Челици отпорни на водород – материјали за употреба во средини со водород H₂

Челиците за употреба во водородни средини мора да се изберат врз основа на температурата, притисокот и формата на водородот, како и механизмот на деградација на материјалот. Не постои единствен, универзален степен на „челик отпорен на водород“. Во инсталациите со водороден гас се користат и други материјали.₂ на собна температура и други во рафинерии и петрохемиски инсталации со висока температура.
Во пракса, три феномени се особено важни: водородна кршливост (HE), водороден напад на висока температура (HTHA) и пукање предизвикано од водород (HIC).
Материјалите што се земаат предвид за инсталации што содржат водород вклучуваат, меѓу другото, јаглеродни и нисколегирани челици, хром-молибденски Cr-Mo челици, не'рѓосувачки челици аустенитни и никелни легури. Сепак, правилниот избор бара анализа на специфичните услови за работа.

Како водородот влијае на челикот?

Водородот може да влијае на својствата на металите на неколку различни начини. Едноставното тврдење дека материјалот функционира „во водород“ затоа не е доволно за да се одреди соодветниот степен на челик.
Меѓу другото, важно е следново:

• работна температура,
• вкупен притисок и парцијален притисок на водород,
• формата и изворот на водород,
• микроструктура на материјалот,
• цврстина и тврдост на челик,
• термичка обработка,
• внатрешни и оперативни стресови,
• присуство на заварени споеви и зони погодени од топлина,
• хемискиот состав на околината,
• време на изложеност.

Затоа, отпорноста на материјалот на водород не е единствено, константно својство на материјалот.

Водородна кршливост (HE)

Водородна кршливост е феномен што доведува до влошување на механичките својства на металите поради присуството на водород во материјалот. Водородот може да навлезе во структурата на металот и да влијае, меѓу другото, на неговата еластичност, цврстина на кршење и однесување под статичко и циклично оптоварување.
Челиците со висока цврстина и тврдост може да бидат особено подложни. Сепак, ризикот зависи и од микроструктурата, напрегањата, температурата и методот на внесување на водород во материјалот.
Аустенитските не'рѓосувачки челици од серијата 300 се важна група материјали што се земаат предвид за инсталации на водороден гас. челик 316L / 1.4404 покажува добра компатибилност со водород и во многу услови се карактеризира со поповолно однесување од челиците со структура поподложна на дејството на водородот.

HTHA – Напад со водород на висока температура

HTHA (Напад со водород на висока температура) е различен механизам од класичната водородна кршливост.
На покачени температури, водородот може да дифундира во челикот и да реагира со јаглеродот присутен во материјалот. Резултирачкиот метан не може лесно да излезе од металната структура. Ова може да резултира со декарбуризација, формирање празнини, микропукнатини и постепена деградација на структурата на материјалот.
Феноменот е од особено значење во:

• рафинерии,
• инсталации за хидрокрекинг и хидрорафинирање,
• петрохемиската индустрија,
• инсталации за хемиска синтеза,
• апарат што работи со топол водород под притисок.

Отпорноста на HTHA е една од причините за употреба на легирани челици што содржат хром (Cr) и молибден (Mo) . Овие елементи формираат постабилни карбиди од железото, што ја зголемува отпорноста на материјалот на деградација на високи температури предизвикана од водород.

HIC – Крекирање предизвикано од водород

HIC (пукнатини предизвикани од водород) значи пукање поврзано со акумулација на водород во материјалот. Овој феномен е особено важен кај челиците што работат во средини што овозможуваат формирање и пенетрација на атомски водород во челикот, вклучувајќи одредени средини што содржат H₂S.
Водородот може да се акумулира кај микроструктурни дисконтинуитети, неметални инклузии и други водородни стапици. Под одредени услови, ова води до формирање и фузија на микропукнатини.
HIC не треба да се меша со HTHA. Ова се различни механизми на деградација на материјалот и бараат различни критериуми за избор на челик.

Кои челици се користат за работа со водород?

Хром-молибденски челици Cr-Mo и водород

Хром-молибденските челици се меѓу најважните материјали што се користат во опрема што работи со водород на висока температура и висок притисок.
Оваа група, меѓу другото, вклучува:

• 13CrMo4-5 / 1.7335 / 15HM,
• 10CrMo9-10 / 1.7380 / 10H2M,
• челици од класа 1¼Cr-½Mo,
• челици од класа 2¼Cr-1Mo,
• челици околу 5% Cr-Mo – H5M / X16CrMo5-1 / X11CrMo5 / X12CrMo5.

Важноста на овие челици првенствено се должи на дејството на две основни легирачки додатоци: хром i молибденТие ја зголемуваат стабилноста на карбидите, што е важно за отпорност на напад од водород на висока температура.
Сепак, ова не значи дека секој Cr-Mo челик е автоматски безбеден во сите услови на водород. Неговата соодветност зависи од неговиот хемиски состав, микроструктура, температура и H парцијален притисок.₂.

H5M, X12CrMo5 и челици околу 5% Cr во водородни инсталации

Посебно место меѓу Cr-Mo челиците е окупирано од група H5M / X16CrMo5-1 / X11CrMo5 / X12CrMo5, што содржи околу 4–6% хром и околу 0,4–0,65% молибден.
Оваа група, меѓу другото, вклучува: H5M / X16CrMo5-1 / 1.7366 oraz 12CrMo19-5 / X12CrMo5 / 1.7362Овие материјали се користат во хемиската и петрохемиската индустрија, во инсталациите за синтеза на амонијак и преработка на сурова нафта, како и во опрема што работи на покачени температури и во присуство на водород.
Во контекст на водородот, нивното значајно својство е зголемената отпорност на водороден напад на висока температура (HTHA). Ова својство не треба да се меша со целосна отпорност на водородна кршливост (HE) - ова се различни механизми на деградација.

316L челик и водород

1.4404 / AISI 316L / UNS S31603 е аустенитен хром-никел-молибден нерѓосувачки челик.
Стабилноста на аустенитната структура и содржината на никел го прават овој тип челик поволен во многу апликации на водород. 316/316L е важен материјал што се користи и тестира за инсталации на гасен водород.
Сепак, ова не значи целосна неосетливост на водород. Водородот може да влијае, меѓу другото, на еластичноста, отпорноста на кршење и векот на траење на материјалот при замор. Затоа, при дизајнирање на системи под висок притисок, потребно е да се користат податоци што одговараат на специфичната температура, притисок и метод на оптоварување.
Обецношќ молибден во 316L, исто така, ја зголемува отпорноста на одредени видови јамчеста корозија i корозија на пукнатини, но отпорноста на корозија не треба да се изедначува со отпорноста на водород.

Никел легури за водородна услуга

Во особено тешки инсталации, се користат и специјални легури со висок никел.
Пример е Легура 625 / 2.4856 / UNS N06625, што содржи никел, хром, молибден и ниобиум.
Никелските легури се особено интересни кога, покрај водородната компатибилност, имаат многу добри механички својства или висока униформна отпорност на корозија во агресивна хемиска средина.
Изборот на легура на никел треба да се направи и за специфични работни услови - високата содржина на никел сама по себе не обезбедува универзална гаранција за отпорност на сите механизми на деградација поврзани со водород.

API RP 941 – челици за високотемпературно работење со водород

Еден од основните документи што се користат при евалуација на материјали што работат со топол водород е API RP 941 – Челици за работа со водород при покачени температури и притисоци во рафинерии за нафта и петрохемиски постројки.
Документот се однесува првенствено на јаглеродни и нисколегирани челици кои работат во присуство на водород при покачени температури и притисок.
API RP 941 вклучува, меѓу другото:

• температура,
• парцијален притисок на водород,
• хемиски состав на челик,
• стрес,
• термичка обработка,
• услови за заварување и состојба на споеви.

Документот не треба да се смета за општ стандард за отпорноста на сите материјали на сите форми на изложеност на водород.

Нелсонови криви – Избор на челик за топол водород

API RP 941 е поврзан со т.н. Нелсон КривсТие се користат за проценка на практичните граници на употреба на специфични челични групи во зависност од температурата и парцијалниот притисок на водородот.
Кривите ви овозможуваат да споредите, меѓу другото:

• јаглеродни челици,
• C-½Mo челици,
• челици 1Cr-½Mo,
• челици 1¼Cr-½Mo,
• челици 2¼Cr-1Mo,
• челици околу 5Cr-½Mo,
• други Cr-Mo челици што се користат во високотемпературни водородни инсталации.

Генерално, зголемувањето на содржината на хром и молибден овозможува соодветно избрани челици да се користат во потешки услови од типичните јаглеродни челици. Сепак, специфичните дозволени вредности на температурата и парцијалниот притисок на H2 _мора да се базираат на тековните податоци за дизајн и соодветното издание на API RP 941.

Водород на собна температура и топол водород – не е ист проблем

Оваа разлика е клучна при изборот на материјал.
Инсталација на гас H₂ Работата на собна температура може да се дизајнира првенствено земајќи го предвид ефектот на водородот врз пукањето, пластичноста и животниот век на замор.
Рафинеријата што работи со водород на температура од неколку стотици степени Целзиусови бара анализа на ризик од HTHA и примена на соодветни принципи за избор на материјали, вклучително и оние во согласност со API RP 941.
Поради оваа причина, изјавата „челикот е отпорен на водород“ без да се наведат условите за работа има мала техничка вредност.

Како да изберете челик за инсталација на водород?

При првичниот избор на материјал, прво треба да одлучите:

1. работна и максимална температура,
2. притисок за инсталација,
3. парцијален притисок H₂,
4. дали водородот се јавува како чист гас, како компонента на смеса или е произведен како резултат на електрохемиски процеси,
5. вид и ниво на механички оптоварувања,
6. потребен заморен животен век,
7. состојбата на термичка обработка на материјалот,
8. присуството и технологијата на заварени споеви,
9. присуство на H₂S, хлориди, киселини и други компоненти на животната средина,
10. барањата на релевантните стандарди и прописи за дизајн.

Само по утврдувањето на овие параметри може да се споредат јаглеродни челици, Cr-Mo, аустенитни не'рѓосувачки челици и легури на никел.

Дали не'рѓосувачкиот челик е отпорен на водород?

Не секој стал ниерѕевна се однесува исто. Структурата на материјалот е многу важна.
Аустенитни не'рѓосувачки челици како што се 304 литри / 1.4307 i 316 литри / 1.4404, се меѓу материјалите што често се земаат предвид за водородни инсталации. Сепак, нивната добра отпорност на корозија не треба директно да се преведува во отпорност на кршливост на водород.
Отпорност на јамчеста корозија, корозија на пукнатини, интергрануларна корозија и компатибилноста на материјалот со водородот се различни својства и треба да се оценуваат одделно.

Дали 316L е погоден за водород?

Челик 316L / 1.4404 е еден од важните материјали што се користат и тестираат за водородни системи. Неговата аустенитна микроструктура и содржината на никел промовираат добра компатибилност на материјалот со водород.
Сепак, конечниот избор зависи од притисокот H₂, температура, вид на оптоварувања, геометрија на елементите, потребен век на траење на замор и применливи прописи за проектирање.

Дали Cr-Mo челиците се отпорни на водород?

Cr-Mo челиците се особено важни во инсталациите за високи температури што содржат водород. Chrom i молибден ја зголемуваат стабилноста на карбидите и овозможуваат поголема отпорност на HTHA отколку кај типичните јаглеродни челици.
Ова се однесува на различни нивоа на запирање – од 13CrMo4-5 / 15HM i 10CrMo9-10 / 10H2M po челици околу 5% Cr-Mo, како што се H5M, X11CrMo5 и X12CrMo5.
Сепак, изборот на специфична класа и услови за работа треба да произлезе од пресметки за дизајнот и релевантни технички документи, вклучувајќи го и API RP 941.

Не постои единствен универзален челик отпорен на водород. Во зависност од условите за работа, јаглеродните челици, хром-молибденските (Cr-Mo) челици, аустенитни не'рѓосувачки челици и легури на никел.
Кај инсталациите со високи температури, Cr-Mo челиците и отпорноста на HTHA се особено важни. Тие вклучуваат и 13CrMo4-5 / 15HM, 10CrMo9-10 / 10H2M, како и повисоки легури H5M / X16CrMo5-1 / X11CrMo5 / X12CrMo5.
Кај инсталациите со гасен водород на пониски температури, отпорноста на материјалот на кршливост и пукање потпомогнати од водород е важна, затоа, меѓу другото, аустенитен челик 316L / 1.4404 и соодветно одбрани легури на никел.
При правилниот избор на материјал секогаш треба да се земат предвид температурата, притисокот и парцијалниот притисок H₂, микроструктура, механички својства, заварување и вистинскиот состав на работната средина.