Трубопроводы для транспортировки водорода стоят больше, чем другие газопроводы из-за мер, необходимых для борьбы с ущербом, который водород наносит механическим свойствам стали с течением времени. Исследователи NIST подсчитали, что стальные трубопроводы для водорода могут стоить на 68 процентов дороже, чем трубопроводы для природного газа, в зависимости от диаметра трубы и рабочего давления. * Напротив, широко используемая модель затрат ** предполагает снижение стоимости всего около 10 процентов. .Но хорошая новость, согласно новому исследованию NIST, заключается в том, что затраты на транспортировку водорода могут быть снижены для большинства размеров трубопроводов и давлений путем изменения отраслевых кодексов ***, позволяющих использовать более высокопрочный стальной сплав, не требуя более толстых труб. стены. Более прочная сталь дороже, но отказ от требований к более толстым стенкам приведет к сокращению использования материалов и связанных с этим затрат на сварку и рабочую силу, что приведет к снижению чистых затрат.
По словам авторов NIST, модификации кода, которые NIST предложил Американскому обществу инженеров-механиков (ASME), не снизят производительность или безопасность трубопроводов.«Снижение затрат достигается за счет использования меньшего количества — из-за более тонких стен — более дорогого материала», — говорит специалист по материалам NIST Джеймс Фекете, соавтор исследования. «Текущий кодекс не позволяет вам уменьшать толщину при использовании более прочного материала, поэтому затраты возрастут.
С предлагаемым кодом в большинстве случаев вы можете получить чистую экономию за счет более тонкой стенки трубы, потому что чистое сокращение материала превышает более высокую стоимость единицы веса ".Исследование NIST является частью федеральных усилий по снижению общих затрат на водородное топливо, которое является возобновляемым, нетоксичным и не производит вредных выбросов. Большая часть затрат идет на распределение, которое, вероятно, было бы наиболее экономичным по трубопроводам.
В США есть более 300 000 миль трубопроводов для природного газа, но очень мало приспособленных для использования водорода. Существующие нормы для водородных трубопроводов основаны на данных десятилетней давности.
Исследователи NIST изучают влияние водорода на сталь, чтобы найти способы снизить затраты на трубопровод без ущерба для безопасности или производительности.Например, новый кодекс позволит изготавливать 24-дюймовую трубу из высокопрочной стали X70 толщиной 0,375 дюйма для транспортировки газообразного водорода с плотностью 1500 фунтов на квадратный дюйм (psi). (В соответствии с отраслевой практикой стандарты ASME для трубопроводов выражаются в обычных единицах.) Согласно новому исследованию NIST, это снизит затраты на 31 процент по сравнению с базовой сталью X52 толщиной 0,562 дюйма, как того требует действующий кодекс. . Кроме того, благодаря своей более высокой прочности, X70 позволит безопасно транспортировать водород по трубопроводам большего размера при более высоком давлении (труба диаметром 36 дюймов для транспортировки водорода под давлением 1500 фунтов на кв. Дюйм), чем это допускается с X52, что позволяет транспортировать и хранить большее количество топлива. тома.
Такое сочетание диаметра и давления невозможно в соответствии с действующими правилами.Предлагаемые модификации кодов были разработаны на основе исследования усталостных свойств высокопрочной стали в лаборатории испытаний материалов водородных трубопроводов NIST. На практике трубопроводы подвергаются циклам повышения давления при напряжениях, намного ниже точки разрушения, но достаточно высоких, чтобы привести к усталостному повреждению.
К сожалению, определение усталостных свойств стали в сжатом водороде сложно и дорого. В результате промышленность исторически использовала данные испытаний на растяжение в качестве основы для проектирования трубопроводов, а более высокопрочные стали теряют пластичность при таких испытаниях в водороде под давлением.
Но этот тип испытаний, который включает в себя постоянно увеличивающееся напряжение до точки отказа, не позволяет прогнозировать усталостные характеристики материалов водородных трубопроводов, говорит Фекете.Исследования NIST показали, что в реальных условиях стальные сплавы с более высокой прочностью (например, X70) не имеют более высоких темпов роста усталостных трещин, чем более низкие марки (X52).
Эти данные были использованы для разработки модели воздействия водорода на рост усталостной трещины в стали трубопровода, которая может прогнозировать срок службы трубопровода в зависимости от условий эксплуатации.