Numerical investigation on hydrogen embrittlement of metallic pipeline structures

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dc.identifier.uri http://dx.doi.org/10.15488/3689
dc.identifier.uri https://www.repo.uni-hannover.de/handle/123456789/3723
dc.contributor.author Möhle, Milena ger
dc.contributor.editor Nackenhorst, Udo ger
dc.date.accessioned 2018-09-14T06:23:46Z
dc.date.available 2018-09-14T06:23:46Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.citation Möhle, Milena: Numerical investigation on hydrogen embrittlement of metallic pipeline structures. Hannover : Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik, 2018 (Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität : F ; 18/3), ii, 107 S. ger
dc.description.abstract Motivated by shifting to renewable energy sources, the utilization of hydrogen gas as an energy carrier is discussed to account for expected irregularities in supply. Here, the construction of a new hydrogen pipeline network would be rather expensive such that the usage of the existing natural gas pipeline system is in the focus of investigation. One major problem is that hydrogen embrittles the material and can cause fatal failure especially in case of pipelines which were already damaged during their service time. At the localized stress fields around pre-existing cracks, hydrogen accumulates and converts the material response from ductile to brittle failure. Based on experimental findings, the so-called Hydrogen Enhanced Localized Plasticity (HELP) mechanism is identified to govern hydrogen embrittlement in the prevalent case by reducing the yield stress in a continuum sense. To solve the highly coupled equations of the mechanical model and the transient hydrogen distribution model, an iterative finite element scheme is applied using a discontinuous Galerkin method for time discretisation. A continuum model of a natural gas pipeline with a radial crack is investigated. Therefore, a surrogate model using the boundary layer approach is adopted, whose results are in good agreement with a model of the full pipeline structure. Based on the idea of the local softening effect by the HELP mechanism, three different approaches to account for hydrogen embrittlement are discussed. Firstly, the steady state hydrogen distributions in front of the crack tip are evaluated while in a next step the effect of hydrogen on the mechanical properties is discussed. When investigating the impact of different crack lengths, a notably increasing amount of hydrogen embrittlement is identified. The results highlight the importance of carefully investigating the actual conditions in the specific pipelines and adequately accounting for hydrogen embrittlement in numerical simulations as a basis for ducting hydrogen through the existing pipeline system. ger
dc.description.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. ger
dc.language.iso eng ger
dc.publisher Hannover : Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik
dc.relation.ispartofseries Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik;F18/3
dc.rights Es gilt deutsches Urheberrecht. Das Dokument darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt, aber nicht im Internet bereitgestellt oder an Außenstehende weitergegeben werden. ger
dc.subject Hydrogen Embrittlement eng
dc.subject Finite Element Method eng
dc.subject Time Discontinuous Galerkin method eng
dc.subject Hydrogen Enhanced Localized Plastecity mechanism eng
dc.subject HELP mechanism eng
dc.subject Natural Gas Pipeline System eng
dc.subject Wasserstoffversprödung ger
dc.subject Finite Elemente Methode ger
dc.subject Zeit diskontinuierliche Galerkin Methode ger
dc.subject Hydrogen Enhanced Localized Plastecity Mechanismus ger
dc.subject HELP Mechanismus ger
dc.subject Boundary Layer Approach ger
dc.subject Erdgassystem ger
dc.subject.ddc 624 | Ingenieurbau und Umwelttechnik ger
dc.title Numerical investigation on hydrogen embrittlement of metallic pipeline structures ger
dc.type doctoralThesis ger
dc.type Text ger
dc.relation.isbn 978-3-935732-48-2
dc.description.version publishedVersion ger
tib.accessRights frei zug�nglich ger


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