Çelik Üzerindeki Hidrojen Etkilerinin Kırılma Mekaniği

Hidrojenin çelik içinde interstisyel bir çözünen olarak çelik özelliklerini etkilediği uzun yıllardır çok iyi bilinmektedir. Özellikle endişe verici olan, hidrojenin herhangi bir etkisinin evrensel olarak olumsuz olmasıyla birlikte, kırılma tokluğu üzerindeki etkisidir. Graville ve diğerleri tarafından 1967'de hidrojenin çentik çekme mukavemeti üzerindeki etkisi (kırılma tokluğu üzerindeki etkiye biraz benzer olduğu varsayılır) hakkında yayınlanan veriler, genel olarak gözlemlenen etkilerin faydalı bir özetini sağlar

Bu nispeten yüksek mukavemetli ferritik çelikte, en büyük gevrekleşme etkisi yaklaşık normal ortam sıcaklığında görülür ve tüm sıcaklık aralığında, gevrekleşme daha yavaş gerilme hızında daha fazladır. Bu nedenle, çeliğe hidrojen veren hizmetteki ekipman üzerinde bir mühendislik kritik değerlendirmesi (ECA) yapılacaksa, hidrojenin tokluk üzerindeki etkisinin dikkate alınması gerekir. Bu tür hizmet, en yaygın olarak yüksek basınç/yüksek sıcaklıkta hidrojen muhafazası veya özellikle H2S (asitli koşullar) varlığında aşındırıcı hizmettir. Bir korozyon koruma önlemi olarak ıslak (yeraltı suyu veya deniz suyu) koşullarda uygulanan katodik polarizasyon, çeliğe bir miktar hidrojen de katar. Ayrıca, hidrojenin etkileri dikkate alınırken, sıcaklık ve gerinim hızının dikkate alınması gerekir. Ayrıca, daha yüksek mukavemetli çeliklerin, düşük mukavemetli çeliklere göre hidrojen gevrekleşmesine daha duyarlı olduğu da genel olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, düşük mukavemetli çelikler hidrojen nedeniyle çatlamaya karşı bağışık olsa da (örneğin, 250HV sertliğin altındaki çeliklerin genellikle ekşi hizmette çatlamaya dirençli olduğu bulunur), yine de gevrekleşmeye maruz kalacaklardır.

1984'te, o zamanki Union Oil şirketi, bir amin emici kulenin feci başarısızlığına uğradı ve bunun sonucunda 17 can kaybı oldu. Bu başarısızlıkta, bir servis çatlağından kararsız bir kırılma gelişti ve kararsız kırılma, yalnızca hidrojenle yüklendikten sonra çelik üzerinde ölçülen kırılma tokluğu açısından anlaşılabilir. Bu başarısızlığın ardından gerçekleştirilen bir kırılma tokluğu testi programı da dahil olmak üzere büyük miktarda çalışma yapıldı. Uygun bir yavaş gerinim hızının belirlenmesine özen gösterildi ve test, normal ortam sıcaklığında yapıldı. Çelikleri hidrojenle doldurmak için farklı aşındırıcı ortamlar kullanıldı ve test tamamlandıktan sonra her test numunesinin hidrojen içeriği ölçüldü.

Önerilen Makale: Çelik pofil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için ıpn çelik profil fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Sonuçlar CTOD kırılma tokluğu üzerinde hidrojen üzerinde belirgin bir etki gösterdi; 2ml/100g'nin üzerinde yayılabilir hidrojen içerdiklerinde keşfedilen tüm çelikler için 20ºC'de <0,2 mm'lik bir seviyeye ulaşıldı.

Islak asitli hizmetten önemli ölçüde daha yüksek hidrojen konsantrasyonları beklenebilir. Hidrojen yüklü numunelerin kırılma yüzeyleri, bir C-Mn çeliğinde tipik olarak hidrojen gevrekleşmesine benzer bir yarı bölünme morfolojisi gösterdi. Ancak CTOD eğrilerinin tümü maksimum yüke gitti, öyle ki δm değerleri kaydedildi, bu da makroskopik kararsız kırılma meydana gelmediğini gösteriyor.

Yukarıdaki çalışmadan bu yana, birkaç durumda hidrojenin yarı yarılma kırılmasına neden olabileceği ve buna kıyasla kırılma tokluğunda (CTOD (çatlak ucu açıklığı yer değiştirmesi, δ) veya J-integral, J cinsinden belirlenir) önemli bir azalmaya neden olabileceği gözlemlenmiştir. Kırılma tokluğundaki bu tür bir azalma, hidrojen içeren bileşenlerin kusur toleransı üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir ve bu, bazı durumlarda işçilik kriterlerine göre kabul edilenden daha küçük kusurlarla sonuçlanabilir.

Şu anda, hidrojen yüklü durumda çelik bileşenlerin kırılma tokluğunu belirlemek için standart prosedürler bulunmamaktadır. Uluslararası alanda başta petrol ve gaz sektörünün ihtiyaçlarına yanıt olarak bir kurum içi prosedür geliştirmiştir. Çok sayıda projede kullanılmış olan bu prosedür, çalışmalardan elde edilen yeni bulguları dikkate almak ve endüstrinin değişen ihtiyaçlarını yansıtmak için geliştirilmeye ve geliştirilmeye devam etmektedir.

Test, hidrojen yüklü durumda C-Mn çelikten yapılmış, yani emilmiş hidrojen içeren bir bileşenin kırılma tokluğunu belirlemeyi amaçlar. Hidrojen kaynağı, örneğin, bileşenin bir veya birkaç yüzeyde maruz kaldığı, ıslak ekşi bir ortamla bağlantılı kimyasal reaksiyonlar olabilir. Testten elde edilen sonuçlar, hidrojen yüklü malzeme boyunca çatlak uzamasıyla bağlantılı yarı statik yükler altında, arıza ile ilgili olarak bileşendeki kusurların önemini belirlemek için kullanılır. Bu nedenle, bu tür sonuçlar (itici güç, stres yoğunluğu faktörü, K cinsinden ifade edilirse KIH olarak adlandırılır), çelik içinde emilen hidrojene maruz kalan, ancak maruz kalmayan gömülü kusurlar gibi kusurlar için geçerlidir. Ekşi ürünler taşıyan boru hatlarının iç yüzeyindeki yüzey kırılma kusurları gibi doğrudan hidrojen yükleme kaynağına maruz kalan kusurlar, normalde, yukarıdaki eşik stres yoğunluğu faktörünü temsil eden KISSC olarak adlandırılan kırılma tokluğunun bir ölçüsü kullanılarak değerlendirilir. 
 

Normal olarak, standart tek kenar çentikli büküm (SENB) numuneleri kullanılır, ancak tek kenar çentik gerilimi (SENT) numuneleri gibi alternatif numuneler kullanılabilir (buradaki çatlak ucu kısıtlamasının numune ve yapısal üzerindeki olası etkilerinin olması şartıyla). bileşeni yeterince dikkate alınır). Uygun boyutlardaki numuneler (normalde gerçek bileşenin kalınlığına mümkün olduğunca yakın olan) BS 7448'deki gibi standart prosedürlere göre hazırlanır. Çentik açma işleminden sonra (ana metal, kaynak metali veya ısıdan etkilenen bölgeye), Numuneler yorulma öncesi çatlaklıdır. Yorulma öncesi çatlama prosedürleri önemlidir, çünkü ön çatlama sırasında maksimum K'nin testlerde beklenen KIH'nin önemli ölçüde altında olmasını sağlamak gereklidir; aksi takdirde KIH'nin belirlenmesi etkilenebilir. Numuneler daha sonra, numunenin hidrojen ile doldurulmasına izin vermek için gerçek hizmet ortamını temsil etmesi amaçlanan bir kimyasal ortama daldırılır. Islak ekşi servis durumunda, bu, belirli bir sıcaklıkta bir tuzlu su/asetik asit çözeltisinden bir CO2/H2S karışımının köpürtülmesini gerektirebilir. Çok şiddetli olan NACE TM0177 solüsyon A'dan, serviste deneyimlenen bir bileşim eşleşmesine sahip bir solüsyona kadar bir dizi ortam kullanılabilir (TWI deneyimi, maksimum değeri vermek için 25 mm kalınlığında bir numunenin yaklaşık bir hafta süreyle maruz bırakılması gerektiğini gösterir). Atomik hidrojen seviyeleri). Maruz kalma sırasında, tipik olarak ince bir bant veya mastik şeridi ile herhangi bir korozyon çatlak ucunun körelmesini önlemek için çatlak ucu çevreden korunmalıdır.

Kimyasal ortama maruz kaldıktan sonra, numuneler testten önce hidrojenin yayılmasını önlemek için düşük sıcaklıkta (örneğin sıvı nitrojen içinde) saklanır. Kimyasal ortam maruziyeti sırasında ek bir yapay numune dahil edilmişse, numunelerdeki hidrojen seviyesi bu aşamada ölçülebilir.
 

Testten önce, her numune test sıcaklığına kadar ısıtılır. Ferritik çeliklerde maksimum gevrekleştirme etkisini sağladığına inanıldığından test normal olarak oda sıcaklığında yapılır. Numune daha sonra hidrojenin test sırasında çatlak ucuna yayılmasını sağlamak için çok yavaş bir gerinim hızında yüklenir. Gerinim hızı, kırılma mekaniği testlerinde geleneksel olarak kullanılandan en az bir büyüklük sırası daha düşük olmalıdır. Bununla birlikte, maksimum gevrekleşme etkisi, hidrojenin çatlak ucuna difüzyonunu sağlamak için yeterince uzun bir süre, ancak hidrojenin çatlak ucuna kaçışını en aza indirgemek için yeterince kısa bir test süresi gerektirdiğinden, gerinim hızının etkisinin belirlenmesine ilişkin iki rakip etki vardır. Örnek: Bir dizi gerinim oranı altında bir dizi benzer numune (aynı boyutlar, çentik ve yorulma öncesi çatlak konumu ve boyutu) üzerinde ön testler yapılarak optimal (veya uzlaşmalı) bir gerinim oranı belirlenebilir. En düşük kırılma tokluğu sonucuna yol açan gerinim oranı daha sonra sonraki testlerde benimsenir.

Üç kuvvete karşı yer değiştirme eğrisinin her birinin farklı bir maksimum kuvvete ulaşmasına rağmen, Numune C için bunun en düşük olduğu ve çok daha önce, yani Numune A ve B için olduğundan önemli ölçüde daha düşük bir yer değiştirmede ulaşıldığı görülebilir.
 

Hidrojen yüklü olmayan malzemeler için, geleneksel kırılma tokluğu testi, test sırasında kaydedilen en yüksek kuvvete bağlı olan kırılma tokluğunun tek noktalı değerlerini üretir. Sonuçlar CTOD veya J cinsinden ifade edilir ve kırılma davranışının tipini belirtmek için yaygın olarak farklı alt simgeler kullanılır. Örneğin, 'c' alt simgesi (sonuç δc veya Jc olarak sınıflandırılır) sınırlı yırtılma (< 0,2 mm) ile stabil olmayan kırılmayı belirtirken, u alt simgesi (sonuç δu veya Ju olarak sınıflandırılır) 0,2 mm'den büyük yırtılmayı, ancak daha önce başarısızlığı belirtir. kuvvet üzerinde bir maksimum kuvvet platosuna ulaşmak; klip mastar yer değiştirme eğrisi (tipik olarak malzeme geçiş bölgesinin alt rafındayken). 'm' alt simgesi, genellikle sünek yırtılma ve tam sünek davranış (sonuç δm veya Jm olarak sınıflandırılır) yoluyla belirli bir miktarda çatlak uzamasından sonra, kuvvete karşı klip ölçer yer değiştirme eğrisi üzerinde bir maksimum kuvvete ulaşıldığını gösterir. İkinci durumda, kırılma tokluğu, yırtılma uzunluğunun bir fonksiyonu olarak kırılma tokluğunun verildiği bir direnç eğrisi (veya R-eğrisi) cinsinden ifade edilebilir. R-eğrileri, çoklu numune tekniği kullanılarak belirlenebilir. Bu, birkaç (genellikle en az altı) numunenin farklı yük/gerilme seviyelerine (yani farklı miktarlarda yırtılma vererek) test edilmesini gerektirir. Daha sonra veri noktalarına bir R eğrisi takılabilir. Alternatif olarak, R-eğrileri, test sırasında çatlak büyümesinin tahmin edilmesini gerektiren tek numune yöntemleri kullanılarak belirlenebilir. En yaygın olarak kullanılan prosedür, numune uyumluluğunu ölçmek ve çatlak büyümesinin miktarını çıkarmak için test sırasında numunenin tekrar tekrar kısmen yüklendiği boşaltma uygunluk yöntemidir.

Hidrojen yüklü malzeme için, numunenin maksimum yüke ulaşana kadar yüklendiği veya bundan önce bozulduğu geleneksel kırılma tokluğu testi, kırılma tokluğunun tek noktalı değerlerini üretir. Normal uygulama, ana metale, kaynak metaline ve/veya HAZ'a çentik açılmış nominal olarak benzer en az üç numune üzerinde test yapmaktır. (Çoğu HAZ'ın dar ve homojen olmayan mikro yapıları nedeniyle, bu bölge için üç güvenilir sonuç elde etmek için üçten fazla numunenin test edilmesi olağandır.) Tipik olarak, bu testler için yük-yer değiştirme eğrileri (hidrojen yüklü) Test sırasında kuvvete ulaşıldı. Bu, hidrojen yüklü olmayan çelik için sonuçları sınıflandırmak için kullanılan yaklaşıma göre (yukarıda özetlenmiştir), sonuçların maksimum yük değerleri olarak sınıflandırılabileceği (ve δm veya Jm olarak gösterilebileceği) anlamına gelir. Bununla birlikte, kırılma yüzeyi normal olarak yarı yarılma görünümü gösterdiğinden, bu tür bir sınıflandırma kesinlikle doğru değildir, yani kırılma, hidrojen yüklü olmayan çelik üzerindeki testlerden maksimum yük değerleri elde edildiğinde gözlemlenen sünek kırılmalardan önemli ölçüde farklıdır. 

Tek noktalı değerlere alternatif olarak, R eğrileri oluşturmak için hidrojen yüklü çelik üzerinde kırılma tokluğu testi yapılabilir. Yaklaşım, alternatif boşaltma uyum tekniğine çok numuneli bir tekniğin tercih edilmesi dışında, yukarıda özetlenen ile aynı olacaktır. Sonuncusu, bir test çok düşük bir gerinim hızında yapıldığında, çok daha uzun bir test süresine ve test sırasında potansiyel olarak önemli ölçüde daha büyük hidrojen kaybına yol açacak olan, tekrarlanan kısmi boşaltma ve yeniden yükleme adımlarını içerir.

Numune 6 olarak belirtilen test, ikincisi için test koşulları, esas olarak yükleme veya gerinim oranı, en düşük kırılma tokluğu sonuçlarını ürettiğine karar verilirse, belirtilen testle aynı olacaktır. Numune 1 ila 6, her numunenin farklı bir çatlak uzaması miktarında bir kırılma tokluğu sonucu üreteceği şekilde altı farklı yük/gerinme seviyesinde test edilmeleri dışında nominal olarak aynıdır. Daha sonra bir R-eğrisi, veri noktalarına uygun bir eğri olarak oluşturulabilir. Bununla birlikte, aşağıdaki tartışmada gösterileceği gibi, böyle bir R-eğrisi hem zorlanma hem de zamana bağlı olduğundan, kullanımı güvenli olmayan değerlendirmelere yol açabilir. İlgili parametrelerin daha iyi anlaşılması geliştirilinceye kadar, çatlak uzamasının başlangıcındaki kırılma tokluğunun (normalde hidrojenin yokluğunda, R eğrisinin 0,2 mm öteleme köreltme çizgisiyle kesiştiği noktayla tanımlanır) olması tavsiye edilir. 
 

Hidrojen yüklü numuneler üzerinde tek noktalı kırılma tokluğu testi yapıldığında, yük yer değiştirme eğrisi, maksimum yük üzerinde düzgün bir şekilde eğrildiği sürece tipik olarak sünek görünecektir, ancak benzer bir yüksüz numuneden çok daha erken (daha düşük yer değiştirmede). Bununla birlikte, bu belirgin süneklik yanıltıcıdır ve kırılma yüzü genellikle yarı yarılma morfolojisine sahip olacaktır (bu, hidrojenin yokluğunda sünek çelikteki mikro boşlukların büyümesi ve birleşmesinden kaynaklanan çukurlu görünümden çok farklıdır).

Düzgün eğri için olası bir açıklama, kırılma mekanizmasının, büyüyen çatlakla birlikte ilerleyen, çatlak ucundaki hidrojen yüklü plastik bir bölge boyunca, kritik altı çatlak büyümesinin küçük adımlarını içermesidir. Hidrojen, bu tür bölgelerdeki hidrojenin daha yüksek çözünürlüğünden dolayı, çekme gerilimi olan bir bölgede birikecek ve böylece bu bölgeyi çevreleyen malzemeden daha fazla gevrekleştirecektir. Bir çatlak büyümesi adımını takiben, başka bir kritik altı çatlak büyümesi adımına neden olmak için yeterli bir hidrojen konsantrasyonu olana kadar hidrojen yeni plastik bölgede birikecektir. Bu, gerinim hızının ölçülen kırılma tokluğu üzerindeki etkisini ve mümkün olan en düşük gerinim hızında testten oluşan yukarıda özetlenen yaklaşımı açıklar. Bununla birlikte, düşük bir gerinim hızının uzun bir toplam test süresi ile sonuçlanacağı ve bu da hidrojenin test boyunca çelikten sürekli olarak kaçmasına olanak sağlayacağı unutulmamalıdır. Böylece maksimum yüke ulaşıldığında, hidrojen içeriği ve dolayısıyla gevrekleştirme etkisi azalacaktır. Bu potansiyel sorun, numunedeki hidrojen seviyesi, hidrojen yükleme kaynağının numuneyle (ancak çatlak yüzü bölgesiyle değil) test boyunca doğrudan temas halinde tutulmasıyla korunursa çözülebilir.

Yukarıdaki kırılma mekanizmasının bir başka özelliği, kritik altı bir çatlak büyüme adımından sonra ulaşılan yeni çatlak ucu pozisyonunda yükselen bir yükün barındırılabilmesidir, çünkü çatlak, çatlakta yeterli miktarda hidrojen birikinceye kadar hidrojen gevrekleşmesi ile ilerlemeyecektir. Bu, kritik altı bir çatlak büyüme adımından sonra yük sabit tutulursa, sonunda daha fazla yayılmanın bekleneceği anlamına gelir. Bu nedenle, maksimum yükte böyle bir testten elde edilen kırılma tokluğu değeri, yükteki artışın (ve karşılık gelen kaydedilen kırılma tokluğunun) testte kullanılan yer değiştirme hızından ve karşılık gelen çatlak ucu yükleme hızından etkilenmesi nedeniyle muhafazakar olmayabilir. Sonuç olarak, laboratuvarda gözlemlenen (yükselen bir R eğrisi ile karakterize edilen) çatlak uzamasına karşı direnç, pratikte yarı sabit yükler altında oluşacak olandan önemli ölçüde daha yüksek olabilir. Bu nedenlerle ve üstün test prosedürleri geliştirilinceye kadar (örneğin, numuneye sürekli olarak hidrojen yüklenirken testin yürütülmesinden oluşan), tam R eğrisi yerine çatlak uzamasının başlangıcında tokluğun kullanılması tavsiye edilir. 

İleriye dönük bir yol düşünülürken, yükleme hızı ile ilgili olarak değerlendirilmekte olan yükleme koşullarını mümkün olduğunca yakın ancak muhafazakar bir şekilde simüle etmeye çalışmak önemlidir. Bileşen üzerindeki fiili maksimum yükleme sabit olduğunda veya çok yavaş uygulandığında, ilgili kırılma tokluğunun yukarıda tarif edildiği gibi belirlendiği, yani mümkün olan en düşük yükleme hızında belirlenen çatlak uzamasının başlamasına karşılık gelen bir değer olduğu iddia edilebilir. Test sırasında numune ya sürekli olarak hidrojenle doldurulmalı ve/veya test sırasında hidrojenin kaçmasını önlemek için önlemler alınmalıdır.

Hızla artan yüklere maruz kalan bileşenlerin değerlendirilmesi için farklı bir yaklaşım doğrulanabilir. Bu durumda, bileşenin deneyimlediğinden önemli ölçüde daha düşük bir yükleme hızı altında elde edilen kırılma tokluğu sonuçlarının kullanımı aşırı derecede muhafazakar olabilir. Alternatif olarak, değerlendirme, bileşenin deneyimlediğinin hemen altındaki bir yükleme hızı altında belirlenen bir kırılma tokluğu kullanılarak gerçekleştirilebilir. Kırılma tokluğu, örneğin güvenlik faktörleri aracılığıyla belirsizliklere izin verilmesi koşuluyla, bir R-eğrisi cinsinden tanımlanabilir.

Özet ve Sonuçlar

Hidrojen yüklü numuneler üzerinde kırılma tokluğu testi, normal olarak oda sıcaklığında, çok düşük bir yükleme (veya gerinim) hızı altında gerçekleştirilir. Bu, maksimum gevrekleşme etkisi hidrojenin çatlak ucuna difüzyonunu sağlamak için yeterince uzun bir süre, ancak hidrojenin numuneden kaçışını en aza indirgemek için yeterince kısa bir test süresi gerektirdiğinden, iki rakip etkiyi karşılayan bir uzlaşma olarak belirtilebilir.

Hidrojen yüklü numunelerin kırılma yüzeyleri tipik olarak yarı bölünme morfolojisi gösterir, ancak yüke karşı yer değiştirme eğrileri, sünek bir tepki anlamına gelen bir maksimum yüke ulaşıldığını gösterir.

Bir test numunesinden alınan yüke karşı yer değiştirme eğrisinin sünek görünümünün, çatlak ucundaki hidrojen yüklü plastik bölge ile bağlantılı küçük kritik altı çatlak büyümesini içeren kırılma mekanizmasından kaynaklanması muhtemeldir. büyüyen çatlak Kritik altı bir çatlak büyüme adımından sonra, artan bir yük karşılanabilir çünkü çatlak, yeni çatlak ucunda yeterli miktarda hidrojen birikerek daha fazla çatlak uzamasına neden olana kadar hidrojen gevrekleşmesiyle ilerlemeyecektir.

Kritik altı bir çatlak büyüme adımından sonra yük sabit tutulursa, sonunda daha fazla yayılmanın bekleneceğine inanılmaktadır. Bununla birlikte, artan yük testinde daha yüksek bir yük yerleştirilebilir, çünkü çatlak, yeni çatlak ucunda yeterli miktarda hidrojen birikerek daha fazla çatlak girmesine neden olana kadar hidrojen gevrekleşmesiyle ilerlemeyecektir. Bu nedenle, testte ulaşılan maksimum yüke dayalı olarak elde edilen kırılma tokluğu değeri konservatif olmayabilir.

Alternatif olarak, en azından bileşenlerin yarı statik yükler altında değerlendirilmesi için, ilgili kırılma tokluğunun, mümkün olan en düşük yükleme hızında veya hatta bir yük altında yürütülen testlerden türetilen bir R eğrisinden belirlenen çatlak uzamasının başlamasına karşılık gelen olması tavsiye edilir.

Hızla artan yüklere maruz kalan bileşenler, bileşenin deneyimlediğinin hemen altındaki bir yükleme hızı altında belirlenen kırılma tokluğu sonuçları kullanılarak değerlendirilebilir. Kırılma tokluğu, örneğin güvenlik faktörleri aracılığıyla belirsizliklere izin verilmesi koşuluyla, bir R-eğrisi cinsinden tanımlanabilir.

Test sırasında hidrojen kaybı en aza indirilmeli ve/veya tüm testlerde, özellikle çok düşük gerinim hızında ve statik yükleme koşulları altında hesaba katılmalıdır.