Газовая Промышленность 8.2022

Обзорная статья

УДК 620.165-034.1::546.11
(UDK 620.165-034.1::546.11)

Для получения доступа к статьям

Авторизуйтесь

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ (NEW TECHNOLOGIES AND EQUIPMENT)

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК НАВОДОРОЖИВАНИЯ И ИСПЫТАНИЙ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА

(ANALYSIS OF EXISTING HYDROGEN CHARGING TECHNIQUES AND STEEL SPECIMEN TESTING FOR HYDROGEN EXPOSURE)

Рассмотрены основные лабораторные способы наводороживания сталей как материалов, из которых изготавливается оборудование для хранения и транспортирования компримированного водорода. Отмечается, что наиболее распространен электрохимический метод, поскольку он самый простой и эффективный, а кроме того, позволяет имитировать различное напряженное состояние металла в момент воздействия водорода. По результатам литературного обзора рабочих сред, использующихся для электролитического наводороживания образцов, делается вывод, что в качестве электролита могут применяться и щелочные, и кислотные среды. При этом концентрация растворенного в стали водорода зависит от величины рН электролита и достигает максимума в диапазоне от 2 до 5, т. е. при использовании кислотных растворов.
Повышения эффективности наводороживания можно добиться добавлением в электролит специальных реагентов – промоторов. Они ускоряют процесс абсорбции атомов водорода металлом, причем каждый из них эффективен только в определенной области значений рН. В качестве промоторов выступают соединения серы (Na2S), селена (Na2SeO3), теллура (Na2TeO4), фосфора (Ca3P2) и мышьяка (As2O3), располагающиеся по мере усиления наводороживания в следующем порядке: S > P > Se > Te > As. Отмечается, что наиболее эффективный промотор – серу в составе соединения Na2S – целесообразно вводить в электролит только до концентрации ~ 60 мкг / мл. При превышении этого значения количество растворенного в стали водорода уже не увеличивается.
Представлены ссылки на опубликованные источники, где описаны существующие методики испытаний по изучению влияния водорода на механические свойства сталей. Эти способы условно разделены на две группы. К первой относятся методики, где предварительно наводороженные образцы тестируются в воздушной среде, а ко второй – те, где испытания проводятся непосредственно в среде водорода.

The paper considers the main laboratory techniques for hydrogen charging of steels as materials for compressed hydrogen storage and transportation equipment. It is noted that the electrochemical method is the most common as it is simple and effective and allows imitating of various stress states of the metal during hydrogen exposure. The literature review of the operating media for electrolytic charging concludes that both alkaline and acidic media can be used as electrolytes. In this case, the dissolved hydrogen content in steel depends on the electrolyte’s pH and reaches its maximum within the range of 2–5, i.e., when using acidic solutions.
The charging efficiency can be improved by adding special agents – promoters – to the electrolyte. They accelerate the absorption of hydrogen atoms by the metal, though each promoter is only effective in a specific pH range. Sulfur (Na2S), selenium (Na2SeO3), tellurium (Na2TeO4), phosphorus (Ca3P2), and arsenic (As2O3) compounds serve as promoters, with the charging effect enhancing as follows: S > P > Se > Te > As. It is noted that the most effective promoter, sulfur within Na2S, is only feasible to introduce into electrolytes at concentrations up to ~ 60 μg/ml. After exceeding this value, the dissolved hydrogen content in steel no longer increases.
References are given for publications describing the existing test techniques for investigating the effect of hydrogen on the mechanical properties of steels. These techniques are roughly divided into two groups. The first group includes the techniques where specimens charged in advance are tested in the air, while the second one is for those tested directly in the hydrogen environment.

НАВОДОРОЖИВАНИЕ, СТАЛЬ, ЭЛЕКТРОЛИТ, ПРОМОТОР, МЕТОДИКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ, ВОДОРОД

HYDROGEN CHARGING, STEEL, ELECTROLYTE, PROMOTER, PHYSICAL TEST TECHNIQUE, HYDROGEN

И.У. Латипов, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» (Санкт-Петербург, Россия), latipoviu@gmail.com
А.О. Шерстнева, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет», annatilsit@yandex.ru
Г.Г. Попов, к.т.н., ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет», genrih-91@mail.ru
В.И. Болобов, д.т.н., проф., ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет», boloboff@mail.ru

I.U. Latipov, Saint Petersburg Mining University (Saint Petersburg, Russia), latipoviu@gmail.com
A.O. Sherstneva, Saint Petersburg Mining University, annatilsit@yandex.ru
G.G. Popov, PhD in Engineering, Saint Petersburg Mining University, genrih-91@mail.ru
V.I. Bolobov, DSc in Engineering, Professor, Saint Petersburg Mining University, boloboff@mail.ru

Litvinenko V.S. The role of hydrocarbons in the global energy agenda: The focus on liquefied natural gas // Resources. 2020. Vol. 9, No. 5. Article ID 59. DOI: 10.3390/resources9050059.

Развитие водородной энергетики в России: новая энергополитика // АО АК «Деловой профиль»: офиц. сайт. URL: https://delprof.ru/presscenter/open-analytics/razvitie-vodorodnoy-energetiki-v-rossii-novaya-energopolitika/ (дата обращения: 25.07.2022).

Литвиненко В.С., Цветков П.С., Двойников М.В., Буслаев Г.В. Барьеры реализации водородных инициатив в контексте устойчивого развития глобальной энергетики // Записки Горного института. 2020. Т. 244, № 4. С. 428–438. DOI: 10.31897/PMI.2020.4.5.

Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967. 255 с.

Шрейдер А.В. Водород в металлах. М.: Знание, 1979. 64 с.

Efimenko E.A., Sidorenko A.V., Ivanova Yu.S., Sarafanova Ya.A. Evaluation of the hydrogen embrittlement degree for low-carbon steels // ISJAEE. 2003. № S2. P. 94.

Иржов Г.Г., Голованенко С.А., Сергеева Т.К. Сопротивление водородному охрупчиванию сталей для магистральных трубопроводов // Физико-химическая механика материалов. 1982. № 4. С. 89–93.

Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И. Влияние поляризации стали на ее механические свойства // Доклады Академии наук СССР. 1958. Т. 120, № 4. С. 827–829.

Zhou C., Ye B., Song Y., et al. Effects of internal hydrogen and surface-absorbed hydrogen on the hydrogen embrittlement of X80 pipeline steel // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44, No. 40. P. 22547–22558. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.04.239.

Житомирский В.Н., Возный Т.Д., Ткачев В.И. Влияние водорода на деформирование поверхностных слоев металла // Физико-химическая механика материалов. 1982. № 3. С. 115–116.

Depover T., Vercruysse F., Elmahdy A., et al. Evaluation of the hydrogen embrittlement susceptibility in DP steel under static and dynamic tensile conditions // International Journal of Impact Engineering. 2019. Vol. 123. P. 118–125. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2018.10.002.

Ohaeri E., Eduok U., Szpunar J. Relationship between microstructural features in pipeline steel and hydrogen assisted degradation // Eng. Failure Anal. 2019. Vol. 96. P. 496–507. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.11.008.

Hardie D., Charles E.A., Lopez A.H. Hydrogen embrittlement of high strength pipeline steels // Corros. Sci. 2006. Vol. 48, No. 12. P. 4378–4385. DOI: 10.1016/j.corsci.2006.02.011.

Newman J.F., Shreier L.L. Role of hydrides in hydrogen entry into steel from solutions containing promoters // Corros. Sci. 1969. Vol. 9, No. 8. P. 631–641. DOI: 10.1016/S0010-938X(69)80117-4.

Fassina P., Bolzoni F., Fumagalli G., et al. Influence of hydrogen and low temperature on mechanical behaviour of two pipeline steels // Eng. Fract. Mech. 2012. Vol. 81. P. 43–55. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2011.09.016.

Li X. Hydrogen effects on X80 steel mechanical properties measured by tensile and impact testing: MSc thesis. Tampa, FL, USA: University of South Florida, 2016. 44 p.

Dmytrackh I.M., Leshchak R.L., Syrotyuk A.M. Effect of hydrogen concentration on strain behaviour of pipeline steel // Int. J. Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40, No. 10. P. 4011–4018. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.01.094.

Казаков А.А., Рябошук С.В. Физико-химические основы сталеплавильных процессов. СПб.: Политехн. ун-т, 2013. 44 с.

Bolobov V.I., Latipov I.U., Popov G.G., et al. Estimation of the influence of compressed hydrogen on the mechanical properties of pipeline steels // Energies (Basel, Switz.). 2021. Vol. 14, No. 19. Article ID 6085. DOI: 10.3390/en14196085.

Michler T., Wackermann K., Schweizer F. Review and assessment of the effect of hydrogen gas pressure on the embrittlement of steels in gaseous hydrogen environment // Metals (Basel, Switz.). 2021. Vol. 11, No. 4. Article ID 637. DOI: 10.3390/met11040637.

Мороз Л.С., Мингин Т.Э. Исследование механизма водородной хрупкости стали // Доклады Академии наук СССР. 1965. Т. 160, № 2. С. 311–313.

Чугунов А.В., Бебешко И.Г., Семенов А.М. и др. Экспериментальное исследование воздействия смеси газов метана и водорода на структурно-механические свойства некоторых марок стали // Газовая промышленность. 2016. № 10 (744). С. 82–89.

Slifka A.J., Drexler E.S., Nanninga N.E., et al. Fatigue crack growth of two pipeline steels in a pressurized hydrogen environment // Corros. Sci. 2014. Vol. 78. P. 313–321. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.10.014.

Trautmann A., Mori G., Oberndorfer M., et al. Hydrogen uptake and embrittlement of carbon steels in various environments // Materials. 2020. Vol. 13, No. 16. Article ID 3604. DOI: 10.3390/ma13163604.

Бейлинова Т.А., Стороженко И.А., Василенко Е.Н. и др. Влияние длительности хранения водорода на свойства баллонов высокого давления // Металловедение и термическая обработка металлов. 1993. № 3. С. 29–31.

ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение // Кодекс: электрон. фонд правовых и норматив.-техн. док. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004888 (дата обращения: 25.07.2022). Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.

ГОСТ 9013–59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу // Кодекс: электрон. фонд правовых и норматив.-техн. док. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004663 (дата обращения: 25.07.2022). Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.

ГОСТ 9012–59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю // Кодекс: электрон. фонд правовых и норматив.-техн. док. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004695 (дата обращения: 25.07.2022). Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.

ГОСТ 2999–75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу // Кодекс: электрон. фонд правовых и норматив.-техн. док. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004651 (дата обращения: 25.07.2022). Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.

ГОСТ 9450–76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников // Кодекс: электрон. фонд правовых и норматив.-техн. док. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200012869 (дата обращения: 25.07.2022). Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.

Тарабан В.В., Петров Ю.В. Оптимизация ударного разрушения материалов с трещинами // Записки Горного института. 2005. Т. 165. С. 188–190.

ГОСТ 9454–78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах // Кодекс: электрон. фонд правовых и норматив.-техн. док. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200005045 (дата обращения: 25.07.2022). Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.

Гликман Л.А., Снежкова Т.Н. О возникновении остаточных напряжений при электролитическом насыщении поверхности стали водородом // Журнал технической физики. 1952. Т. 22, № 7. С. 1104–1108.

NACE TM0284–2016. Test method. Evaluation of pipeline and pressure vessel steels for resistance to hydrogen-induced cracking // Кодекс: электрон. фонд правовых и норматив.-техн. док. URL: https://docs.cntd.ru/document/557664578 (дата обращения: 25.07.2022). Режим доступа: после приобретения.

Nguyen T.T., Park J.S., Kim W.S., et al. Environment hydrogen embrittlement of pipeline steel X70 under various gas mixture conditions with in situ small punch tests // Mater. Sci. Eng.: A. 2020. Vol. 781. Article ID 139114. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139114.

Shin H.S., Kim K.H., Baek U.B., Nahm S.H. Development of evaluation technique for hydrogen embrittlement behavior of metallic materials using in-situ SP testing under pressurized hydrogen gas conditions // Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A. 2011. Vol. 35, No. 11. P. 1377–1382. DOI: 10.3795/KSME-A.2011.35.11.1377.

Samigullin G., Schipachev A., Samigullina L. Control of physical and mechanical characteristics of steel by small punch test method // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 118. Article ID 012038. DOI: 10.1088/1742-6596/1118/1/012038.

ГОСТ ISO 11114-4–2017. Баллоны газовые переносные. Совместимость материалов, из которых изготовлены баллоны и клапаны, с содержимым газом. Часть 4. Методы испытания для выбора металлических материалов, устойчивых к водородному охрупчиванию // Кодекс: электрон. фонд правовых и норматив.-техн. док. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200161244 (дата обращения: 25.07.2022). Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.

Litvinenko VS. The role of hydrocarbons in the global energy agenda: The focus on liquefied natural gas. Resources. 2020; 9(5): article ID 59. https://doi.org/10.3390/resources9050059.

JSC “Delovoy Profile”. Hydrogen energy development in Russia: A new energy policy. Available from: https://delprof.ru/press-center/open-analytics/razvitie-vodorodnoy-energetiki-v-rossii-novaya-energopolitika/ [Accessed: 25 July 2022]. (In Russian)

Litvinenko VS, Tsvetkov PS, Dvoynikov MV, Buslaev GV. Barriers to implementation of hydrogen initiatives in the context of global energy sustainable development. Journal of Mining Institute [Zapiski Gornogo instituta]. 2020; 244(4): 428–438. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.4.5.

Moroz LS, Chechulin BB. Hydrogen Embrittlement of Metals. Moscow: Metallurgy [Metallurgiya]; 1967. (In Russian)

Shreider AV. Hydrogen in Metals. Moscow: Knowledge [Znanie]; 1979. (In Russian)

Efimenko EA, Sidorenko AV, Ivanova YuS, Sarafanova YaA. Evaluation of the hydrogen embrittlement degree for low-carbon steels. ISJAEE. 2003; (S2): 94.

Irzhov GG, Golovanenko SA, Sergeeva TK. Hydrogen embrittlement resistance of steels for main pipelines. Soviet Materials Science [Fizikohimicheskaya mekhanika materialov]. 1982; (4): 89–93. (In Russian)

Karpenko GV, Kripyakevich RI. The effect of polarization on the mechanical properties of steel. Doklady Physical Chemistry [Doklady Akademii Nauk SSSR]. 1958; 120(4): 827–829. (In Russian)

Zhou C, Ye B, Song Y, Cui T, Xu P, Zhang L. Effects of internal hydrogen and surface-absorbed hydrogen on the hydrogen embrittlement of X80 pipeline steel. Int. J. Hydrogen Energy. 2019; 44(40): 22547–22558. https://doi.org/j.ijhydene.2019.04.239.

Zhitomirskiy VN, Vozny TD, Tkachev VI. Effects of hydrogen on metal surface layer strains. Soviet Materials Science. 1982; (3): 115–116. (In Russian)

Depover T, Vercruysse F, Elmahdy A, Verleysen P, Verbeken K. Evaluation of the hydrogen embrittlement susceptibility in DP steel under static and dynamic tensile conditions. International Journal of Impact Engineering. 2019; 123: 118–125. https://doi.org/j.ijimpeng.2018.10.002.

Ohaeri E, Eduok U, Szpunar J. Relationship between microstructural features in pipeline steel and hydrogen assisted degradation. Eng. Failure Anal. 2019: 96: 496–507. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.11.008.

Hardie D, Charles EA, Lopez AH. Hydrogen embrittlement of high strength pipeline steels. Corros. Sci. 2006; 48(12): 4378–4385. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2006.02.011.

Newman JF, Shreier LL. Role of hydrides in hydrogen entry into steel from solutions containing promoters. Corros. Sci. 1969; 9(8): 631–641. https://doi.org/10.1016/S0010-938X(69)80117-4.

Fassina P, Bolzoni F, Fumagalli G, Lazzari L, Vergani L, Sciuccati A. Influence of hydrogen and low temperature on mechanical behaviour of two pipeline steels. Eng. Fract. Mech. 2012; 81: 43–55. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2011.09.016.

Li X. Hydrogen effects on X80 steel mechanical properties measured by tensile and impact testing. MSc thesis. University of South Florida; 2016.

Dmytrackh IM, Leshchak RL, Syrotyuk AM. Effect of hydrogen concentration on strain behaviour of pipeline steel. Int. J. Hydrogen Energy. 2015; 40(10): 4011–4018. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.01.094.

Kazakov AA, Ryaboshuk SV. Physicochemical Fundamentals of Steelmaking Processes. Saint Petersburg: Saint Petersburg State Polytechnic University [Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj politekhnicheskij universitet]; 2013. (In Russian)

Bolobov VI, Latipov IU, Popov GG, Buslaev GV, Martynenko YaV. Estimation of the influence of compressed hydrogen on the mechanical properties of pipeline steels. Energies (Basel, Switz.). 2021; 14(19): article ID 6085. https://doi.org/10.3390/en14196085.

Michler T, Wackermann K, Schweizer F. Review and assessment of the effect of hydrogen gas pressure on the embrittlement of steels in gaseous hydrogen environment. Metals (Basel, Switz.). 2021; 11(4): article ID 637. https://doi.org/10.3390/met11040637.

Moroz LS, Mingin TE. Research on the hydrogen embrittlement mechanism of steels. Doklady Physics [Doklady Akademii Nauk SSSR]. 1965; 160(2): 311–313. (In Russian)

Chugunov AV, Bebeshko IG, Semenov AM, Becker W, Fenin C, Hoecher T. Experimental research in the influence of a mixture of methane and oxygen gases upon structural and mechanical properties of several steel grades. Gas Industry [Gazovaya promyshlennost’]. 2016; 744(10): 82–89. (In Russian)

Slifka AJ, Drexler ES, Nanninga NE, Levy YS, McColskey D, Amaro RL, et al. Fatigue crack growth of two pipeline steels in a pressurized hydrogen environment. Corros. Sci. 2014; 78: 313–321. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2013.10.014.

Trautmann A, Mori G, Oberndorfer M, Bauer S, Holzer C, Dittmann C. Hydrogen uptake and embrittlement of carbon steels in various environments. Materials. 2020; 13(16): article ID 3604. https://doi.org/10.3390/ma13163604.

Beilinova TA, Storozhenko IA, Vasilenko EN, Dudnik AF, Feiglin VN. Effect of prolonged retention of hydrogen on the properties of high-pressure cylinders. Metal Science and Heat Treatment [Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov]. 1993; 35: 165–168. https://doi.org/10.1007/BF00776843.

The USSR State Committee of Standards. GOST 1497–84 (state standard). Metals. Methods of tension test. Available from: https://docs.cntd.ru/document/1200004888 [Accessed: 25 July 2022]. (Accessible for registered users; in Russian)

The Committee of Standards, Measures and Measuring Devices at the Council of Ministers of the USSR. GOST 9013–59. Metals. Method of measuring Rockwell hardness. Available from: https://docs.cntd.ru/document/1200004663 [Accessed: 25 July 2022]. (Accessible for registered users; in Russian)

The USSR Ministry of Ferrous Metallurgy [Ministerstvo chyornoj metallurgii SSSR]. GOST 9012–59. Metals. Method of Brinell hardness measurement. Available from: https://docs.cntd.ru/document/1200004695 [Accessed: 25 July 2022]. (Accessible for registered users; in Russian)

The USSR State Committee of Standards at the Council of Ministers of the USSR. GOST 2999–75. Metals and alloys. Vickers hardness test by diamond pyramid. Available from: https://docs.cntd.ru/document/1200004651 [Accessed: 25 July 2022]. (Accessible for registered users; in Russian)

The USSR State Committee of Standards at the Council of Ministers of the USSR. GOST 9450–76. Measurements microhardness by diamond instruments indentation. Available from: https://docs.cntd.ru/document/1200012869 [Accessed: 25 July 2022]. (Accessible for registered users; in Russian)

Taraban VV, Petrov YuV. Impact fracture optimization for cracked materials. Journal of Mining Institute. 2005; 165: 188–190. (In Russian)

The USSR Ministry of Ferrous Metallurgy. GOST 9454–78. Metals. Method for testing the impact strength at low, room and high temperature. Available from: https://docs.cntd.ru/document/1200005045 [Accessed: 25 July 2022]. (Accessible for registered users; in Russian)

Glikman LA, Snezhkova TN. On residual stress formation during electrolytic hydrogen charging of steel surface. Journal of Technical Physics [Zhurnal tekhnicheskoj fiziki]. 1952; 22(7): 1104–1108. (In Russian)

NACE. NACE TM0284–2016. Test method. Evaluation of pipeline and pressure vessel steels for resistance to hydrogen-induced cracking. Available from: https://docs.cntd.ru/document/557664578 [Accessed: 25 July 2022]. (Available upon purchase)

Nguyen TT, Park JS, Kim WS, Nahm SH, Beak UB. Environment hydrogen embrittlement of pipeline steel X70 under various gas mixture conditions with in situ small punch tests. Mater. Sci. Eng.: A. 2020; 781: article ID 139114. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139114.

Shin HS, Kim KH, Baek UB, Nahm SH. Development of evaluation technique for hydrogen embrittlement behavior of metallic materials using in-situ SP testing under pressurized hydrogen gas conditions. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A. 2011; 35(11): 1377–1382.
https://doi.org/10.3795/KSME-A.2011.35.11.1377.

Samigullin G, Schipachev A, Samigullina L. Control of physical and mechanical characteristics of steel by small punch test method. J. Phys.: Conf. Ser. 2018; 118: article ID 012038. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1118/1/012038.

Federal Agency on Technical Regulating and Metrology. GOST ISO 11114-4–2017. Transportable gas cylinders. Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents. Part 4. Test methods for selecting steels resistant to hydrogen embrittlement. Available from: https://docs.cntd.ru/document/1200161244 [Accessed: 25 July 2022]. (Accessible for registered users; 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