Comparative Analysis of Compressed Hydrogen Losses During Its Transportation Through Pipelines from Different Materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The authors estimate possible losses of transported compressed hydrogen (P = 10 MPa) due to diffusion through the pipe wall applying Sieverts law and Arrhenius equation and using tabular data on the coefficients of permeability and solubility. The calculation was carried out for pipelines made of various metallic and non-metallic materials at room and elevated temperatures. It is shown that the volume of the diffused gas at T = 298°K (25°С) is only fractions of a percent of the pumped hydrogen volume. At the same time, the biggest loss occurs in a pipeline made of polyethylene (~0.03%), and the most insignificant one in austenitic steels (~10-6%). For carbon and low-alloy steels, the main materials of gas pipelines, these losses are at the level of 10-4–10-5 %. When the temperature rises to 683°K (410°C), the losses in steel pipelines increase to 0.25%, in polymer pipelines to 20%.

About the authors

V. I. Bolobov

St Petersburg Mining University

Email: zlotinvladimir@mail.ru
Dr Sc (Eng) 21st Line V.O., 2, St. Petersburg, 199106, Russia

I. U. Latipov

St Petersburg Mining University

Email: zlotinvladimir@mail.ru
Dr Sc (Eng) 21st Line V.O., 2, St. Petersburg, 199106, Russia

A. O. Sherstneva

St Petersburg Mining University

Email: zlotinvladimir@mail.ru
Cand Sc (Eng) 21st Line V.O., 2, St. Petersburg, 199106, Russia

V. A. Zlotin

St Petersburg Mining University

Email: zlotinvladimir@mail.ru
21st Line V.O., 2, St. Petersburg, 199106, Russia

I. V. Zhuykov

St Petersburg Mining University

Email: zlotinvladimir@mail.ru
21st Line V.O., 2, St. Petersburg, 199106, Russia

A. P. Petkova

St Petersburg Mining University

Email: zlotinvladimir@mail.ru
Dr Sc (Eng) 21st Line V.O., 2, St. Petersburg, 199106, Russia

References

  1. Федченко А. А., Исеева Л. И. Тенденции изменения добычи и воспроизводства минерально-сырьевой базы нефти в России и мире // Записки Горного института. – 2013. – Т. 205. – C. 266–270.
  2. Ильинский А. А. Анализ результатов экономической оценки ресурсов нефти и газа и количественная оценка определяющих ее факторов // Записки Горного института. – 1990. – Т. 122. – C. 70–72.
  3. Литвиненко В. С., Цветков П. С., Двойников М. В., Буслаев Г. В. Барьеры реализации водородных инициатив в контексте устойчивого развития глобальной энергетики // Записки Горного института. – 2020. – Т. 244. – C. 428–438.
  4. Kopteva A., Kalimullin L., Tcvetkov P., Soares A. Prospects and Obstacles for Green Hydrogen Production in Russia // Energies. – 2021. – N 14, Is.3. – P. 718.
  5. Иванова И.В., Шабер В.М. Современные перспективы получения газа // Записки Горного института. – 2016. – Т. 219. – C. 403–411.
  6. Momotani Y. Shibataa A., Teradab D., Tsuji N. Hydrogen embrittlement behavior at different strain rates in low carbon martensitic steel // Materials Today: Proceedings, 2, Supplement 3, 2015. – P. 735–738.
  7. Нечаев Ю. С. Физические комплексные проблемы старения, охрупчивания и разрушения металлических материалов водородной энергетики и магистральных газопроводов // Успехи физических наук. – 2008 – Т. 178, № 7 – С. 709–726.
  8. Influence of low temperature prestain on hydrogen gas embrittlement of metastable austenitic stainless steels / Zhang L., Li Z., Zheng J., Zhao Y., Xu P., Liu X. et al. // International Journal Hydrogen Energy. – 2013. – V. 38. – P. 11181–11187.
  9. Shefer R. W. Characterization of leaks from compressed hydrogen dispensing systems and related components // International Journal of Hydrogen Energy. – 2006. – V. 31. – P. 1240–1260.
  10. Chen H., Mao Z. The study on the results of hydrogen pipeline leakage accident of different factors // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – V. 64.
  11. Керимов В. Ю. Геология нефти и газа: Учебник. – М.: Академия, 2015. – 279 с.
  12. Hafsi Z., Mishra M., Elaoud S. Hydrogen embrittlement of steel pipelines during transients // Procedia Structural Integrity. – 2018. – V. 13. – P. 210–217.
  13. Somerday B. P., San Marchi C. Austenitic Steels: 300-Series Stainless Steels; Stabilized Alloys: Types 321 & 347 (code 2104) // Technical Reference on Hydrogen Compatibility of Materials / Eds. Marchi Ch.S., Somerday B.P. – Sandia National Laboratories, USA, 2008.
  14. Mejia A. H. Brouwer J. Kinnon M. M. Hydrogen leaks at the same rate as natural gas in typical low-pressure gas infrastructure // Hydrogen Energy Journal. – 2019. – V. 45 (15). – P. 17.
  15. Gadgeel V. L., Johnson D. L. Gas-phase hydrogen permeation and diffusion in carbon steels as a function of carbon content from 500 to 900 K // Journal of Materials for Energy Systems. – 1979. – V. 1(2). – P. 32–40.
  16. Hoover W. R., Iannucci J. J. Robinson S. L., Jay R. S., Stoltz R. Hydrogen compatibility of structural materials for energy storage and transmission // Annual report (October 1, 1978 – September 30, 1979), 1980.
  17. Nelson H. G., Stein J. E. Gas-phase hydrogen permeation through alpha iron, 4130 steel, and 304 stainless steel from less than 100 °C to near 600 °C. – Washington, D.C.: National Aeronautics and Space Administration, 1973.
  18. Perng T. P., Altstetter C. J. Effects of Deformation on Hydrogen Permeation in Austenitic Stainless Steels // Acta Metallurgica. – 1986. – V. 34(9). – P. 1771–1781.
  19. Louthan M. R. Jr., Derrick R. G. Hydrogen transport in austenitic stainless steel // Corrosion Science. – 1975. – V. 15(9). – P. 565–577.
  20. Pauly S. Permeability and Diffusion Data / J. I. Brandup, E. H. Grulke (Eds.) // Polymer Handbook, 2003. – P. 2366.
  21. Бекман И. Н. Высшая математика: математический аппарат диффузии: Учебник. Изд. 2-е. – М.: Юрайт, 2017. – 459 с.
  22. Газы и углерод в металлах / Под ред. Е. Фромм, Е. Гебхардт / Пер. с нем. В. Т. Бурцева. – М.: Металлургия, 1980. – 711 с.
  23. Bolobov V. I., Latipov I. U., Popov G. G., Buslaev G. V., Martynenko Y. V. Estimation of the Influence of Compressed Hydrogen on the Mechanical Properties of Pipeline Steels // Energies. – 2021. – V. 14. – P. 27.
  24. Кулабухова Н. А. Исследование процессов абсорбции и диффузии водорода в ГЦК металлах методом молекулярной динамики // Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук, Барнаул, 2014. – 23 с.
  25. Писарев А. А., Цветков И. В., Маренков Е. Д., Ярко С. С. Проницаемость водорода через металлы. – М.: Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, 2008. – 144 с.
  26. Черданцев Ю. П., Чернов И. П., Тюрин Ю. И. Методы исследования систем металл – водород: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 286 с.
  27. Смирнов Л. И., Гольцов В. А. Диффузия и диффузионные явления в водородной подсистеме сплавов металл – водород // Альтернативная энергетика и экология. – 2014. – № 01 (141). – С. 111–137.
  28. Hirth J. P. Effects of hydrogen on the properties of iron and steel // Metall. Trans. – 1980. – V. 11A. – P. 861–890.
  29. Majer G., Eberle U., Kimmerle F., Stanik E., Shin-Ichi Orimo. Hydrogen diffusion in metallic and nanostructured materials // Physica B: Condensed Matter. – 2003. – N 328. – Р. 81–89.
  30. Алексеева О. К., Козлов С. И., Фатеев В. Н. Транспортировка водорода // Транспорт на альтернативном топливе. – 2011. – № 3 (21). – C. 18–24.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».