Unified modelling of diffusion and solubility of hydrogen in pipeline steels

One of the most important challenges of the present is represented by energy transition and green revolution. New energy sources should be studied and examined: hydrogen is a promising new vector and way of energy transport. Research should focus on the development and improvement of production processes usage, storage, and ways of transport. This thesis focuses mainly on the material qualification with respect to hydrogen compatibility, regarding pipeline steels. When hydrogen atoms enter the lattice, steels are necessarily weakened, losing ductility. Gas pipelines transporting hydrogen represent a harsh environment for the material itself. Steels need to be qualified to ensure enough ductility for the lifetime. Gaseous methods can represent actual working conditions in the best way, but they are also expensive and dangerous. On the contrary, electrochemical methods are easier, but they miss an actual link to reality. A new theory which can link electrochemical and gaseous hydrogen uptakes is evaluated to characterize hydrogen solubility. API 5L X70 pipeline steel samples are electrochemically charged for a defined time and the hydrogen uptake is measured with a thermal desorption spectrometer. The resulting absorption curve is retrofitted to the theorical model to define material properties. Gaseous solubility and diffusional behaviour of steel are, then, simulated and compared to experimental and bibliographic data to confirm the theory. The model can be now applied to actual problems, optimizing the gaseous charging procedures and extrapolating the gaseous hydrogen solubility at different temperatures and pressures. This thesis provides the basis for steel qualification using electrochemical charging as a suitable alternative to gaseous charging, opening to an easier mechanical assessment and characterization of steels for hydrogen applications.

Una delle sfide più importanti del presente è rappresentata dalla transizione energetica e a uno stile di vita più sostenibile. Nuove fonti di energia devono essere studiate ed esaminate: l’idrogeno rappresenta un nuovo mezzo di trasporto di energia. Questa tesi si concentra soprattutto sulla verifica della compatibilità con idrogeno di acciai di uso comune per la realizzazione di gasdotti. Infatti, quando entrano nel reticolo, gli atomi di idrogeno possono causarne l’infragilimento, con rischio di rottura fragile e di perdita di duttilità. Bisogna qualificare l’acciaio e verificarne il mantenimento di adeguate proprietà anche in presenza di assorbimento di idrogeno. L’assorbimento di idrogeno nel metallo può essere realizzato sia con metodi gassosi sia con metodi elettrochimici. I metodi di carica gassosa simulano le reali condizioni di lavoro al meglio, ma sono anche molto costosi e pericolosi perché necessariamente realizzati in autoclave con alte pressione di idrogeno. Al contrario, i metodi di carica elettrochimica sono molto più semplici, ma non rappresentano una situazione reale. La tesi fornisce le basi teoriche per usare una qualifica per via elettrochimica come alternativa sostenibile alla carica gassosa, permettendo di caratterizzare meccanicamente un acciaio in modo più facile. Nella tesi si presenta un nuovo approccio teorico per stimare la solubilità di idrogeno, in grado di collegare la carica elettrochimica a quella ottenibile per via gassosa, sviluppando un modello per interpolare i dati sperimentali di assorbimento di idrogeno per un acciaio per tubazioni API 5L X70. Dal confronto del modello con i dati sperimentali, si sono ottenuti i parametri di energia e densità di trappole per l’idrogeno, che ne definiscono la solubilità e la diffusività nell’acciaio studiato. La solubilità gassosa e la diffusività dell’idrogeno dell’acciaio sono, quindi, state simulate e confrontate con i dati sperimentali e bibliografici Il modello è stato infine applicato a scenari reali, ottimizzando la procedura di carica gassosa e prevedendo la solubilità di idrogeno a diverse temperature e pressioni.