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Hydrogen is the energy carrier for a sustainable future without fossil fuels. As this requires a reliable transportation infrastructure, the conversion of existing natural gas (NG) grids is an essential part of the worldwide individual national hydrogen strategies, in addition to newly erected pipelines. In view of the known effect of hydrogen embrittlement, the compatibility of the materials already in use (typically low-alloy steels in a wide range of strengths and thicknesses) must be investigated. Initial comprehensive studies on the hydrogen compatibility of pipeline materials indicate that these materials can be used to a certain extent. Nevertheless, the material compatibility for hydrogen service is currently of great importance. However, pipelines require frequent maintenance and repair work. In some cases, it is necessary to carry out welding work on pipelines while they are under pressure, e.g., the well-known tapping of NG grids. This in-service welding brings additional challenges for hydrogen operations in terms of additional hydrogen absorption during welding and material compatibility. The challenge can be roughly divided into two parts: (1) the possible austenitization of the inner piping material exposed to hydrogen, which can lead to additional hydrogen absorption, and (2) the welding itself causes an increased temperature range. Both lead to a significantly increased hydrogen solubility in the respective materials compared to room temperature. In that connection, the knowledge on hot tapping on hydrogen pipelines is rare so far due to the missing service experiences. Fundamental experimental investigations are required to investigate the possible transferability of the state-of-the-art concepts from NG to hydrogen pipeline grids. This is necessary to ensure that no critical material degradation occurs due to the potentially increased hydrogen uptake. For this reason, the paper introduces the state of the art in pipeline hot tapping, encompassing current research projects and their individual solution strategies for the problems that may arise for future hydrogen service. Methods of material testing, their limitations, and possible solutions will be presented and discussed.

Hochfeste Baustähle werden im modernen Stahlbau aus wirtschaftlichen und konstruktiven Gründen zunehmend eingesetzt, z. B. im Gebäude-, Anlagen- oder Mobilkranbau. Durch den Einsatz von Stählen mit höheren 690 MPa) können durch die Reduzierung der Wanddicke erhebliche Gewichtsreduzierungen und geringere Verarbeitungskosten erreicht werden, insbesondere bei der Verwendung des Unterpulverschweißen (UP) durch seine hohe Abschmelzleistung. Aufgrund ihrer speziellen Mikrostruktur haben hochfeste Stähle eine begrenzte Duktilität und sind anfälliger für wasserstoffunterstützte Kaltrisse (HACC). Darüber hinaus führen große mittels UP geschweißter Blechdicken zu hohen Schweißeigenspannungen und langen Diffusionswegen für z.B. durch den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Abgesicherte Diffusionskoeffizienten für UP-Schweißungen dieser Festigkeitsklasse sind als Grundlage für die Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung oder für Nachwärmung zur Wasserstoffreduktion nur sehr begrenzt verfügbar. Aus diesem Grund wurden experimentelle Versuche zur mikrostruktur-spezifischen Diffusion in S690-Schweißungen durchgeführt. Dazu wurde ein thermomechanisch (TM) gewalzter bzw. vergüteter (QL) Zustand dieses Werkstoffs betrachtet, sowie das jeweilige charakteristische Schweißgut und WEZ. Dazu wurden den Schweißmikrostrukturen lokal Proben entnommen und über Permeations- bzw. Warmauslagerungsversuche die gefügespezifische Diffusion von Raumtemperatur bis 400°C charakterisiert. Im Gegensatz zu bekannten Effekten des Wärmebehandlungszustandes der Grundwerkstoffe auf die Diffusion in MSGSchweißverbindungen, zeigten die Wasserstoffdiffusionskoeffizienten über alle untersuchten Gefügezustände keine signifikanten Unterschiede, insbesondere nicht für die lokale WEZ diverser, untersuchter Streckenergiebereiche. Aus praktischer Anwendersicht können daher dickwandige UP-Verbindungen hinsichtlich einer verzögerten Wasserstoffdiffusion nur anhand der einfach ermittelbaren Diffusionskoeffizienten für den Grundwerkstoffkoeffizient beurteilt werden. Zudem zeigte sich, dass der unterschiedliche Walz- und Wärmebehandlungszustand (TM vs. QL) in UP-Schweißnähten eine untergeordnete Rolle für die Wasserstoffdiffusion und damit für die mögliche Zeitverzögerung der Kaltrissbildung hat. Ergänzende numerische Simulationen der Wasserstoffverteilung bestätigten das Verhalten.

Wasserstoff gilt als Energieträger für die Erreichung der Klimaziele und einer nachhaltigen zukünftigen Energieversorgung. Für den notwendigen Transport des Wasserstoffs in großem Maßstab und über weite Entfernungen ist eine zuverlässige Pipeline-Infrastruktur erforderlich. Umfassende weltweite Forschungsprojekte deuten auf die allgemeine Kompatibilität der verwendeten überwiegend ferritischen Stähle für die vorgesehenen Betriebsbedingungen von bis zu 60 °C bei 100 bar Wasserstoff hin. Dies ist jedoch nicht direkt übertragbar auf schweißtechnische Reparatur- und Wartungsarbeiten an im Betrieb befindlichen Pipelines. Ein im Erdgasnetz etabliertes Verfahren stellt das „Hot-Tapping“ dar, bei dem eine unter Druck stehende Pipeline im Betrieb angebohrt wird. Hierfür kommt ein an die Rohrleitung geschweißtes Formstück zum Einsatz, das die Montage der Bohr-/Lochschneidemaschine ermöglicht. In den Richtlinien EIGA 121/14 bzw. AIGA 033/14 wird darauf hingewiesen, dass das Anbohren von Wasserstoffleitungen kein Routineverfahren darstellt: “[…] a hydrogen hot-tap shall not be considered a routine procedure […]“. Dieser Aussage liegt unter anderem zugrunde, dass das Anschweißen des Formstücks an das Rohr und alle zu erwartenden Wärmebehandlungen vor und nach dem Schweißen eine lokale Temperaturerhöhung verursachen. Insbesondere auch an der Rohrinnenfläche, die dem Wasserstoff ausgesetzt ist. Diese erhöhten Temperaturen begünstigen die Absorption und Diffusion von Wasserstoff in das Material. Besonders zu beachten ist außerdem die lokal auftretende kurzzeitige Austenitisierung des Materials, die eine lokal stark erhöhte Wasserstoffkonzentration verursachen kann. Aus den genannten Gründen gibt diese Studie einen kurzen Überblick über die derzeit weltweit verfügbaren Forschungsprojekte zum Schweißen von Wasserstoff-Pipelines im Betrieb. Vorgestellt werden unter anderem erste Ergebnisse des Kooperationsforschungsprojektes H2SuD, das derzeit an der BAM bearbeitet wird.

Hydrogen is set as the energy carrier of tomorrow for a more sustainable fossil fuel free future. As this necessitates a reliable transport infrastructure, repurposing of the existing natural gas grid is planned. With regards to the well-known effect of hydrogen embrittlement, the compatibility of utilized materials must be investigated. First comprehensive studies on pipeline material hydrogen compatibility indicate that these materials can be applied to a certain extent. Nonetheless, the material compatibility is currently of high interest and focus of numerous research projects worldwide. However, pipelines require frequent maintenance and repair work. As part of these, in some cases it is necessary to do weldments onto pipelines while they are pressurized. This in-service welding introduces additional challenges for the material compatibility. Due to the resulting high temperatures, the metallurgical changes in the material and of course the presence of high-pressure hydrogen in the pipeline, additional investigations need to be conducted to ensure that no critical material degradation because of increased hydrogen absorption occurs and an overall material compatibility is given. For this reason, the present paper introduces in-service welding on pipelines. An overview of current research projects that deal with the application of in-service welding specifically on hydrogen pipelines and the emerging problems when applying these techniques on hydrogen pipelines is given. Methods of material testing, their limits and possible solutions are presented and discussed.

Als Energieträger der Zukunft kommt grünem Wasserstoff große Bedeutung bei der Energiewende und der zukünftigen, nachhaltigen Energieversorgung zu Teil. Zum effizienten und sicheren Transport des Wasser-stoffs ist die Bereitstellung einer Pipeline-Infrastruktur geplant. Die meisten Länder verfolgen hierbei die Stra-tegie der Umwidmung bestehender Erdgastransportleitungen, ergänzt durch Errichtung neuer Pipelines. Die bestehenden Erdgasnetze sind dabei aus unterschiedlichsten Rohrgeometrien und Materialien zusammenge-setzt. Bei der Umwidmung von Erdgaspipelines zum Transport von Wasserstoff müssen daher Fragen der Materialverträglichkeit hinsichtlich des als Wasserstoffversprödung bekannten Phänomens der Beeinträchti-gung der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe durch Wasserstoff betrachtet werden. Bishe-rige Forschungsergebnisse und Feldversuche deuten darauf hin, dass die niedriglegierten, ferritischen Stähle, aus denen die Ferngasleitungen des Erdgasnetzes überwiegend bestehen, für den Transport von Wasserstoff unter normalen Betriebsbedingungen geeignet sind. Eine Frage, die bislang weniger Aufmerksamkeit erhielt, ist die, wie sich das Schweißen im Betrieb an Wasserstoffpipelines auf die Materialkompatibilität auswirkt. Im Erdgasnetz sind etablierte Verfahren wie beispielsweise das „Hot-Tapping“ unumgänglich für die Instandhal-tung und Erweiterung des Netzes. Hierbei werden an eine im Betrieb befindliche Pipeline geteilte T-Stücke aufgeschweißt, über die die Pipeline dann mit geeigneten Bohrvorrichtungen während eines ununterbroche-nen Betriebs angebohrt werden kann. Um zu beurteilen, ob diese Verfahren gefahrlos auf Wasserstoffpipe-lines übertragen werden können, müssen Problemstellungen betrachtet werden, die sich durch den Wärme-eintrag ins Material beim Schweißen ergeben. Wasserstofflöslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit sind tem-peraturabhängig. Erhöhte Temperaturen könnten eine Wasserstoffaufnahme ins Material bewirken, die zu ei-ner kritischen Degradation der mechanischen Eigenschaften des Materials führen könnte. Die Temperaturen, die beim Schweißen erreicht werden, führen lokal zur Überschreitung der Austenitisierungstemperatur. Aus-tenit weist eine deutlich höhere Löslichkeit von Wasserstoff auf, während die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs in dieser Phase deutlich herabgesetzt ist. Es wird vermutet, dass dies zu einer lokal erhöhten Wasserstoffkonzentration führt. Damit geht ein erhöhtes Risiko einer kritischen Materialdegradation einher. Durch die lange Zeitdauer beim Schweißen von mehrlagigen Rundkehlnähten an großen Pipelines, einschließ-lich einer möglichen Vorwärmprozedur, ist weiterhin zu klären, ob der aus Anwendungsfällen in der Petroche-mie bekannte Hochtemperaturwasserstoffangriff auftritt. Der vorliegende Beitrag liefert einen Überblick über das Schweißen im Betrieb an Gaspipelines, hierbei auftretenden Herausforderungen bei der möglichen An-wendung auf Wasserstoffleitungen. Dabei werden auch aktuelle Forschungsprojekte zum Thema Schweißen an Wasserstoffpipelines im Betrieb eingehend diskutiert. In diesem Zusammenhang werden erste Ergebnisse des gemeinschaftlichen Forschungsprojektes „H2-SuD: Einfluss des Schweißens auf die Wasserstoffauf-nahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2-Ferngasleitungen“ des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW), der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und deutscher Gasnetz-betreiber (Open Grid Europe, ONTRAS Gastransport, u.v.m.) präsentiert.