Numerical investigation on hydrogen embrittlement of metallic pipeline structures

verfasst von

Milena Möhle

Abstract

Motiviert von der anstehenden Energiewende wird aktuell unter anderem diskutiert, ob Wasserstoffgas ein brauchbarer Energieträger ist, um erwartete Unregelmäßigkeiten in der Energieversorgung zu überbrücken. Da die Konstruktion eines neuen Rohrleitungssystems für Wasserstoff mit hohen Kosten verbunden wäre, wird untersucht, ob das existierende Erdgassystem für diese Zwecke verwendet werden kann. Hierbei erscheint besonders problematisch, dass Wasserstoffgas in das Rohrleitungsmaterial eindringen kann und dieses unter bestimmten Bedingungen versprödet. Dies kann zu fatalem Materialversagen führen, insbesondere bei bereits vorgeschädigten Rohrsegmenten. So sammelt sich an den lokalen Spannungsfeldern der Risse Wasserstoff an, der das Materialversagen von duktil zu spröde transformiert. Basierend auf experimentellen Ergebnissen kann der so genannte Hydrogen Enhanced Localized Plasticity (HELP) Mechanismus im hier untersuchten Fall als vorherrschender Versprödungsmechanismus identifiziert und durch eine gezielte Reduktion der Fließgrenze im Rahmen des verwendeten Kontinuumsmodells berücksichtigt werden. Um das stark gekoppelte Gleichungssystem des mechanischen Modells und des transienten Wasserstoffmodells zu lösen, wird ein iterativer Finite-Element-Ansatz mit der diskontinuierlichen Galerkin Methode für die Zeitdiskretisierung genutzt. Da insbesondere bereits beschädigte Rohre kritisch im Hinblick auf Versagen sind, wird ein Kontinuumsmodell einer Erdgasleitung mit einem radialen Riss untersucht. Hierfür kommt ein Ersatzmodel unter Berücksichtigung des "boundary layer approaches" zum Einsatz, dessen Ergebnisse gut mit denen einer Simulationen eines vollen Rohrausschnittes übereinstimmen. Basierend auf der Idee des HELP Mechanismusses werden drei unterschiedliche Ansätze zur Berücksichtigung von Wasserstoffversprödung vorgestellt. Zunächst wird die stationäre Verteilung der Wasserstoffkonzentrationen bestimmt, woraufhin in einem weiteren Schritt der Einfluss von Wasserstoff auf die Materialeigenschaften mit einbezogen wird. Bei der numerischen Untersuchung des Einflusses verschiedener Risstiefen kann eine ansteigende Tendenz der Wasserstoffversprödung identifiziert werden. Diese Ergebnisse zeigen die Wichtigkeit einer eingehenden Untersuchung der existierenden Rohrstrukturen und die Notwendigkeit der Weiterentwicklung numerischer Methoden, um den Einfluss von Wasserstoffgas auf das Erdgassystem schlussendlich bewerten zu können.

Organisationseinheit(en)

Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik

Typ

Monografie

Anzahl der Seiten

107

Publikationsdatum

2018

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Peer-reviewed

Ja

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 7 – Erschwingliche und saubere Energie

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/3689 (Zugang: Offen)