состоянием, а также результаты исследования изломов образцов. Металл труб с обоими типами структуры склонен к водородному охрупчиванию, но в разной мере, и деградация свойств развивается значительно интенсивнее в стали с полосчатой ферритно-перлитной структурой.

The paper evaluates the effect of hydrogen gas within transported methane-hydrogen mixtures on the mechanical properties and fracture mode of pipe metal with different types of steel microstructure. The study aims to assess how the exposure of dry hydrogen gas within transported methane-hydrogen mixtures changes the mechanical properties and fracture mode of the K60 grade pipe metal made of steels of various compositions and structures.
The two lines of the study are analyzing the recent research data and mechanical testing of hydrogen-charged K60 (X70) grade pipe metal that has a ferrite-pearlitic or ferrite-bainitic microstructure. The literature analysis showed some general patterns of change in the mechanical properties of X52 – X100 (K50 – K80) grade pipeline steels depending on the hydrogen concentration in the mixture, hydrogen pressure, metal strength and microstructure. Our research on the hydrogen embrittlement susceptibility of the X70 (K60) grade pipe metal corresponds to different periods of pipe production (the 1980s and the present time). The tests used the slow strain rate test method on notched cylindrical specimens (according to ASTM G142), which were hydrogen charged in autoclaves with methane-hydrogen mixtures with 10, 30, and 100 % hydrogen at 10 MPa before straining.
The paper also gives fracture analysis results and an assessment of the pipe metal susceptibility to hydrogen embrittlement by the relative change in plasticity parameters compared to the initial state. Both microstructures are susceptible to hydrogen embrittlement, though to a different extent, and the degradation is much more intense in the banded ferrite-pearlitic microstructure steel.

ТРУБА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА, ВОДОРОД, ВОДОРОДНОЕ ОХРУПЧИВАНИЕ, МИКРОСТРУКТУРА СТАЛИ, МЕТАНОВОДОРОДНАЯ СМЕСЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ, КВАЗИСКОЛ, РАСЩЕПЛЕНИЕ

PIPE OF A MAIN GAS PIPELINE, HYDROGEN, HYDROGEN EMBRITTLEMENT, STEEL MICROSTRUCTURE, METHANE-HYDROGEN MIXTURE, PLASTICITY, QUASI-CLEAVAGE, SPLITTING

С.Ю. Настич, д.т.н., ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (Санкт-Петербург, Россия), S_Nastich@vniigaz.gazprom.ru

В.А. Лопаткин, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», V_Lopatkin@vniigaz.gazprom.ru

А.Б. Арабей, к.т.н., ООО «Газпром ВНИИГАЗ», A_Arabey@vniigaz.gazprom.ru

В.А. Егоров, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», V_Egorov@vniigaz.gazprom.ru

Н.Б. Нестеров, к.т.н., ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, Россия), N.Nesterov@adm.gazprom.ru

S.Yu. Nastich, DSc in Engineering, Gazprom VNIIGAZ LLC (Saint Petersburg, Russia), S_Nastich@vniigaz.gazprom.ru

V.A. Lopatkin, Gazprom VNIIGAZ LLC, V_Lopatkin@vniigaz.gazprom.ru

A.B. Arabey, PhD in Engineering, Gazprom VNIIGAZ LLC, A_Arabey@vniigaz.gazprom.ru

V.A. Egorov, Gazprom VNIIGAZ LLC, V_Egorov@vniigaz.gazprom.ru

N.B. Nesterov, PhD in Engineering, PJSC Gazprom (Saint Petersburg, Russia), N.Nesterov@adm.gazprom.ru

Аксютин О.Е., Ишков А.Г., Романов К.В. и др. Потенциал метановодородного топлива в условиях перехода к низкоуглеродной экономике // Газовая промышленность. 2017. № S1 (750). С. 82–85.

Cerniauskas S., Chavez Junco A.J., Grube T., et al. Options of natural gas pipeline reassignment for hydrogen: Cost assessment for a Germany case study // Int. J. Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45, No. 21. P. 12095–12107. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.02.121.

Brauer H., Simm M., Wanzenberg E., et al. Energy transition with hydrogen pipes: Mannesmann “H2ready” and the changeover of existing Gasunie natural gas networks // Pipeline Technology. 2020. No. Special 01. P. 16–29.

Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 216 с.

Liu Q., Atrens A. A critical review of the influence of hydrogen on the mechanical properties of medium-strength steels // Corros. Rev. 2013. Vol. 3–6, No. 31. P. 85–103. DOI: 10.1515/corrrev-2013-0023.

Li X., Ma X., Zhang J., et al. Review of hydrogen embrittlement in metals: hydrogen diffusion, hydrogen characterization, hydrogen embrittlement mechanism and prevention // Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.). 2020. Vol. 33. P. 759–773. DOI: 10.1007/s40195-020-01039-7.

Алексеева О.К., Козлов С.И., Фатеев В.Н. Транспортировка водорода // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 3 (21). С. 18–24.

Эфрон Л.И. Металловедение в «большой» металлургии. Трубные стали. М.: Металлургиздат, 2012. 696 с.

Настич С.Ю., Матросов М.Ю. Структурообразование высокопрочных трубных сталей при термомеханической обработке // Металлург. 2015. № 9. С. 46–54.

Ronevich J.A., Song E.J., Somerday P.B., et al Hydrogen-assisted fracture resistance of pipeline welds in gaseous hydrogen // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46, No. 10. P. 7601–7614. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.11.239.

Tazedakis A.S., Voudouris N., Dourdounis E., et al. Qualification of high-strength linepipes for hydrogen transportation based on ASME B31.12 Code // Pipeline Technology Journal. 2021. No. 1. P. 43–50.

Slifka A.J., Drexler E.S., Amaro R.L., et al. Fatigue measurement of pipeline steels for the application of transporting gaseous hydrogen // J. Pressure Vessel Technol. 2018. Vol. 140, No. 1. Article ID 011407. DOI: 10.1115/1.4038594.

Amaro R.L., White R.M., Looney C.P., et al. Development of a model for hydrogen-assisted fatigue crack growth in pipeline steel // J. Pressure Vessel Technol. 2018. Vol. 140, No. 2. Article ID 021403. DOI: 10.1115/1.4038824.

Nanninga N.E., Levy Y.S., Drexler E.S., et al. Comparison of hydrogen embrittlement in three pipeline steels in high pressure gaseous hydrogen environments // Corros. Sci. 2012. Vol. 59. P. 1–9. DOI: 10.1016/j.corsci.2012.01.028.

Wanzenberg E., Henel M., Brauer H., et al. Forschungsvorhaben „H2-PIMS“: Wasserstoff im Erdgasnetz sicher transportieren // Pipelinetechnik. 2019. No. 06. P. 84–93.

Engel C., Marewski U., Schnotz G., et al. Bruchmechanische Prüfungen von Werkstoffen für Gasleitungen zur Bewertung der Wasserstofftauglichkeit: Erste Ergebnisse // Pipelinetechnik. 2020. No. 10–11. P. 34–41.

Meng B., Gu C., Zhang L., et. al. Hydrogen effects on X80 pipeline steel in high-pressure natural gas/hydrogen mixtures // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, No. 11. P. 7404–7412. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.05.145

Zhou D., Li T., Huang D., et al. The experiment study to assess the impact of hydrogen blended natural gas on the tensile properties and damage mechanism of X80 pipeline steel // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46, No. 10. P. 7402–7414. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.11.267.

Moro I., Briottet L., Lemoine P., et al. Hydrogen embrittlement susceptibility of a high strength steel X80 // J. Mater. Sci. Eng. A. 2010. Vol. 527, No. 27–28. P. 7252–7260. DOI: 10.1016/j.msea.2010.07.027.

Stalheim D., Boggess T., San Marchi C., et al. Microstructure and mechanical property performance of commercial grade API pipeline steels in high pressure gaseous hydrogen // Proceedings of the 2010 8th International Pipeline Conference. New York, NY, USA: ASME, 2010. Article ID IPC2010-31301. P. 529–537. DOI: 10.1115/IPC2010-31301.

Настич С.Ю., Лопаткин В.А. Влияние газообразного водорода на механические свойства металла труб магистральных газопроводов // Металлург. 2022. № 6. С. 17–27.

Физика. Диффузия в твердых телах. Методические указания и контрольные задания для самостоятельной работы / cост. Т.В. Стоянова, И.А. Аверин, В.В. Томаев. СПб.: СПГУ, 2020. 46 с.

Aksyutin OYe, Ishkov AG, Romanov KV, Teterevlev RV, Khloptsov VG, Kazaryan VA, et al. The potential of methane-hydrogen fuel in the context of the low-carbon transition. Gas Industry [Gazovaya promyshlennost’]. 2017; 750(S1): 82–85. (In Russian)

Cerniauskas S, Chavez Junco AJ, Grube T, Robinius M, Stolten D. Options of natural gas pipeline reassignment for hydrogen: Cost assessment for a Germany case study. Int. J. Hydrogen Energy. 2020; 45(21): 12095–12107. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.02.121.

Brauer H, Simm M, Wanzenberg E, Henel M, Huising OJ. Energy transition with hydrogen pipes: Mannesmann “H2ready” and the changeover of existing Gasunie natural gas networks. Pipeline Technology. 2020; (Special 01): 16–29.

Kolachev BA. Hydrogen Embrittlement of Metals. Moscow: Metallurgy [Metallurgiya]; 1985. (In Russian)

Liu Q, Atrens A. A critical review of the influence of hydrogen on the mechanical properties of medium-strength steels. Corros. Rev. 2013; 3–6(31): 85–103. https://doi.org/10.1515/corrrev-2013-0023.

Li X, Ma X, Zhang J, Akiyama E, Wang Y, Song X. Review of hydrogen embrittlement in metals: hydrogen diffusion, hydrogen characterization, hydrogen embrittlement mechanism and prevention. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.). 2020; 33: 759–773. https://doi.org/10.1007/s40195-020-01039-7.

Alexeeva OK, Kozlov SI, Fateev VN. Hydrogen transportation. Alternative Fuel Transport [Transport na al’ternativnom toplive]. 2011; 21(3): 18–24. (In Russian)

Efron LI. Physical Metallurgy in Big Metallurgy. Pipe Steels. Moscow: Metallurgizdat; 2012. (In Russian)

Nastich SYu, Matrosov MYu. Microstructure formation in high-strength pipe steels during thermomechanical treatment. Metallurgist [Metallurg]. 2015; (9): 46–54. (In Russian)

Ronevich JA, Song EJ, Somerday PB, San Marchi CW. Hydrogen-assisted fracture resistance of pipeline welds in gaseous hydrogen. Int. J. Hydrogen Energy. 2021; 46(10): 7601–7614. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.239.

Tazedakis AS, Voudouris N, Dourdounis E, Mannucci G, Di Vito LF, Fonzo A. Qualification of high-strength linepipes for hydrogen transportation based on ASME B31.12 Code. Pipeline Technology Journal. 2021; (1): 43–50.

Slifka AJ, Drexler ES, Amaro RL, Hayden LE, Stalheim DG, Lauria DS, et al. Fatigue measurement of pipeline steels for the application of transporting gaseous hydrogen. J. Pressure Vessel Technol. 2018; 140(1): article ID 011407. https://doi.org/10.1115/1.4038594.

Amaro RL, White RM, Looney CP, Drexler ES, Slifka AJ. Development of a model for hydrogen-assisted fatigue crack growth in pipeline steel. J. Pressure Vessel Technol. 2018; 140(2): article ID 021403. https://doi.org/10.1115/1.4038824.

Nanninga NE, Levy YS, Drexler ES, Condon RT, Stevenson AE, Slifka AJ. Comparison of hydrogen embrittlement in three pipeline steels in high pressure gaseous hydrogen environments. Corros. Sci. 2012; 59: 1–9. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2012.01.028.

Wanzenberg E, Henel M, Brauer H, Tamaske E, Neumann H, Großmann A, et al. The research project “H2-PIMS”: Transport hydrogen safely in the natural gas network. Pipeline Technology [Pipelinetechnik]. 2019; (06): 84–93. (In German)

Engel C, Marewski U, Schnotz G, Silcher H, Steiner M, Zickler S. Fracture-mechanical tests of materials for gas pipelines to assess suitability for hydrogen: First results. Pipeline Technology. 2020; (10–11): 34–41. (In German)

Meng B, Gu C, Zhang L, Zhou C, Li X, Zhao Y, et al. Hydrogen effects on X80 pipeline steel in high-pressure natural gas/hydrogen mixtures. Int. J. Hydrogen Energy. 2017; 42(11): 7404–7412. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.05.145.

Zhou D, Li T, Huang D, Wu Y, Huang Z, Xiao W, et al. The experiment study to assess the impact of hydrogen blended natural gas on the tensile properties and damage mechanism of X80 pipeline steel. Int. J. Hydrogen Energy. 2021; 46(10): 7402–7414. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.267.

Moro I, Briottet L, Lemoine P, Andrieu E, Blanc C, Odemer G. Hydrogen embrittlement susceptibility of a high strength steel X80. J. Mater. Sci. Eng. A. 2010; 527(27–28): 7252–7260. https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.07.027.

Stalheim D, Boggess T, San Marchi C, Jansto S, Somerday B, Muralidharan G, et al. Microstructure and mechanical property performance of commercial grade API pipeline steels in high pressure gaseous hydrogen. In: ASME 2010 8th International Pipeline Conference, 27 September – 1 October 2010, Calgary, Canada. New York, NY, USA: ASME; 2010. article ID IPC2010-31301. p. 529–537. https://doi.org/10.1115/IPC2010-31301.

Nastich SYu, Lopatkin VA. Influence of gaseous hydrogen on mechanical properties of metal for pipes of main gas pipelines. Metallurgist. 2022; (6): 17–27. (In Russian)

Stoyanova TV, Averin IA, Tomaev VV (eds.). Physics. Solid Diffusion. Guidelines and Control Tasks for Independent Work. Saint Petersburg: Saint Petersburg Mining University; 2020. (In Russian)

NEFTEGAS.info

Внимание к деталям — от идеи
до воплощения! Только актуальная информация и свежие новости.

Контакты

108811, г. Москва, Киевское ш.,
Бизнес-парк «Румянцево», корп. Б,
подъезд 5, офис 506 Б

+7 (495) 240-54-57