Stal do pracy w atmosferze wodoru
Mam pytanie, który materiał byłby najlepszy do pracy z wodorem pod ciśnieniem, w temperaturze powyżej 500 stopni? Używana jest do tego stal 316, ale powyżej 500 stopni zaczyna poważnie „cieknąć”, dyfuzyjność wodoru jest zbyt duża.
Materiały w środowisku zawierającym wodór mogą ulegać korozji wodorowej. W zależności od temperatury ośrodka wyróżnia się korozję niskotemperaturową, poniżej 200°C, która jest związana z tworzeniem pęcherzy wodorowych lub kruchością wodorową. Zjawisko kruchości wodorowej zachodzi poniżej 100°C i prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych metali. Wodór może absorbować się w stali z fazy gazowej w temperaturze powyżej 200°C i wysokim ciśnieniu, co jest przyczyną wysokotemperaturowej korozji wodorowej. Ten typ korozji polega na reakcji zaabsorbowanego wodoru z węglem znajdującym się w składzie stali. W temperaturze powyżej 200°C w obecności wodoru może zachodzić odwęglenie stali w wyniku reakcji rozpuszczonego wodoru z węglem obecnym w stali – powstaje metal. Odwęglenie stali powoduje spadek jej wytrzymałości oraz wzrost plastyczności i szybkości pełzania oraz prowadzić do powstawania mikropęknięć. Gdy atmosfera oprócz wodoru zawiera węgiel wystąpić może zjawisko nawęglania lub odwęglania stali w zależności od temperatury i stężenia mieszaniny gazów.
Spośród wszystkich materiałów metalowych stale stopowe o strukturze austenitycznej – austenityczne stale nierdzewne, są najmniej podatne na zjawiska korozji wodorowej. W zależności od stężenia wodoru w atmosferze oraz temperatury eksploatacji oprocowano wykres umożliwiający dobór materiału o optymalnej odporności w środowisku zawierającym wodór, potocznie nazywany wykresem Nelsona. Na osi poziomej wykresu znajduje się ciśnienie wodoru w różnych jednostkach (kg/cm2, MPa, psi), a na osi pionowej temperatura atmosfery w stopniach Celsiusa (°C) i Farenheita (°F). Na rysunku 1 i 2 przedstawiono takie wykresy – pochodzące z różnych źródeł, oba wykresy ilustrują odporność stali na atak wodoru. Na podstawie analizy wykresów można zauważyć, że najmniej odporne na atak wodoru są stale węglowe bez dodatków chromu (Cr) i molibdenu (Mo). Wraz ze wzrostem stężenia tych pierwiastków zwiększa się odporność stali na atak wodoru. Dla najwyższych stężeń wodoru i wysokiej temperatury środowiska z powodzeniem można stosować stale nierdzewne, które wykazują najwyższą odporność na korozję wodorową.
Rozpatrując zastosowanie stali nierdzewnych w środowisku wodoru należy brać pod uwagę stale o strukturze austenitycznej, która jest bardziej wytrzymała na atak korozji wodorowej niż struktura ferrytyczna. Stal austenityczna typu AISI 316L, która zawiera 18%Cr, 10%Ni i 2,5%Mo idealnie nadaje się do stosowania w środowisku wodoru w temperaturze 500°C. W takich warunkach można pokusić się także o zastosowanie stali o wyższym stężeniu Cr i Mo, np. gatunków z podwyższonym do 4-6% stężeniem molibdenu, np. 1.4539, 1.4547, 14565, lecz ich głównym przeznaczeniem są środowiska o wyższej korozyjności.
Na odporność korozyjną danej konstrukcji wpływa także zastosowana metoda łączenia elementów, czyli spawanie. Połączenia spawane to zawsze obszary najbardziej narażone na atak korozji, ponieważ stanowią miejsca o obniżonej odporności korozyjnej, na którą wpływa sposób wykonania złączy, metoda oczyszczenia po spawaniu i wiele innych czynników samej techniki spawania.
Rys. 1. Wykres Nelsona ilustrujący odporność stali na atak wodoru [1].
Rys. 2 Wykres Nelsona ilustrujący odporność stali na atak wodoru [2].
Literatura
[1]. High-temperature Hydrogen Attack (Decarburization), WebCorr, www.corrosionclinic.com.
[2]. High temperature characteristic of stainless steel, Nickel Development Institute, A Designers’ Handbook series 9004.