Międzynarodowy zespół naukowców, pod kierownictwem Huiling Wang i Shuo Cao, przeprowadził pionierskie badania nad mechanizmami przenikania wodoru i kruchości wodorowej w stali rurociągowej X52, co ma fundamentalne znaczenie dla bezpiecznego transportu wodoru infrastrukturą rurociągową.
Badanie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym, dostarcza cennych informacji na temat zachowania się stali rurociągowej X52 w środowisku gazowego wodoru, co jest kluczowe dla rozwoju infrastruktury transportowej wodoru jako nośnika energii w gospodarce niskoemisyjnej.
Naukowcy wykazali, że w środowisku gazowego wodoru zachodzi proces przenikania wodoru przez stal rurociągową X52. Proces ten rozpoczyna się od dysocjacji cząsteczek wodoru (H₂) na atomy wodoru na powierzchni stali, które następnie dyfundują w głąb materiału. Zjawisko to jest trudne do zaobserwowania eksperymentalnie, jednak badaczom udało się potwierdzić jego występowanie.
Kluczowym odkryciem jest fakt, że stopnie poślizgu spowodowane naprężeniem lub odkształceniem w warunkach rozciągania w temperaturze pokojowej znacząco promują dysocjację i absorpcję wodoru, prowadząc do zwiększenia strumienia przenikania wodoru przez materiał. Ponadto, testy rozciągania przy niskiej prędkości odkształcenia potwierdziły występowanie kruchości wodorowej w stali rurociągowej X52 o niskiej wytrzymałości w środowisku gazowego wodoru.
Aby dogłębnie wyjaśnić mechanizmy przenikania i kruchości wodorowej, zespół zastosował metody obliczeniowe oparte na zasadach mechaniki kwantowej (first-principles). Badania te pozwoliły na dokładne przeanalizowanie procesów dysocjacji cząsteczek wodoru oraz ścieżek, którymi atomy wodoru przenikają do podpowierzchniowych warstw stali.
Naukowcy odkryli, że cząsteczki wodoru ulegają dysocjacji głównie w pobliżu wypukłych przecięć powierzchni, a następnie atomy wodoru migrują przez powierzchnię do lokalizacji o niższej barierze energetycznej. Te szczegółowe informacje o mechanizmach atomowych są kluczowe dla opracowania skutecznych metod zapobiegania kruchości wodorowej w rurociągach transportujących wodór.
Badania mają ogromne znaczenie praktyczne w kontekście rozwoju gospodarki wodorowej. Stal X52 jest powszechnie stosowana w konstrukcji rurociągów przesyłowych, a możliwość adaptacji istniejącej infrastruktury do transportu wodoru jest kluczowa dla efektywnego kosztowo rozwoju sieci dystrybucji tego nośnika energii.
Kruchość wodorowa, czyli degradacja właściwości mechanicznych metali spowodowana obecnością wodoru, stanowi jedno z głównych wyzwań technicznych dla bezpiecznego transportu wodoru rurociągami. Zjawisko to może prowadzić do przedwczesnego pękania materiału, co w przypadku instalacji przesyłowych może mieć poważne konsekwencje ekonomiczne i środowiskowe.
Wyniki badań dostarczają cennych wskazówek dla inżynierów projektujących rurociągi do transportu wodoru oraz dla operatorów istniejących sieci, które mogą być wykorzystane do transportu tego gazu w przyszłości. Zrozumienie mechanizmów interakcji wodoru ze stalą umożliwi opracowanie lepszych materiałów i metod zabezpieczania przed kruchością wodorową.
W kontekście globalnej transformacji energetycznej, wodór jest postrzegany jako kluczowy nośnik energii umożliwiający dekarbonizację przemysłu ciężkiego, transportu i energetyki. Efektywny i bezpieczny transport wodoru istniejącą infrastrukturą rurociągową może znacząco obniżyć koszty rozwoju gospodarki wodorowej, przyspieszając tym samym przejście do systemu energetycznego o niskiej emisji dwutlenku węgla. Badania nad interakcją wodoru z materiałami konstrukcyjnymi, takimi jak stal X52, stanowią zatem niezbędny element tej transformacji, zapewniając, że rozwój technologii wodorowych będzie odbywał się w sposób bezpieczny i niezawodny.