Die Wasserstoffversprödung

Eine Herausforderung für Armaturenhersteller und Anlagenbauer

Die Nachfrage an erneuerbaren Energiequellen und nachhaltigen Systemen, die fossile Brennstoffe ersetzen, ist immens. Wasserstoff wird in diesem Zusammenhang eine Schlüsselrolle zugesprochen: Das Gas ermöglicht saubere Mobilität und spielt auch in zahlreichen industriellen Prozessen eine immer wichtiger werdende Rolle.
Neu ist Wasserstoff in der Industrie, vor allem in der Chemieindustrie und in Raffinerien, nicht. Neu ist jedoch, dass Wasserstoff ein Teil der nationalen Strategie der Bundesregierung zur Bekämpfung des Klimawandels wurde und damit an Bedeutung gewinnt.
Doch das Gas stellt anspruchsvolle Anforderungen an Armaturen, Rohrleitungen und Anlagenteile.

Ein Grund ist die Wasserstoffversprödung. Was das ist, welche Materialien davon besonders betroffen sind und was bei der Armaturenwahl zu beachten ist, erfahren Sie im Beitrag!

Wasserstoff – ein anspruchsvolles Medium

Wasserstoff ist das leichteste Element im Periodensystem, das zugleich eine hohe gravimetrische Energiedichte besitzt. Das diffuse Gas kann in atomarer Form leicht in verschiedenste Materialien eindringen und dort zu einer Versprödung führen. Besonders anfällig hierfür sind Kohlenstoff-Stähle.
Weitere Aspekte, die im Umgang mit dem Gas zu berücksichtigen sind: Wasserstoff ist sehr flüchtig. Daher muss vor allem auf die innere Dichtheit eines Regelventils und auf die Dichtheit nach außen geachtet werden.

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Was ist Wasserstoffversprödung?

Ändert sich die Festigkeit eines Materials bzw. wird ein Material durch das Eindringen und die Einlagerung von Wasserstoff spröde, nennt man das Wasserstoffversprödung. Es folgt eine Materialermüdung, die zur Rissbildung führt.

Wann tritt Wasserstoffversprödung auf?

Ob durch Wasserstoffkorrosion oder andere chemische Reaktionen: Zu einer Wasserstoffversprödung kommt es, wenn auf einer Metalloberfläche atomarer Wasserstoff entsteht. Statt sich an der Werksoberfläche zu nicht diffusionsfähigen H₂-Molekülen zusammenzufügen, diffundiert der Wasserstoff bei dem Vorgang. Dabei lagert er sich in das Metallgitter ein, bevorzugt an Fehlstellen oder Korngrenzen.

Konzentrieren sich Wasserstoffatome an den Korngrenzen, rekombinieren diese sich schnell wieder zu Molekülen (H₂). Die dadurch erzeugte Druckerhöhung reduziert maßgeblich die Duktilität des Werkstoffes. Das Resultat: eine Versprödung bis hin zum Versagen des Materials.

Welche Materialien sind besonders anfällig für Wasserstoffversprödung?
Und welche sind dagegen resistenter?

Entscheidend für die Eignung eines Materials für Wasserstoff ist die Härte (HRC gemessen in Rockwell). Je härter das Material, desto anfälliger ist es für Wasserstoffversprödung.
Ein Material mit einem HRC-Wert von über 41 ist besonders häufig von Wasserstoffversprödung betroffen. Vor allem höherfeste Stähle mit einem hohen Martensitgehalt und einer Streckgrenze größer ca. 800 MPa sind gefährdet gegenüber wasserstoffbedingten Schädigungen.

Austenitischen Edelstähle (z. B. CrNi-Stähle) haben sich hingegen als geeignete Werkstoffe erwiesen und werden daher vorwiegend als Standardwerkstoff in der Wasserstofftechnik eingesetzt. Wie Studien zeigen hat ein hoher Nickelgehalt einen positiven Einfluss auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber wasserstoffbedingten Sprödbruch.

Wie kann Wasserstoffversprödung verhindert werden?

Durch …

Minimierung des Kontakts zwischen dem Metall und jeglichen Quellen von atomarem Wasserstoff.
den Schutz vor korrosionsverursachenden Bedingungen, z. B. durch das Aufbringen von speziellen Beschichtungen.
die Durchführung von Wärmebehandlungen, auch Wasserstoffarmglühen oder Tempern/Anlassen genannt – für bestimmte Verarbeitungsvorgänge geeignet, bei denen eine große Menge an Wasserstoff absorbiert wird.
die richtige Materialwahl, d. h. die Verwendung von weniger anfälligen Materialien für Versprödung.
die richtige Materialqualität. Homogene Metallgitter mit geringen Fehlstellen reduzieren die Wahrscheinlichkeit einer Versprödung erheblich.
regelmäßige und sorgfältige Kontrollen von kritischen Stellen.

Was ist bei der Armaturenwahl zu beachten?

Ob Armaturen, Rohrleitungen oder Anlagenteile – jedes Element muss dem Medium Wasserstoff gegenüber beständig sein. Wichtig ist auch, dass sie den gängigen Anforderungen (DGRL, ATEX, ISO 15848/ TA Luft, etc.) entsprechen. Diese Normen, Richtlinien und Standards liefern erste Anhaltspunkte für Spezifikationen – ob für Anlagenbauer Planer oder Betreiber von Industrieanlagen.

Ein guter Anhaltspunkt ist zudem der Begriff „H₂-ready“, der bei vielen Herstellern – darunter auch bei A. Hock – für Armaturen steht, die für das Medium Wasserstoff geeignet sind.

Zusammengefasst, diese Eigenschaften sollten Wasserstoffarmaturen aufweisen:

Innere und äußere Dichtheit
Wasserstoffbeständige Materialien
Anforderungen an Zündschutz erfüllen
Kurzum: „H2-ready“

Generell gilt: Um einen sicheren Betrieb in der Anlage gewährleisten zu können, müssen alle Komponenten, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, den hohen Anforderungen gerecht werden. Heißt hinsichtlich der Materialeignung aller eingesetzten Werkstoffe geprüft, sowie auf ihre Dichtheit und ihre funktionale Sicherheit getestet und entsprechend ausgewählt werden.

Sichere Wasserstoff-Ventile von A. Hock

Für alle Ventilbaureihen von A. Hock gilt:

Hohe Materialqualität: Mittels Farbeindringverfahren und Röntgenprüfung werden die Guss-Gehäuse auf kleinste Fehlstellen untersucht und kategorisiert. Somit sind Versprödungen nahezu ausgeschlossen. Wir erreichen für Wasserstoff-Applikationen höchste Gütestufen.
Präzise Materialauswahl: Es werden ausschließlich geeignete Stähle mit geringem Kohlenstoffanteil und mit Härtegraden unter 25 HRC verwendet. Die Zertifizierung nach NACE ist bei uns Standard.
Dichtheit nach Außen: Die Dichtheit wird über eine TA-Luft-Packung oder einen Faltenbalg gewährleistet.
Dichtheit innen: Die innere Dichtheit ist durch die hohe Leckage-Klasse V (metallisch dichtend) oder Klasse VI (weichdichtend) bei unseren Wasserstoff-Ventilen gegeben.
Feinste Dosierung von Wasserstoff über geringen KVS-Wert 0,010 bei DN15

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Dominic Hock

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