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Abbildung 1. Sprödbruch unter Wasserstoffeinfluss
Aus diversen Veröffentlichungen zu durchgeführten Laboruntersuchungen geht hervor, dass Wasserstoff die
Bruchzähigkeit senkt und das Wachstum von Rissen beschleunigt, auch bei relativ niedrigen Wasserstoffpartialdrücken.
Dieser Einfluss ist zudem abhängig von der mechanischen Belastungsfrequenz. Der Wasserstoff
braucht eine gewisse Zeit für die Diffusion ins Metallgitter, sodass Versuche hierzu nicht beliebig schnell durchgeführt
werden können. Messungen der Zugeigenschaften in Wasserstoff zeigen, dass die Anwesenheit von
Wasserstoff die Brucheinschnürung senkt, jedoch weder Zugfestigkeit noch Streckgrenze beeinträchtigt. Damit
ergeben sich für die klassische strukturmechanische Innendruckbemessung von Leitungen nach dem aktuellen
Wissensstand keine Änderungen.
Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Bruchzähigkeit der Werkstoffe unter der Wirkung des Wasserstoffes
verringert wird. Die Rissausbreitungsgrößen können dabei in Anwesenheit von Wasserstoff um den Faktor 10
höher sein als an Luft. Ein Risswachstum ist in Kombination mit Lastwechseln durch variierende Betriebsdrücke
grundsätzlich möglich. Lastwechsel können von betriebsbedingten Innendruckschwankungen, wie z. B.
bei Aus- und Einspeiseprozessen oder von wechselnden Zusatzlasten, z. B. aus Schwingungen, ausgehen.
Die Geschwindigkeit des Risswachstums ist neben dem Medium und dem Werkstoff auch abhängig von der
Lastamplitude, dem Spannungsmittelwert und der Häufigkeit der Lastamplitude innerhalb eines gegebenen
Zeitintervalls. So kann bei hoher Maximallast mit kleinster Lastamplitude ein geringeres Risswachstum stattfinden
als bei geringerer Maximallast, aber größerer Lastamplitude. Die Identifizierung und Berücksichtigung
solcher lebensdauerbestimmenden Einflüsse ist einer der Bausteine zur Feststellung der Wasserstofftauglichkeit
einer Pipeline.
3 Bruchmechanisches Nachweiskonzept
Die feststellbaren Einflüsse der Wasserstoffversprödung auf die Stähle (Reduzierung der Risszähigkeit und
beschleunigtes Risswachstum) sind nach heutigem Wissensstand geeignete Kenngrößen, um die statische
und dynamische Tragfähigkeit wasserstoffinduzierter Fehler zu bewerten. Man greift dabei auf bruchmechanische
Berechnungs- und Bewertungskonzepte zurück, in welche die Risszähigkeit und Risswachstumsgrößen
einfließen. Wesentliche Kennwerte der bruchmechanischen Berechnungs- und Bewertungskonzepte stellen
die Fehlergröße, Lage und Orientierung dar, so dass im Gegensatz zur klassischen strukturmechanischen
Bemessung und Bewertung hier ein Fehler bekannt sein bzw. angenommen werden muss, um aus diesem
Konzept Erkenntnisse zur Tragfähigkeit und Lebensdauer von Rohrleitungen unter Wasserstoffeinfluss zu erhalten.
Die zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Festkörpern gängigen Größen wie Spannungen und
Verzerrungen sind in der Bruchmechanik nicht unmittelbar für die Beschreibung von Bruchvorgängen geeignet.
Dies liegt zum einen an sehr hohen – unter Annahme rein elastischen Werkstoffverhaltens unbeschränkt
hohen – Spannungen an der Rissspitze und zum anderen an der komplexen Interaktion zwischen Rissgeometrie
und Beanspruchungen. In der Bruchmechanik werden zusätzliche Größen wie die Spannungsintensität
und die Energiefreisetzungsrate eingeführt, welche den lokalen Spannungszustand an der Rissspitze bzw.
das globale Rissverhalten bei dessen Ausbreitung charakterisieren. Für den Wasserstoffbetrieb ist nachzuweisen,
dass die umzustellende Leitung für einen maximal zulässigen Betriebsdruck und die auftretenden
Betriebslastwechsel unter bruchmechanischen Aspekten ausreichend dimensioniert ist. Für Bestandsleitungen
kommen die aktuellen DVGW-Merkblätter G 409 0 sowie G 464 0 zur Anwendung.
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