Предварительная оценка возможности использования труб большого диаметра из стали Х52 для транспортировки чистого газообразного водорода под давлением

Введение

Одним из вызовов настоящего времени является переход к массовому использованию водорода в качестве энергоносителя. При этом вопрос развития инфраструктуры для транспортировки и хранения водорода, а также возможность использования существующих газотранспортных сетей для перемещения водорода находятся в процессе активного осмысления. В частнос­ти, остро стоит задача изучения свойств материалов, контактирующих с чистым газообразным водородом под давлением¹ [1].

В связи с этим на базе научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого начаты исследования изменения структуры и свойств трубных сталей, испытанных после наводороживания и непосредственно в среде чистого газооб­разного водорода под давлением [2 – 5]. По результатам ряда исследований [6 – 10] современные стали для магистральных трубопроводов признаны перспективным материалом для транспорта водорода.

При воздействии водорода в зависимости от уровня прочностных свойств, параметров микроструктуры и ряда других факторов по сравнению с испытаниями на воздухе или в инертной среде возможны существенные изменения, прежде всего, пластических характерис­тик, например, при испытаниях на растяжение с обычной скоростью деформации, а также при особо низких скоростях деформации, которые сопровождаются изменениями характера разрушения. Целью данного исследования было определение степени деградации свойств основного металла труб большого диаметра (ТБД), изготовленных из листовой стали с феррито-перлитной микроструктурой при воздействии газообразного водорода под высоким давлением, соответствующим рабочим, в современных системах дальнего транспорта газа.

Характеристика исходного материала

Объектом исследования являлись образцы основного металла от ТБД диаметром 1420 и толщиной стенки 14 мм из низколегированной трубной стали марки 17Г1С-У (ГОСТ 19281) класса прочности Х52. Химический состав исследуемого металла (по сертификату), %, представлен ниже: 

Металлографический анализ показал, что сталь имеет феррито-перлитную структуру со средним диаметром зерна 7,61 мкм (рис. 1).

При изготовлении трубы использовался листовой прокат, поставляемый в горячекатаном состоянии после контролируемой прокатки. Труба изготовлена путем холодной пошаговой формовки листового проката на прессе с одним продольным двухсторонним (наружным и внутренним) сварным швом, выполненным автоматической дуговой сваркой под слоем флюса. Качество ТБД соответствует требованиям нормативной документации на трубную продукцию.

Методы испытаний

Для оценки изменения механических свойств металла после предварительного наводороживания образцы выдерживали в течение 72 и 144 ч в среде чистого газообразного водорода в стационарном автоклаве с объемом рабочей части 0,5 л (рис. 2, а).

Перед установкой образцов на выдержку автоклав несколько раз продували гелием, а затем водородом. После установления заданного давления чистого газо­образного водорода 10 МПа образцы подвергали выдерж­ке с необходимой продолжительностью, по окончании которой их в течение 10 – 15 мин проверяли на одноосное растяжение на испытательной машине Instron.

Испытание гладких цилиндрических образцов с диаметром рабочей части 6 мм на статическое одноосное растяжение проводили по ГОСТ 1497 в соответствии с основными требованиями ASTM G142. Образцы вырезали вдоль направления основной деформации. Для каждой продолжительности выдержки использовали по два образца. Полученные значения механических характеристик оценивали относительно результатов испытаний контрольных образцов.

Испытания на статическое одноосное растяжение с малой скоростью деформации (SSRT) выполняли в соответствии с основными требованиями ASTM G129 и NACE ТM0198 на разрывной машине УМЭ-10Т с использованием специально разработанного автоклава, позволяющего выполнять нагрузку образца в газообразной среде под давлением (рис. 2, б). В данной работе испытания проводили в среде чистого газообразного водорода и в среде азота (контрольные образцы) с малой скоростью деформации 8,5·10^–7 с^–1, что соответствует требуемой скорости ≤1·10^–6 с^–1 по NACE ТM0198. Исследования выполняли на гладких цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 6,35 мм, вырезанных в продольном направлении. Для каждой среды использовали по два образца. После размещения образца автоклав несколько раз продували гелием, а затем водородом (при испытании в среде водорода) или азотом (при контрольных испытаниях). Далее устанавливали заданное давление газа (10 МПа) и начинали деформацию с требуемой ско­ростью.

Рис. 2. Используемые автоклавы: стационарный автоклав с возможностью контроля и регулирования давления (а); машина для испытания на растяжение с установленным автоклавом для растяжения образцов в газообразной среде (б)

Оценку результатов испытания образцов при растяжении (в том числе с малой скоростью деформации) выполняли на основе анализа средних значений полученных прочностных и пластических характеристик, изменения показателей коэффициентов прочности и пластичности в процентах [6 – 8]. Коэффициенты прочности и пластичности вычисляли как отношение соответствующих значений в среде чистого газообразного водорода к результатам испытаний контрольных образцов.

Изменения коэффициентов прочности и пластич­ности оценивали по уменьшению значений относительно 100 %. Близкие к 100 % значения дают основание говорить о стойкости исследуемой характеристики к действию водорода в данных условиях испытания. Чем ниже коэффициенты прочности и пластичности, тем большее влияние на изменение механических характеристик основного металла оказывает продолжительность выдержки в среде чистого газообразного водорода под давлением 10 МПа.

Исследование поверхности разрушения испытанных образцов проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan MIRA3.

Результаты испытаний

Результаты испытаний на статическое одноосное растяжение предварительно наводороженных образцов показывают слабое влияние проведенных режимов наводороживания на пластические характеристики (рис. 3, а), снижение коэффициентов пластичности не превышает 9 %. Значительной деградации прочностных характеристик в данных условиях испытания также не зафиксировано (коэффициенты прочности находятся в районе 100 %). При этом, согласно данным работы [7], полученные значения коэффициентов пластичности выше 80 % указывают на высокую устойчивость к водородному охрупчиванию.

Как видно из полученных результатов, при увеличении воздействия газообразного водорода на исследуемую сталь наблюдается некоторое снижение пластических характеристик металла, также замеченное в ряде исследований [6, 9 – 11]. Несмотря на отмеченную тенденцию, основные характеристики металла образцов после предварительной выдержки в среде чистого газообразного водорода в течение 72 и 144 ч изменились незначительно относительно результатов испытаний контрольных образцов.

Характер изломов образцов, характеризующийся ямочным рельефом, после наводороживания также существенно не изменился (рис. 4, а, б).

Все это позволяет говорить об отсутствии существенного влияния чистого газообразного водорода под давлением 10 МПа и о высокой устойчивости к изменению прочностных и пластических характеристик исследуемого металла при предварительном наводороживании вплоть до выдержки в течение 144 ч.

При испытаниях стали Х52 с малой скоростью деформации в среде водорода наблюдается некоторое снижение прочностных и пластических свойств металла по сравнению с контрольными испытаниями в среде азота. Изменение прочностных и пластических характеристик образцов, испытанных в среде водорода, относительно результатов испытаний контрольных образцов в среде азота при идентичных параметрах и режимах составило не более 13 %. Значения коэффициентов прочности и пластичности – выше 80 %, что указывает на стойкость исследуемой стали к нагружению непосредственно в среде водорода [7].

Полученные результаты согласуются с данными других исследований по изучению водородного охрупчивания трубных сталей в водородсодержащей среде при испытаниях SSRT [6, 12, 13]. Кривые растяжения испытанных образцов представлены на рис. 3, б.

Характер разрушения образцов при испытании SSRT в среде азота – вязкий. Поверхность разрушения имеет ямочный рельеф (рис. 4, в). Испытания с малой скоростью деформации непосредственно в среде чистого газообразного водорода привели к образованию микротрещин и участков хрупкого разрушения (рис. 4, г). Полученные результаты схожи с результатами фрактографического анализа, описанными в работах [11, 14, 15]. Процесс разрушения неразрывно связан с накоплением водорода в дефектах как поверхностного слоя металла, так и внутри его, которое приводит к созданию высоких внутренних напряжений в местах концентрации водорода и образованию микро- и макротрещин. Для проявления водородной хрупкости необходима непрерывная диффузия водорода из объема металла к его поверхности, поэтому все факторы, увеличивающие количество водорода, диффундирующего к трещине, ускоряют развитие водородной хруп­кости [16]. Значительно меньшая скорость деформации дает водороду достаточно времени для диффузии в материал образца и перераспределения в критических точках микроструктуры (например, на вершинах образующихся при испытании трещин) [8], что способствует образованию участков охрупчивания и характеризуется появлением мелких трещин в процессе испытания (рис. 4, г).

При этом уменьшение скорости деформации с ⁓10^–2 с^–1 (при испытании наводороженных образцов по ГОСТ 1497) до ⁓10^–6 с^–1 (при испытании SSRT в среде водорода) приводит к более заметному, но не критичному изменению уровня коэффициентов плас­тичности в среднем с 95 до 85 % соответственно. Аналогичное снижение пластичности при практически неизменных прочностных характеристиках получено при испытаниях SSRT в газообразном водороде трубной стали класса прочности Х80 [6, 11], причем потеря пластичности увеличивается с уменьшением скорости деформации.

Несмотря на наблюдаемые изменения механических характеристик при испытании образцов после предварительного наводороживания и непосредственно при нагружении в среде газообразного водорода, свойства основного металла ТБД Х52 остаются в пределах требований нормативной документации на трубную продукцию и согласуются с результатами опубликованных испытаний [6 – 15] оценки охрупчивания металла в среде чистого газообразного водорода под давлением.

Выводы

Исследование стойкости к водородному охрупчиванию основного металла ТБД из типичной низколегированной трубной стали умеренного класса прочности X52 показало, что существенных изменений прочностных и пластических свойств в результате предварительного воздействия газообразного водорода при давлении 10 МПа и комнатной температуре за 24 – 144 ч не наблюдалось. Снижение пластических характеристик образцов не превышает 10 %.

Результаты испытаний SSRT со скоростью деформации не более 1·10^–6 с^–1 показали снижение пластичес­ких характеристик, не превышающее 20 %. Большая потеря пластичности относительно испытаний предварительно наводороженных образцов обусловлена возможностью диффузии водорода вблизи концентраторов напряжений и вершин образующихся трещин при уменьшении скорости деформации.

Вне зависимости от условий проведенных испытаний основные характеристики металла, использующиеся для расчета на прочность, остаются в пределах требований нормативной документации на трубы.

Таким образом, по результатам проведенных испытаний (в исследованных условиях) основной металл ТБД класса прочности Х52 с феррито-перлитной структурой показал хорошую устойчивость к водородному охрупчиванию. Полученные данные удовлетворительно согласуются с опубликованными результатами аналогичных испытаний основного металла листов и ТБД из низколегированной трубной стали.

Окончательным подтверждением возможности применения ТБД из исследуемой стали класса прочности Х52 в среде газообразного водорода при давлениях до 10 МПа будут служить результаты квалификационных испытаний в соответствии с ASME B 31.12² [17, 18] и ASME BPVC [19], а также исследования воздействия водорода на металл шва и зоны термического влияния.