Разработка сталей и сплавов для водородной энергетики

Цель проекта

Разработка материалов технологических трубопроводов для производства водорода, обладающих теплоустойчивостью, жаростойкостью в агрессивных средах, жаропрочностью и сопротивлением высокотемпературной водородной коррозии.
Задачи проекта:
1. Обобщение данных о высокотемпературных механизмах водородной коррозии и влиянии водорода на процессы ползучести. Анализ существующих материалов для эксплуатации в этих условиях, выбор материалов для исследования.
2. Анализ методов испытания в среде водорода при повышенных температурах и давлениях. Создание оборудования и разработка методик проведения испытаний. Апробация разработанных методик. Разработка программы исследований.
3. Исследование структуры и определение механических свойств выбранных материалов. Проведение испытаний в среде водорода при повышенных температурах и давлениях. Фрактографический анализ. Сравнительный анализ полученных результатов.
4. Комплексный анализ и выработка рекомендаций по химическому составу, структуре и технологии производства материалов технологических трубопроводов для эксплуатации при повышенной температуре в водородосодержащей среде. Проведение дополнительных исследований (если потребуется).

Полученные результаты

1. Обзор механизмов воздействия водорода на свойства материалов и обзор конструкционных и функциональных материалов, устойчивых к водородсодержащим средам, позволяет сделать следующие выводы:
1) В случае одновременного присутствия высоких температур и давлений имеет место физико-химическое взаимодействие материала с водородом, приводящее к необратимому изменению первоначальных механических свойств, которое принято называть водородной коррозией стали.
2) Повышенной стойкостью к водородной коррозии обладают стали с малым содержанием углерода. Высокой устойчивостью против водородной коррозии обладают также стали, легированные металлами, образующими карбиды, более стойкие по отношению к водороду, чем карбид железа.
2. Разработана программа схем испытаний опытного образца:
1) Наводораживание с одновременным приложением усилия к образцу и без приложения усилия, а затем растяжение до разрушения в среде водорода. Цель
исследования - определение комплекса прочностных и пластических свойств материалов, твердости, глубины обезуглероженного слоя, исследование микроструктуры.
2) Нагружение экспериментального образца нагрузкой, обеспечивающей напряжения, максимально приближенные к пределу текучести и выдерживание до разрушения образца. Цель подобных испытаний – определение длительной прочности.
3) Изготовлена дополнительная оснастка для автоклава с целью проведения испытаний в среде водорода при повышенных температурах и давлениях на трещиностойкость.

Результаты проведения экспериментальный части работы

Максимальное значение температуры в рабочей части образцов составлядл 500-510°С и 560-570°С для нижнего и верхнего образцов соответственно. Выявлено, что влияние водорода на предел прочности, пластичности, относительное удлинение и сужения проявляется при выдержке в течение 24 ч при температуре не ниже 575 °С. Однако наибольший вклад на механические свойства может оказывать температура. Выдержка в азоте (14 ч) привела к снижению относительного удлинения на 19 % по сравнению с материалом в состоянии поставки.
По результатам фрактографического анализа установлено, что после обработки в аргоне и водороде в течение 24 ч в изломах наблюдается мелкий ямочный микрорельеф, который является признаком вязкого излома. После перегрева до температуры выше 620 °С и разрушению наблюдается рельеф с удлиненными ямками отрыва.