unidad 3

Daño por hidrógeno en materiales metálicos

Unidad 3 – Fisuración inducida por hidrógeno

Mariano Kappes

Instituto SabatoCNEA-UNSAM

Definición hydrogen-induced cracking : HIC (NACE MR175)

planar cracking that occurs in carbon and low alloy steels when atomic hydrogen diffuses into the steel and then combines to form molecular hydrogen at trap sites NOTE : Cracking results from the pressurization of trap sites by hydrogen. No externally applied stress is needed for the formation of hydrogen-induced cracks. Trap sites capable of causing HIC are commonly found in steels with high impurity levels that have a high density of planar inclusions and/or regions of anomalous microstructure (e.g. banding) produced by segregation of impurity and alloying elements in the steel. This form of hydrogen-induced cracking is not related to welding.

NACE TM 0284 agrega: Absorption of hydrogen generated by corrosion of steel in a wet hydrogen sulfide (H2S) environment can have several effects that depend on the properties of the steel, the characteristics of the environment, and other variables. One adverse effect observed in pipeline and pressure vessel steels is the development of cracks along the rolling direction of the steel. Cracks on one plane tend to link up with the cracks on adjacent planes to form steps across the thickness. The cracks can reduce the effective wall thickness until the pipe or pressure vessel becomes overstressed and ruptures. Cracking is sometimes accompanied by surface blistering. Several service failures attributed to such cracking have been reported.

Otros nombres (obsoletos)

stepwise cracking (SWC),hydrogen pressure crackingblister crackingHydrogen-induced stepwise cracking

ELBOUJDAINI, HYDROGEN-INDUCED CRACKING AND SULFIDE STRESS CRACKING, Uhlig’s Corrosion Handbook, Third Edition, Edited by R. Winston Revie, Copyright 2011 John Wiley & Sons, Inc.

HIC• Se produce incluso en ausencia de tensiones

externas. • H liberado en la superficie del acero producto de la

corrosión ingresa a la red y se recombina como H2 en interface matriz-inclusión.

• La presión generada por el hidrógeno causa fisuras, que pueden manifestarse como ampollas (blisters) cerca de la superficie.

• Se produce a T cercana a la ambiente y en aceros de baja resistencia mecánica (sy<600 MPa)

Dominios de existencia

Aceros al carbono y de baja aleación de baja resistencia mecánica.

Medios con alta fugacidad de

hidrógeno (H2S húmedo, ácidos

fuertes).

HIC

Casos prácticos

• Cañerías, recipientes de presión, tanques de almacenamiento conteniendo fluidos con H2S.

• Placas de acero utilizadas como cátodos en procesos de electrólisis.

• Aceros limpiados mediante inmersión en ácidos fuertes (pickling) – aceros en contacto con HF.

Industrias químicas, petroquímicas, petroleras

Ejemplos

Bartz and RawIins, Effects of Hydrogen Generated By Corrosion of Steel, Corrosion 4 (1948), p 187.

Análisis del gas dentro de las ampollas


Hydrogen Damage and Embrittlement, ASM Handbook, Volume 11: Failure Analysis and Prevention, W.T. Becker, R.J. Shipley, editors, p809-822

Fowler, Cracking Stimulated by Hydrogen, in Shreir's Corrosion, 2010, Pages 923–927. Volume 2: Corrosion in Liquids, Corrosion Evaluation

Mecanismo

• Absorción de H (reacción de corrosión)• Difusión de H a trampas, recombinación a H2

ocasionando fisuras y/o ampollas• Propagación de las fisuras por aumento de

presión en sitios de recombinación de H2


H2S → Alta fugacidad de H → absorción de H

Aceros al carbono y de baja aleación de baja resistencia mecánica.

Medios con alta fugacidad de

hidrógeno (H2S húmedo, ácidos

fuertes).

HIC

Concentraciones de H durante carga en solución vs hidrógeno gaseoso

H2 a 1 atmósfera, T ambienteJxL = 2.1 x10-8 A/cm2

Carga catódica, T ambienteJxL= 9 x 10-6 A/cm

Luppo and Ovejero-Garcia-The influence of microstructure on the trapping and diffusion of hydrogen in a low carbon steel, Corrosion Science, Vol. 32, No. 10, pp. 1125-1136, 1991.

Carga catódica causa C0 500 veces mayor. C0 ~ sqrt (P)La presión (fugacidad) debería aumentar 500x500 veces para alcanzar la misma concentración de hidrógeno superficial

Efecto de “poisons”Solución saturada en H2S a circuito abierto

JxL= 3.3 x 10-6 A/cm.

(160 veces mayor que en H2 a 1 atm)

(Y crece con el potencial catódico aplicado)

Berkowitz, B.J. and H.H. Horowitz, The role of H2S in the corrosion and hydrogen embrittlement of steel. Journal of the Electrochemical Society, 1982. 129(3): p. 468-474.

Hydrogen Damage and Embrittlement, ASM Handbook, Volume 11: Failure Analysis and Prevention, W.T. Becker, R.J. Shipley, editors, p809-822.

H2S: aumenta la velocidad de corrosión (y la evolución de H) e inhibe la recombinación de H a H2 en la superficie del acero.

Efecto de la presión parcial de H2S y el pH

• Mayor permeación de hidrógeno a menor pH y mayor pH2S

Hara et al. Conditions of Hydrogen-Induced Corrosion Occurrence of X65 Grade Line Pipe Steels in Sour Environments, CORROSION—Vol. 60, No. 12 (2004) p. 1113

Efecto de films superficiales - máximo en la curva de permeación

Tsai, S.Y. and H.C. Shih, Correlation between acoustic emission signals and hydrogen permeation in high strength, low alloy steel cracking in wet H2S. Journal of the Electrochemical Society, 1998. 145(6): p. 1968-1976.Asahi et al. Prediction of Sulfide Stress Cracking in High-Strength Tubulars. CORROSION–Vol. 50, No. 7, 1994, p. 537.

El film disminuye la velocidad con que ocurre la reacción (observar que Fe++ o H2S tienen que ser transportados a través del film). A su vez, la capa disminuye la velocidad de corrosión.

Correlación entre HIC y permeación de hidrógeno

Modelling of hydrogen concentration profiles in the centre line (Y = 12 mm) of HIC specimens in test solution under 100 mbar H2S and at different pH.

Kittel et al. Hydrogen induced cracking (HIC) testing of low alloy steel in sour environment: Impact of time of exposure on the extent of damage, Corrosion Science 52 (2010) 1386–1392.

A pH 5.5, una mayor pH2S puede resultar en menor flujo de hidrógeno (efecto de films protectores)

Aumenta la presión de H

Correlación entre HIC y permeación de HPermeación de hidrógeno útil para detectar regiones de máxima susceptibilidad. Formacion de films de sulfuro de hierro resulta en maximo en funcion de PH2S

Kimura et al. Effect of Environmental Factors on Hydrogen Permeation in Line Pipe Steel, Corrosion Vol. 44, No. 10, October 1988, p738.

Flujo de H en estado estacionario

En medios con CO2 además de La formación de FeS puedo tener Siderita(FeCO3)

Efectos de la capa de sulfuro• Disminuye la velocidad de corrosión y la velocidad de

permeación de hidrógeno. • La suma de estos dos factores disminuye CH en la

superficie del acero. De todas maneras, CH sigue siendo muy superior a valores encontrados en ausencia de H2S.

• No es una capa pasivante, los sulfuros tienen tendencia a de-adherirse. Puede ser riesgoso confiar demasiado en los efectos inhibidores de esta capa.

• Se ha reportado que ciertos elementos de aleación favorecen la formación de una capa más protectora.

Efecto de elementos de aleación en absorción de hidrógeno - Cu

E. Miyoshi, T. Tanaka, F. Terasaki, A. Ikeda, Hydrogen induced cracking of steels under wet hydrogen, in: R.N. Tuttle, R.D. Kane (Eds.), H2S Corrosion in Oil and Gas Production, A Compilation of Classic Papers, 1981, pp. 1006±1015.Nakai et al-Development of steels resistant to HIC in wet H2S, Kawasaki steel technical report No. 1 September 1980, p 47.

Cu > 0.2 wt% disminuye absorción de H2.

Se cree que el cobre se incorpora al film de sulfuro de hierro, disminuyendo la velocidad de corrosión y la velocidad de permeación de hidrógeno.

Sin embargo, el efecto es solo apreciable a pH mayor que 4.

Liou et al. Roles of Microalloying Elements in Hydrogen Induced Cracking Resistant Property of HSLA Steels, Corrosion 49, No. 5 (1993) p. 389.Taira, T., et al., Sulfide corrosion cracking of linepipe for sour gas service. Corrosion, 1981. 37(1): p. 5-16.ELBOUJDAINI, HYDROGEN-INDUCED CRACKING AND SULFIDE STRESS CRACKING, Uhlig’s Corrosion Handbook, Third Edition, Edited by R. Winston Revie, Copyright 2011 John Wiley & Sons, Inc.

Taira, T., et al., Sulfide corrosion cracking of linepipe for sour gas service. Corrosion, 1981. 37(1): p. 5-16.

Efecto de otros elementos de aleaciónTambién disminuyen la entrada del hidrógeno el agregado de pequeñas cantidades de Ni, Cr, Pd, Ti, Co y elementos nobles como el Au, Pt y Ag.

Algo importante atener en cuenta es que si el pH de la solución disminuye por debajo de 4 el Cu y el Cr disminuyen su efecto benéfico mientras que el Ni lo mantiene.

P- S pueden aumentar la cinética de corrosión y de ingreso de H. Pueden disolverse en medio acido dando H2S – PH3, que aumentan la cinética de ingreso de H.

NACE solution A (pH ~ 2.7)

Asahi H, Ueno M. Effects of Ni addition on sulfide stress cracking resistance of low alloy tempered martensite steels. ISIJ International 1994; 34: 290–294.Smialowski, Hydrogen in steel, Pergamon Press, 1962, p.102.

Efecto del S en la cinética de absorción de H

Medido mediante evolución de H2 en mercurio.

Disolución de MnS durante carga de H genera H2S y promueve absorción de H.

Lino-Influence of Sulfur Content on the Hydrogen-Induced Fracture in Linepipe Steels- METALLURGICAL TRANSACTIONS A-VOLUME 10A, NOVEMBER 1979-1691

Inclusion de MnS antes y despues de la carga electrolitica

Lino-Influence of Sulfur Content on the Hydrogen-Induced Fracture in Linepipe Steels- METALLURGICAL TRANSACTIONS A-VOLUME 10A, NOVEMBER 1979-1691

Efecto del granallado – medios con H2S

• La capa granallada puede ser beneficiosa en aceros que van a trabajar en medio H2S acuoso.

• Esto se debe a que la mayor entrada

de hidrógeno se produce en los primeros momentos de contacto del acero con este medio (instante de formación de la capa de sulfuros).

• Hidrógeno satura trampas durante este tiempo → menor concentración de hidrógeno en inclusiones.

Autoradiografía de tritio.

Brass et al. Role of shot-peening on hydrogen embrittlement of a low-carbon steel and a 304 stainless steel, Journal of materials science 26 (1991) p.4517

Efecto de granallado

Induce tensiones de compresión y una distribución uniforme de trampas por deformación plástica, lo cual dificulta la propagación de fisuras y disminuye la actividad de hidrógeno en la superficie.

Brass and Chene- Influence of deformation on the hydrogen behavior in iron and nickel base alloys: a review of experimental data, Materials Science and Engineering A242 (1998) 210–221.

Protección de la capa de sulfuro de hierro

• Puede ser riesgoso confiar en la formación de esta capa para prevenir el ingreso de hidrógeno: ciertas combinaciones de medio ambiente, flujo, temperatura y presión pueden alterar la integridad de la capa protectora.

• El uso de inhibidores de corrosión podría ser útil para disminuir el ingreso de H.

Brown and Jones-Hydrogen Induced Cracking in Pipeline Steels-Corrosion 40, No. 7. July 1984, p.330

NACE TM0284 Cuantificación de daño por HIC

• NACE TM0284 permite evaluar la resistencia a HIC de aceros en medios con H2S.

• El método consiste en exponer probetas a soluciones saturadas en H2S, cuantificando el daño luego de un tiempo determinado (96 h).

• Es un test comparativo, ya sea entre distintos aceros, o distintas zonas de un mismo acero (soldaduras, ZAC, metal base).

NACE Standard TM0284-2003, Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels, for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking

• Soluciones:


A B5 wt% NaCl0.5 wt% acido acético glacialSaturada con H2SpH ~ 2.7

• Probetas: 100mm x 20 mm – del espesor del material3 probetas por cada caño

Caños soldados: soldadura, 90° y 180°Sin costura: 0 – 120° - 240 °



Probetas - caños

• Probetas – paredes de recipientes de presión


• Evaluación de probetas:– Se seccionan la probetas según indicado en los dibujos. – Se pulen metalográficamente, se atacan ligeramente,

se miden las fisuras visibles hasta 100 x.– Fisuras separadas menos de 0.5 mm se consideran una

única fisura.



Parámetros para cuantificar el daño

Notar que es un método acelerado de detección de HIC

BA blister area

Controlled rolled Quenched & tempered


4 días

Simplemente laminado

QT templado revenido

Detección de HIC• HIC: puede ser detectado en

forma no destructiva mediante Ultrasonido (atenuación del eco de fondo).

• Esta atenuación es mayor cuando es mayor la cantidad de fisuras en el interior de la chapa.

• La evaluación se hace sistemáticamente sobre los nodos de una grilla marcada sobre una de la superficies principales de la muestra.

• Ampollado puede ser detectado a simple vista, aunque la cara expuesta al medio no siempre es fácilmente accesible.

Domizzi et al. Influence of sulphur content and inclusion distribution on the hydrogen induced blister cracking in pressure vessel and pipeline steels, Corrosion Science 43 (2001) 325–339.Kittel et al. Hydrogen induced cracking (HIC) testing of low alloy steel in sour environment: Impact of time of exposure on the extent of damage, Corrosion Science 52 (2010) 1386–1392.

MÉTODO ULTRASÓNICO

Un haz ultrasónico se envía normalmente a una de las superficies principales de la probeta que ha sido sometida previamente al medio corrosivo.

Se analiza el eco remitido por la superficie opuesta (eco de fondo). Si el haz encuentra en el metal una fisura o una cavidad, sufre una atenuación tanto más importante cuanto más grande es el defecto.

La amplitud del eco de fondo variará en igual forma.

Según el nivel de atenuación del eco de fondo se clasifican los defectos según la siguiente tabla.

TAU: Tasa de Atenuación Ultrasónica.


TAU 0, 6 dB Pieza sana de fisuración visible micrográficamente (1000x).

TAU 1 6 a 12 dB. Fisuras de poca importancia visibles micrográficamente (600x).

TAU 2 12 dB. Fisuras de importancia visibles micrográficamente (100x).


El ensayo se realiza en forma sistemática, sobre los nodos de una grilla marcada sobre una de las superficies de la probeta.

Se evalúa la sensibilidad de cada probeta en función de la superficie explorada como el porcentaje de nodos que presenta cada uno de los TAU (o combinación de TAU1 + TAU2) precedentes.

Concentración crítica de hidrógeno: formacion de fisuras por HIC cuando CH>CH K

Coudreuse, L. and J. Charles, The use of a permeation technique to predict critical concentration of H 2 for cracking. Corrosion Science, 1987. 27(10-11): p. 1169-1181.

Concentración crítica de hidrógenoSe nuclean fisuras cuando la concentración de hidrógeno es mayor que la crítica.

La concentración crítica depende del tipo, forma y tamaño del defecto.

MnS tipo II: menor concentración crítica.

Coudreuse, L. and J. Charles, The use of a permeation technique to predict critical concentration of H 2 for cracking. Corrosion Science, 1987. 27(10-11): p. 1169-1181.

Carga de hidrogeno a una corriente determinada, homogeneizacion, fusion de una mitad para analisis total de H y analisis metalografico de la otra mitad.

Inclusiones en aceros• Sulfuros de manganeso:

– Tipo I – presentes en semi-killed steels – Tipo II – Tipo III : en fully killed steels (Al)- forma alargada luego de la

laminación - favorecen nucleación de HIC. Más elongadas cuando disminuye la T de laminación.

http://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/material-faqs/faq-why-are-there-different-types-of-manganese-sulphide-mns-inclusions-and-how-can-i-distinguish-between-them/ E. Miyoshi, T. Tanaka, F. Terasaki, A. Ikeda, Hydrogen induced cracking of steels under wet hydrogen, in: R.N. Tuttle, R.D. Kane (Eds.), H2S Corrosion in Oil and Gas Production, A Compilation of Classic Papers, 1981, pp. 1006±1015.Taira, T., et al., Sulfide corrosion cracking of linepipe for sour gas service. Corrosion, 1981. 37(1): p. 5-16.

http://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/material-faqs/faq-why-are-there-different-types-of-manganese-sulphide-mns-inclusions-and-how-can-i-distinguish-between-them/

http://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/material-faqs/faq-why-are-there-different-types-of-manganese-sulphide-mns-inclusions-and-how-can-i-distinguish-between-them/

Influencia del tipo de inclusiones

Nakai et al-Development of steels resistant to HIC in wet H2S, Kawasaki steel technical report No. 1 September 1980, p 47.

Sulfuros de manganeso alargados en aceros desoxidados

Mayor contenido de S, aunque menor susceptibilidad a HIC

Relación entre longitud de inclusiones y susceptibilidad a HIC


Influencia de la temperatura final de laminado

Mayor deformación plástica de MnS a menor T.

Nakai et al-Development of steels resistant to HIC in wet H2S, Kawasaki steel technical report No. 1 September 1980, p 47.

Efecto del contenido de S• Por debajo de 0.002 wt% S, los sulfuros se vuelven más redondos, finos, y

más homogéneamente distribuidos.

Pressouyre et al. Very low inclusion and impurity content steels as a solution to resist sour environments, Proceedings of the 1st. International Conference, Interrante and Pressouyre (ed.) ASM 1982.

L

T

Efecto del contenido de S• Por debajo de 0.002 wt% S, los sulfuros se vuelven más redondos, finos, y

más homogéneamente distribuidos.

Pressouyre et al. Very low inclusion and impurity content steels as a solution to resist sour environments, Proceedings of the 1st. International Conference, Interrante and Pressouyre (ed.) ASM 1982.

Efecto del S y de la microestructura

Templado y revenido - microestructura más uniformeCa – controla forma y composición de inclusiones – sulfuros con calcio son más duros que MnS, por lo cual no se deforman durante la laminación.

Brown and Jones-Hydrogen Induced Cracking in Pipeline Steels-Corrosion 40, No. 7. July 1984, p.330Cicutti et al. Control of microinclusions in Ca treated Al killed steels, Iron and Steelmaking 1997 24 (2) 1997 p. 155.

Efecto del calcio – CR vs QT

Laminación controlada vs. Templado y revenido


CR: temperatura final de laminado menor

Agrego calcio para eliminar S

Aceros con templado y revenido presentan menor suceptibilidad, el TTR varia la preferencia de las fisurasa crecer

Efecto del Calcio

Taira et al. Resistance of pipeline steels to wet sour gas, in Current solutions to hydrogen problems in steels, Proceedings of the 1st. International Conference, Interrante and Pressouyre (ed.) ASM 1982.

Contenido de Ca tiene que ser preciso, a fin de minimizar susceptibilidad a HIC.

Contenidos mayores pueden ocasionar formación de clusters de sulfuro de calcio.

Observar que la banda óptima es mayor para aceros de muy bajo S.

Existe un optimo de Ca/SY es mucho mayor para Ao de Bajo azufre

Sitios favorables para la nucleación de fisuras por HIC

• Inclusiones no metálicas, silicatos, sulfuros de manganeso tipo II, cadenas de alúmina, racimos de óxidos, carbonitruros de Nb masivos

• Interface incoherente, favorece acumulación de H.

• Diferencia entre coeficientes de expansión térmica → huecos en las interfases.

• Forma de inclusiones: alargadas más perjudiciales que redondas

Brown and Jones-Hydrogen Induced Cracking in Pipeline Steels-Corrosion 40, No. 7. July 1984, p.330Wilde et al. Some Observations on the Role of Inclusions in the Hydrogen Induced Blister Cracking of Linepipe Steels in Sulfide Environments, Corrosion Vol. 36, No. 11, November, 1980, p625.

En ausencia de tensiones externas, las fisuras, alineadas longitudinalmente, pueden enlazarse por un proceso en pasos (SWC, Stepwise Cracking) con considerable deformación plástica. Las fisuras en escalones está relacionada con una microestructura ferrítico - perlítica bandeada (sulfuros distribuidos “homogéneamente” en el espesor de la chapa).

Para el caso de bandas aisladas ( distribución inhomogénea de sulfuros) se producen fisuras paralelas al plano de laminación (straight crack).


Fuerza impulsora para propagación de fisuras

• Asumiendo H2 en burbuja está en equilibrio con CH debido a corrosión en H2S, se estima una presión del orden de 105 atm.

• Existe un límite de presión parcial de H2S, por debajo del cual no ocurre el fenómeno (recordar dependencia de pH2S con permeación de Hidrógeno)

Wilde et al. Some Observations on the Role of Inclusions in the Hydrogen Induced Blister Cracking of Linepipe Steels in Sulfide Environments, Corrosion Vol. 36, No. 11, November, 1980, p625.

96 horas 30 dias

Solamente la Presion de HDentro del blister

No se ve fisuración nisiquiera en 30días.. Por que no se alcanza la Chk

Control de propagación de fisuras

• HIC propaga a través de bandas de perlita o zonas duras, que transformaron a menor T (segregación de elementos de aleación, tales como P y Mn).

• Tales zonas suelen tener dureza mayor a 300 HV.

Taira, T., et al., Sulfide corrosion cracking of linepipe for sour gas service. Corrosion, 1981. 37(1): p. 5-16.Brown and Jones-Hydrogen Induced Cracking in Pipeline Steels-Corrosion 40, No. 7. July 1984, p.330

Domizzi et al. Influence of sulphur content and inclusion distribution on the hydrogen induced blister cracking in pressure vessel and pipeline steels, Corrosion Science 43 (2001) 325–339

Control de propagación de fisuras

Taira, T., et al., Sulfide corrosion cracking of linepipe for sour gas service. Corrosion, 1981. 37(1): p. 5-16.Brown and Jones-Hydrogen Induced Cracking in Pipeline Steels-Corrosion 40, No. 7. July 1984, p.330

Mn. Aumenta la macrosegregación, dando lugar a zonas duras donde las fisuras propagan más fácilmente.

Disminuir la durezaDe las zonas segregadas

Templado y revenidoTengo perfil de dureza mas homogeneo

Segregación de P y Mn – propagación de fisuras por mayor dureza

• Otros elementos con tendencia a segregar son Si, Cr, Mo.

0.02 wt%

0.13 wt%

1.24 wt%

2.45 wt%


Efecto del C en la dureza de la zona de segregación

wt% Mn en la aleación

Cuando la dureza en la zona segregada es menor de 300 HV, hay baja tendencia a HIC.Observar que tal dureza dependede wt% Mn y wt% C.

Aceros de muy bajo C o Q&T toleran mayor wt% Mn sin HIC.



Composición de la zona segregada de un acero con wt% Mn reducido

Composición de la zona segregada de un acero con wt% Mn típico (único acero en que se supera el límite de HV 300 en bandas)

Composición de la zona segregada de un acero con wt% C muy bajo y wt% Mn típico.

Microestructura y dureza de la zona segregada – curvas CCT

Tratamiento térmico puede ser efectivo en disminuir la dureza de zonas de segregación

Q&T: aumento simultáneo de resistencia mecánica y resistencia a HIC.

Notar sin embargo que Q&T no es siempre aplicable fácilmente a escala industrial.


Efecto del bandeado en la perlita


Poco efecto del bandeado cuando HV<300

Efecto del bandeado en la perlita


Aceros G y H – mayor dureza y bandeado – máximo contenido de Mn

Efecto del contenido de S y longitud de inclusiones


Observar escasa correlación entre atenuación de ultrasonido (ultrasound attenuation level, % de superficie donde la atenuación es mayor que 12 dB).

B F vs E. A vs B , C vs D. E vs A vs C

H-G : similar S, similar longitud, pero gran diferencia en UAL: efecto de las bandas de perlita.

Resistencia a HIC determinada por contenido de inclusiones y longitud media

LM: longitud mediaLA: longitud de inclusiones/unidad de áreaS: contenido de azufre

Aceros con mayor contenido de S pueden tener misma resistencia a HIC que aceros con menor S, si se controla la longitud promedio de sulfuros (Ca): puede ser ventaja económica para fabricantes de aceros.


Más sobre la relación entre permeación de H y HIC

Fractomecánica, tensiones en recipientes de presión

Ley de Sieverts

Hara et al. Conditions of Hydrogen-Induced Corrosion Occurrence of X65 Grade Line Pipe Steels in Sour Environments, CORROSION—Vol. 60, No. 12 (2004) p. 1113

Combinando las dos anteriores:Difusión

Volviendo al concepto de que hay fisuración cuando se alcanza la concentración crítica de H

Determinación de Percrit

• Mínima permeación de hidrógeno a la cual se detecta HIC en un acero determinado

Percrit > 4.8 x10-4 A/m Percrit ~ 0.6 x 10-4 A/mHara et al. Conditions of Hydrogen-Induced Corrosion Occurrence of X65 Grade Line Pipe Steels in Sour Environments, CORROSION—Vol. 60, No. 12 (2004) p. 1113

HIC cuando PerFe>Percrit

Tamaño del defectoDureza zona segregadaHara et al. Conditions of Hydrogen-Induced Corrosion Occurrence of X65 Grade Line Pipe Steels in Sour Environments, CORROSION—Vol. 60, No. 12 (2004) p. 1113

SOHIC (stress oriented hydrogen induced cracking)

Fowler, Cracking Stimulated by Hydrogen, in Shreir's Corrosion, 2010, Pages 923–927. Volume 2: Corrosion in Liquids, Corrosion Evaluation

Definición (NACE MR175)

stress-oriented hydrogen-induced cracking (SOHIC )Staggered small cracks formed approximately perpendicular to the principal stress (residual or applied) resulting in a “ladder-like” crack array linking (sometimes small) pre-existing HIC cracks. NOTE The mode of cracking can be categorized as SSC caused by a combination of external stress and the local strain around hydrogen-induced cracks. SOHIC is related to SSC and HIC/SWC. It has been observed in parent material of longitudinally welded pipe and in the heat-affected zone (HAZ) of welds in pressure vessels. SOHIC is a relatively uncommon phenomenon usually associated with low-strength ferritic pipe and pressure vessel steels.

SOHIC –híbrido entre HIC y SSC


HIC

SOHIC (tensiones externas o residuales)

SSC (tensiones externas o residuales), por hidrógeno atómico, próxima unidad

SOHIC-Mecanismo• No hay acuerdo en el mecanismo, aunque

se cree que:– Ingresa hidrógeno al acero por corrosión

(por tensiones aumenta la solubilidad)– Formación de fisuras/ampollas por HIC

(asistida por tensiones, en especial triaxiales - soldaduras)

– Estas fisuras tienen un campo de tensiones asociado, al cual migra el hidrógeno atómico

– Nuclean fisuras en la dirección perpendicular a la tensión principal, lo cual aumenta el nivel de tensiones, y atrae a más hidrógeno

– Se unen las fisuras de HIC por un mecanismo similar a fragilización por H.

ELBOUJDAINI, HYDROGEN-INDUCED CRACKING AND SULFIDE STRESS CRACKING, Uhlig’s Corrosion Handbook, Third Edition, Edited by R. Winston Revie, Copyright 2011 John Wiley & Sons, Inc.Fowler, Cracking Stimulated by Hydrogen, in Shreir's Corrosion, 2010, Pages 923–927. Volume 2: Corrosion in Liquids, Corrosion Evaluation.Pargeter-Susceptibility to SOHIC for Linepipe and Pressure Vessel Steels – Review of Current Knowledge – paper 07115- Corrosion 2007.

Es importante destacar que aceros que no fallan bajo SSC, pueden fallar bajo SOHIC (HRC<22). Aceros resistentes a HIC pueden ser susceptibles a SOHIC (efecto de las tensiones).

SOHIC-efecto de la microestructura

• Efecto del Azufre – algunos autores sostienen que aceros con más azufre pueden ser menos susceptibles (más inclusiones, H que ingresa durante la formación del film se redistribuye en más lugares, efecto transitorio). Notar que tal efecto se perdería si se perturba el film. O si las superficies expuestas al medio no se encuentran limpias inicialmente.

Pargeter-Susceptibility to SOHIC for Linepipe and Pressure Vessel Steels – Review of Current Knowledge – paper 07115- Corrosion 2007.

• SOHIC puede nuclear en colonias de perlitas (diferencia con HIC) – templado y revenido puede ser útil para disminuir susceptibilidad a SOHIC.

• Perlita bandeada también es nociva.• Tratamiento con calcio puede tener efecto adverso, en aceros con perlita

bandeada

• Soldaduras – HAZ (concentración de tensiones, zonas con menor dureza) – • No hay acuerdo en el efecto de PWHT (bajan tensiones residuales, pero

pueden generarse zonas de menor dureza más susceptibles)

SOHIC-efecto de la microestructura

Pargeter-Susceptibility to SOHIC for Linepipe and Pressure Vessel Steels – Review of Current Knowledge – paper 07115- Corrosion 2007.

Evaluación de SOHIC

Kobayashi-Effects of Stress Conditions and Microstructure on SOHIC Susceptibility, paper 3883, Corrosion 2014

Notar que el estado de tensiones es uniaxial.

Método twist-bend (torsión flexión)

Kobayashi-Effects of Stress Conditions and Microstructure on SOHIC Susceptibility, paper 3883, Corrosion 2014

Aún no estandarizado

Full ring test

• Simula exposición al medio, ya que el fluido contacta al medio únicamente por la cara interna.

• Considera el efecto de las tensiones residuales (se relajan en los métodos que consisten en extracción de probetas). Soldaduras. Longitud de la sección de caño ensayada>diámetro.

• Se aplica la carga mediante ovalización del tubo.

• Ultrasonido – permeación de hidrógeno pueden ser realizados durante el ensayo.

HSE OTI 95 635

Carga del anillo

Se deforma con el tensor, las soldaduras se ubican en la zona de máxima tensión. Se puede saber la tensión (72% de tensión de fluencia, para caños offshore) aplicada mediante relaciones entre deformación medida con strain-gages y ecuaciones de elasticidad.El anillo cargado se sella con placas de acrílico, se llena de solución y se burbujea H2S.

Carga del anillo (diámetro<20”)

Criterio de aceptación

HICCrack area ratio de 5% por US.Se abren a discusión niveles mayores. Si las fisuras son laminares y no escalonadas, se puede tolerar 15%.

SSC

Fisuras < 0.5 mm de profundidad.

SOHIC

Se evalúa mediante metalografía. Si hay SOHIC, falló el ensayo.

Comparación entre ensayos

Notar que full ring test es un ensayo de HIC, SSC y SOHIC.

Control de HIC en aceros• Mediante ajuste de composición química y microestructura

es posible minimizar HIC.– Disminución de H absorbido

• (control sobre el medio (velocidad de corrosión, pH2S, pH, inhibidores))• Formación de films de sulfuros protectores (Cu – Ni, depende del pH) • granallado

– Disminución de sitios de recombinación de H2

• Disminución del número y longitud de inclusiones, bajar el contenido de S, control de forma y composición de inclusiones (Ca)

– Disminución de la susceptibilidad a la propagación de fisuras• Aceros con menor wt% de Mn y P (<0.007 wt%) dan zonas segregadas

de menor dureza y menos susceptibles. Perlita sin bandeado o Q&T. Agregado de Nb y Ti para contrarrestar efecto en propiedades mecánicas.

Pressouyre et al. Very low inclusion and impurity content steels as a solution to resist sour environments, Proceedings of the 1st. International Conference, Interrante and Pressouyre (ed.) ASM 1982.M.G. Hay, D.P. Dautovich, Control of hydrogen induced cracking in low strength carbon steel exposed to H 2S environments, in: C.G. Interrante, G.M. Pressouyre (Eds.), Current Solutions to Hydrogen Problems in Steels, Proceedings of the First International Conference, ASM, Ohio, 1982, pp. 191±195.

unidad 3

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