Fragilizzazione da idrogeno negli acciai da pipeline per il trasporto e lo stoccaggio dell’idrogeno.

The thesis investigates hydrogen embrittlement in steels used for pipelines intended for hydrogen transport and storage, with particular attention to its effects on mechanical properties and structural integrity. After examining the processes of hydrogen adsorption, dissociation, absorption, diffusion and trapping, the main embrittlement mechanisms are discussed together with the behaviour of API 5L pipeline steels, considering the influence of strength grade, microstructure, welds, heat-affected zones and operating conditions. The main testing methods used in hydrogen environments and the tools adopted for pipeline integrity assessment are also reviewed. The engineering part of the thesis develops a deterministic comparative model applied to a pipeline with an internal diameter of 611 mm, a wall thickness of 11 mm and a semi-elliptical internal surface defect. API 5L grades X52, X65 and X70 are compared under different pressure levels and different initial defect sizes. Static integrity assessment is performed using the Failure Assessment Diagram, while crack propagation under cyclic pressure loading is estimated by means of Paris’ law. In the reference case, at a pressure of 7 MPa, the hoop stress is approximately 201.4 MPa. The sensitivity analysis shows that operating pressure and, above all, the initial defect size have a significant influence on the calculated remaining life. The results indicate that the suitability of a pipeline for hydrogen service cannot be established on the basis of steel grade alone, but requires knowledge of the actual material properties, weld condition, existing defects and service history. The proposed model therefore provides a comparative tool to support decisions regarding pipeline repurposing, pressure derating and inspection planning, without replacing a fitness-for-service assessment of a real pipeline or experimental validation.

La tesi analizza la fragilizzazione da idrogeno negli acciai impiegati per pipeline destinate al trasporto e allo stoccaggio dell’idrogeno, con particolare attenzione agli effetti sulle proprietà meccaniche e sull’integrità strutturale. Dopo l’esame dei processi di adsorbimento, dissociazione, assorbimento, diffusione e intrappolamento dell’idrogeno, vengono discussi i principali meccanismi di fragilizzazione e il comportamento degli acciai API 5L, considerando l’influenza del grado resistente, della microstruttura, delle saldature, delle zone termicamente alterate e delle condizioni operative. Sono inoltre analizzati i principali metodi di prova in ambiente idrogeno e gli strumenti utilizzati per la valutazione dell’integrità delle pipeline. La parte progettuale sviluppa un modello deterministico comparativo applicato a una pipeline con diametro interno di 611 mm, spessore di 11 mm e difetto superficiale interno semiellittico. Vengono confrontati i gradi API 5L X52, X65 e X70, differenti livelli di pressione e diverse dimensioni iniziali del difetto. La verifica statica è eseguita mediante il Failure Assessment Diagram, mentre la propagazione della cricca sotto pressione ciclica è stimata attraverso la legge di Paris. Nel caso di riferimento, alla pressione di 7 MPa, la tensione circonferenziale risulta pari a circa 201,4 MPa. L’analisi di sensitività evidenzia che la pressione operativa e soprattutto la dimensione iniziale del difetto influenzano in modo significativo la vita residua calcolata. I risultati mostrano che l’idoneità di una pipeline al servizio con idrogeno non può essere definita sulla base del solo grado dell’acciaio, ma richiede la conoscenza delle proprietà effettive del materiale, dello stato delle saldature, dei difetti presenti e della storia di esercizio. Il modello proposto costituisce quindi uno strumento comparativo utile a supportare le decisioni di repurposing, derating e pianificazione delle ispezioni, senza sostituire una valutazione fitness-for-service riferita a una condotta reale né una validazione sperimentale.