Порівняльні дослідження руйнування труб під тиском газоподібного водню та чистого метану

Abstract

Розроблено методику та технічні засоби для дослідження процесів руйнування труб з модельними дефектами – концентраторами напружень під дією внутрішнього тиску водню та інших газоподібних середовищ. Створено спеціалізовану лабораторію з комп’ютерним управлінням процесу випробувань на розрив конструктивних елементів трубопровідних систем транспортування газоподібного водню та його сумішей, яка в автоматичному режимі забезпечує: подачу водню в порожнину випробовуваної труби при заданій швидкості зміни внутрішнього тиску dp / dτ = const та підтримання заданого тиску в трубі p = const впродовж визначеного часу τ; подальше навантаження труби внутрішнім тиском за деякої заданої швидкості dp / dτ = const до її розриву; безперервну реєстрацію внутрішнього тиску в трубі впродовж всього періоду випробувань та візуалізацію в реальному часі на моніторі комп’ютера функції p = Φ(τ) для кожної стадії процесу випробування; реєстрацію моменту розриву труби і визначення руйнівного тиску p = p* ; виключення випробувальної системи після розриву труби і випуск відпрацьованої газової суміші з порожнини камери в атмосферу. Проведені порівняльні випробування труб зі сталі Х52 під тиском газоподібного водню і метану (модель природного газу) свідчать про зниження величини руйнівного тиску під дією водневого середовища. Здійснені фрактографічні дослідження поверхонь руйнування труб виявили різні домінуючі механізми руйнування: в’язкий „ямковий” механізм руйнування сталі за випробувань у метані і характерний рельєф квазісколу у присутності водню. Одержані результати вказують на можливість реалізації механізму водневого окрихчення малолегованих трубопровідних сталей в околі концентраторів напружень навіть за достатньо низьких тисків газоподібного водню в трубопроводі (р = 2,0 МПа) і температурі 20 °С.

The methods and technical means for fracture study of pipes with model defects (with the help of stress concentrators under the influence of the internal pressure of the hydrogen and other gaseous environments) have been developed. The special laboratory with computer control of burst testing process of the pipeline system structural components for transmission of gaseous hydrogen and its mixtures has been built. This system provides the following in automatic mode: hydrogen supply into the tested pipe under assigned rate of internal pressure change dp / dτ = const and maintenance of the assigned internal pipe pressure p = const during definite time τ; further internal pressure loading of the pipe at some assigned rate dp / dτ = const up to its burst; continuous recording of the pipe internal pressure during the whole period of testing and real time visualising of the function p = Φ(τ) for each testing stage on the computer screen; recording of the pipe burst point and determining of the burst pressure p = p* ; the testing system turning down after the pipe burst and outlet of the waste gaseous mixture from the chamber cavity into the atmosphere. The conducted comparative studies of the pipes made of the X52 steel under pressure of the gaseous hydrogen and methane (model of natural gas) have confirmed decreasing of the burst pressure under the influence of the hydrogen environment. The conducted fractography of the pipe fracture surfaces has revealed the following different dominant fracturing mechanisms: the tough “dimple” fracturing mechanism of the steel which is tested in methane and characteristic quasi-spalling relief in the presence of hydrogen. The obtained results show the possibility of realisation of hydrogen embrittlement mechanism for low-alloyed pipeline steels at the stress concentrators even under quite low gaseous hydrogen pressures in the pipeline (р = 2,0 MPa) and temperature of 20 °C.