blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-1-35-42blackmet-2476Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПредварительная оценка возможности использования труб большого диаметра из стали Х52 для транспортировки чистого газообразного водорода под давлениемPreliminary assessment of X52 large-diameter pipes suitability for transportation of pressurized pure gaseous hydrogenПышминцевИ. Ю.PyshmintsevI. Yu.

Игорь Юрьевич Пышминцев, д.т.н., профессор, директор по научной работе, ПАО «Трубная металлургическая компания», генеральный директор, ООО «ТМК НТЦ», генеральный директор, АО «РусНИТИ»

Россия, 101000, Москва, ул. Покровка, 40, стр. 2А

Igor’ Yu. Pyshmintsev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director for Research, JSC “TMK”, General Director, LLC “Research and Development Centre TMK”, General Director, Russian Scientific Research Institute of the Pipe In­dustry

40/2a Pokrovka Str., Moscow 101000, Russian Federation

PyshmintsevIU@tmk-group.comГизатуллинА. Б.GizatullinA. B.

Антон Бильгуварович Гизатуллин, заместитель директора по научной работе

Россия, 101000, Москва, ул. Покровка, 40, стр. 2А

Anton B. Gizatullin, Deputy Director for Research

40/2a Pokrovka Str., Moscow 101000, Russian Federation

Anton.Gizatullin@chelpipegroup.comДевятериковаН. А.DevyaterikovaN. A.

Наталья Анатольевна Девятерикова, главный специалист Центра труб промышленного назначения

Россия, 101000, Москва, ул. Покровка, 40, стр. 2А

Natal’ya A. Devyaterikova, Chief Specialist of Industrial Pipe Center

40/2a Pokrovka Str., Moscow 101000, Russian Federation

n.devyaterikova@chelpipegroup.comЛаевК. А.LaevK. A.

Константин Анатольевич Лаев, к.т.н., главный специалист отдела труб инфраструктурных проектов Центра труб промышленного назначения

Россия, 101000, Москва, ул. Покровка, 40, стр. 2А

Konstantin A. Laev, Cand. Sci. (Eng.), Chief Specialist of Industrial Pipe Center

40/2a Pokrovka Str., Moscow 101000, Russian Federation

Konstantin.Laev@chelpipegroup.comЦветковА. С.TsvetkovA. S.

Антон Сергеевич Цветков, к.т.н., инженер, заместитель заведующего испытательной лаборатории НТК «Новые технологии и материалы» центра НТИ

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Anton S. Tsvetkov, Cand. Sci. (Eng.), Engineer, Deputy Head of the Experimental Laboratory of the Scientific and Technical Complex “New Technologies and Materials” of the Center for Scientific and Technical Research

29 Politekhnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russian Federation

tsvetkov_as@spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6701-1765АльхименкоА. А.AlkhimenkoA. A.

Алексей Александрович Альхименко, директор НТК «Новые технологии и материалы»

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Alexei A. Alkhimenko, Director of the Scientific and Technological Complex “New Technologies and Materials”

29 Politekhnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russian Federation

a.alkhimenko@spbstu.ruШапошниковН. О.ShaposhnikovN. O.

Никита Олегович Шапошников, исполнительный директор НТК «Новые технологии и материалы» центра НТИ

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Nikita O. Shaposhnikov, Executive Director of the Scientific and Technological Complex “New Technologies and Materials”

29 Politekhnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russian Federation

shaposhnikovno@gmail.comКуракинМ. К.KurakinM. K.

Максим Константинович Куракин, инженер, руководитель проектов НТК «Новые технологии и материалы» центра НТИ

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Maksim K. Kurakin, Engineer, Project Manager of the Scientific and Technical Complex “New Technologies and Materials” of the Center for Scientific and Technical Research

29 Politekhnicheskaya Str., St. Petersburg 195251, Russian Federation

maksim_kurakin@mail.ruПАО «Трубная металлургическая компания»РоссияJSC “TMK”Russian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation2023010320236613542Copyright © Пышминцев И.Ю., Гизатуллин А.Б., Девятерикова Н.А., Лаев К.А., Цветков А.С., Альхименко А.А., Шапошников Н.О., Куракин М.К., 20232023Пышминцев И.Ю., Гизатуллин А.Б., Девятерикова Н.А., Лаев К.А., Цветков А.С., Альхименко А.А., Шапошников Н.О., Куракин М.К.Pyshmintsev I.Y., Gizatullin A.B., Devyaterikova N.A., Laev K.A., Tsvetkov A.S., Alkhimenko A.A., Shaposhnikov N.O., Kurakin M.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2476

Для оценки стойкости к водородному охрупчиванию, вызванному присутствием водорода в транспортируемом продукте, и, соответственно, пригодности труб для транспортировки водорода был исследован основной металл труб большого диаметра класса прочности X52 производства АО «Челябинский трубопрокатный завод» (входит в группу компаний ПАО «Трубная металлургическая компания»). В работе изучено влияние чистого газообразного водорода под давлением до 10 МПа на изменение механических характеристик основного металла труб большого диаметра (ТБД). Исследование проводилось при предварительном наводороживании в стационарном автоклаве под давлением, а также при одновременном нагружении с малой скоростью деформации (SSRT) в ожидаемых условиях эксплуатации. Результаты исследования металла ТБД Х52 показывают отсутствие существенного влияния воздействия газообразного водорода под давлением в течение 24 – 144 ч на механические характеристики основного металла, определяемые при статическом одноосном растяжении (снижение пластических характеристик не превышает 9 %). При испытании SSRT со скоростью не более 1·10–6 с–1 в среде чистого газообразного водорода под давлением 10 МПа изменение прочностных и пластических характеристик не превышает 13 % в сравнении с контрольными испытаниями в среде азота под тем же давлением. Полученные результаты позволяют считать основной металл низколегированной трубной стали с феррито-перлитной микроструктурой класса прочности X52 достаточно устойчивым к водородному охрупчиванию. Окончательным подтверждением возможности применения ТБД из исследуемой стали будут служить результаты дальнейших квалификационных испытаний, включающих изучение свойств металла шва и зоны термического влияния.

In order to assess the resistance to hydrogen embrittlement caused by the presence of hydrogen in the transported product, and, accordingly, the suitability of pipes for transporting hydrogen, we studied the metal of large-diameter X52 strength class pipes manufactured by JSC “ChelPipe” (a TMK Group company). The work included the study of pure gaseous hydrogen effect under pressure up to 10 MPa on change in mechanical characteristics of the base metal of large-diameter pipes (LDP) during preliminary hydrogen charging for various periods in a stationary autoclave under pressure, and during simultaneous loading with a slow strain rate (SSRT) under expected operating conditions. Results of the X52 LDP metal study show that there is no significant impact on the effect of gaseous hydrogen under pressure for up to 144 hours on mechanical characteristics of the base metal determined by static uniaxial tension (decrease in ductile characteristics does not exceed 9 %). During SSRT at a rate of not more than 1·10–6 s–1 in a pure gaseous hydrogen environment under a pressure of 10 MPa, the change in strength and ductile characteristics does not exceed 13 % in comparison with the reference tests in a nitrogen environment under the same pressure. The results obtained allow us to consider that the base metal of low-alloy pipe steel with ferrite-perlite microstructure of X52 strength class is sufficiently resistant to hydrogen embrittlement. Final confirmation of the possibility of using LDP made from steel under study will be the results of further qualification tests, including the study of the weld metal and heat-affected zone properties.

сталь трубопроводнаяводородное охрупчиваниеиспытания при малой скорости деформациитранспорт водородатрубопровод большого диаметраХ52испытания на растяжениеавтоклав для испытаний в среде водородаpipeline steelhydrogen embrittlementslow strain rate testhydrogen transportlarge diameter pipelineX52 steeltensile testsautoclave for testing in a hydrogen environmentИсследование выполнено при поддержке ПАО «ТМК» и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (контракт № 075-15-2022-311).The research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation as part of the World-Class Research Center program: Advanced Digital Technologies (contract No. 075-15-2022-311 dated 20 April 2022).ReferencesЧугунов А.В., Бебешко И.Г., Семенов А.М., Беккер В., Фенин К., Хечер Т. Экспериментальное исследование воздействия смеси газов метана и водорода на структурно-механические свойства некоторых марок стали. Газовая промышленность. 2016; 10: 82–89.Chugunov A.V. Bebeshko I.G., Semenov A.M., Becker W., Fenin C., Hoecher T. Experimental research in the influence of a mixture of methane and oxygen gases uponstructural and mechanical properties of several steel grades. Gazovaya promyshlennost’. 2016; 10: 82–89. (In Russ.).Kolesov S., Alekseeva E. Evaluation of the stress-strain state in alloy 718 after hydrogen charging. In: Proceedings of the 9th Int. Symp. on Superalloy 718 & Derivatives: Energy, Aerospace, and Industrial Applications. The Minerals, Me­tals & Materials Series. 2018: 553–563. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89480-5_36Kolesov S., Alekseeva E. Evaluation of the stress-strain state in alloy 718 after hydrogen charging. In: Proceedings of the 9th Int. Symp. on Superalloy 718 & Derivatives: Energy, Aerospace, and Industrial Applications. The Minerals, Me­tals & Materials Series. 2018: 553–563. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89480-5_36Kolesov S., Badrak R., Shakhmatov A. Hydrogen influence on crack propagation and stress-strain evolution of alloy 718. In: Proceedings of the 9th Int. Symp. on Superalloy 718 & Derivatives: Energy, Aerospace, and Industrial Applications. The Minerals, Metals & Materials Series. 2018: 209–218. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89480-5_12Kolesov S., Badrak R., Shakhmatov A. Hydrogen influence on crack propagation and stress-strain evolution of alloy 718. In: Proceedings of the 9th Int. Symp. on Superalloy 718 & Derivatives: Energy, Aerospace, and Industrial Applications. The Minerals, Metals & Materials Series. 2018: 209–218. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89480-5_12Frolova K., Vilchevskaya E., Polyanskiy V., Alekseeva E. Modelling of a hydrogen saturated layer within the micropolar approach. New Achievements in Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2019; 108: 117–128. https://doi.org/10.1007/978-3-030-13307-8_9Frolova K., Vilchevskaya E., Polyanskiy V., Alekseeva E. Modelling of a hydrogen saturated layer within the micropolar approach. New Achievements in Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2019; 108: 117–128. https://doi.org/10.1007/978-3-030-13307-8_9Polyanskiy V.A., Belyaev A.K., Alekseeva E.L., Tretyakov D.A., Yakovlev Y.A. Phenomenon of skin effect in me­tals due to hydrogen absorption. Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2019; 31: 1961–1975. https://doi.org/10.1007/s00161-019-00839-2Polyanskiy V.A., Belyaev A.K., Alekseeva E.L., Tretyakov D.A., Yakovlev Y.A. Phenomenon of skin effect in me­tals due to hydrogen absorption. Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2019; 31: 1961–1975. https://doi.org/10.1007/s00161-019-00839-2Nanninga N.E., Levy Y.S., Drexler E.S., Condon R.T., Stevenson A.E., Slifka A.J. Comparison of hydrogen embrittlement in three pipeline steels in high pressure gaseous hydrogen environments. Corrosion Science. 2012; 59: 1–9. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2012.01.028Nanninga N.E., Levy Y.S., Drexler E.S., Condon R.T., Stevenson A.E., Slifka A.J. Comparison of hydrogen embrittlement in three pipeline steels in high pressure gaseous hydrogen environments. Corrosion Science. 2012; 59: 1–9. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2012.01.028Tröger M., Bosch C., Wiart J.-N., Meuser H., Knoop F.M., Brauer H., Schröder J. Investigations on hydrogen assisted cracking of welded high-strength pipes in gaseous hydrogen. Steely Hydrogen Conf. Proceedings – 2014. 2014: 491–501.Tröger M., Bosch C., Wiart J.-N., Meuser H., Knoop F.M., Brauer H., Schröder J. Investigations on hydrogen assisted cracking of welded high-strength pipes in gaseous hydrogen. Steely Hydrogen Conf. Proceedings – 2014. 2014: 491–501.Brauer H., Simm M., Wanzenberg E., Henel M., Huising O.J. Energy transition with hydrogen pipes: Mannesmann “H2ready” and the changeover. Pipeline Technology. 2020; 1: 16–29.Brauer H., Simm M., Wanzenberg E., Henel M., Huising O.J. Energy transition with hydrogen pipes: Mannesmann “H2ready” and the changeover. Pipeline Technology. 2020; 1: 16–29.Meng B., Gu C., Zhang L., Zhou C., Li X., Zhao Y., Zheng J., Chen X., Han Y. Hydrogen effects on X80 pipeline steel in high-pressure natural gas/hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy. 2017; 42(11): 7404–7412. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2016.05.145Meng B., Gu C., Zhang L., Zhou C., Li X., Zhao Y., Zheng J., Chen X., Han Y. Hydrogen effects on X80 pipeline steel in high-pressure natural gas/hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy. 2017; 42(11): 7404–7412. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2016.05.145Zhou D., Li T., Huang D., Wu Y., Huang Z., Xiao W., Wang Q., Wang X. The experiment study to assess the impact of hydrogen blended natural gas on the tensile properties and damage mechanism of X80 pipeline steel. International Journal of Hydrogen Energy. 2021; 46(10): 7402–7414. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.267Zhou D., Li T., Huang D., Wu Y., Huang Z., Xiao W., Wang Q., Wang X. The experiment study to assess the impact of hydrogen blended natural gas on the tensile properties and damage mechanism of X80 pipeline steel. International Journal of Hydrogen Energy. 2021; 46(10): 7402–7414. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.267Briottet L., Moro I., Lemoine P. Quantifying the hydrogen embrittlement of pipeline steels for safety considerations. International Journal of Hydrogen Energy. 2012; 37(22): 17616–17623. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.05.143Briottet L., Moro I., Lemoine P. Quantifying the hydrogen embrittlement of pipeline steels for safety considerations. International Journal of Hydrogen Energy. 2012; 37(22): 17616–17623. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.05.143Somerday B.P. Technical reference on hydrogen compa­tibility of materials. Plain carbon ferritic steels: C-Mn alloys (code 1100). URL: https://www.sandia.gov/app/uploads/sites/158/2021/12/1100TechRef_FeCMn.pdf (Accessed 13.01.2023).Somerday B.P. Technical reference on hydrogen compa­tibility of materials. Plain carbon ferritic steels: C-Mn alloys (code 1100). URL: https://www.sandia.gov/app/uploads/sites/158/2021/12/1100TechRef_FeCMn.pdf (Accessed 13.01.2023).Bolobov V.I., Latipov I.U., Popov G.G., Buslaev G.V., Martynenko Ya.V. Estimation of the influence of compressed hydrogen on the mechanical properties of pipeline steels. Energies. 2021; 14(19): 6085. https://doi.org/10.3390/en14196085Bolobov V.I., Latipov I.U., Popov G.G., Buslaev G.V., Martynenko Ya.V. Estimation of the influence of compressed hydrogen on the mechanical properties of pipeline steels. Energies. 2021; 14(19): 6085. https://doi.org/10.3390/en14196085Nguyen T.T., Park J., Kim W.S., Nahm S.H., Baek U.B. Effect of low partial hydrogen in a mixture with methane on the mechanical properties of X70 pipeline steel. International Journal of Hydrogen Energy. 2020; 45(3): 2368–2381. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.11.013Nguyen T.T., Park J., Kim W.S., Nahm S.H., Baek U.B. Effect of low partial hydrogen in a mixture with methane on the mechanical properties of X70 pipeline steel. International Journal of Hydrogen Energy. 2020; 45(3): 2368–2381. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.11.013Joseph A., Ronevich J.A., Song E.J., Somerday B.P., San Marchi C.W. Hydrogen-assisted fracture resistance of pipeline welds in gaseous hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy. 2021; 46(10): 7601–7614. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.239Joseph A., Ronevich J.A., Song E.J., Somerday B.P., San Marchi C.W. Hydrogen-assisted fracture resistance of pipeline welds in gaseous hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy. 2021; 46(10): 7601–7614. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.239Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия; 1985: 216.Kolachev B.A. Hydrogen Brittleness of Metals. Moscow: Metallurgiya; 1985: 216. (In Russ.).Martin M.L., Connolly M., Buck Z.N., Bradley P.E., Lauria D., Slifka A.J. Evaluating a natural gas pipeline steel for blended hydrogen service. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2022; 101: 104529. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2022.104529Martin M.L., Connolly M., Buck Z.N., Bradley P.E., Lauria D., Slifka A.J. Evaluating a natural gas pipeline steel for blended hydrogen service. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2022; 101: 104529. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2022.104529ASME B31.12-2019. Hydrogen Piping and Pipelines. USA, ASME; 2020: 280.ASME B31.12-2019. Hydrogen Piping and Pipelines. USA, ASME; 2020: 280.ASME BPVC. VIII. 3 – 2017. Boiler & Pressure Vessel Code. Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels. USA, ASME; 2017: 407.ASME BPVC. VIII. 3 – 2017. Boiler & Pressure Vessel Code. Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels. USA, ASME; 2017: 407.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.