Diskussion:Wasserstoffversprödung
Vieleicht wäre folgendes noch zu erwähnen: Bearbeiten
Bei Stählen steigt die Gefahr der W. mit zunehmendem Martensitgehalt, dagegen sind perlitische und perlitisch ferritische Gefüge weniger gefährdet.
manoc
Edelmetall Bearbeiten
Gibt es diese Hydrogenium"impfung" auch in Edelmetallen? (Insbesondere Gold und Silber) --JLeng 09:02, 18. Okt. 2009 (CEST)
Stähle Bearbeiten
Die Wasserstoffversprödung bei hochfesten Stählen beruht auf der dekohäsiven Wirkung des atomaren Wasserstoffs im Metallgitter (Dekohäsion = Verlust an Bindungsenergie rsp. Bindungskräften). Dabei wird die elektronische Struktur derart verändert, dass die Bindungskräfte herabgesetzt werden. Atomarer Wasserstoff im Metallgitter (Fe, Ti u.a.) ist hier ein Legierungselement! Die Drucktheorie gilt heute bei hochfesten Stählen als widerlegt.
Lediglich bei sehr weichen Stählen mit hohen Gehalten an nichtmetallischen Einschlüssen (z.B. Mangansulfide) treten Schäden durch rekombinierten Wasserstoff auf. Dort gilt die Drucktheorie. Typisch ist beispielsweise das Auftreten von Beizblasen. Das fällt jedoch nicht unter den Begriff der Wasserstoffversprödung!
Der Bruch tritt nach der Montage verzögert auf. Ursache dafür ist, dass der Wasserstoff im unverspannten Bauteil (Bsp. Schraube) praktisch gleichverteilt ist. Erst nach dem Verspannen existieren bei kerbbehafteten Bauteilen (Bsp. Schrauben), meist dicht unterhalb der Oberfläche des Kerbgrunds, Zonen mit einem dreiachsigen (annähernd hydrostatischen) Zugspannungszustand. Dies ist durch die "einlagerungsideale" Gitteraufweitung ein energetisch günstiger Ort für den atomaren Wasserstoff. Der atomare Wasserstoff diffundiert bei Raumtemperatur im Stahl mit hoher Diffusionsgeschwindigkeit. Trifft ein Wasserstoffatom auf den für ihn günstig aufgeweiteten Gitterbereich, so wird es dort länger verweilen, seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist erheblich größer als an den anderen Orten im Bauteil. Mit der Zeit ist der Wasserstoff dort maximal konzentriert. Ist die durch den dort maximal konzentrierten atomaren Wasserstoff verursachte Dekohäsion so groß, dass die Bindungskräfte die lokal anliegenden Kräfte unterschreiten kommt es zur Materialtrennung. Entweder stoppt der Riss und vor seiner Spitze entsteht eine neue Zone mit einem dreiachsigen Zugspannungszustand, einer neuen Konzentration von Wasserstoffatomen dort mit nachfolgendem Pop-In oder die Spannungskonzentration des atomar scharfen Risses ist so hoch, dass gemäß der Gesetzmäßigkeit der Bruchmechanik das Restligament versagt. Die Aufkonzentration des Wasserstoffs nimmt Zeit in Anspruch, wodurch der Bruch verzögert auftritt (von weniger als einer Stunde bis zu einigen Tagen). Direkt während der Montage auftretendes Versagen ist regulär nicht auf eine Wasserstoffversprödung zurückzuführen. Tritt die Wasserstoffversprödung erst nach einer längeren Zeit auf (mehr als 1 Woche oder gar erst nach Monaten), so ist die Quelle des Wasserstoff mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit nicht herstellbedingt sondern durch betriebsbedingte Einflüsse in das Bauteil gelangt. Eine wesentliche Quelle ist dann der Korrosionswasserstoff (rötliche Verfärbungen an hochfesten Bauteilen aus Stahl sind verdächtig). In diesem Fall wird nicht von einer Wasserstoffversprödung gesprochen, sondern von einer wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion (HSpRK). Unabhängig von der Quelle des Wasserstoffs ist der metallphysikalische Vorgang des Versagens der gleiche.
Betroffen sind besonders galvanisch beschichtete oder gebeizte und feuerverzinkte Bauteile (Achtung: bei hochfesten feuerverzinkten Teilen ist auch an durch Flüssigmetall induzierte Spannungsrisse zu denken, das fraktografische Fehlerbild ist sehr ähnlich.). Das Gefährdungspotential nimmt mit zuehmender Streckgrenze zu (was einen höheren Verspannungszustand an Kerben und Fehlstellen zulässt). Martensitische Gefüge sind stärker gefährdet als Ferrit-Perlit-Gefüge. Bainit ist, vermutlich durch das Multitrapping, besonders unempfindlich. Unbeschichtete Stähle verlieren in kurzer Zeit den Wasserstoff (folgt aus den Gleichgewichtsbedingungen). Bestimmte Beschichtungen (Zink, speziell mit laminar angeordneter Struktur) stellen Diffusionsbarrieren da, die erst bei höheren Temperaturen nennenswert durchlässig werden. In diesen Fällen ist eine Wasserstoffarmglühung durchzuführen. Übliche Temperaturen sind 190°C bis 230°C bei mehreren Stunden Haltezeit.
Das kubisch flächenzentrierte Gitter der reinen Austenite besitzt keine Spaltbruchebenen, wodurch ein Versagen durch Wasserstoffversprödung bis dato nicht nachgewiesen werden konnte. Die bisher beobachteten Schäden wurden bei in Martensit umgewandelten Austenit beobachtet (Umformmartensit) oder waren auf andere Wirkungen im Zusammenhang mit Wasserstoff zurückzuführen.
Literaturhinweis: Lange, G.; Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle 5. Auflage // DIN EN ISO 4042 // VDI 3822 -- JB-Mat 11:53, 14. Apr. 2011 (CEST)
Gasnetz Bearbeiten
Heißt das jetzt eigentlich, daß durch Einleitung eines gewissen Anteils Wasserstoff ins Gasnetz die Gasleitungen schneller kaputtgehen? MOW (Diskussion) 23:55, 29. Jan. 2018 (CET)
- Leitungen für Erdgas sollten nicht sonderlich beeinträchtigt sein, da ein kleiner Teil in diesem Gasgemisch bereits Wasserstoffgas ist. Hierfür werden seit Jahren u. A. austenitische Stähle und Kunststoffe eingesetzt, die sich durch Langlebigkeit auszeichnen. Größere Leckagen können jedoch auch Materialien betreffen, die nicht unmittelbar darauf ausgelegt sind. Gruß Baum64 (Diskussion) 23:08, 29. Mai 2021 (CEST)
Einseitige Darstellung der "Problematik" im Bereich der Wasserstoffspeicherung Bearbeiten
Die Wasserstoffversprödung ist ein Vorgang der bei allen Anwendungen von (hochfesten) Stählen auftreten kann. Daher muss man sich als Konstrukteur immer dessen bewusst sein. Wie beschrieben kann diese auch bei der bloßen Schweißbearbeitung auftreten. Auch im Bereich der chemischen Prozesstechnik kommt das zum Tragen. Und auch das beliebte Feuerverzinken erhöht das Risiko. Aber letztendlich ist das nur dann problematisch wenn Fehler bei der Materialwahl gemacht werden. Ansonsten ist das gut verstanden und führt zu keinen Schwierigkeiten. Hier vornehmlich von einem Problem bei der Speicherung von Wasserstoff zu sprechen erscheint mir reichlich tendenziös. Die Beschränkung bei der Lagerung von Benzin in Kunststofftanks (müssen ölbeständig sein) würde man auch nicht erwähnen, sondern einfach annehmen, dass das Material korrekt gewählt werden muss. Ich kann auch keine Salzsäure in Stahltanks lagern, jedoch taucht dieser Hinweis nirgends im entsprechenden Artikel auf. Im Artikel zu Wasser weist man auch nicht extra darauf hin, dass ein Pappbecher ungeeignet ist, das ist nun mal bekannt. Genau wie jedem Konstrukteur im Bereich Drucktankbau bekannt ist, dass er das passende Material bei Wasserstoff verwenden muss. Ich schlage daher die Entfernung der Hinweise auf "Probleme" oder "Einschränkungen" bei der Wasserstoffspeicherung in diesem Artikel vor. Kommentare hierzu bitte bis 22.12.2021. (nicht signierter Beitrag von SchmidWS (Diskussion | Beiträge) 21:26, 15. Dez. 2021 (CET))
- Sehe das bitte nicht aus Konstrukteurssicht, wir schreiben hier für "Jedermann" auch für den Laien. --Schraubenbürschchen (Diskussion) 21:36, 15. Dez. 2021 (CET)
- Das sehe ich auch so, und genau deshalb sollte man so objektiv wie möglich sein, um Laien nicht wegen etwas zu verunsichern, was die Fachleute nicht als Problem sehen. Hier geht es ja auch nicht darum einem Laien zu erklären wie er einen Wasserstofftank bauen soll und welche Materialien er dabei benutzen darf, sondern ganz allgemein darum was Wasserstoffversprödung ist und da hat der spezielle Anwendungsfall Tankbau in der Wasserstoffspeicherung und das notwendige Vorwissen dafür meiner Meinung nach nichts zu suchen. --SchmidWS (Diskussion) 12:00, 16. Dez. 2021 (CET)
- +1 zu SchnidWS. Kaum eine Technik isr industriell so erprobt wie die Wasserstofftechnik. Die Verwendung geeigneten Materials ist eine Selbstverständlichkeit. Hau wech. 2001:9E8:293F:5C00:14A6:2B37:FD0B:E473 21:38, 15. Dez. 2021 (CET)
- Das ist mir auch zu einseitig, aber ich würde die Folgen bzw. das auftreten nicht ausklammern. Schließlich wird auch bei anderen Mechanismen/Reaktionen die Anwendung oder der Einfluss auf bestimmte sciherheitskritische Bereiche ganz normal mit erwähnt. Auf einer Seite des Fraunhofer-Institutes hab ich eine Formulierung gefunden, die dem Rechnung trägt. "Zunehmende Bedeutung gewinnt das Problem Wasserstoffversprödung im Verkehrs- und Energiebereich, da Wasserstoff als einer der wichtigen zukünftigen Energieträger angesehen wird. Die damit verbundene Entwicklung neuer Technologien zur Herstellung, Verteilung und Einsatz von Wasserstoff als Energielieferant erfordert die Qualifizierung vorhandener und neu zu entwickelnder Werkstoffe für diese Anwendungen." [1]. Interessant ist, was der "Arbeitskreis Wasserstoffversprödung" 2014 selbst sagte (ganz anderer unerwarteter Auftretensfall): "Dies führt vermehrt zu Schadensfällen, die vereinfacht der Oberflächentechnik angelastet werden – ohne die Systemeigenschaft des Phänomens Wasserstoffversprödung zu berücksichtigen. Zu dieser Problematik gehören auch Schadensfälle an großen Schraubverbindungen aus dem Windenergiebereich." Wieder ein Hinweis darauf, dass die Einleitung wohl zu einseitig ist. Die Folie 20 aus folgendem Bericht (2019) finde ich sehr interessant und sollten in unsere Seite einfließen. Die These wird unterstützt durch: [2](2014) "In den weltweit in Betrieb befindlichen mehr als 2.000 km H2-Industriepipelines hat Wasserstoffversprödund aber bisher nie zu Problemen geführt. Man legt diese Systeme für H2-Gas geeignet aus, damit sie bei gegebenem Druckniveau sicher betrieben werden können.". Ist schon etwas älter [3] (1993), aber es wurde damals ein Problem bei der Einspeisung von Wasserstoff in vorhandene Rohrleitungssysteme gesehen. Rjh (Diskussion) 12:30, 17. Dez. 2021 (CET)
- Hallo Rij, danke für diese ausführliche Rückmeldung. Ich nehme das jetzt mal als grundsätzliche Zustimmung zu meinem Vorschlag. Zu dem letzten Link von 1993 kann ich feststellen, dass es jetzt einen "Nationalen Wasserstoffrat " gibt und dieser in einer aktuellen Publikation festgestellt hat, dass die damalige Vermutung, dass Wasserstoff im Gasnetz ein Problem sein könnte, widerlegt ist.[4] Der Beitrag des Arbeitskreis Wasserstoffversprödung muss auch im Kontext des Satzes davor gesehen werden, hier daher nochmal der gesamte Absatz: "Deutlich wurde die Tendenz, immer höher feste Bauteile beschichtet im Betrieb einzusetzen, ohne – wie etwa in der Luftfahrtindustrie – auch eine entsprechende Stahlqualität zu wählen. Dies führt vermehrt zu Schadensfällen, die vereinfacht der Oberflächentechnik angelastet werden – ohne die Systemeigenschaft des Phänomens Wasserstoffversprödung zu berücksichtigen. Zu dieser Problematik gehören auch Schadensfälle an großen Schraubverbindungen aus dem Windenergiebereich.". Ein deutlicher Hinweis, dass dies durch fehlerhafte Materialwahl entstanden ist und bei korrekter Auslegung, wie in der Luftfahrt, nichts passiert wäre. Dass diese Probleme auch woanders auftreten zeigt, wie du ja auch schon gesagt hat die Einseitigkeit. Die Formulierung des Fraunhofer-Institutes stimmt natürlich grundsätzlich, klammert aber ein wenig aus, dass man zwar neue Materialien und Qualifizierungen erfinden kann, aber nicht muss, da bei korrekter Materialwahl auch schon heute keine Probleme auftreten. Das Fraunhofer-Institut ist da aber auch etwas belastet, da sie, als privatwirtschaftliches Unternehmen, darauf angewiesen sind, dass sie jemand mit der Forschung beauftragt. Wenn ich in deren Lage wäre würde ich auch ganz grob von einem "möglichen Problem" sprechen, wenn ich damit einen Auftrag an Land ziehen kann. Das heißt nicht, dass ich den Forschungsergebnissen von denen nicht traue, die Ergebnisse haben sicherlich Hand und Fuß, aber ich bin da eher vorsichtig und versuche zu betrachten in welchem Kontext eine solche Aussage getroffen wird und was für Belege und Zahlen dahinter stecken. Erschwerend kommt hier natürlich noch zum Tragen, dass es sich hier um den Fachbereich Wasserstoff des Instituts handelt, der auf seine Berechtigung haben möchte. Wie würdest du denn vorschlagen die, ganz am Anfang deines Beitrage erwähnten, Folgen in den Artikel einzubinden? --SchmidWS (Diskussion) 13:30, 17. Dez. 2021 (CET)
- Ich würde es aus der Einleitung herausnehmen und allgemeiner in einem Abschnitt formulieren, der auf die Materialwahl bei Kontakt mit Wasserstoff eingeht. Bei Wasserstoffspeicherung und von vornherein auf den Transport von Wasserstoff ausgelegten Leitungen sollte klar sein, dass hier die richtigen Materalien genommen werden müssen. Bei der Einleitung von Wasserstoff in vorhandene Erdgasleitungen sehe ich das nicht ganz so eindeutig. Da müssten in der Tat Materalien für den Einsatzzweck (Reinheit des H2, Druck, Temperatur, mechanische Belastung) nachqualifiziert werden. Bei den Rohren wäre das wahrscheinlich noch einfach, aber Schweißnähte, Installationen, ... müsste geprüft werden. Aber das ist aktuell ein theoretisches Problem. Dennoch sollte (in allgemeiner Form und nicht mit Hinweis auf Wasserstoffspeicherung) darauf hingewiesen werden, dass man das beim Einsatz von Wasserstoff berücksichtigen muss. Viel schlimmer finde ich allerdings, dass Wasserstoffversprödung in einiger Fällen auftritt, wo man gar nicht damit rechnet. Die englische Seite gibt da zwei prominente Beispiele an. Inhaltlich könnte man einiges ergänzen im Artikel. Da bietet das folgende Buch eine Menge. Rjh (Diskussion) 13:37, 18. Dez. 2021 (CET)
- Mit der neutraleren Formulierung bin ich einverstanden. Man könnte noch ergänzen, dass man fallweise der Wasserstoffversprödung nicht nur durch die Materialwahl, sondern auch konstruktiv entgegen wirken kann, z.B. mittels sog. Bosch-Löcher (siehe Haber-Bosch-Verfahren). -- Schwalbe Disk. 16:32, 23. Dez. 2021 (CET)
- Das mit den Bosch Löchern ist interessant. Es bewirkt ja eine Wasserstoffdruckreduzierung. Ich weiß nur nicht, wie man das allgemein formuliert in den Artikel bekommt.Rjh (Diskussion) 18:44, 23. Dez. 2021 (CET)
- Mit der neutraleren Formulierung bin ich einverstanden. Man könnte noch ergänzen, dass man fallweise der Wasserstoffversprödung nicht nur durch die Materialwahl, sondern auch konstruktiv entgegen wirken kann, z.B. mittels sog. Bosch-Löcher (siehe Haber-Bosch-Verfahren). -- Schwalbe Disk. 16:32, 23. Dez. 2021 (CET)
- Ich würde es aus der Einleitung herausnehmen und allgemeiner in einem Abschnitt formulieren, der auf die Materialwahl bei Kontakt mit Wasserstoff eingeht. Bei Wasserstoffspeicherung und von vornherein auf den Transport von Wasserstoff ausgelegten Leitungen sollte klar sein, dass hier die richtigen Materalien genommen werden müssen. Bei der Einleitung von Wasserstoff in vorhandene Erdgasleitungen sehe ich das nicht ganz so eindeutig. Da müssten in der Tat Materalien für den Einsatzzweck (Reinheit des H2, Druck, Temperatur, mechanische Belastung) nachqualifiziert werden. Bei den Rohren wäre das wahrscheinlich noch einfach, aber Schweißnähte, Installationen, ... müsste geprüft werden. Aber das ist aktuell ein theoretisches Problem. Dennoch sollte (in allgemeiner Form und nicht mit Hinweis auf Wasserstoffspeicherung) darauf hingewiesen werden, dass man das beim Einsatz von Wasserstoff berücksichtigen muss. Viel schlimmer finde ich allerdings, dass Wasserstoffversprödung in einiger Fällen auftritt, wo man gar nicht damit rechnet. Die englische Seite gibt da zwei prominente Beispiele an. Inhaltlich könnte man einiges ergänzen im Artikel. Da bietet das folgende Buch eine Menge. Rjh (Diskussion) 13:37, 18. Dez. 2021 (CET)
- Hallo Rij, danke für diese ausführliche Rückmeldung. Ich nehme das jetzt mal als grundsätzliche Zustimmung zu meinem Vorschlag. Zu dem letzten Link von 1993 kann ich feststellen, dass es jetzt einen "Nationalen Wasserstoffrat " gibt und dieser in einer aktuellen Publikation festgestellt hat, dass die damalige Vermutung, dass Wasserstoff im Gasnetz ein Problem sein könnte, widerlegt ist.[4] Der Beitrag des Arbeitskreis Wasserstoffversprödung muss auch im Kontext des Satzes davor gesehen werden, hier daher nochmal der gesamte Absatz: "Deutlich wurde die Tendenz, immer höher feste Bauteile beschichtet im Betrieb einzusetzen, ohne – wie etwa in der Luftfahrtindustrie – auch eine entsprechende Stahlqualität zu wählen. Dies führt vermehrt zu Schadensfällen, die vereinfacht der Oberflächentechnik angelastet werden – ohne die Systemeigenschaft des Phänomens Wasserstoffversprödung zu berücksichtigen. Zu dieser Problematik gehören auch Schadensfälle an großen Schraubverbindungen aus dem Windenergiebereich.". Ein deutlicher Hinweis, dass dies durch fehlerhafte Materialwahl entstanden ist und bei korrekter Auslegung, wie in der Luftfahrt, nichts passiert wäre. Dass diese Probleme auch woanders auftreten zeigt, wie du ja auch schon gesagt hat die Einseitigkeit. Die Formulierung des Fraunhofer-Institutes stimmt natürlich grundsätzlich, klammert aber ein wenig aus, dass man zwar neue Materialien und Qualifizierungen erfinden kann, aber nicht muss, da bei korrekter Materialwahl auch schon heute keine Probleme auftreten. Das Fraunhofer-Institut ist da aber auch etwas belastet, da sie, als privatwirtschaftliches Unternehmen, darauf angewiesen sind, dass sie jemand mit der Forschung beauftragt. Wenn ich in deren Lage wäre würde ich auch ganz grob von einem "möglichen Problem" sprechen, wenn ich damit einen Auftrag an Land ziehen kann. Das heißt nicht, dass ich den Forschungsergebnissen von denen nicht traue, die Ergebnisse haben sicherlich Hand und Fuß, aber ich bin da eher vorsichtig und versuche zu betrachten in welchem Kontext eine solche Aussage getroffen wird und was für Belege und Zahlen dahinter stecken. Erschwerend kommt hier natürlich noch zum Tragen, dass es sich hier um den Fachbereich Wasserstoff des Instituts handelt, der auf seine Berechtigung haben möchte. Wie würdest du denn vorschlagen die, ganz am Anfang deines Beitrage erwähnten, Folgen in den Artikel einzubinden? --SchmidWS (Diskussion) 13:30, 17. Dez. 2021 (CET)
- Das ist mir auch zu einseitig, aber ich würde die Folgen bzw. das auftreten nicht ausklammern. Schließlich wird auch bei anderen Mechanismen/Reaktionen die Anwendung oder der Einfluss auf bestimmte sciherheitskritische Bereiche ganz normal mit erwähnt. Auf einer Seite des Fraunhofer-Institutes hab ich eine Formulierung gefunden, die dem Rechnung trägt. "Zunehmende Bedeutung gewinnt das Problem Wasserstoffversprödung im Verkehrs- und Energiebereich, da Wasserstoff als einer der wichtigen zukünftigen Energieträger angesehen wird. Die damit verbundene Entwicklung neuer Technologien zur Herstellung, Verteilung und Einsatz von Wasserstoff als Energielieferant erfordert die Qualifizierung vorhandener und neu zu entwickelnder Werkstoffe für diese Anwendungen." [1]. Interessant ist, was der "Arbeitskreis Wasserstoffversprödung" 2014 selbst sagte (ganz anderer unerwarteter Auftretensfall): "Dies führt vermehrt zu Schadensfällen, die vereinfacht der Oberflächentechnik angelastet werden – ohne die Systemeigenschaft des Phänomens Wasserstoffversprödung zu berücksichtigen. Zu dieser Problematik gehören auch Schadensfälle an großen Schraubverbindungen aus dem Windenergiebereich." Wieder ein Hinweis darauf, dass die Einleitung wohl zu einseitig ist. Die Folie 20 aus folgendem Bericht (2019) finde ich sehr interessant und sollten in unsere Seite einfließen. Die These wird unterstützt durch: [2](2014) "In den weltweit in Betrieb befindlichen mehr als 2.000 km H2-Industriepipelines hat Wasserstoffversprödund aber bisher nie zu Problemen geführt. Man legt diese Systeme für H2-Gas geeignet aus, damit sie bei gegebenem Druckniveau sicher betrieben werden können.". Ist schon etwas älter [3] (1993), aber es wurde damals ein Problem bei der Einspeisung von Wasserstoff in vorhandene Rohrleitungssysteme gesehen. Rjh (Diskussion) 12:30, 17. Dez. 2021 (CET)