Трубы, которых нет

За темами ВИЭ, водородная энергетика, СО2, изменение климата и т.п. специально не слежу, особого интереса, эмоций не испытываю, правда, лишь до момента, пока, что сторонники, что противники не начинают нести откровенную чушь, либо пока не встречу какое-нибудь интересное, техническое решение. Прошедшей весной, во время очередного обострения у икспердов на АШ по теме: "...в отличии от тупых европейцев, каждый школьник знает, что водород...", возникла идея всё же посмотреть, изменился ли технический уровень по данной теме за многие годы после студенческой скамьи, и, заодно, проверить, насколько "безнадёжны" европейцы в своих начинаниях по переходу на водородную энергетику. Покопался в открытом доступе, отсеял шелуху типа: СО2, цели по декарбонизации, изменения климата итд. (куда же без этого - мэйнстрим). И обнаружил весьма интересную информацию.

АШ-евских всезнаек вынужден разочаровать сразу же: проблемы использования водорода на западе известны даже лучше, чем всезнайки себе могут представить. Последнее десятилетие этой темой занимаются особенно плотно. Например, в таблице представлен список некоторых документов, имеющих непосредственное отношение к транспортировке водорода и которые также являются стандартами для развития водородной энергетики[3].

Основная критика транспортировки водорода по трубам сводится к следующим типичным утверждениям: "...Для начала найдите трубу, по которой можно перекачивать водород и компрессор, который способен это делать..." или: "...Стальные трубы принципиально не годятся для перекачки водорода, тем более под давлением...". Особо продвинутые  ссылаются при этом на водородное охрупчивание металлов и пр.

Как мне представляется, идея о невозможности транспортировки водорода по трубам, основывается на следующих положениях (упрощённо):

• в век дешёвых углеводородов, водород, как энергоноситель - совершенно избыточен и абсурден
• водород обладает "капризными" свойствами: взрывоопасность, охрупчивание металлов и пр. Данные проблемы существенны, но нивелируются по мере возникновения соответствующих технологий. Необходимости развивать технологии по обузданию водорода нет, потому, что водород, как энергоноситель - совершенно избыточен и абсурден.

Вполне логичная позиция, полностью соответствующая углеводородному техноукладу.

Однако для Европы, отказывающейся от углеводородного уклада, вышеупомянутые положениях выглядят совсем иначе:

• в мире пик добычи углеводородов уже пройден, дешёвые углеводороды уходят в историю (и это действительно вопрос десятилетий), нужен энергоноситель для аккумулирования энергии и это, по многим причинам, - водород
• "капризные" свойства водорода никуда не делись, но технологии по обузданию водорода крайне необходимы потому, что нужен энергоноситель для аккумулирования энергии и это - водород

Эта позиция не менее логичнее первой, но соответствует уже, назовём, водородному укладу. Однако, если данную позицию оценивать с точки зрения иксперда углеводородного уклада, то она выглядит "тупой", правда, сам факт мерить лекалами одного уклада другой и выдавать результат таких измерений за ценное суждение, совсем не в пользу умственных способностей иксперда оценивающего.

Так или иначе, но в Европе решение уже принято, вопрос перехода на водород - закрыт и водород будет необходимо транспортировать. А как транспортировать, если, как утверждают всезнайки и иксперды всех мастей, труб для него нет и быть не может?

Оказывается, слухи об отсутствии труб, были сильно преувеличены: фирма Mannesmann Line Pipe при поддержке Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH (фирма с 85-ти летним опытом в области исследований стали и сплавов) разработала и выпускает специальные трубы Mannesmann H2ready для транспортировки водорода. В приложении "Энергетический переход с трубами "H2Ready" и преобразование существующих Сетей природного газа"[4] (на немецком) описаны проблемы, исследования, решения, тесты, графики по теме. Я же предлагаю перевод более популярной статьи. За точность перевода специальных терминов - не ручаюсь, в остальном - перевод верный.

Будущее, созданное компанией "Mannesmann H2ready" [1] (перевод)

Для строительства будущей водородной сетевой инфраструктуры фирма Mannesmann Line Pipe предлагает подходящие продукты и решения - в том числе специальные трубы для  транспортировки водорода.

В будущем водород будет играть важную роль в качестве энергоносителя. Для этого нужны не только резервуары, но и как распределительные, так и магистральные газопроводы. Однако материал для труб должен соответствовать высоким требованиям. Поскольку атомы водорода чрезвычайно малы, они могут проникать во многие материалы и даже металлы. Тем не менее, сталь является идеальным решением и технически и экономически явно превосходит другие материалы, такие, как пластиковые трубы. Кроме того, чтобы водород имел плотность энергии, сравнимую с плотностью природного газа того же объема, он должен транспортироваться по газопроводам под высоким давлением.

Фирма Mannesmann Line Pipe, выпускающая специальные трубы Mannesmann H2ready, уже предлагает продукцию, подходящую для транспортировки водорода. "Они отличаются легированием, очень гладкой внутренней поверхностью и используемым процессом сварки", - поясняет Конрад Таннбихлер, руководитель отдела продаж Mannesmann Line Pipe GmbH. Содержание фосфора и серы в сплавах намного ниже рекомендаций Европейской ассоциацией промышленных газов (EIGA). Благодаря этому сплаву, точки воздействия водорода на материал сводятся к минимуму, а, значит, и подверженность труб коррозии. Что касается содержания углерода, то оно также значительно ниже, чем в спецификациях EIGA, что также оптимизирует производство сварных труб. Фирма Mannesmann Line Pipe сваривает продольные трубные швы методом "высокочастотной индукционной сварки сопротивлением (HFI)". При использовании этого метода, высокочастотный ток нагревает края трубы до температуры сварки за счет индукции.

Чтобы повысить экономическую эффективность труб, Mannesmann Line Pipe также полагается на более высокую прочность материала, что позволяет получить более тонкую стенку трубы и, как следствие, более низкую стоимость материалов. Долгое время беспроблемными для водорода считались только магистральные трубы из низкопрочной стали до класса API 5L X52 (L360). При поддержке Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH Фирма Mannesmann Line Pipe теперь смогла доказать пригодность стальных труб, сваренных методом HFI, марок до класса X70 (L485): ни одно из исследований не выявило повышенного ухудшения прочности материала трубы или сварного шва HFI из-за воздействия сжатого водорода.

На практике давление водорода при хранении или при транспортировке по трубопроводам или в автоцистернах, может достигать 350 бар. Потребности для таких экстремальных условий также могут быть закрыты благодаря толстостенным и высокопрочным трубам Mannesmann Line Pipe. Для сравнения: существующие водородопроводы в Северном Рейне-Вестфалии (длина: 215км, существует с 1938г. - примечание переводчика) и в промышленной зоне Лойна-Биттерфельд-Вольфен (длина: 110км - примечание переводчика) работают под давлением 20 бар, водородная линия длиной 232 км в Техасе (США), существующая с 1969 года - под давлением 58 бар. "Таким образом, специальные трубы Mannesmann H2ready предлагают отличное решение для предстоящего расширения инфраструктуры водородной сети", - уверен Таннбихлер.

Или вся технология в двух словах: подверженность материалов коррозии, вызванной воздействием водорода, зависит не только от класса прочности и легирования. Структура материала, которая зависит от технологии производства, также имеет большое влияние на пригодность материала для транспортировки водорода.

Если взять два материала класса X52 (см. таблицу 1) : материал 1 (Werkstoff 1) и материал 2 (Werkstoffs 2).

Затем первый (материал 1)  нормализовать на стане горячей прокатки (видимо типичная технология для производства обычных труб - прим. переводчика), то получится материал со структурой на картинке a), а если материал 2, который подготовлен в соответствии с внутренними стандартами фирмы Mannesmann Line Pipe для труб H2ready, подвергнуть термомеханической прокатке, то получится материал со структурой на картинке b)[4].

Свойства материалов после прокатки даны в таблице, ниже[4].

Если теперь из материала 2 сварить трубу методом HFI, обеспечив при всём производстве достаточно гладкую поверхность, то получаются трубы, пригодные для транспортировки водорода: Mannesmann H2ready.

Испытание труб Mannesmann H2ready из более высокопрочного материала (Х70) также дают положительный результат: "Поведение высокопрочных материалов класса X70 (L485) было испытано под воздействием чистого, сжатого водорода и смесей водород / природный газ, в том числе испытаниями на растяжение, при низкой скорости деформации и при давлении 80 бар. Как основной материал, так и шов HFI или стандартный круглый шов не демонстрируют повышенной восприимчивости к водороду в структурно значимой области"[2].

Ну и в заключение актуальные новости от июня 2021г., теперь касательно резервуаров для водорода - пересказ некоторых выдержек из статьи "Стальные трубы для водорода" (журнал Stil 2/2021)

Очевидно, что возможное охрупчивание может быть проблемой только в высокопрочных сталях и только если водород проникнет в материал. Mannesmann Forschung GmbH и Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST (институт по инженерии поверхностей и покрытий) осуществляют совместный проект по теме "предотвращение водородного охрупчивания стали в высокопрочных резервуарах для водорода". Проект начался в начале этого года и в конце года будет завершён. Цель проекта - апробация уже существующих и разработка новых технологий обработки внутренних поверхностей резервуаров для снижения проникновения водорода в их стенки. Также проект определит направления возможных, дальнейших исследований. Необходимые прототипы бесшовных и шовных труб изготавливает Mannesmann Forschung GmbH совместно с Mannesmann Line Pipe. Конечная цель - создание долговечных, экономически оправданных резервуаров на основе стальных труб для водорода.

Несмотря на "отсутствие" труб, арматуры, компрессоров, люди уже более 80 лет транспортируют водород по трубам под давлением, а с появлением  специальных труб для водорода, которые являются примером, как технологии могут нивелировать "капризные" свойства водорода, появилась возможность для осуществления более серьёзных, инфраструктурных проектов.