Hydrogen Embrittlement of Steels in High Pressure H2 Gas and Acidified H2S-saturated Aqueous Brine Solution

Abstract

Microbiological methanation is planned in an underground natural gas reservoir. For this purpose, hydrogen is stored, which can lead to hydrogen embrittlement of steels. To simulate these field conditions, autoclave tests were performed to clarify the amount of absorbed hydrogen and to test whether this content leads to failure of the steels. Constant load tests and immersion tests with subsequent hydrogen analyses were performed. Tests under constant load have shown that no cracks occur due to hydrogen pressures up to 100 bar and temperatures at 25 °C and 80 °C. In these conditions, the carbon steels absorb a maximum of 0.54 ppm hydrogen, which is well below the embrittlement limit. Austenitic stainless steels absorb much more hydrogen, but these steels also have a higher resistance to hydrogen embrittlement. In H 2 S saturated solutions, the hydrogen uptake is ten times higher compared to hydrogen gas, which has caused fractures of several steels (high strength carbon steels, Super 13Cr, and Duplex stainless steel 2205). In unterirdischen Erdgaslagerstätten ist die mikrobiologische Methanisierung geplant. Dazu wird Wasserstoff eingelagert, was zu Wasserstoffversprödung von Stahl führen kann. Um diese Feldbedingungen nachzustellen, wurden Autoklavenversuche durchgeführt, um zu klären, wie viel Wasserstoff aufgenommen wird und ob dieser Gehalt zu einem Versagen der Stähle führt. Es wurden Versuche unter konstanter Last und Auslagerungsversuche mit anschließenden Wasserstoffanalysen durchgeführt. Versuche unter konstanter Last haben gezeigt, dass keinerlei Risse durch Wasserstoffdrücke bis 100 bar und Temperaturen bei 25 °C und 80 °C aufgetreten sind. Die Kohlenstoffstähle nehmen bei diesen Bedingungen maximal 0.54 ppm Wasserstoff auf, was deutlich unterhalb der Versprödungsgrenze liegt. Austenitische Stähle nehmen viel mehr Wasserstoff auf, allerdings weisen diese Stähle auch eine höhere Toleranz gegenüber Wasserstoff auf. In H 2 S gesättigten Elektrolyten ist die Wasserstoffaufnahme um den Faktor 10 höher als in Wasserstoffgas, was zu Brüchen mehrerer Stähle (hochfeste Kohlenstoffstähle, Super 13Cr und Duplex Stahl 2205) geführt hat.