स्टेनलेस स्टील में हाइड्रोजन एम्ब्रिटलमेंट: हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था के लिए सामग्री चयन

हाइड्रोजन भविष्य का ईंधन है - लेकिन यह धातु सामग्री के लिए सबसे प्रतिकूल वातावरणों में से एक है। तेल, प्राकृतिक गैस या यहां तक ​​कि कार्बन डाइऑक्साइड के विपरीत, हाइड्रोजन गैस केवल पूर्वानुमानित दर पर धातु की दीवारों को संक्षारित नहीं करती है। यह कहीं अधिक खतरनाक काम करता है: यह धातु की क्रिस्टल संरचना पर आक्रमण करता है, परमाणुओं के बीच के बंधन को बदल देता है, और लचीले, कठोर स्टेनलेस स्टील को एक भंगुर पदार्थ में बदल देता है जो बिना किसी चेतावनी के कांच की तरह टूट सकता है। इस घटना को हाइड्रोजन उत्सर्जन (एचई) कहा जाता है, और यह हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था में एकमात्र सबसे महत्वपूर्ण सामग्री विफलता तंत्र है।

ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स(304एल, 316एल) सबसे अधिक एचई {2}प्रतिरोधी स्टेनलेस ग्रेड हैं, लेकिन वे प्रतिरक्षित नहीं हैं - वे एएसएमई बी31.12 प्रति 60 डिग्री से ऊपर कम {{4}दबाव वाली हाइड्रोजन गैस (1 एमपीए से कम या उसके बराबर) तक सीमित हैं। उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण और परिवहन (1 एमपीए से ऊपर) के लिए, निकल मिश्र धातु (इनकोनेल 625, मिश्र धातु 825) की आवश्यकता होती है। डुप्लेक्स और फेरिटिक स्टेनलेस स्टील आमतौर पर दबावयुक्त हाइड्रोजन सेवा के लिए अनुपयुक्त होते हैं।

जैसा कि दुनिया हाइड्रोजन ईंधन भरने वाले स्टेशनों, हरित हाइड्रोजन उत्पादन सुविधाओं और हाइड्रोजन पाइपलाइनों के निर्माण के लिए दौड़ रही है, इंजीनियरों और खरीद टीमों को एक महत्वपूर्ण प्रश्न का सामना करना पड़ता है: कौन सा स्टेनलेस स्टील ग्रेड अपने विशिष्ट अनुप्रयोग के दबाव और तापमान पर हाइड्रोजन को सुरक्षित रूप से संभाल सकता है? उत्तर सरल नहीं है - 304, 316, 321, 347, 430, 2205, और 2507 प्रत्येक हाइड्रोजन के प्रति बहुत अलग तरह से प्रतिक्रिया करते हैं, और गलत ग्रेड चुनने का मतलब वर्षों में नहीं बल्कि महीनों में विनाशकारी विफलता हो सकता है। यह मार्गदर्शिका संपूर्ण, मात्रात्मक उत्तर प्रदान करती है।

कैसे हाइड्रोजन स्टेनलेस स्टील को नष्ट कर देता है

हाइड्रोजन भंगुरता तब होती है जब हाइड्रोजन परमाणु (अणु नहीं) स्टेनलेस स्टील में प्रवेश करते हैं और आंतरिक दोषों पर जमा होते हैं, जिससे अत्यधिक आंतरिक दबाव बनता है जो भंगुर दरारें शुरू करता है - तन्य लचीलापन को ~ 60% से घटाकर 10% से कम कर देता है और बिना किसी प्लास्टिक विरूपण के अचानक, विनाशकारी फ्रैक्चर का कारण बनता है।

कमरे के तापमान पर हाइड्रोजन गैस (H₂) स्थिर होती है - H₂ अणु धातु में प्रवेश नहीं करते हैं। जो प्रवेश करता है वह परमाणु हाइड्रोजन (H) है, जो तब बनता है जब H₂ अणु धातु की सतह पर अलग हो जाते हैं, एक प्रक्रिया जो स्वचालित रूप से होती है: (1) ऊंचे तापमान पर (200 डिग्री से ऊपर, थर्मल पृथक्करण महत्वपूर्ण हो जाता है); (2) उच्च दबाव में (हाइड्रोजन दबाव सतह सोखने की दर को बढ़ाता है); (3) हाइड्रोजन सल्फाइड की उपस्थिति में (H₂S एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, धातु की सतह पर हाइड्रोजन परमाणु उत्पादन को नाटकीय रूप से तेज करता है - जिसे "हाइड्रोजन पारगमन" कहा जाता है जो खट्टा गैस और अपतटीय हाइड्रोजन अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण है); (4) इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाओं जैसे इलेक्ट्रोप्लेटिंग, कैथोडिक संरक्षण, या एसिड सफाई के दौरान (ये प्रक्रियाएं धातु की सतह पर सीधे परमाणु एच उत्पन्न करती हैं)।

एक बार जब परमाणु हाइड्रोजन स्टेनलेस स्टील की सतह में प्रवेश करता है, तो यह क्रिस्टल जाली के माध्यम से फैल जाता है। हाइड्रोजन परमाणु छोटे होते हैं - वे लोहे के माध्यम से तेजी से पलायन करते हैं {{2}निकल{3}}क्रोमियम मैट्रिक्स। प्रसार दर काफी हद तक क्रिस्टल संरचना पर निर्भर करती है: ऑस्टेनाइट (चेहरा केंद्रित घन, एफसीसी, 304/316/321/347 में पाया जाता है) में कम हाइड्रोजन प्रसार दर (D ≈ 10⁻¹² m²/s) और उच्च हाइड्रोजन घुलनशीलता (जाली में हाइड्रोजन को फंसाता है) होती है। फेराइट (बॉडी-केंद्रित क्यूबिक, बीसीसी, 430 में पाया जाता है और डुप्लेक्स 2205/2507 के फेराइट चरण में) में उच्च हाइड्रोजन प्रसार दर (D ≈ 10⁻¹¹ m²/s - लगभग 10x तेज) और कम हाइड्रोजन घुलनशीलता (हाइड्रोजन तेजी से इसके माध्यम से दौड़ता है) है। यह संरचनात्मक अंतर मौलिक कारण है कि ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स फेरिटिक या डुप्लेक्स ग्रेड की तुलना में एचई का बेहतर प्रतिरोध करते हैं।

स्टेनलेस स्टील में चार हाइड्रोजन उत्सर्जन तंत्र

स्टेनलेस स्टील में हाइड्रोजन उत्सर्जन चार एक साथ तंत्रों के माध्यम से संचालित होता है {{0} हाइड्रोजन {{1} संवर्धित डीकोहेसन (एचईडीई), सोखना {{2} प्रेरित अव्यवस्था उत्सर्जन (एआईडीई), दबाव सिद्धांत, और हाइड्राइड गठन - जो सभी लचीलापन और ताकत को कम करते हैं, लेकिन विभिन्न माइक्रोस्ट्रक्चरल स्थानों में। प्रमुख तंत्र मिश्र धातु संरचना और सेवा तापमान पर निर्भर करता है।

[स्रोत] एएसएम हैंडबुक वॉल्यूम . 11: विफलता विश्लेषण और रोकथाम (2002); सैन मार्ची, सी. और सोमरडे, बीपी "सामग्री की हाइड्रोजन अनुकूलता पर तकनीकी संदर्भ" (SAND2008-1163, सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज, 2008)।

क्रिस्टल संरचना उसके प्रतिरोध की कुंजी क्यों है?

ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स (एफसीसी क्रिस्टल संरचना) सबसे अधिक हाइड्रोजन {{0}उत्सर्जन {{1}प्रतिरोधी स्टेनलेस स्टील्स हैं क्योंकि: (1) हाइड्रोजन बीसीसी आयरन की तुलना में एफसीसी के माध्यम से 10x धीमी गति से फैलता है; (2) ऑस्टेनाइट जाली ठोस घोल में हाइड्रोजन को फँसाती है, जिससे दोषों की ओर उसका स्थानांतरण धीमा हो जाता है; (3) उच्च निकल सामग्री (304/316 में 8-10%) एफसीसी संरचना को और स्थिर करती है। फेरिटिक स्टेनलेस स्टील्स (बीसीसी) और डुप्लेक्स स्टील्स (जिसमें ~ 50% फेराइट होता है) स्वाभाविक रूप से एचई के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं क्योंकि बीसीसी फेराइट हाइड्रोजन के लिए एक तेज़ प्रसार राजमार्ग है।

The stacking fault energy (SFE) of the austenite phase is also critical. SFE measures the energy required to create a stacking fault (a plane where the regular crystal stacking sequence is interrupted) in the austenite lattice. High SFE austenite (>45 एमजे/एम²): डिस्लोकेशन क्रॉस {{1} स्लिप आसान है, दरारें डक्टाइल माइक्रोवॉइड कोलेसेंस - अधिक एचई {{3} प्रतिरोधी द्वारा फैलती हैं। निम्न एसएफई ऑस्टेनाइट (< 20 mJ/m²): planar slip predominates, localisation of strain into narrow bands, easier crack initiation - more HE-susceptible.

[स्रोत] एसएफई मान: एएसएम हैंडबुक वॉल्यूम . 1 (गुण और चयन: लोहा, स्टील और उच्च प्रदर्शन मिश्र धातु); एच प्रसार तुलना: सैन मार्ची और सोमरडे, सैंडिया SAND2008-1163।

स्टेनलेस स्टील ग्रेड द्वारा हाइड्रोजन एम्ब्रिटलमेंट प्रतिरोध

316L (UNS S31603) कम दबाव वाली हाइड्रोजन गैस सेवा के लिए सर्वोत्तम {2}गोल स्टेनलेस स्टील है{{4}L (UNS S30403) स्वीकार्य है, लेकिन समान परिस्थितियों में थोड़ी अधिक HE संवेदनशीलता है . 321 और 347 हाइड्रोजन सेवा में 316L से अधिक कोई HE लाभ नहीं देते हैं - उनके नाइओबियम/टाइटेनियम कार्बाइड वास्तव में HE{10}} संवेदनशील पेश करते हैं इंटरफ़ेस. डुप्लेक्स 2205/2507 और फेरिटिक 430 दबावयुक्त हाइड्रोजन सेवा के लिए अनुपयुक्त हैं।

[स्रोत] एएसएमई बी31.12-2019 तालिका IV-1 (हाइड्रोजन पाइपिंग और ट्यूबिंग सामग्री)। दबाव और तापमान सीमाएँ सेवा शर्तें हैं, पूर्ण सामग्री सीमाएँ नहीं - हमेशा परियोजना विनिर्देश के साथ सत्यापित करें। डीबीटीटी डेटा: एएसएम हैंडबुक वॉल्यूम . 1.

हाइड्रोजन में निम्न -कार्बन ग्रेड (304एल, 316एल) अनिवार्य क्यों हैं

हाइड्रोजन सेवा में हमेशा 304L और 316L - कभी भी 304 या 316 - निर्दिष्ट न करें। कार्बन अंतर (0.03% अधिकतम बनाम 0.08% अधिकतम) संक्षारण (एल ग्रेड का सामान्य कारण) के बारे में नहीं है, यह हाइड्रोजन उत्सर्जन के बारे में है। मानक 304/316 में उच्च कार्बन वेल्डिंग या उच्च तापमान सेवा के दौरान अनाज की सीमाओं पर क्रोमियम कार्बाइड (Cr₂₃C₆) के घनत्व को बढ़ाता है। ये कार्बाइड आस-पास के मैट्रिक्स (संवेदनशीलता) से क्षीण क्रोमियम को अवक्षेपित करते हैं, जिससे क्रोमियम क्षीण क्षेत्र बनते हैं जो हाइड्रोजन संचय और अनाज सीमा दरार के लिए पसंदीदा स्थान होते हैं। एल-ग्रेड में 0.03% कार्बन सीमा इसे रोकती है।

इंजीनियरिंग नियम 1 -हाइड्रोजन सेवा में, हमेशा एल-ग्रेड स्टेनलेस स्टील्स (304एल, 316एल) निर्दिष्ट करें। 304 और 304एल (या 316 और 316एल) के बीच 0.05% कार्बन अंतर यह निर्धारित करता है कि वेल्डिंग या सेवा के दौरान अनाज सीमा क्रोमियम कार्बाइड बनता है या नहीं। हाइड्रोजन में, ये कार्बाइड समृद्ध अनाज सीमाएँ दरार आरंभ स्थल हैं। यह नियम सभी हाइड्रोजन सेवाओं पर लागू होता है, चाहे दबाव या तापमान - कुछ भी हो, यह हाइड्रोजन संपर्क में किसी भी स्टेनलेस स्टील के लिए गैर-परक्राम्य है।

321 और 347 - टाइटेनियम और नाइओबियम स्थिरीकृत ग्रेड के बारे में क्या?

321 (टाइटेनियम-स्थिर) और 347 (नाइओबियम-स्थिर) ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स हाइड्रोजन सेवा में 316एल से बेहतर नहीं हैं। जबकि वे 304/316 से बेहतर संवेदीकरण का विरोध करते हैं, उनके टाइटेनियम कार्बाइड (टीआईसी) और नाइओबियम कार्बाइड (एनबीसी) अतिरिक्त दूसरे चरण कण/मैट्रिक्स इंटरफेस - बनाते हैं और हाइड्रोजन परमाणु सभी दूसरे चरण इंटरफेस पर जमा होते हैं। अधिक इंटरफ़ेस=अधिक हाइड्रोजन ट्रैपिंग साइटें=एचई का अधिक जोखिम। 321/347 का उपयोग केवल वहीं करें जहां उच्च तापमान शक्ति (425 डिग्री से ऊपर) की आवश्यकता हो - सामान्य हाइड्रोजन सेवा के लिए नहीं जहां 316एल बेहतर विकल्प है।

हाइड्रोजन में 321 के लिए एक वैध आवेदन: 425 डिग्री से ऊपर उच्च तापमान वाली गैसीय हाइड्रोजन सेवा, जहां TiC अवक्षेप 316L की तुलना में बेहतर रेंगने की ताकत प्रदान करते हैं। इन तापमानों पर, हाइड्रोजन उत्सर्जन भी कम गंभीर होता है क्योंकि उच्च तापमान जाली (थर्मल डिसोर्प्शन) से हाइड्रोजन प्रसार को बढ़ावा देता है। लेकिन 425 डिग्री से नीचे की सेवा के लिए, 316L को प्राथमिकता दी जाती है।

हाइड्रोजन में डुप्लेक्स और फेरिटिक स्टेनलेस स्टील

डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील्स (2205, 2507) अपने बेहतर क्लोराइड तनाव संक्षारण क्रैकिंग प्रतिरोध के बावजूद, ऑस्टेनिटिक ग्रेड की तुलना में हाइड्रोजन उत्सर्जन के प्रति अधिक संवेदनशील हैं। डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील में फेराइट चरण हाइड्रोजन परमाणुओं के लिए तेजी से प्रसार राजमार्ग के रूप में कार्य करता है, और फेराइट में केंद्रित हाइड्रोजन कुछ परीक्षणों में इसकी लचीलापन को नाटकीय रूप से कम कर देता है -, हाइड्रोजन वातावरण में फेराइट चरण लचीलापन 60-80% तक कम हो जाता है। एएसएमई बी31.12 हाइड्रोजन पाइपिंग के लिए स्वीकार्य डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील्स को सूचीबद्ध नहीं करता है। इसके बजाय ऑस्टेनिटिक ग्रेड या निकल मिश्र धातु का उपयोग करें।

समस्या डुप्लेक्स माइक्रोस्ट्रक्चर में ही है: लगभग 50% ऑस्टेनाइट (एफसीसी, हाइड्रोजन-प्रतिरोधी) और 50% फेराइट (बीसीसी, हाइड्रोजन-अतिसंवेदनशील) एक साथ मौजूद हैं। फेराइट चरण के माध्यम से फैलने वाले हाइड्रोजन परमाणु ऑस्टेनाइट/फेराइट चरण की सीमाओं पर जमा होते हैं क्योंकि ऑस्टेनाइट में हाइड्रोजन घुलनशीलता अधिक होती है लेकिन प्रसार क्षमता कम होती है - यह हाइड्रोजन जाल के रूप में कार्य करता है। ऑस्टेनाइट/फेराइट इंटरफ़ेस संकेंद्रित हाइड्रोजन का एक क्षेत्र बन जाता है, जो चरण सीमाओं के साथ HEDE {{7} प्रकार के इंटरग्रेनुलर क्रैकिंग को बढ़ावा देता है। 2205 उच्च दबाव वाली हाइड्रोजन गैस (69 एमपीए तक) पर किए गए अध्ययन से पता चलता है कि परीक्षण किए गए सभी तापमानों (-50 डिग्री से {{13%) डिग्री) पर लचीलापन में उल्लेखनीय कमी आई है।

[स्रोत] सैन मार्ची, सी. एट अल। "ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील प्रकार 316 और 316एल की हाइड्रोजन संगतता," सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज SAND2007-7994 (2008)। डुप्लेक्स 2205 एचई डेटा: सोमरडे, बीपी एट अल., एएसटीएम एसटीपी 1517 (2011)।

हाइड्रोजन में फेरिटिक स्टेनलेस स्टील (430) - गंभीर सीमाएँ

फेरिटिक स्टेनलेस स्टील 430 (यूएनएस एस43000) का उपयोग दबावयुक्त हाइड्रोजन गैस सेवा में 0.01 एमपीए (0.1 बार) से ऊपर किसी भी दबाव पर नहीं किया जाना चाहिए। बीसीसी क्रिस्टल संरचना (उच्च एच प्रसार), बहुत कम निकल सामग्री का संयोजन (< 0.5%), and the absence of any FCC phase means hydrogen atoms diffuse rapidly through 430 and accumulate at chromium carbide grain boundaries. Additionally, 430 has a ductile-to-brittle transition temperature (DBTT) above room temperature - meaning it is already brittle at 20°C in the notch-impact test, before any hydrogen exposure. In hydrogen, its ductility drops to essentially zero.

डीबीटीटी मुद्दे को अक्सर नजरअंदाज कर दिया जाता है, लेकिन यह महत्वपूर्ण है: 430 का मानक चार्पी वी नोच प्रभाव परीक्षण 20 डिग्री (कमरे के तापमान) पर केवल ~ 50-60 जे की प्रभाव ऊर्जा दिखाता है, जबकि समान तापमान पर 304 एल/316 एल के लिए 200-300 जे की तुलना में। 0 डिग्री पर, 430 प्रभाव ऊर्जा ~20–30 J - सीमा रेखा तक गिर जाती है। -20 डिग्री (ठंडी हाइड्रोजन सेवा में संभव), 430 पर भंगुर हो जाता है। हाइड्रोजन एक्सपोज़र डीबीटीटी को 30-50 डिग्री तक ऊपर की ओर स्थानांतरित कर देता है - जिसका अर्थ है कि 430 घटक जो 20 डिग्री पर मुश्किल से स्वीकार्य है, हाइड्रोजन एक्सपोज़र के बाद 30 डिग्री पर खतरनाक रूप से भंगुर हो जाता है। यही कारण है कि 430 हाइड्रोजन भंडारण और परिवहन कोड में निषिद्ध है।

मानक और कोड

ASME B31.12-2019 हाइड्रोजन पाइपिंग सिस्टम के लिए प्राथमिक डिज़ाइन कोड है। यह ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स (304एल, 316एल, 321, 347) को लगभग 1 एमपीए (1,000 केपीए, ~10 बार) से अधिक दबाव और 60 डिग्री से ऊपर के तापमान पर गैसीय हाइड्रोजन सेवा तक सीमित करता है। यह हाइड्रोजन में स्टेनलेस स्टील के लिए सबसे प्रतिबंधात्मक मानक है, और यह अमेरिका और अधिकांश अंतरराष्ट्रीय बाजारों में किसी भी हाइड्रोजन पाइपिंग परियोजना के लिए न्यूनतम अनुपालन आवश्यकता है।

[स्रोत] एएसएमई बी31.12-2019, तालिका IV-1 (हाइड्रोजन पाइपिंग और ट्यूबिंग सामग्री)। नोट: 1 एमपीए ≈ 10 बार ≈ 145 पीएसआई। प्रोजेक्ट विनिर्देश के अनुसार हमेशा ASME B31.12 के वर्तमान संस्करण को सत्यापित करें।

आईएसओ 15156 / एनएसीई एमआर0175

ISO 15156 ऑस्टेनिटिक या डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील को सॉर सर्विस - के लिए अर्हता प्राप्त नहीं करता है, अर्थात, हाइड्रोजन सल्फाइड (H₂S) और हाइड्रोजन दोनों युक्त वातावरण। खट्टे गैस कुओं और अपतटीय उत्पादित तरल पदार्थों में, हाइड्रोजन संक्षारण प्रतिक्रिया (H₂S + Fe → FeS + 2H) के उपोत्पाद के रूप में मौजूद होता है, और यह परमाणु हाइड्रोजन शुद्ध हाइड्रोजन गैस की तुलना में 10-100x अधिक दर पर H₂S - उत्प्रेरित मार्ग के माध्यम से स्टील में प्रवेश करता है। खट्टा हाइड्रोजन सेवा के लिए, आईएसओ 15156 तालिका 5 के तहत योग्य निकेल मिश्र धातु (इनकोनेल 625, मिश्र धातु 825) की आवश्यकता होती है, न कि स्टेनलेस स्टील की।

महत्वपूर्ण अंतर: शुद्ध हाइड्रोजन गैस सेवा (हाइड्रोजन ईंधन भरने वाला स्टेशन, हाइड्रोजन पाइपलाइन) → ASME B31.12 का उपयोग करें → सीमा के भीतर स्वीकार्य ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील। खट्टा हाइड्रोजन / H₂S-बेयरिंग हाइड्रोजन सेवा (अपतटीय उत्पादित तरल पदार्थ, खट्टा गैस कुएं, H₂S के साथ रिफाइनरी हाइड्रोजन स्ट्रीम) → ISO 15156 का उपयोग करें → निकल मिश्र धातु की आवश्यकता है, स्टेनलेस स्टील सूचीबद्ध नहीं हैं। इन दो श्रेणियों के बीच की सीमा H₂S आंशिक दबाव है जो इस सीमा से 0.05 psia (0.0003 MPa) - से ऊपर है, H₂S हाइड्रोजन प्रवेश को उत्प्रेरित करता है और HE को नाटकीय रूप से तेज करता है।

एपीआई 620/एपीआई 650 - हाइड्रोजन भंडारण टैंक

एपीआई 620 अनुलग्नक क्यू कम दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण जहाजों के डिजाइन को नियंत्रित करता है। ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स (304एल, 316एल) को तरल हाइड्रोजन भंडारण (-253 डिग्री) और कम दबाव वाले गैसीय हाइड्रोजन भंडारण (~1.7 एमपीए तक) प्रति एपीआई 620 के लिए अनुमति है। उच्च दबाव वाले गैसीय हाइड्रोजन भंडारण (1.7 एमपीए से ऊपर) के लिए, एपीआई 620 को एएसएमई VIII डिवीजन 1 या 2 के अनुसार दबाव पोत डिजाइन की आवश्यकता होती है, जिसमें एएसएमई के अनुसार चयनित सामग्री होती है। बी31.12. एपीआई 650 वायुमंडलीय दबाव भंडारण टैंक - को कवर करता है जो दबावयुक्त हाइड्रोजन पर लागू नहीं होता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्नों

प्रश्न: क्या 304 स्टेनलेस स्टील का उपयोग हाइड्रोजन सेवा में किया जा सकता है?

उ: दबावयुक्त हाइड्रोजन सेवा के लिए मानक 304 स्टेनलेस स्टील (यूएनएस एस30400) की अनुशंसा नहीं की जाती है। इसकी कार्बन सामग्री (0.08% तक) इसे वेल्डिंग या उच्च तापमान सेवा के दौरान संवेदीकरण (अनाज सीमा क्रोमियम कार्बाइड अवक्षेपण) के प्रति संवेदनशील बनाती है, जो क्रोमियम कम क्षेत्र बनाती है जो हाइड्रोजन एक्सपोजर के तहत अधिमान्य दरार दीक्षा स्थल हैं। इसके बजाय 304एल (यूएनएस एस30403, कार्बन 0.03% से कम या उसके बराबर) का उपयोग करें। यहां तक ​​कि 304एल भी लगभग 1 एमपीए तक सीमित है और तापमान 60 डिग्री प्रति एएसएमई बी31.12 से ऊपर है। उच्च दबाव के लिए, 316एल (समान सीमा) या इनकोनेल 625 (अप्रतिबंधित दबाव) में अपग्रेड करें।

प्रश्न: 316L स्टेनलेस स्टील के लिए हाइड्रोजन उत्सर्जन सीमा क्या है?

ए: 316L स्टेनलेस स्टील (UNS S31603) लगभग 1 MPa (10 बार) तक गैसीय हाइड्रोजन सेवा और 60 डिग्री से ऊपर के तापमान के लिए स्वीकार्य है, जैसा कि ASME B31.12-2019 तालिका IV-1 में सूचीबद्ध है। 1 एमपीए से ऊपर या 60 डिग्री से नीचे, 316L मापने योग्य लचीलापन हानि दर्शाता है - उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन में बढ़ाव मानक ~ 60% से 30-40% तक गिर सकता है। 316L में मोलिब्डेनम (2-3%) हाइड्रोजन सेवा में 304L पर मामूली लाभ प्रदान करता है, मुख्य रूप से हाइड्रोजन-सहायता सतह क्रैकिंग के लिए बेहतर प्रतिरोध के माध्यम से। 1 एमपीए से ऊपर के हाइड्रोजन दबाव के लिए, इनकोनेल 625 (यूएनएस एन06625) मानक अपग्रेड है, जो आईएसओ 15156 के अनुसार हाइड्रोजन सेवा में असीमित दबाव और तापमान के लिए योग्य है।

प्रश्न: हाइड्रोजन के लिए डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील्स (2205, 2507) की अनुशंसा क्यों नहीं की जाती है?

ए: डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील्स 2205 (यूएनएस एस31803) और 2507 (यूएनएस एस32750) अपने बेहतर क्लोराइड तनाव संक्षारण क्रैकिंग प्रतिरोध के बावजूद, ऑस्टेनिटिक ग्रेड 304एल या 316एल की तुलना में हाइड्रोजन उत्सर्जन के प्रति अधिक संवेदनशील हैं। फेराइट चरण (शरीर केन्द्रित घन क्रिस्टल संरचना, माइक्रोस्ट्रक्चर का ~50%) में हाइड्रोजन प्रसार दर ऑस्टेनाइट - से लगभग 10 गुना अधिक है, हाइड्रोजन परमाणु फेराइट के माध्यम से दौड़ते हैं और ऑस्टेनाइट/फेराइट चरण सीमाओं पर जमा होते हैं। ये चरण सीमाएँ हाइड्रोजन एक्सपोज़र के तहत दरार आरंभ स्थल बन जाती हैं। अध्ययनों से पता चलता है कि 2205 में उच्च - दबाव वाले हाइड्रोजन (69 एमपीए) में 60-80% की लचीलापन हानि होती है, जबकि समान परिस्थितियों में 316एल के लिए 5-25% की हानि होती है। एएसएमई बी31.12 हाइड्रोजन पाइपिंग के लिए स्वीकार्य डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील्स को सूचीबद्ध नहीं करता है, इसके बजाय ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स या निकल मिश्र धातुओं का उपयोग किया जाना चाहिए।

प्रश्न: -253 डिग्री पर तरल हाइड्रोजन भंडारण के लिए कौन सा स्टेनलेस स्टील सबसे अच्छा है?

उत्तर: 304L और 316L ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील तरल हाइड्रोजन भंडारण (-253 डिग्री, लगभग 1 एटीएम) के लिए मानक सामग्री हैं। क्रायोजेनिक तापमान पर, तरल हाइड्रोजन अनिवार्य रूप से शुद्ध आणविक H₂ - होता है, कोई परमाणु हाइड्रोजन पृथक्करण नहीं होता है, जिससे प्राथमिक भंगुरता तंत्र समाप्त हो जाता है। 304एल और 316एल दोनों में -253 डिग्री (आम तौर पर 150-250 जे, पीएसएल के लिए न्यूनतम 41 जे से कहीं अधिक) पर उत्कृष्ट चारपी वी- नॉच प्रभाव कठोरता है, और उन्हें एएसएमई आठवीं डिवीजन 1 और एपीआई 620 अनुलग्नक क्यू के अनुसार तरल हाइड्रोजन भंडारण की अनुमति है। फेरिटिक स्टेनलेस स्टील 430 का उपयोग क्रायोजेनिक हाइड्रोजन सेवा में नहीं किया जाना चाहिए -। तन्य -से-भंगुर संक्रमण तापमान (डीबीटीटी) कमरे के तापमान से ऊपर है, जो किसी भी हाइड्रोजन एक्सपोजर से पहले इसे भंगुर बना देता है।

प्रश्न: हाइड्रोजन सेवा में स्टेनलेस स्टील को कौन से मानक नियंत्रित करते हैं?

ए: हाइड्रोजन सेवा में स्टेनलेस स्टील के लिए तीन मानक अनिवार्य हैं: (1) एएसएमई बी 31.12-2019 - हाइड्रोजन पाइपिंग और ट्यूबिंग कोड: दबाव और तापमान सीमा के साथ स्वीकार्य सामग्री (304एल, 316एल, 321, 347 ऑस्टेनिटिक एसएस) को सूचीबद्ध करता है; (2) आईएसओ 15156 / एनएसीई एमआर 0175 - एच₂एस - बियरिंग सेवा के लिए सामग्री: ऑस्टेनिटिक या डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील्स को सूचीबद्ध नहीं करता है; निकल मिश्र धातु (इंकोनेल 625, मिश्र धातु 825) खट्टा हाइड्रोजन सेवा के लिए योग्य सामग्री हैं; (3) एपीआई 620 अनुलग्नक क्यू / एएसएमई VIII डिवीजन 1 - भंडारण टैंक और दबाव वाहिकाओं: हाइड्रोजन भंडारण टैंक के लिए सामग्री आवश्यकताओं को नियंत्रित करता है। हमेशा अपने विशिष्ट परियोजना क्षेत्राधिकार और आवेदन के लिए लागू मानक को सत्यापित करें।

प्रश्न: हाइड्रोजन स्टेनलेस स्टील को भंगुर क्यों बनाता है?

ए: हाइड्रोजन उत्सर्जन तीन चरणों में होता है: (1) हाइड्रोजन गैस (H₂ अणु) स्टेनलेस स्टील की सतह पर परमाणु हाइड्रोजन (H) में विघटित हो जाती है - यह उच्च दबाव, ऊंचे तापमान, या H₂S की उपस्थिति में होता है; (2) परमाणु हाइड्रोजन परमाणु स्टेनलेस स्टील क्रिस्टल जाली में फैलते हैं - वे लोहे के माध्यम से स्थानांतरित होते हैं {{4}निकल -क्रोमियम मैट्रिक्स और दोष स्थलों पर जमा होते हैं: अनाज सीमाएं, एमएनएस समावेशन, और दूसरा चरण कण इंटरफेस; (3) इन जाल स्थलों पर, दो हाइड्रोजन परमाणु पुनः संयोजित होकर एक H₂ अणु बनाते हैं। H₂ अणु सूक्ष्म रिक्तियों से बच नहीं सकते हैं, जिससे 10,000 वायुमंडल के बराबर 1,000 MPa - तक आंतरिक गैस दबाव बनता है। यह दबाव धातु को अनाज की सीमाओं (HEDE तंत्र) के साथ टूटने के लिए मजबूर करता है। परिणाम: लचीलापन ~60% बढ़ाव से घटकर 10% से नीचे हो जाता है; परम तन्यता शक्ति गिरती है; और फ्रैक्चर भंगुर हो जाता है - और आसन्न विफलता की चेतावनी देने वाला कोई प्लास्टिक विरूपण नहीं होता है। यही कारण है कि हाइड्रोजन भंगुरता विशेष रूप से खतरनाक है: यह विनाशकारी फ्रैक्चर से पहले कोई चेतावनी नहीं देता है।