Effect of hydrogen on fatigue crack growth rate in natural gas pipelines
Vilkki, Samuli (2024)
Diplomityö
2024
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024112897411
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024112897411
Tiivistelmä
Hydrogen could be considered to be a clean energy option of the future, and it could possibly replace natural gas in many applications. The transportation of hydrogen gas through the existing natural gas transmission pipeline could bring significant cost savings if the existing infrastructure could be utilized. However, the effect of hydrogen on steel is considerably more harmful compared to natural gas. One well-known phenomenon related to this is hydrogen embrittlement.
The literature review of this thesis explains the basic theory on the relationship between steel and hydrogen and presents the different phenomena which can occur in steel in the presence of hydrogen. Differences between natural gas and hydrogen are also explained, especially from the perspective of using a natural gas pipeline.
Simulations and analysis part of this thesis presented an example of an existing natural gas pipeline, which was used for FEA to simulate the effect of fluctuating pressure load inside the pipeline with a presence of internal crack. The fatigue crack growth rate in pipeline steel with and without the presence of hydrogen was calculated. The results showed that hydrogen increases the crack growth rates in steels, in agreement with the literature. Vetyä voidaan pitää tulevaisuuden mahdollisena puhtaana energiamuotona ja monissa käyttökohteissa sitä voitaisiin käyttää maakaasun korvikkeena. Vedyn siirtäminen käyttökohteisiinsa hyödyntämällä maakaasuputkistoa voisi tuoda merkittäviä kustannussäästöjä, jos jo olemassa olevaa infrastruktuuria voitaisiin hyödyntää. Vedyn vaikutukset teräkselle ovat kuitenkin huomattavasti haitallisemmat kuin maakaasun. Eräs tunnettu ilmiö tähän liittyen on vetyhauraus.
Työn kirjallisuuskatsaus selittää teräksen ja vedyn välisen vuorovaikutuksen taustalla olevan teorian perusteet, ja esittää erilaisia ilmiöitä, jota vedyn läsnäolo voi teräksessä aiheuttaa. Myös eroavaisuuksia maakaasun ja vedyn välillä avataan, erityisesti ottaen huomioon maakaasuputkiston hyödyntämisen.
Työn simulaatio- ja analyysiosuudet esittävät esimerkkimallin olemassa olevasta maakaasuputkesta, jota käytetään FE-analyysiin simuloimaan putken sisällä vallitsevan vaihtelevan paineen vaikutusta sisäisen särön läsnäolossa. Väsymissärön kasvunopeus putkiteräksessä vedyn läsnä ollessa ja ilman sen vaikutusta laskettiin. Tuloksista nähtiin vedyn särönkasvua lisäävä vaikutus, joka on linjassa myös kirjallisuuden kanssa.
The literature review of this thesis explains the basic theory on the relationship between steel and hydrogen and presents the different phenomena which can occur in steel in the presence of hydrogen. Differences between natural gas and hydrogen are also explained, especially from the perspective of using a natural gas pipeline.
Simulations and analysis part of this thesis presented an example of an existing natural gas pipeline, which was used for FEA to simulate the effect of fluctuating pressure load inside the pipeline with a presence of internal crack. The fatigue crack growth rate in pipeline steel with and without the presence of hydrogen was calculated. The results showed that hydrogen increases the crack growth rates in steels, in agreement with the literature.
Työn kirjallisuuskatsaus selittää teräksen ja vedyn välisen vuorovaikutuksen taustalla olevan teorian perusteet, ja esittää erilaisia ilmiöitä, jota vedyn läsnäolo voi teräksessä aiheuttaa. Myös eroavaisuuksia maakaasun ja vedyn välillä avataan, erityisesti ottaen huomioon maakaasuputkiston hyödyntämisen.
Työn simulaatio- ja analyysiosuudet esittävät esimerkkimallin olemassa olevasta maakaasuputkesta, jota käytetään FE-analyysiin simuloimaan putken sisällä vallitsevan vaihtelevan paineen vaikutusta sisäisen särön läsnäolossa. Väsymissärön kasvunopeus putkiteräksessä vedyn läsnä ollessa ja ilman sen vaikutusta laskettiin. Tuloksista nähtiin vedyn särönkasvua lisäävä vaikutus, joka on linjassa myös kirjallisuuden kanssa.