Projekt Wasserstoffabhängige mechanische Eigenschaften der Schweißnahtgefüge niedriglegierter Stähle für Ferngasleitungen

31.05.2024

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Regenerativ erzeugter Grüner Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Erreichung der Pariser Klimaziele. Die Effektivität als Energieträger hängt maßgeblich vom Wasserstofftransport ab. Sicherheitstechnische Aspekte stellen eine Herausforderung dar, da bisher keine standardisierten Prüfverfahren aufgrund fehlender Regelwerke existieren. Ein vorrangiges Problem ist die Klärung der Materialkompatibilität in der bestehenden und neuen Gasinfrastruktur.

Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die Eignung niedriglegierter Pipelinestähle für den Wasserstofftransport zu klären. Die unzureichende Kenntnis der Schweißnahtgefüge-Sensibilität und fehlende Standardisierung von Tests für geschweißte Rohrleitungen erschweren bisherige Untersuchungen. Das Projekt strebt die systematische Erarbeitung von Voraussetzungen an, um die Werkstoffreaktion unter Druckwasserstoff präzise vorherzusagen.

Die Methodik umfasst vielfältige Untersuchungen an Pipelinewerkstoffen. Zunächst wird die Gefügestruktur der Schweißzonen physikalisch simuliert. Anschließend werden Versuche unter Druck- und elektrochemischer Wasserstoffbeladung gefahren und die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs in den Gefügen ermittelt. Die ermittelten Kennwerte stehen für künftige FE-Simulationen zur Verfügung. Die Werkstoffe werden mechanisch auf die Auswirkungen der Wasserstoffexposition getestet.

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Ferngasleitungen aus Stahl sind ein zentraler Bestandteil der umzusetzenden nachhaltigen Energiewirtschaft und dienen dem technischen Großtransport von erzeugtem Wasserstoff zu den Verbrauchern. Neben der Umnutzung bestehender Erdgas-Pipelines für den Wasserstofftransport wird der Zubau neuer Leitungen forciert. Nahezu alle Rohrleitungskomponenten sind geschweißt. Jedoch ist die Wasserstoffresistenz der Schweißnahtgefüge unter Exposition in gasförmigen Wasserstoffumgebungen bisher nicht vollständig geklärt. Dies gilt für Stähle in Bestandsleitungen gleichermaßen wie für neue hochfeste Stahlgüten. Auch die mangelnde Standardisierung entsprechender Test für geschweißte Rohrleitungen erlaubt bislang keine exakte Vorhersage der generellen Eignung niedriglegierter Pipelinestähle für den Wasserstofftransport.

Die Basis dafür sollen daher im vorliegenden Forschungsvorhaben systematisch erarbeitet werden. Typische Grundwerkstoffe - und erstmals Schweißnahtgefüge (WEZ) - werden gezielt verschiedenen Wasserstoffdrücken ausgesetzt und anschließend einer Zugprüfung unterzogen. Die physikalische Simulation ermöglicht dabei die separate Betrachtung einzelner Mikrostrukturen einer Schweißverbindung. Die Analyse des jeweiligen Wasserstofftransportverhaltens gibt nachfolgend Aufschluss, ob eine einfache elektrochemische Beladung anstelle aufwendiger Autoklavtechnik zur Qualifizierung der Rohrleitungswerkstoffe für die neuen Wasserstofftechnologien herangezogen werden kann.

Neben generell belastbaren Kennwerten für Werkstoffe schafft das Vorhaben die Voraussetzungen für eine praktikable Prüfung, um das Werkstoffverhalten, inklusive der Schweißverbindungen, einer schnellen Bewertung zu unterziehen. Dies ist neben der Werkstoffauswahl auch für die Qualitätssicherung neuer Stähle wichtig. Durch Überführung der angestrebten Forschungsergebnisse in technische Regelwerke und Richtlinien werden konkrete Maßnahmen und Handlungshilfen zur Umsetzung der Wasserstoffinfrastruktur bereitgestellt.

Partner

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Förderung

AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz