Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMIm Projekt H2WeldEng werden universell einsetzbare Auslegungskonzepte für Schweißnähte unter H2-Einfluss erarbeitet und branchenübergreifend an verschiedenen Komponenten der Wasserstoffinfrastruktur erprobt. Dies befähigt Unternehmen, entsprechende Komponenten und Bauteile zielgerichtet auszulegen.
H2WeldEng: Entwicklung von universellen Auslegungskonzepten für Schweißnähte unter Druckwasserstoffeinfluss für die zeit- und kosteneffiziente Dimensionierung von Komponenten der Wasserstoff-Infrastruktur
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Zur Umsetzung einer nachhaltigen Energiewirtschaft im Zuge der Energiewende ist Wasserstoff als Energieträger unabdingbar. Insbesondere grüner Druckwasserstoff eignet sich besonders gut zum Aufbau einer großskaligen H2-Infrastruktur. Jedoch ist bei der Auslegung oder Umrüstung von Bauteilen, die im Wasserstoffkontakt stehen, dessen Wirkung auf die Werkstoffe zu berücksichtigen, die zu einer drastischen Reduktion der mechanischen Eigenschaften und zu vorzeitigem und plötzlichen Bauteilversagen führen kann (Wasserstoffversprödung). Dies betrifft insbesondere Schweißverbindungen, die als Verbindungselemente in fast allen Maschinenkomponenten eingesetzt werden und bei nahezu allen Komponenten der Wasserstoffinfrastruktur direkt mit Wasserstoff in Kontakt stehen.
Wegen ihrer geringeren Ermüdungsfestigkeit und Lebensdauer im Vergleich zum Grundwerkstoff aufgrund von Zugeigenspannungen, grobkörnigem Gefüge und geometrischen sowie metallurgischen Kerben stellen Schweißverbindungen immer limitierende Elemente für die Bauteildimensionierung dar. Unter Wasserstoffatmosphäre wird diese Tendenz noch weiter verstärkt. Zur Auslegung von Komponenten der Wasserstoffinfrastruktur muss daher die Abminderung von Festigkeit und Lebensdauer der Schweißnähte unbedingt berücksichtigt werden. Geschieht dies wie bisher – mangels passender Regelwerke – auf Basis zu konservativer Abminderungsfaktoren, resultieren deutlich höhere Blechdicken als bei herkömmlichen Umgebungsbedingungen. Dies sorgt für hohe Schweißzeiten (und somit hohe Fertigungszeiten) sowie einen hohen Ressourcenbedarf.
Ziel des Projektes H2WeldEng ist die Entwicklung und Validierung von Auslegungskonzepten für Schweißnähte in Bauteilen der H2-Infrastruktur, die es erlauben, den H2-Einfluss bei der Dimensionierung und Festigkeitsbewertung adäquat und praxisgerecht zu berücksichtigen. Die zu erarbeitende Methodik ist branchenübergreifend ausgerichtet und wird im Projekt validiert für Anwendungen im Bereich H2-fähiger Rohrleitungen, Kompressoren zur H2-Verdichtung, sowie Peripherie-Komponenten. Sie dient dazu, Konservatismus in den bisherigen Auslegungsrichtlinien abzubauen, Blechdicken und Schweißzeiten zu reduzieren und den Aufbau neuer H2-Infrastrukturen zu beschleunigen. Die betrachteten Schweißverfahren umfassen schwerpunktmäßig die weit verbreiteten Verfahren Metallaktivgas (MAG), Wolfram-Inertgas (WIG) und Unterpulverschweißen (UP), sowie ergänzend Laser- und Auftragsschweißen. Die im Projekt erarbeitete Methodik kann zukünftig direkt in etablierte Regelwerke implementiert werden. Daher leistet das Projekt einen fundamentalen Beitrag zur Standardisierung der Auslegungskonzepte für Bauteile der H2-Infrastruktur.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM
Die Aufgaben des Fraunhofer IWM innerhalb des Projekts umfassen:
- Ermittlung zonenfeiner Materialkennwerte unter Referenz- und Wasserstoffatmosphäre (Grundmaterial, Wärmeeinflusszone, Schweißgefüge) mittels Zug- und Ermüdungsproben
- Experimentelle Prüfung von Schweißproben unter Druckwasserstoff
- Materialanalytische Untersuchungen zur Aufklärung der Versagensmechanismen in Abhängigkeit des H2-Gehalts
- Datenaufbereitung, -analyse und Erstellung eines Projektdatensatzes mit statischen, Ermüdungs- und Bruchmechanik-Kennwerten unter Referenz- und H2-Atmosphäre
- Entwicklung einer Berechnungsmethodik zum Festigkeitsnachweis von Schweißnähten unter H2 basierend auf den IIW-Empfehlungen (International Institute of Welding)
- Simulation der Wechselwirkung zwischen H2-Diffusion und mechanischer Belastung
- Rechnerische Ableitung von FAT-Klassen (Festigkeitskategorien) für verschiedene Schweißnahtdetails unter H2-Atmosphäre
- Validierung der Berechnungsmethodik an industriellen Demonstratoren und Use-Cases aus den Bereichen H2-Rohrleitungen, -kompressoren und Peripheriekomponenten
- Erarbeitung von anwendungsnahen Auslegungskonzepten und -guidelines für die industrielle Anwendung
Transfer der Projektergebnisse in FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM
- Entwicklung innovativer Prüfmethoden zur Bewertung von Schweißnähten unter H2-Bedingungen
- Bereitstellung von Daten zu Materialeigenschaften und deren Verhalten unter Wasserstoffeinfluss
- Durchführung von Simulationen zur Bewertung der H2-Diffusion in Wechselwirkung mit mechanischer Beanspruchung
- Erstellung von Auslegungskonzepten zur zielgerichteten Dimensionierung von Schweißnähten unter H2-Atmosphäre
Förderhinweis
