DVS_Bericht_392LP

Umstellung von Gashochdruckleitungen auf Wasserstoff
A. Großmann, München
Wasserstoff nimmt eine zentrale Rolle bei der Energiewende ein. Für seinen Transport soll das vorhandene
Erdgasnetz genutzt werden. Hierzu ist im Vorfeld die Wasserstoffverträglichkeit der Werkstoffe und die Lebensdauer
der Erdgaspipelines zu untersuchen. Kern aller Betrachtungen ist die bruchmechanische Bewertung
der Erdgaspipelines, bei der neben der Versprödung des Werkstoffs Stahl auch die Rissstabilität und das
Risswachstum in Wasserstoffatmosphäre untersucht werden. Im Folgenden sollen Grundlegende Vorgehensweisen
der Bewertung aufgezeigt werden.
1 Prüfumfänge der Umstellung
Eine Änderung des Mediums ist im Sinne der Verordnung für Gashochdruckleitungen (GasHDrLtgV) bei Gasleitungen
mit einem maximalen zulässigen Betriebsdruck über 16 bar eine wesentliche Änderung mit den entsprechenden
Anzeigeverfahren, wenn dadurch eine Beeinträchtigung der Sicherheit unterstellt werden kann.
In diesem Fall muss ein Anzeigeverfahren nach §5 GasHDrLtgV eingeleitet werden. Sowohl beim Neubau als
auch bei der Umstellung müssen Hersteller und Betreiber nachweisen, dass die Maßnahmen dem Stand der
Technik entsprechen und fachgerecht durchgeführt wurden. Die erforderlichen technischen Maßgaben zur
Umstellung einer Bestandsleitung auf Wasserstofftransport oder bei Neubau einer Gasleitung sind im DVGW
Arbeitsblatt G463 sowie Merkblatt G409 beschrieben.
Der Betreiber ist für Planung und Überprüfung der Angaben und Herstellerbescheinigungen / -erklärungen
sowie der Eignung für die konkrete Anwendung (betriebliche Einflussgrößen, wie z. B. Lastwechsel, zulässige
Druckbereiche) verantwortlich. Dabei sind unter anderem die Gasdichtheit der Gassysteme (äußere/innere
Dichtheit) unter Wasserstoff, die Wasserstofftauglichkeit der verwendeten Werkstoffe, Betriebsstoffe und Hilfsstoffe,
Arbeitsmittel und Arbeitsschutz, Explosionssicherheit – Explosionsschutz, Brandschutz und Brandmeldeanlagen
– zu prüfen. Auch Instandhaltungsfristen, Gefährdungsbeurteilungen und Risikobewertungen sind
gegebenenfalls zu aktualisieren oder an die Eigenschaften des Mediums Wasserstoff anzupassen.
2 Wasserstoffeinfluss auf Stähle
Die durch Wasserstoff induzierte Schädigung kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Man unterscheidet
zwischen Schädigungen durch chemische und elektrochemische Reaktionen mit metallphysikalischen Vorgängen.
Während bei chemischen Reaktionen der Wasserstoff mit dem Werkstoff Bindungen eingeht, fungiert
bei elektrochemischen und metallphysikalischen Vorgängen der Wasserstoff als eine Art Legierungselement
in dem Metall.
Unabhängig von der Herkunft des Wasserstoffs erfolgt dessen Aufnahme immer über die Teilschritte: Adsorption
und Dissoziation, Absorption und Diffusion oder Einlagerung im Metallgitter. Dreh- und Angelpunkt der
Wasserstoffversprödung ist Wasserstoff in seiner atomaren Form, da nur dieser – im Gegensatz zu H2 – in
der Lage ist, in Metalle diffundieren zu können. Wasserstoff kommt unter atmosphärischen Bedingungen fast
ausschließlich molekular vor, somit muss es bestimmte Prozesse geben, aus denen Wasserstoffatome hervorgehen
und anschließend in den Stahl eindringen können.
Eine Vielzahl von Publikationen beschreibt den Wasserstoffeinfluss auf Stähle und die experimentell nachgewiesenen
negativen Effekte. Dabei ist die Art der Stähle maßgebend für die Intensität der sogenannten Wasserstoffversprödung.
Im Allgemeinen wird festgestellt, dass mit wachsenden Festigkeitskennwerten und raueren
Oberflächenbeschaffenheiten die Neigung zur Wasserstoffversprödung zunimmt. Kommt es zur Wasserstoffversprödung,
so ist die duktile Verformungsfähigkeit des Stahls reduziert. Anstatt lokale Spannungsspitzen
durch Verformung abzubauen, kommt es hier zu kleinsten Materialtrennungen, die in größerem Maßstab
als Risse sichtbar werden können.
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