В истории современной промышленности зафиксированы катастрофические аварии, вызванные малоизвестным, но крайне опасным явлением — высокотемпературной водородной атакой (HTHA). Этот скрытый процесс разрушения металла приводил к взрывам теплообменников и трубопроводов, которые оборачивались масштабными пожарами и человеческими жертвами. Проблема особенно актуальна для предприятий агрохимической отрасли, где производство удобрений часто связано с использованием водорода при высоких температурах и давлении.
Как отмечают эксперты Тим Армитт, Дэвид Миллер и Кейн Уингроув из британской компании Lavender International в своей публикации для журнала World Fertilizer, опасность HTHA заключается в ее «тихом» развитии. Повреждение может незаметно распространяться в толще металла, не проявляя себя до тех пор, пока оборудование не окажется в критическом состоянии, а его дальнейшая эксплуатация — под угрозой срыва. Ранняя диагностика этого явления имеет первостепенное значение для предотвращения катастроф.
Разрушительный процесс запускается в оборудовании из углеродистых и низколегированных сталей — резервуарах, теплообменниках и трубопроводах, — которые работают при температуре свыше 205°C и одновременно подвергаются длительному воздействию водорода под давлением. В этих условиях атомы водорода проникают в кристаллическую решетку стали и вступают в реакцию с углеродом, образуя метан.
Молекулы метана значительно крупнее атомов водорода и углерода, из-за чего они оказываются «запертыми» внутри металла. Постепенно они скапливаются вдоль границ металлических зерен, создавая колоссальное внутреннее давление. Когда это давление превышает предел прочности материала, в его структуре начинают образовываться микроскопические пустоты и пузырьки газа.
Одновременно с формированием внутренних пустот происходит процесс обезуглероживания — сталь лишается углерода, что вместе с накоплением дефектов катастрофически снижает ее механическую прочность. Со временем микропустоты сливаются в трещины, которые продолжают расти. Этот процесс ускоряется по экспоненте: чем больше трещина, тем выше концентрация напряжения на ее конце, что, в свою очередь, еще больше ускоряет образование метана. В конечном итоге оставшаяся неповрежденной часть металла не выдерживает нагрузки и мгновенно разрушается.