Numerical investigation on hydrogen embrittlement of metallic pipeline structures

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.

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.