Development of Innovating Materials for Distributing Mixtures of Hydrogen and Natural Gas. Study of the Barrier Properties and Durability of Polymer Pipes

• Published in: Oil & gas science and technology Vol. 70; no. 2; pp. 305 - 315
• Main Authors: Klopffer, Marie-Hélène, Berne, Philippe, Espuche, Éliane
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Paris Technip 01.02.2015; EDP Sciences; Institut Français du Pétrole (IFP)
• Subjects: Ageing; Aging; Aging (natural); Chemical Sciences; Connecting; Distribution; Durability; Evaluation; Fins; Flow rates; Flow velocity; Gas pipelines; Gases; High density polyethylenes; High flow; Hydrogen; Materials testing; Mechanical tests; Membranes; Methane; Multilayers; Natural gas; Natural gas industry; Penetration; Permeation; Petroleum pipelines; Pipe; Pipelines; Pipes; Polyethylene; Polyethylenes; Polymer films; Polymers; Properties; Properties (attributes); Seats; Solutions; Stress concentration; Submarine pipelines; Tests; Transport; Transport properties; Hydrogen; Polyethylene; Pipeline
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189; 2804-7699
• DOI: 10.2516/ogst/2014008

With the growing place taken by hydrogen, a question still remains about its delivery and transport from the production site to the end user by employing the existing extensive natural gas pipelines. Indeed, the key challenge is the significant H2 permeation through polymer infrastructures (PolyEthylene (PE) pipes, components such as connecting parts). This high flow rate of H2 through PE has to be taken into account for safety and economic requirements. A 3-year project was launched, the aim of which was to develop and assess material solutions to cope with present problems for hydrogen gas distribution and to sustain higher pressure compared to classical high density polyethylene pipe. This project investigated pure hydrogen gas and mixtures with natural gas (20% of CH4 and 80% of H2) in pipelines with the aim to select engineering polymers which are more innovative than polyethylene and show outstanding properties, in terms of permeation, basic mechanical tests but also more specific characterizations such as long term ageing and behaviour. The adequate benches, equipments and scientific approach for materials testing had been developed and validated. In this context, the paper will focus on the evaluation of the barrier properties of 3 polymers (PE, PA11 and PAHM). Experiments were performed for pure H2 and CH4 and also in the presence of mixtures of hydrogen and natural gas in order to study the possible mixing effects of gases. It will report some round-robin tests that have been carried out. Secondly, by comparing data obtained on film, polymer membrane and on pipe section, the influence of the polymer processing will be studied. Innovative multilayers systems will be proposed and compared on the basis of the results obtained on monolayer systems. Finally, the evolution of the transport properties of the studied polymers with an ageing under representative service conditions will be discussed. Avec la place croissante prise par l’hydrogène se pose la question de son transport et de sa distribution par le très vaste réseau existant de conduites de gaz naturel. Le principal verrou à lever est le taux de perméation sensiblement plus fort pour l’hydrogène, à travers les parois des canalisations qui sont essentiellement en PolyÉthylène (PE). Il en résulte des implications potentielles en termes de sécurité mais aussi de pertes économiques. Un projet d’une durée de trois ans a été lancé avec pour objectifs de proposer et de qualifier des polymères plus performants et innovants que le PE vis-à-vis de cette introduction massive d’hydrogène mais aussi capables de supporter des niveaux de pression plus élevés. Différents polymères ont été caractérisés en termes de propriétés barrière, de comportement mécanique, mais également de comportement en vieillissement vis-à-vis de l’hydrogène pur ou en mélange avec le gaz naturel (20 % de méthane pour 80 % d’hydrogène). Les bancs d’essais, les équipements et les procédures nécessaires pour ces tests de matériaux ont été développés et validés. Dans ce contexte, l’article se concentrera sur l’évaluation des propriétés barrière de 3 polymères : PE, PA11 et PAHM. Il rendra compte d’essais de comparaison interlaboratoires qui ont été menés. Les expériences en hydrogène et méthane purs ou combinés permettront de quantifier les éventuels effets de mélange. En second lieu, l’influence de la mise en forme sera établie grâce à la comparaison des données obtenues sur des films fins, des membranes ou des tronçons de tube. Des solutions innovantes de systèmes multicouches seront proposées et comparées sur la base des résultats obtenus en monocouches. Enfin, l’article discutera l’évolution des propriétés de transport des polymères étudiés sous l’effet d’un vieillissement en conditions de service représentatives.