ВОДНЕВА ЕНЕРГЕТИЧНА ІНФРАСТРУКТУРА: ПРОБЛЕМИ НАДІЙНОСТІ ТА БЕЗПЕКИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

Використання водню як альтернативного енергетичного носія є однією із пріоритетних тенденцій розвитку світової енергетики 21-го століття. Це не лише зменшить залежність економік від викопного палива (вугілля, газ, нафта), а й суттєво скоротить викиди парникових газів, які спричиняє стара «вуглеводнева» економіка.

Сертифікат переможця конкурсу Національного Фонду Досліджень України (НФДУ)

У світі різні аспекти водневої проблематики перебувають у стадії інтенсивного розвитку (див. https://www.iahe.org/). На сьогодні одними із лідерів слід вважати країни Європейського Союзу, які за останні роки виконали і виконують ряд масштабних проектів та дослідних програм (див., https://www.h2euro.org/). Для України розвиток водневої енергетики також є актуальним та дуже перспективним (див. https://www.hydrogen.in.ua/en/). Проте слід зауважити, що тут існує надзвичайно серйозна проблема, а саме: взаємодія водню з металевими конструкційними матеріалами призводить до суттєвої деградації їх властивостей, зокрема характеристик міцності та довговічності. Це спричинено таким явищем як водневе окрихчення матеріалів, яке значно підвищує ризик катастрофічного руйнування відповідного технологічного устаткування та конструкцій. Незважаючи на масштабні дослідження та великі зусилля в спробі зрозуміти механізми цього явища, слід констатувати, що на сьогодні вони досі не вивчені повністю. Це випливає із останнього огляду підготовленого групою авторитетних британських науковців (див. O. Barrera et al. Understanding and mitigating hydrogen embrittlement of steels: a review of experimental, modelling and design progress from atomistic to continuum. Journal of Materials Science (2018) 53:6251–6290.), де висвітлено сучасний стан розуміння проблеми водневих впливів, ґрунтуючись на аналізі даних експериментальних досліджень та теоретичних моделей що розглядали проблему на різних масштабних рівнях: від атомного до континуального. Тут підкреслено, що незважаючи на те, що в останні роки був досягнутий значний прогрес, стимульований як сучасними експериментальними дослідженнями, так і моделюванням на атомній та континуальній шкалах, ряд ключових питань залишається відкритими. Одне з головних питань полягає в тому, що в науковій літературі досі існують значні розбіжності щодо основних процесів, які відповідають за вплив водню, навіть у простих системах “матеріал – середовище”. Таким чином, подальше вивчення явища водневого окрихчення матеріалів залишається актуальним для світового наукового співтовариства. Такі дослідження спрямовуються на більш глибоке розуміння того, як водень впливає на механічні властивості макро, мікро та нано об’ємів матеріалів. Це дасть можливість розробити нові критерії оцінювання їх міцності та працездатності у водневовмісних середовищах за дії статичних і циклічних експлуатаційних навантажень, а також запропонувати способи оптимізації їх хімічного складу та структури з метою підвищення водневої стійкості в експлуатаційних умовах.

В рамках цієї глобальної проблеми, у Фізико-механічному інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів) виконується проєкт під назвою «Фізико-механічні макро, мікро та нано механізми взаємодії водню із низьколегованими сталями як фундаментальний чинник міцності та працездатності систем зберігання і транспортування водню». Цей проєкт став переможцем конкурсу Національного Фонду Досліджень України (НФДУ) і фінансується за його рахунок (див. https://nrfu.org.ua//wp-content/uploads/2020/09/pidtrymka-doslidzhen-providnyh-ta-molodyh-uchenyh_rejtyng_publikacziya-1.pdf). Науковий керівник роботи чл.-кор. НАН України, доктор технічних наук, професор, зав. відділу міцності матеріалів і конструкцій у водневовмісних середовищах Ігор Дмитрах. Виконавцями проєкту є доктори технічних наук, провідні наукові співробітники Андрій Сиротюк та Оксана Гембара, а також група молодих науковців: Ярослав Сапужак (доктор філософії), аспіранти Назар Гембара і Михайло Гриненко. За рахунок фінансової підтримки НФДУ. учасники проєкту мали змогу придбати сучасне дослідне устаткування, зокрема аналізатор дифузійно-рухомого і залишкового водню LECO DH603 компанії Leco Corporation (США), яка є відомим виробником такої продукції світового рівня. Це дозволило принципово підвищити рівень досліджень до світових стандартів.

Виконавці проєкту із представниками LECO Corporation в Україні після наладки устаткування у лабораторії інституту.

Проєкт має принципово важливе значення для проблеми безпечного та безаварійного функціонування вітчизняних трубопровідних мереж транспортування водню із урахуванням їх потенційної пошкоджуваності. Це пов’язано із створенням водневої енергетичної інфраструктури нашої держави, і у відповідності до перспективних урядових планів, Україна повинна стати основним виробником та експортером водню до країн Європи через власну газотранспортну систему.

Діаграма зміни механізмів впливу водню на характеристики опору руйнуванню низьколегованих сталей для систем транспортування водню залежно від його вмісту у матеріалі.

Результатом виконання роботи будуть нові критерії оцінювання міцності та працездатності низьколегованих сталей у воденьвмісних середовищах за дії статичних і циклічних експлуатаційних навантажень, які ґрунтуватимуться на урахуванні взаємовпливу наступних чинників – концентрації водню, мікроструктури матеріалу, його міцності, пластичності та тріщиностійкості. На цій підставі буде запропонована методика та будуть зроблені експертні оцінки безпечного залишкового ресурсу роботи критичних компонентів систем транспортування та зберігання водню із урахуванням їх дефектності з метою попередження виникнення аварійних ситуацій. Окрім цього, ключові результати проєкту можуть бути також використані при розробці критичних технологій спеціального призначення.