ПАО «Трубная металлургическая компания», Первоуральск, Россия

Н. А. Девятерикова, главный специалист Центра труб промышленного назначения, эл. почта: n.devyaterikova@tmk-group.com
К. А. Лаев, главный специалист Центра труб промышленного назначения, канд. техн. наук

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
А. С. Цветков, заведующий Испытательной лабораторией научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг», канд. техн. наук
С. Е. Дагаев, инженер Испытательной лаборатории научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг»

Для оценки пригодности металла сварных труб для транспортировки газообразного водорода исследованы стали марок Х52 и Х70 производства ПАО «ТМК», широко используемые для изготовления труб большого диаметра газопроводов. Испытания в газообразном водороде при давлении 10 МПа включали растяжение с малой скоростью деформации (SSRT), определение уровня порогового коэффициента интенсивности напряжений в среде водорода (KIH) и испытание на разрушение диска постепенно возрастающим давлением. Кроме основного материала, исследован металл сварного шва, выполненный дуговой сваркой под слоем флюса. Три вида взаимодополняющих испытаний позволили получить достаточно полные данные по влиянию водорода на свойства исследуемых сталей: изменение пластических характеристик (SSRT), оценка сопротивления развитию трещин (определение уровня KIH), изменение прочностных свойств (испытание диска). По результатам испытания SSRT стали Х52 и Х70 демонстрируют тенденцию умеренного снижения пластичности, но при этом высокую стойкость к развитию трещин в среде водорода: все полученные значения KIH для основного металла, металла шва и зоны термического влияния выше требований ASME B 31.12. При испытании диска установлено, что водородное охрупчивание возможно только при длительном воздействии газообразного водорода под высоким давлением. По совокупности полученных результатов испытаний стали Х52 и Х70 показывают удовлетворительную стойкость к действию газообразного водорода под давлением 10 МПа, что свидетельствует о возможности использования труб российского производства для транспорта водорода.

В работе принимали участие А. Г. Николаева, инженер Испытательной лаборатории НТК «Новые технологии и материалы» ПИШ «Цифровой инжиниринг», ФГАОУ ВО «СПбПУ».

Исследования проведены в ФГАОУ ВО «СПбПУ».
Исследование выполнено ПАО «ТМК» и Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого при частичной финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы Научного центра мирового уровня: Передовые цифровые технологии (контракт № 075-15-2022-311 от 20 апреля 2022 года).

1. Trögerq M., Boschq C., Wiartw J.-N., Meusere H. et al. Investigations on hydrogen assisted cracking of welded high-strength pipes in gaseous hydrogen // Steely hydrogen conference proceedings. 2014. P. 491–501.
2. IGC DOC 121:2014. Hydrogen pipeline systems. — URL: https://eiga.euct_documents/doc121-pdf/ (дата обращения : 26.09.2023).
3. ASME B 31.12:2019. Hydrogen piping and pipelines. — URL: https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-12-hydrogenpiping-pipelines (дата обращения : 26.09.2023).
4. Hydrogen certified pipes: X70M high grade HFW pipes succeed in qualification tests for hydrogen (ASME CODE). — URL: https://www.cpw.gr/userfiles/35139e87-7c73-4e25-b508-a42500e476ab/H2-CPWnewsletter-final.pdf (дата обращения : 26.09.2023).
5. Shaposhnikov N. O., Tsvetkov A. S., Strekalovskaya D. A., Nikolaeva A., Devyaterikova N. A. Physical modeling of steel resistance to hydrogen embrittlement // Key Engineering Materials. 2023. Vol. 943. P. 91–96. DOI: 10.4028/p-g4pg69
6. Briottet L., Moro I., Lemoine P. Quantifying the hydrogen embrittlement of pipeline steels for safety considerations // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37. P. 17616–17623. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.05.143
7. Tsvetkov A. S., Shaposhnikov N. O., Yakhimovich V. A., Kurakin M. K., Lapechenkov A. A. Technological support for evaluation of hydrogen compatibility of materials in laboratory conditions // Key Engineering Materials. 2023. Vol. 943. P. 85–89. DOI: 10.4028/p-dxest6
8. Пышминцев И. Ю., Гизатуллин А. Б., Девятерикова Н. А., Лаев К. А. и др. Предварительная оценка возможности использования труб большого диаметра из стали Х52 для транспортировки чистого газообразного водорода под давлением // Известия вузов. Черная металлургия. 2023. № 66 (1). С. 35–42. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-1-35-42
9. Nguyen Th. T., Park J., Kim W. S., Nahm S. H. et al. Effect of low partial hydrogen in a mixture with methane on the mechanical properties of X70 pipeline steel // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45. Р. 2368–2381. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.11.013
10. Moro I., Briottet L., Lemoine P., Andrieu E. et al. Hydrogen embrittlement susceptibility of a high strength steel X80 // Materials Science and Engineering: A. 2010. Vol. 527, Iss. 27, 28. P. 7252–7260. DOI: 10.1016/j.msea.2010.07.027
11. Brauer H., Simm M., Wanzenberg E., Henel M. et al. Energy transition with hydrogen pipes: Mannesmann "H2ready" and the changeover of existing Gasunie natural gas networks // Pipeline Technology. 2020. Vol. 01. P. 16–29.
12. Martin M. L., Connolly M., Buck Z. N., Bradley P. E. et al. Evaluating a natural gas pipeline steel for blended hydrogen service // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2022. Vol. 101. DOI: 10.1016/j.jngse.2022.104529
13. San Marchi C., Somerday B. P., Nibur K. A. Development of standards for evaluating materials compatibility with high-pressure gaseous hydrogen // International Conference on Hydrogen Safety. — URL: https://h2tools.org/sites/default/files/2019-08/paper_190.pdf (дата обращения : 26.09.2023).
14. 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. Vol. 46. P. 7601–7614.
15. Escot M., Briottet L., Moro I., Andrieu E. et al. Hydrogen enhanced fatigue of a Cr–Mo steel for gaseous hydrogen storage. — URL: https://www.researchgate.net/publication/281044500 (дата обращения : 26.09.2023)
16. ASTM E112-2021. Standard test methods for determining average grain size. URL: https://www.astm.org/standards/e112 (дата обращения : 26.09.2023)
17. ASME BPVC VIII, Division 3, Article KD-10. Special Requirements for Vessels in High Pressure Gaseous Hydrogen Transport and Storage // Rules for Construction of Pressure Vessels. — URL: https://www.asme.org/codes-standards/find-codesstandards/bpvc-viii-1-bpvc-section-viii-rules-construction-pressure-vesselsdivision-1/2023/print-book (дата обращения : 26.09.2023).
18. 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. — URL: https://www.iso.org/standard/64587.html (дата обращения : 26.09.2023).
19. ASTM E 1820-21. Standard test method for measurement of fracture toughness. 2022. URL: https://www.astm.org/e1820-21.html (дата обращения : 26.09.2023).

20. ASTM E 1681-03 (2020). Standard test method for determining threshold stress intensity factor for environment-assisted cracking of metallic materials. — URL: https://www.astm.org/e1681-03r20.html (дата обращения : 26.09.2023).
21. ASTM G 142-98 (2022). Standard test method for determination of susceptibility of metals to embrittlement in hydrogen containing environments at high pressure, high temperature, or both. — URL: https://www.astm.org/g0142-98r22.html (дата обращения : 26.09.2023).
22. ASTM G 129-21. Standard practice for slow strain rate testing to evaluate the susceptibility of metallic materials to environmentally assisted cracking. URL: https://www.astm.org/g0129-21.html (дата обращения : 26.09.2023).
23. NACE TM 0198-2011. Slow strain rate test method for screening corrosionresistant alloys (CRAs) for stress corrosion cracking in sour oilfield service. — URL: https://www.standards.globalspec.com/std/14333635/NACE%20TM0198 (дата обращения : 26.09.2023).
24. ASTM E8/E8M-22. Metal tensile testing. — URL: https://www.astm.org/e0008_e0008m-22.html (дата обращения : 26.09.2023).
25. ASTM E 399-20. Standard test method for linear-elastic plane-strain fracture toughness of metallic materials. — URL: https://www.astm.org/e0399-20.html (дата обращения : 26.09.2023).
26. ASTM F 1459-06 (2017). Standard test method for determination of the susceptibility of metallic materials to hydrogen gas embrittlement (HGE). URL: https://www.astm.org/f1459-06r17.html (дата обращения : 26.09.2023).
27. Yin R., Fu R., Gu N, Liu Y. A study of hydrogen embrittlement of SA-372 J class high pressure hydrogen storage seamless cylinder (≥100 MPA) // MDPI. Materials. 2022. Vol. 15. 7714. DOI: 10.3390/ma15217714
28. Ardon K., Charles Y., Gaspérini M., Furtado J. A numerical and experimental study of the disk pressure test // Proceedings of the ASME 2013. Pressure Vessels and Piping Conference PVP. 2013. — URL: https://www.researchgate.net/publication/267613611_A_Numerical_and_Experimental_Study_of_the_Disk_Pressure_Test (дата обращения : 26.09.2023).