Safety and Integrity of Hydrogen Transport Pipelines

Rørledningsnettverket på havbunnen av den norske kontinentalsokkelen (NCS) blir i økende grad anerkjent som en mulighet for storskala transport av hydrogen fra Norge til Europa. Bruk av eksisterende naturgassrørledninger til transport av hydrogengass medfører flere utfordringer, spesielt risikoen for hydrogensprøhet. For å ivareta sikkerheten ved hydrogentransport er det viktig å forstå hvordan hydrogenet påvirker rørledningsmaterialene. Nyere resultater fra RCN-prosjektet HyLINE (2019-2023) viser at selv om hydrogen påvirker de mekaniske egenskapene til undersøkte rørledningsstål negativt, kan de fortsatt oppfylle eksisterende designstandarder. Den varmepåvirkede sonen i sveisene ser imidlertid ut til å være mer sårbar. For å håndtere dette problemet vil HyLINE II spesifikt fokusere på materialintegriteten i sveiseforbindelser i undervannsrørledningene og undersøke hvordan de påvirker rørledningens integritet. Det første året ble brukt til å karakterisere de aktuelle rørledningsmaterialene og etablere nye metoder for å måle hydrogendiffusjon og utføre nano-, mikro- og småskala mekanisk testing i hydrogenmiljø. Numeriske modeller for prediksjon av hydrogenindusert brudd og utmatting er under utvikling. Vi har etablert et velfungerende samarbeid med Kyushu Universitet i Japan, knyttet til mekanisk testing og diffusjon i hydrogenmiljøer. Alle tre PhD-kandidater og postdoc er godt i gang med forskningsarbeidet. Prosjektet har utviklet nye eksperimentelle metoder for å studere hydrogenopptak og diffusjon, blant annet gjennom den nyutviklede HYSAT-metoden, som kobler elektrokjemisk lading til et ekvivalent hydrogentrykk. Dette gjør det mulig å sammenligne resultater fra forskjellige eksponeringsmetoder og betingelser. Gasspermeasjonsforsøk under mekanisk last er i gang, og arbeidet med prøver fra sveisens varmepåvirkede sone (HAZ) er pågående. Videre fokus har også vært rettet mot å forstå hvordan oksidbelegg på ståloverflaten påvirker hydrogenopptaket. Resultatene viser at oksidfilmens tilstand og sammensetning spiller en viktig rolle i hvor raskt hydrogen tas opp i stålet, og dette bidrar til variasjoner i diffusjonshastighet observert ved ulike overflatebehandlinger. Avansert karakterisering på mikro- og nanoskala har også gitt ny innsikt i hvordan hydrogen samhandler med dislokasjoner og forskjellige mikrostrukturer i både grunnmateriale og HAZ. In-situ mikro- og nano-mekaniske tester viser tydelige forskjeller i hardhet, sprekkevekst og lokal plastisk deformasjon mellom hydrogeneksponerte og referanseprøver, og bidrar til å koble observerte egenskaper til underliggende deformasjonsmekanismer. Samtidig pågår omfattende planlegging og testing av bruddmekaniske egenskaper og utmattingsoppførsel i hydrogengass. Det er etablert grunnleggende data for sprekkevekst i 200 bar hydrogen, og forsøk som undersøker effekten av plastisk forspenning (pre-strain) og lastsyklus (FCGR og overload-tester) er under arbeid. Disse testene vil kunne gi økt kunnskap om hvordan hydrogen påvirker sprekkeveksthastighet og duktilitet, og danner grunnlaget for utviklingen av forbedrede testprosedyrer og sikkerhetsvurderinger for hydrogentransport i rørledninger. De eksperimentelle resultatene brukes parallelt i utviklingen av numeriske modeller for hydrogenfordeling, spenningseffekter og restspenninger. Modeller som H-CGM+ og fasefeltmetoder videreutvikles for å simulere hvordan hydrogen endrer bruddmekanismer og materialoppførsel i rørledninger. Kombinasjonen av eksperimentelle forsøk i hydrogengass og elektrokjemisk, mikromekaniske tester og modellering gir oss et helhetlig bilde av hvordan hydrogen påvirker materialintegriteten.

The subsea pipeline network on the Norwegian Continental Shelf is gaining traction as an opportunity for large scale transport of hydrogen from Norway to Europe, supporting a long-term and sustainable development of the energy system and contributing to the transition to a zero-emission society. The safety and integrity of the pipelines exposed to internal pressurized hydrogen gas must however be ensured. Pipeline steel welded joints are generally of higher strength than the adjacent base metal, featuring complex microstructures, potential flaws and residual stresses which in sum renders them more susceptible to being embrittled by hydrogen, so called hydrogen embrittlement. The existing Norwegian pipeline infrastructure consists of approximately 740,000 girth welded joints, all requiring special attention to ensure structural integrity in a hydrogen gas environment. HyLINE II will therefore address the follow key research questions: •How different microstructures, surface oxides and charging conditions affect uptake, diffusion and trapping of hydrogen globally and locally in the welded area? •How hydrogen influence the local mechanical properties of microstructures in the HAZ and what are the critical local damage and fracture mechanisms? •What is the susceptibility of hydrogen induced fracture in welded joints under static and cyclic loading in hydrogen conditions? •How to best represent and simulate hydrogen diffusion and trapping and the interplay between hydrogen, material and mechanical response on a local and global scale using numerical tools for fracture assessment? The project consortium includes the pipeline operator Gassco, the energy companies Equinor, Total E&P and Norske Shell and the technology provider Technip FMC. The research will be performed by SINTEF, NTNU and Kyushu University (JP) in collaboration with Imperial College (UK), Fukuoka University (JP) and Max Planck Institute for Iron Research (GER).