Wasserstoff
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S690 steel is increasingly employed in modern steel construction, including building, plant, and mobile crane applications, due to their high strength and weldability. Submerged arc welding (SAW) is commonly used for these thick-walled structures but poses a risk of delayed hydrogen-assisted cold cracking (HACC). The influence of microstructure-dependent diffusion coefficients (DH) on hydrogen accumulation and distribution during welding and cooling remains poorly understood. In this study, the HACC susceptibility of SAW joints of thermomechanically rolled (MC) and quenched and tempered (Q) variants of S690 steel were compared, followed by electrochemical hydrogen permeation tests to determine the microstructure-specific DH. A numerical model was developed to analyze hydrogen diffusion as a function of temperature, time, and microstructure. Results showed that the MC-grade exhibited slightly faster hydrogen diffusion than the Q-grade. However, simulations indicated that higher welding heat input and increased plate thickness had a significantly greater impact on hydrogen retention than microstructure-dependent diffusion effects. These findings suggest that while differences in hydrogen diffusivity exist between S690MC and S690Q, microstructure-specific diffusion plays a minor role in HACC risk. Instead, proper control of welding parameters is crucial for mitigating HACC, particularly in thick-plate, multi-layer SAW joints.
Pipeline steels are widely applicated for long-distance transmission pipelines. However, the welded joints of these steels can be susceptible to hydrogen-assisted cold cracking (HACC) during welding and after cooling especially in the heat-affected zone (HAZ). HACC in welds basically involves a critical combination of local, mutually dependent parameters consisting of: (1) a crack-critical microstructure; (2) sufficiently high mechanical stress; and (3) a diffusible hydrogen concentration (HD). In this context, thick-walled steel weld joints typically involve multi-layer welding with several passes. This leads to an effective, empirically known reduction in the global HD in the weld seam. This reduction is due to the repeated reheating of subsequently welded beads or layers, which reduces the local HD in the individual weld beads or layers. However, this has not yet been adequately quantified or described. Bead-on-plate tests, such as ISO 3690, cannot correctly reproduce the local HD distribution in individual welding passes (and thus, the global HD in the entire seam). Therefore, these tests lead to an extremely conservative evaluation of hydrogen ingress and the potential for "self-reduction" of HD due to increased interpass temperature during multi-layer welding, which has not yet been adequately addressed in the literature. Ideally, the local HD in each pass and the global (average) HD of the multi-layer weld would be known immediately after welding. For this reason, the study proposes an approach to address the local welding pass and layer-dependent, as well as global HD of multi-layer welds via a modified ISO 3690 test. To this end, representative welding parameter combinations for selected practical welding processes (e.g., SAW, GMAW, or SMAW) will be carried out as conventional bead-on-plate samples. These samples will be systematically extended by an increasing number of welding passes. Several sample series with an increasing number of beads or layers will be examined. Additionally, the initial HD is varied by methods such as targeted shielding gas variation (e.g., addition of hydrogen in GMAW) or moistened flux/coating (e.g., SAW/SMAW). Based on experimental data (temperature field measurements during welding and determination of temperature-dependent HD coefficients), a numerical hydrogen diffusion model is created. This model calculates the local HD (in the beads) and the HD across the weld cross-section. Additional variation calculations represent heat transfer conditions that were not recorded experimentally and their influence on HD distribution. Finally, we investigate the potential use of the modified ISO 3690 multi-layer geometry for application cases such as predicting the effectiveness and necessity of hydrogen removal heat treatment procedures for given welding parameter sets. Finally, an international round robin should be initiated once the concept has been successfully confirmed and verified.
Der Vortrag zeigt Beispiele auf, wie einerseits durch Untersuchungen von Unfällen sowie andererseits durch die zahlreichen Prüfungen an der BAM Erkenntnisse gewonnen wurden. Diese sind in die Überarbeitung von Normen und Standards sowie in die Modifikation von Prüfverfahren und von Bewertungskriterien eingeflossen.
So wird zum Beispiel bei der Untersuchung nichtmetallischer Materialien versucht, den tatsächlichen, praktischen Anwendungsfall zu berücksichtigen und diesen durch die Prüfungen möglichst abzubilden. Änderungen beim Herstellungsprozess, bei der Materialzusammensetzung und bei Weiterverarbeitungsprozessen nichtmetallischer Materialien haben in der Vergangenheit immer wieder zu deutlich unterschiedlichen Prüfergebnissen geführt. Dem wurde nunmehr durch die Einführung chargenbezogener Prüfungen Rechnung getragen.
Für Ventile mit integriertem Druckregler (Valves with Integrated Pressure Regulator - VIPR) wurden neue und überarbeitete Prüfanforderungen für die Lebensdauer und für die Ausbrennsicherheit festgeschrieben, um den gestiegenen sicherheitstechnischen Anforderungen für Anwendungen mit medizinischem Sauerstoff Rechnung zu tragen.
Ziel ist es, auch zukünftig die Sicherheit von Sauerstoffanlagen durch die Betrachtung von Unfällen und die Erfahrungen aus Prüfungen zu verbessern.
Mikrobielle Einflüsse auf Wasserstoffspeicherung: Materialien, Abbauprozesse und Teststrategien
(2026)
Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für die Energiewende – doch seine sichere Anwendung stellt neue Anforderungen an Technik, Infrastruktur und Personal. Die Veranstaltung „H₂ Sicherheit“ bietet eine umfassende Plattform, um sich über die sicherheitsrelevanten Aspekte von Wasserstoff zu informieren und praxisnahe Lösungen kennenzulernen. Expert:innen aus Forschung, Industrie und Netzbetrieb geben Einblicke in aktuelle Entwicklungen, Herausforderungen und Best Practices. Fokus dieser Präsentation war der Mikrobielle Einfluss bei der unterirdischen Speicherung von Wasserstoff und das neuartige Testsystem (MISTRAL)
The experimental campaigns within HICON aim to obtain quantitative and qualitative data through experiments for statistics and understanding of ignition probabilities. Based on that hydrogen ignition models are developed transfering the risk-based models from the natural gas applications. Within the presented experimental campaign the focus was on impacts with gravel and with contaminated surfaces. It was found that the ignition probabilty of hydrogen atmospheres by mechanical impacts can be highly increased when gravel is involved and when surfaces are contaminated with oil or with fine sand (sandblasted surfaces), while natural gas atmospheres cannot be ignited under similar conditions.
Das Forschungsvorhaben adressiert eine zentrale Lücke und damit einhergehende Einschränkung für geschweißte hochfeste Werkstoffe in der aktuellen Normung: Die DIN EN ISO 3690 erlaubt ausschließlich die Bestimmung des diffusiblen Wasserstoffs in einlagigen Prüfraupen und bildet damit die realen Bedingungen in mehrlagigen Schweißnähten hochfester Stähle nicht ab. Durch das mehrfache wiederholte Aufwärmen wird die eingebrachte Wasserstoffkonzentration deutlich unter die konservativen, einlagigen Prüfraupen bereits während des Schweißens abgesenkt. Hierzu fehlt jedoch eine einfache, experimentelle Methoden, um die tatsächliche lokale lagenabhängige bzw. globale Wasserstoffverteilung quantifizieren zu können. Das Vorhaben entwickelt daher erstmals eine Versuchsmethodik, der reale Diffusions- und Entgasungsbedingungen von Mehrlagenschweißungen experimentell reproduziert. Dadurch werden die Nachteile der ISO 3690 (einlagige Prüfraupe, konservative Bewertung) aufgehoben und mit dem Hauptvorteil (robuste, einfache Handhabung) kombiniert. Durch gezielte Variation von Wärmeführung, Zwischenlagentemperaturen und Wasserstoffangebot werden lokale und globale Wasserstoffverteilungen quantifiziert. Ergänzt durch ein numerisches Diffusionsmodell entsteht ein skalierbares Bewertungswerkzeug, das die experimentellen Daten generalisiert und auf reale Schweißnähte überträgt. Die Ergebnisse ermöglichen: (1) eine realitätsnahe Bewertung verbleibender Wasserstoffgehalte, Kaltrisssicherheit, damit die (2) die mögliche Ausweitung der HD Klassifizierung hochfester Schweißzusätze, und (3) die Beurteilung der Effektivität und Notwendigkeit von Wärmenachbehandlungs-maßnahmen (wie „Wasserstoffarmglühen“).
Die Bildung von Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen, beispielsweise aufgrund von Cross-Over, Fehlfunktionen oder An- und Abschaltvorgängen, stellt eine für Elektrolyseprozesse ganz spezifische Gefahr dar, die angemessen berücksichtigt werden muss. In dieser Arbeit wurden die Explosionsgrenzen von Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen bei Prozessbedingungen von bis zu 30 bar und 300 °C experimentell bestimmt. Es zeigte sich, dass die vorhandenen experimentellen Daten mithilfe empirischer Ansätze mit guter Genauigkeit interpoliert werden können. Darüber hinaus wurden auch die Explosionsgrenzen unter atmosphärischen Bedingungen mit reduzierter Zündenergie bis hinunter zu 1 mJ bestimmt. Obwohl in der Literatur zu finden ist, dass die Zündenergie von brennbaren Gasen stark ansteigt, wenn die Konzentration von stöchiometrisch in den Bereich nahe den Explosionsgrenzen wechselt, wurde innerhalb des getesteten Zündenergiebereichs für H₂/O₂-Gemische kein signifikanter Einfluss der Gemischkonzentration festgestellt. Schließlich wurde die Zündung an heißen Oberflächen für Gemische mit 6 Mol-% Wasserstoff in Sauerstoff, also leicht oberhalb der Explosionsgrenze, experimentell bei verschiedenen Drücken bis zu 30 bara untersucht. Auch hier wurden nur geringe Abweichungen von den für stöchiometrische Gemische ermittelten Zündtemperaturen festgestellt. Zur Berechnung der Zündtemperaturen wurde ein 0D-Reaktormodell mit adiabatischem, konstantem Volumen verwendet. Das Modell wurde hinsichtlich seiner Vorhersage der Zündtemperaturen von Wasserstoffgemischen bei verschiedenen Drücken getestet.
Der sichere Umgang mit Legierungen auf TiFe-Basis ist für deren Einsatz als reversible Wasserstoffspeichermaterialien von entscheidender Bedeutung. Während der Herstellung, des Betriebs und des Recyclings werden diese Legierungen häufig in Form feiner Pulver verarbeitet, die zündfähige Staubwolken und hybride Gemische mit Wasserstoff bilden können. In diesem Vortrag werden die Explosionscharakteristika einer pulverförmigen TiFe–Mn-Legierung unter zwei verschiedenen Atmosphären systematisch untersucht: Luft und Luft mit 2 % Wasserstoff, was 50 % der unteren Explosionsgrenze entspricht. Schlüsselparameter, darunter der maximale Explosionsdruck (pmax), die maximale Druckanstiegsrate ((dp/dt)max) und der Kst-Wert, wurden mittels standardisierter Versuche in einem 20-Liter-Kugel-Apparat bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass Wasserstoff in Konzentrationen unterhalb der unteren Explosionsgrenze (UEG) in Kombination mit Staub die Druckanstiegsrate und den Kst-Wert tendenziell erhöht, während der maximale Explosionsdruck aufgrund der verringerten Sauerstoffverfügbarkeit leicht absinkt. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass bereits geringe Wasserstoffzugaben die Flammenausbreitung beschleunigen und die Explosionsschwere erhöhen können, was für die Risikobewertung und die Auslegung von Explosionsschutzmaßnahmen in Wasserstoffspeichersystemen von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus liefert die durchgeführte umfassende chemische Charakterisierung eine solide Grundlage für zukünftige Untersuchung der sicherheitstechnischen Eigenschaften und unterstützt damit die Entwicklung sicherer und nachhaltiger Wasserstoffspeicher-Technologien.
Das Schweißen an druckführenden Leitungen im Betrieb ist beim Erdgas-Fernleitungsnetz Stand der Technik, beispielsweise beim Setzen von Abgängen durch „Hot-Tapping“. Diese Technik wird auch beim zukünftigen Wasserstoff-Kernnetz eine bedeutende Rolle spielen. Verfahrensbedingt ist daher eine bestimmte Wasserstoffaufnahme während des Schweißens unvermeidbar. Aus diesem Grund werden derzeit in mehreren Forschungsprojekten wie umfassende Erkenntnisse zum Schweißen an Rohrleitungen unter Druckwasserstoff gewonnen. Die grundsätzliche Übertragbarkeit des „Hot-Tapping“ auf zukünftige Wasserstoff-Rohrleitungen wurde bereits bestätigt (u. a. DNV-Projekt und HyTap). Allerdings besteht allein das zukünftige Wasserstoff-Kernnetz in Deutschland aus einer Vielzahl von Bestands- und Neuwerkstoffen mit unterschiedlichen Festigkeiten, Durchmessern und Wandstärken. Für diese ist eine umfassende Betrachtung notwendig. In diesem Bereich leistet das Projekt H2-SuD wesentliche Beiträge, insbesondere zur Frage der Anpassung der Mindestwandstärke für sicheres Schweißen. Hierzu bieten die Demonstratoren eine ideale Grundlage zum Screening vieler Schweißparameter-Werkstoff-Kombinationen. Eine erhöhte Wasserstoffkonzentration beim Schweißen wurde experimentell belegt (DNV-Projekt und H2-SuD), allerdings im allgemein nicht als kritisch erachteten Bereich. Zudem wurde eine Wasserstoffversprödung der Schweißnaht während des Schweißens an druckwasserstoffführenden Demonstratoren bisher nicht beobachtet. Dies liegt u.a. an den mechanischen Eigenschaften der Rohrleitungswerkstoffe (gute Dehnfähigkeit, auch im geschweißten Zustand).
Der Wasserstofftransport durch Pipelines in Deutschland und Europa ist von zentraler Bedeutung für die zukünftige Energieversorgungssicherheit. Neben dem Neubau einer Wasserstoff-Transportinfrastruktur wird vor allem die kosteneffiziente Umwidmung bestehender Erdgasnetze für den Wasserstofftransport vorangetrieben. Dabei ergeben sich zahlreiche sicherheitstechnische Fragestellungen, insbesondere zur Materialeignung und -kompatibilität, der Zustandsanalyse und -überwachung von Pipelines sowie der Gewährleistung der Gasqualitäten. Die Validierung der wissenschaftlich-technischen Tragfähigkeit der Antworten zu diesen Fragen unter realen Bedingungen ist erforderlich für die erfolgreiche Transformation des Energietransports. Hierzu stellt die BAM eine neue, einzigartige Prüfinfrastruktur vor, die ab Juli 2026 zur Verfügung stehen wird.