Водородная деградация материалов и изменение режима работы оборудования компрессорных станций как факторы повышения рисков и затрат при транспортировке водородсодержащего газа по магистральным газопроводам

Рассмотрены проблемы изменения режимов работы основного технологического оборудования компрессорных станций (КС) существующей газотранспортной системы, а также деградации механических свойств материала оборудования КС в случае транспортировки метановодородных смесей или водорода при повышенном давлении. Рассмотрены особенности работы центробежного компрессора при трубопроводной транспортировке водородсодержащих смесей. Вследствие особенностей физико-химических свойств водорода, приводящих к повышению скорости потока, требуется увеличение частоты вращения ротора компрессора, что ограничено нормативными требованиями. При эксплуатации с водородсодержащими смесями повышается риск охрупчивания материала ротора. Представлены результаты испытаний для оценки сопротивляемости водородному охрупчиванию конструкционных сталей разных классов, являющихся характерными материалами оборудования КС. Установлены основные закономерности изменения прочности, пластичности и трещиностойкости сталей при концентрации водорода от 5% до 100% и давлении 10 МПа. В водородсодержащей среде происходит разупрочнение и сильное охрупчивание высокопрочных сталей.

1. Ishkov A. G., Zhdaneev O. V., Romanov K. V., Koloshkin E. A., Kulikov D. V., Mikhailov A. M., Dzhus K. A., Lugvishchuk D. S., Bogdan I. B., Maslova E. V. Methodological approaches to carbon footprint assessment and certification of low carbon hydrogen //international Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 96. – Pp. 147-159. – ISSN 0360-3199. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.11.181.

2. Zhdaneev O. V., Karasevich V. A., Moskvin A. V., Khakimov R. R. Application of renewable and hydrogen energy in the Arctic by the example of modernizing the energy system of the Arctic settlement of Khatanga //international Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 95. – Pp. 267-277. – ISSN 0360-3199. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.11.183.

3. Khakimov R., Moskvin A., Zhdaneev O. Hydrogen as a key technology for long-term & seasonal energy storage applications //international Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 68. – Pp. 374-381. – ISSN 03603199. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.04.066.

4. Bazhenov S., Dobrovolsky Yu., Maximov A., Zhdaneev O.V. Key challenges for the development of the hydrogen industry in the Russian Federation // Sustainable Energy Technologies and Assessments. – 2022. – Vol. 54. – Article 102867. – ISSN 2213-1388. – DOI: 10.1016/j.seta.2022.102867.

5. Petrochemical Industry in Russia: State of the Art and Prospects for Development / E. A. Golysheva, O. V. Zhdaneev, V. V. Korenev [et al.] // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2020. – Vol. 93, No. 10. – Pp. 1596-1603. – DOI: 10.1134/S107042722010158. – EDN RWFSMQ.

6. Zhdaneev O., Frolov K. Technological and institutional priorities of the oil and gas complex of the Russian Federation in the term of the world energy transition //international Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 58. – Pp. 1418-1428. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.01.285.

7. Ишков А. Г., Нестеров Н. Б., Романов К. В., Колошкин Е. А., Настич С. Ю., Егоров В. А., Лопаткин В. А. Риски использования газотранспортной системы для водородной энергетики // Энергетическая политика. – 2024. № 2 (193). – С. 56-67.

8. Topolski K., Reznicek E. P., Erdener B. C., San Marchi C. W., Ronevich J. A., Fring L., Simmons K., Guerra Fernandez O. J., Hodge B. -M., Chung M. Hydrogen Blending into Natural Gas Pipeline Infrastructure: Review of the State of Technology. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, 2022. NREL/TP540081704. https://www.nrel.gov/docs/fy23osti/81704.pdf

9. Mahajan D., Tan K., Venkatesh T., Kileti P., Clayton C. R. Hydrogen Blending in Gas Pipeline Networks – A Review. // Energies. – 2022. – № 15, 3582. – 32 p. https://doi.org/10.3390/en15103582

10. Islam A., Alam T., Sheibley N., Edmonson K., Burns D., Hernandez M. Hydrogen blending in natural gas pipelines: A comprehensive review of material compatibility and safety considerations //international Journal of Hydrogen Energy. – № 93 (2024), 1429-1461. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.10.384

11. Martin P., Ocko I. B., Esquivel-Elizondo S. et al. A review of challenges with using the natural gas system for hydrogen // Energy Sci Eng. 2024; 12:39954009. doi:10.1002/ese3.1861

12. Global hydrogen review 2022 //iEA: офиц. сайт. URL: https://www.iea.org/reports/global-hydrogenreview-2022 (дата обращения: 24.01.2025).

13. Крутько А. А., Скоков Д. А., Колошкин Е. А., Афонина А. И., Мазилов В. А. Трубопроводная логистика водорода в разрезе технологий, регулирования и контрактной практики. Часть 1 // Газовая промышленность. – 2022. – № 12, 842. – С. 64-70.

14. Крутько А. А., Скоков Д. А., Колошкин Е. А., Афонина А. И., Мазилов В. А. Трубопроводная логистика водорода в разрезе технологий, регулирования и контрактной практики. Часть 2 // Газовая промышленность. – 2023. – № 1, 843. – С. 70-76.

15. ЛяпичевД.М.,МатюхаД.Е.,СальниковС.Ю., Щуровский В. А., Черникова Е. А. Особенности транспортировки водородосодержащих природных газов по действующим газопроводам // Турбины и дизели. – 2023. – № 1 (106). – С. 58-61.

16. Голунов Н. Н., Лурье М. В., Мусаилов И. Т. Транспортировка водорода по газопроводам в виде метано-водородной смеси // Территория «НЕФТЕГАЗ». – 2021. – № 1-2. С. 74-82.

17. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 216 с.

18. Liu Q., Atrens A. A critical review of the influence of hydrogen on the mechanical properties of medium-strength steels // De Gruyter. Corrosion Review. – 2013. № 31 (3-6). – Pр. 85-103.

19. Li X., Ma X., Zhang J. et al. Review of hydrogen embrittlement in metals: hydrogen difusion, hydrogen characterization, hydrogen embrittlement mechanism and prevention // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2020. – № 33. – Pр. 759-773.

20. Bhadeshia H. K. D. H. Prevention of Hydrogen Embrittlement in Steels //iSIJ International. – 2016. – Vol. 56, No. 1. – Pр. 24-36.

21. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. – М.: Металлургия, 1985. – 192 с.

22. Настич С. Ю., Лопаткин В. А. Влияние газообразного водорода на механические свойства металла труб магистральных газопроводов // Металлург. – 2022. – № 6. – С. 17-27.

23. Официальный сайт ООО «Газпром трансгаз Ставрополь». https://stavropol-tr.gazprom.ru/press/proekt-azbuka-proizvodstva/kompressornaya-stantsiya/

24. Жедулов С. А., Арабей А. Б., Ряховских И. В. Моделирование коррозионно-механического разрушения трубной стали // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». – 2022. – № 1 (50). – С. 107-119.

25. Алексеева О. К., Козлов С. И., Фатеев В. Н. Транспортировка водорода // Транспорт на альтернативном топливе. – 2011. – № 3 (21). – С. 18-24.

26. Бакланов А. В. Возможность использования метано-водородного топлива в конвертированных газотурбинных двигателях для энергетических установок // Сибирский аэрокосмический журнал. – 2021. – Т. 22, № 1. – С. 82-93. Doi: 10.31772/2712-8970-202122-1-82-93.

27. Lam P. S., Sindelar R. L., Duncan A. J., Adams T. M. Literature Survey of Gaseous Hydrogen Effects on the Mechanical Properties of Carbon and Low Alloy Steels // J. Pressure Vessel Technol. Aug 2009, 131(4): 041408 (14 pages). https://doi.org/10.1115/1.3141435

28. Газоперекачивающий агрегат ГПА-32 «Ладога» / под ред. директора Института энергетики ФГАОУ ВО «СПбПУ», д. ф.-м. н., проф., чл-корр. РАН Ю. К. Петрени. – СПб.: Многопрофильная типография «Быстрый Цвет». – 2023. – 196 с. ISBN 978-56047002-1-1

29. Adasooriya N. D., Tucho W. M., Holm E., Arthun T., Hansen V., Solheim K. G., Hemmingsen T. Effect of hydrogen on mechanical properties and fracture of martensitic carbon steel under quenched and tempered conditions // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Volume 803, 28 January 2021. – 140495.

30. Sk M. H., Overfelt R. A. Strain Rate Effects on Hydrogen Embrittlement Characteristics of Notched 4340 Steel // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. – 2014. – Vol. 15. – Materials Research Society. DOI: 10.1557/opl.2014.436

31. Стасюк С. З. Исследование водородоустойчивости стали типа Х16Н6 с различным содержанием углерода // Металл и литье Украины. – 2014. – № 4 (251). – С. 38-42.

32. Fu Z. H., Yang B. J., Shan M. I., Li T., Zhu Z. Y., Ma C. P., Zhang X., Gou G. Q., Wang Z. R., Gao W. Hydrogen embrittlement behavior of SUS301L-MT stainless steel laser-arc hybrid welded joint localized zones // Corrosion Science. – 2020. – Volume 164, March 2020. – 108337.

33. Murakami Y., Kanezaki T., Mine Y., Matsuoka S. Hydrogen Embrittlement Mechanism in Fatigue of Austenitic Stainless Steels // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2008. – Volume 39A, JUNE 2008. – Pр. 1327-1339.

34. Астафурова Е. Г., Мельников Е. В., Астафуров С. В., Раточка И. В., Мишин И. П., Майер Г. Г., Москвина В. А., Захаров Г. Н., Смирнов А. И., Батаев В. А. Закономерности водородного охрупчивания аустенитных нержавеющих сталей с ультрамелкозернистой структурой разной морфологии // Физическая мезомеханика. – 2018. – Т. 21. – № 2. – С. 103-117.

35. Настич С. Ю., Лопаткин В. А., Егоров В. А., Арабей А. Б., Михалев А. Ю. Влияние структуры металла труб и их сварных соединений на сопротивляемость разрушению при испытаниях в водороде // Металлург. – 2024. – № 8. – С. 9-18.

36. Фомина Д. Д., Пойлов В. З. Новые конструкционные и функциональные материалы и покрытия, устойчивые к водородсодержащим средам // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. – 2022. – № 2. – С. 55-72.

37. Добротворский А. М., Думрауф В. В., Романова Л. М., Вальковская С. А., Дыкман А. С. Коррозионная стойкость конструкционных материалов в условиях эксплуатации реакторов синтеза изопрена // Химическая техника. – 2016. – № 1. – С. 32-34.