Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Zur Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende ist eine zuverlässige Transportinfrastruktur unverzichtbar. Hierfür ist die Nutzung großer Teile des vorhandenen Erdgasnetzes vorgesehen. Im Rahmen von Reparatur- und Wartungsarbeiten ist das Schweißen im Betrieb an Erdgaspipelines Stand der Technik. In Verbindung mit Wasserstoff wirft diese Technik jedoch Fragen der Materialverträglichkeit auf. Das im Vortrag vorgestellte Projekt H2SuD leistet Beiträge zur Aufklärung des Einflusses von Reparaturschweißprozessen auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen. Ein Schwerpunkt des Vortrages liegt auf der im Projekt erarbeiteten Prüfmethode für Modellversuche, mit denen der Einfluss von Schweißen im Betrieb an Pipelines auf die Wasserstoffaufnahme getestet wird. Die Durchführung erster Versuche und dabei erzielte Ergebnisse werden präsentiert.
In the course of tomorrow's hydrogen-based energy transition, the construction of the corresponding infrastructure will play a central role. In that context, large diameter long-distance transmission pipelines for hydrogen will be the backbone in the European Union with service pressures from 70 to 90 bar (e.g., depending on national regulations). It is a major goal to rededicate the existing LNG infrastructure despite the necessity of new pipelines. From that point of view repairing of such transmissions pipelines via welding can be necessary. For the LNG infrastructure, it is state of the art that repair welding is conducted at pipelines under service, i.e., the LNG is still flowing as pressurized gas in the steel pipes. The reason is that a shut-down of large diameter pipelines is not so easy or sometimes impossible. In fact, as long no oxygen enters the pipeline, there would be any combustion or (in the worst case) explosion. At the moment, it is entirely open if current repair welding procedures for LNG pipelines can be transferred to pure hydrogen pipelines. In opposite to LNG, hydrogen can be way easier absorbed to the pipeline steels and diffuses through the material. If it accumulates in susceptible regions, i.e., in the welded joint, hydrogen assisted embrittlement could occur. The planned welding procedure requires a so-called preheating and maintenance of the weld joint of up to 300°C for several hours. This temperature is way higher compared to the typical service temperature of max. 40 to 50°C at operational pressures of 100 bar. In accordance to API 941, these low-alloyed pipeline steels are subjected to short-term service loads, which they are not designed for. For that reason, a collaborative project between BAM and DVGW (German Association for Gas and Water professions) was initiated in 2022 to answer the following questions by experiments and numerical simulation of: (1) How many hydrogen is additionally absorbed during the heating of the material to max. 300°C under remaining operational pressures? (2) Is the hydrogen concentration sufficient to reach a critical condition? (3) Which material and weld microstructure is the most susceptible? (4) Is there a significant difference in the repair welding behavior of LNG pipelines that had been already in use for long-term? (5) Which welding parameters and joint dimensions must be ensured for safe repair welding repair of typical pipelines? For that reason, the present study gives an overview on the current practice in repair welding of in-service pipelines, the industrial importance of this topic for the hydrogen-based energy transition and summarizes first results.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Wasserstoff erfüllt die zentrale Rolle für die Umwandlung der bisherigen fossil-basierten Energieerzeugung und -nutzung auf eine dekarbonisierte, nachhaltige Form. Dazu muss der Wasserstoff erzeugt, gespeichert, transportiert werden, bevor er wieder der Nutzung zugeführt wird. Hierzu sind entlang der gesamtem Prozesskette Wasserstofftechnologien notwendig, die einen sicheren Betrieb erfordern. Hierbei kommt dem schweißtechnischen Anlagen- und Behälterbau wesentliche Bedeutung zu, insbesondere (aber nicht ausschließlich) für Speicherung und Transport des Wasserstoffes. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Überblick, wo und wie die konventionelle Schweißtechnik hierzu wichtige Beiträge leistet. Die additive Fertigung, also das „Drucken“ von Bauteilen wird dabei zunehmend wichtiger, entlang der gesamtem Prozesskette der Wasserstofftechnologien. Gleichwohl darf nicht unterschätzt werden, dass auch wesentlicher Bedarf an der Erweiterung und teilweiser Neufassung von bestehenden Regel- und Normenwerken besteht.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Commercially available carbon steels are suitable for compression and pipelines as long as moisture content and impurities are limited. (water 50 to 100 ppmv, SO2 and NO2 ca. 100 ppmv) Corrosion rates increase with increasing water content. (0.2 – 20 mm/a) Condensation of acids and therefore droplet formation is always possible, even at low water contents. A low SO2 content within the CO2-stream might be more important than a low water content. Cr13-steels showed a general susceptibility to shallow pitting and pitting. So, they seem to be not suitable for CCUS applications. Low alloyed steels showed better corrosion behavior (predictable uniform corrosion). For direct contact with saline aquifer fluids only high alloyed steels shall be used.
In CCS environment (carbon capture and storage) pipes are loaded statically and/or cyclically and at the same time exposed constantly to the highly corrosive hot thermal water. Experimental procedures such as ambient pressure immersions tests, in-situ corrosion fatigue experiments using a flexibly designed corrosion chamber at ambient pressure and a specially designed corrosion chamber at high pressure. Experimental set-ups for push/pull and rotation bending load are introduced. The corrosion behavior and lifetime reduction of high alloyed steels (X46Cr13, 1.4043), (X5CrNiCuNb16-4, 1.4542) and (X2CrNiMoN22-5-3, 1.4462) is demonstrated (T=60 °C, geothermal brine: Stuttgart Aquifer flow rate: 9 l/h, CO₂).
This contribution provides current findings regarding materials susceptibility for CCUS applications. Basing on results gathered in 2 German long-term projects (COORAL and CLUSTER) suitable materials are introduced as well as dominating impurities of the CO2 stream and corrosion mechanisms. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide the following recommendations for certain parts. Commercially available carbon steels are suitable for compression and pipelines as long as moisture content and impurities are limited (water 50 to 100 ppmv, SO2 and NO2 ca. 100 ppmv).
Corrosion rates increase with increasing water content (0.2 – 20 mm/a).
Condensation of acids and therefore droplet formation is always possible, even at low water contents.
A low SO2 content within the CO2-stream might be more important than a low water content.
Cr13-steels showed a general susceptibility to shallow pitting and pitting. So, they seem to be not suitable for CCUS applications.
Low alloyed steels showed better corrosion behavior (predictable uniform corrosion).
For direct contact with saline aquifer fluids only high alloyed steels shall be used.
During carbon sequestration the CO2-induced corrosion of injection pipe steels is a relevant safety issue when emission gasses are compressed into deep geological layers. The reliability of the high alloyed steel X35CrMo17 suitable as injection pipe for the geological onshore CCS-site (Carbon Capture and Storage) in the Northern German Basin, is demonstrated in laboratory experiments in equivalent corrosive environment (T = 60 °CC, p = 1–100 bar, aquifer water, CO2-flow rate of 9 L/h, 700–8000 h exposure time). Corrosion kinetics and microstructure were characterized and compared to other potential injection pipe steels (42CrMo4, X46Cr13, X20Cr13 and X5CrNiCuNb16-4).