تجزیه و تحلیل علت هیدروژن-ترک ناشی از یک لوله فولادی LSAW

ترک‌خوردگی ناشی از هیدروژن (HIC)، که گاهی اوقات به‌عنوان شکنندگی هیدروژنی (HE) یا ترک‌دار با کمک هیدروژن (HAC) شناخته می‌شود، یک نگرانی جدی برای خطوط لوله فولادی جوش‌شده - به‌ویژه آن‌هایی است که توسط جوشکاری زیرپودری طولی-قوس الکتریکی (LSAW) تولید می‌شوند. هنگامی که هیدروژن وارد زمینه فلزی می شود (به عنوان مثال، در حین جوشکاری، خوردگی، یا قرار گرفتن در معرض محیط های غنی از هیدروژن)، می تواند شکل پذیری را به شدت کاهش دهد و باعث ایجاد ترک شکننده تحت تنش شود.

برای لوله‌های فولادی LSAW که برای انتقال{0}روغن، گاز یا هیدروژن با فشار بالا طراحی شده‌اند، خرابی HIC می‌تواند یکپارچگی و ایمنی سازه را به خطر بیندازد. در این تجزیه و تحلیل، ما علل ریشه‌ای-ترک‌های ناشی از هیدروژن در لوله‌های فولادی LSAW را بررسی می‌کنیم، و بینش‌های حاصل از تحقیقات منتشر شده و مشاهدات واقعی{3}}جهان را ادغام می‌کنیم.

تعریف و فرآیند: تردی هیدروژنی به کاهش شکل‌پذیری و چقرمگی در فلزات - به‌ویژه فولادهای کربنی و کم آلیاژ- به دلیل وجود هیدروژن قابل انتشار اشاره دارد. هنگامی که اتم های هیدروژن به شبکه فلزی نفوذ می کنند، پیوندهای اتمی را ضعیف می کنند و فولاد را مستعد شکستگی ترد تحت بار یا تنش می کنند.
شرایط مورد نیاز: برای رخ دادن HIC، عموماً به دو پیش نیاز نیاز است: (1) وجود هیدروژن قابل انتشار (به عنوان مثال، هیدروژن اتمی وارد شده در حین جوشکاری، خوردگی، شارژ کاتدی و غیره)، و (2) تنش مکانیکی اعمال شده یا باقیمانده (مانند فشار داخلی خط لوله، تنش پسماند جوشکاری، بار خارجی).
پدیده ترک خوردگی با تاخیر: HIC اغلب بلافاصله ظاهر نمی شود. پس از ورود هیدروژن، ممکن است یک دوره تاخیر - از ساعت ها تا روزها یا بیشتر - قبل از شروع و انتشار ترک ها وجود داشته باشد. این به این دلیل است که هیدروژن برای انتشار به مکان‌های ریزساختاری حیاتی (مرزهای دانه‌ها، نقص‌ها، آخال‌ها) به زمان نیاز دارد و قبل از ایجاد شکنندگی و ترک‌خوردگی تا حد آستانه تجمع می‌یابد.

چندین مکانیسم پذیرفته شده میکرو{0}} وجود دارد که توسط آن هیدروژن باعث شکنندگی و ترک می شود:

هیدروژن{0}}Decohesion افزایش یافته (HEDE): هیدروژن استحکام چسبندگی بین اتم های فلز را کاهش می دهد - به ویژه در مرزهای دانه - باعث ایجاد شکست بین دانه ای می شود.
هیدروژن-پلاستیسیته موضعی افزایش یافته (HELP)هیدروژن تغییر شکل پلاستیک موضعی را تسهیل می‌کند (به عنوان مثال، افزایش تحرک دررفتگی)، که منجر به تشکیل میکرووید، محلی‌سازی کرنش و در نهایت شروع ترک می‌شود.
فشار داخلی توسط گاز هیدروژن (تاول زدن / فشار-ترک خوردن): تحت شرایط خاص، اتم‌های هیدروژن دوباره ترکیب می‌شوند تا هیدروژن مولکولی (H2) را در حفره‌ها یا اجزاء تشکیل دهند و فشارهای داخلی ایجاد کنند که ممکن است باعث تشکیل ترک، تاول زدن یا رشد شود.

این مکانیسم ها بسته به ریزساختار فولاد، غلظت هیدروژن، حالت تنش و شرایط محیطی ممکن است به صورت جداگانه یا ترکیبی عمل کنند.

لوله های فولادی LSAW (Longitudinal Submerged-جوش داده شده با قوس) دارای ویژگی های خاصی هستند - به دلیل فرآیند ساخت و محیط کاربردی - که آنها را به ویژه در برابر ترک ناشی از هیدروژن- حساس می کند. برخی از دلایل کلیدی در زیر مورد بحث قرار می گیرند.

در طول تولید LSAW، صفحات یا نوارهای فولادی به صورت استوانه ای در می آیند و با استفاده از جوشکاری زیرپودر-قوس الکتریکی (SAW) به صورت طولی جوش داده می شوند. عوامل متعددی در این فرآیند می توانند هیدروژن را معرفی کنند:

رطوبت در شار یا الکترودهای جوشکاری: اگر مواد مصرفی جوش حاوی رطوبت باقیمانده باشد، هیدروژن می تواند تولید شده و در حوضچه جوش مذاب جذب شود. پس از انجماد، هیدروژن در فلز جوش یا منطقه متاثر از گرما (HAZ) به دام می‌افتد.
خوردگی یا قرار گرفتن در معرض هیدروژن محیطی: پس از جوشکاری، قرار گرفتن در معرض محیط های مرطوب، گازهای ترش (مانند H2S)، یا فرآیندهای حفاظت کاتدی می تواند منجر به ورود هیدروژن به فولاد جوشی شود.

بنابراین، شرایط جوشکاری و{0}}پس از جوشکاری، فرصتی عالی برای جذب هیدروژن ایجاد می‌کند.

اتصال جوشکاری شده و ناحیه متاثر از حرارت-(HAZ) عموماً دارای ریزساختار ناهمگن-اعوجاج مرز دانه‌ها، جهت‌گیری دانه‌های مختلف، تنش‌های پسماند، آخال‌ها و غیره هستند. این غیریکنواختی ساختاری-"تله های هیدروژنی"جایی که هیدروژن ترجیحاً انباشته می شود (مرز دانه ها، جابجایی ها، آخال ها).
این مناطق با راندمان به دام انداختن هیدروژن بالا مستعد شکنندگی هستند. به عنوان مثال، مطالعات فولادهای خط لوله (مانند X80) نشان می دهد که HAZ دانه درشت (CGHAZ) تحت بار کششی به ویژه در برابر HIC آسیب پذیر است.
بنابراین اتصالات جوش ممکن است حساسیت HIC بالاتری نسبت به فلز پایه نشان دهند. در آزمایشات روی فولادهای جوش داده شده خطوط لوله در محیط ترش، اتصالات جوش داده شده اغلب زودتر از فلز پایه به دلیل به دام افتادن هیدروژن بیشتر و شروع ترک راحت تر، خراب می شوند.

خطوط لوله اغلب تحت فشارهای داخلی بالا، بارگذاری چرخه ای و تنش کششی - که خطر HIC را تشدید می کند، کار می کنند. حتی تنش های پسماند حاصل از جوشکاری و شکل دهی می تواند کافی باشد. در خطوط لوله گاز با فشار بالا یا ترش (به ویژه خدمات هیدروژن یا H2S)، ترک‌خوردگی با فشار هیدروژنی (HAC) ممکن است با تردی هیدروژن ترکیب شود و احتمال خرابی را افزایش دهد.

بر اساس مطالعه موردی ارائه شده در مقاله از Union Steel Industry Co., Ltd. ("تجزیه و تحلیل علت هیدروژن-ترک ناشی از لوله فولادی LSAW") و تحقیقات تایید کننده، چندین الگو در خرابی های معمولی ظاهر می شوند.

ویژگی شکست / مشاهده	تفسیر / علت
لوله های جوش داده شده LSAW ترک هایی را در امتداد خط همجوشی جوش ایجاد کردند که از ریشه جوش به سمت داخل دیواره لوله گسترش می یابد.	منشا در جوش یا HAZ - معمولی برای ترک ناشی از هیدروژن-در اتصالات جوش داده شده را نشان می دهد.
ترک ها سطوح شکستگی شکننده ("شکستگی های شکننده سفید") و گاهی اوقات "لکه های سفید" در نزدیکی ریشه ترک را نشان می دهند.	به جای پارگی شکل پذیر، تجمع هیدروژن و شکنندگی را پیشنهاد می کند. "لکه سفید" هیدروژن یک نشانگر HIC شناخته شده است.
شروع ترک اغلب به تأخیر می افتد (نه فوری) - گاهی اوقات چند روز/هفته پس از جوشکاری یا قرار گرفتن در معرض هیدروژن.	منعکس کننده تأخیر انتشار هیدروژن و تجمع-قبل از رسیدن به آستانه بحرانی است.
پس از تنظیم مجدد فرآیندهای جوشکاری (به عنوان مثال تغییر موقعیت عملیات جرثقیل برای جلوگیری از آلودگی روغن در شیار جوش)، عیوب مشابهی دوباره رخ نداد.	پیشنهاد می‌کند آلودگی خارجی (روغن، رطوبت) در ورود هیدروژن به جوش - یک عامل تولید قابل کنترل است.

از این مشاهدات، علل اصلی HIC در لوله های LSAW را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:

منابع هیدروژن: رطوبت یا آلاینده ها (روغن، آب) در شار جوشکاری یا مواد مصرفی. هیدروژن محیطی (به عنوان مثال، گاز ترش، H2S، خوردگی). فرآیندهای الکتروشیمیایی (حفاظت کاتدی).
تله های ریزساختاری و تمرکز تنش: ریزساختار ناهمگن در جوش و HAZ، وجود آخال‌ها، مرز دانه‌ها، نابجایی - همه تله‌های هیدروژنی بالقوه.
تنش مکانیکی (باقیمانده یا عملیاتی): تنش های پسماند ناشی از جوشکاری/شکل دهی به اضافه فشار داخلی یا بارهای خارجی محیط تنش مورد نیاز برای انتشار ترک ها را ایجاد می کند.
انتشار و انباشت وابسته به زمان: انتشار هیدروژن در طول زمان منجر به یک دوره تأخیر می شود - ترک ممکن است پس از تأخیر رخ دهد، گاهی اوقات چند روز یا چند هفته پس از- پردازش یا قرار گرفتن در معرض.

مطالعات آکادمیک و تجربی اخیر در مورد شکنندگی هیدروژنی و HIC در فولادهای خط لوله، بینش عمیق تری را در مورد فرآیندهای میکرو{0}}مکانیکی و نحوه ارتباط آنها با لوله های LSAW ارائه می دهد.

مطالعه‌ای روی فولاد جوش‌کاری شده-خط لوله با استحکام بالا (مثلاً X80) نشان داد که ناحیه تحت تأثیر حرارت{5}}درشت دانه (CGHAZ) به ویژه در معرض بارگذاری کششی در معرض HIC است. ساختار دانه‌های غیریکنواخت، جهت‌گیری‌های چندگانه دانه‌ها، آخال‌ها و عیوب ناشی از جوش-به‌عنوان تله‌های هیدروژنی و متمرکزکننده تنش عمل می‌کنند.
تله‌های ایجاد شده توسط مرز دانه‌ها، نابجایی‌ها و سایر نقص‌های ریزساختاری به طور قابل‌توجهی غلظت هیدروژن موضعی را افزایش می‌دهند و تردی را تسهیل می‌کنند.
در مدل‌سازی اتمی برای -آهن، برهم‌کنش بین نابجایی‌ها و مرزهای دانه‌ای تحت بارگیری هیدروژن نشان داده شد که باعث فعال‌سازی جداشدگی مرز دانه‌ها می‌شود: تفکیک هیدروژن در مرز دانه، استحکام چسبندگی را کاهش می‌دهد، برخورد نابجایی باعث افزایش غلظت تنش موضعی و در نتیجه شکستگی بین دانه‌ای می‌شود.

برخی آزمایش‌ها شروع و رشد ترک را صرفاً به دلیل هیدروژن - حتی در غیاب بار خارجی اعمال‌شده یا تنش پسماند قابل توجه نشان می‌دهند. برای مثال، نمونه‌های هیدروژن{2}}شارژ شده، ترک‌های نردبانی عرضی-موازی با سطح را نشان دادند، که نشان می‌دهد انباشتگی هیدروژن به تنهایی می‌تواند فشار موضعی یا تنش کافی برای ایجاد ترک ایجاد کند.

این نشان می‌دهد که در لوله‌های فولادی LSAW، حتی اگر تنش‌های خارجی حداقل باشد، هیدروژن به دام افتاده درونی (مثلاً در فلز جوش یا HAZ) می‌تواند در شرایط ریزساختاری مطلوب، ترک‌خوردگی را شروع کند.

در حقیقت، آسیب ناشی از هیدروژن{0} به ندرت ناشی از یک مکانیسم واحد است. HEDE، HELP، فشار داخلی (تاول زدن) و تجمع کنترل شده با انتشار{2}}همگی ممکن است بسته به ترکیب فولاد، تکنیک جوشکاری، محیط، تنش و ریزساختار در - نقش داشته باشند.

علاوه بر این، عواملی مانند فولادهای با استحکام بالا، چگالی نابجایی بالا و ریزساختارهای پیچیده (مارتنزیت، بینیت) حساسیت HIC را تشدید می‌کنند.

با توجه به مکانیسم ها و آسیب پذیری های فوق، لوله های فولادی LSAW با چندین چالش منحصر به فرد روبرو هستند که خطر HIC را افزایش می دهد:

الزامات قدرت-بالا: فولادهای خط لوله اغلب برای تسلیم و استحکام کششی بالا برای تحمل بارهای فشاری طراحی می‌شوند، و فولادهای{0}}با استحکام بالاتر معمولاً در برابر شکنندگی هیدروژنی حساس‌تر هستند.
درزهای جوش بزرگ و خطوط جوش طولانی: لوله های LSAW دارای درزهای طولی جوش هستند - باعث افزایش حجم فلز جوش و HAZ در معرض نفوذ هیدروژن بالقوه می شود.
کنترل کامل رطوبت / آلاینده ها مشکل است: با توجه به عملیات جوشکاری صنعتی-، اطمینان از خشک شدن شار/الکترودها و سطوح شیار تمیز، بی اهمیت نیست. آلودگی روغن یا رطوبت باقیمانده (از قرار گرفتن در معرض محیط یا جابجایی) می تواند هیدروژن - را همانطور که در موارد خرابی عملی مشاهده می شود، معرفی کند.
تنش پسماند ناشی از شکل گیری و جوشکاری: خمش/نورد برای تشکیل لوله‌ها و جوشکاری ذاتاً تنش‌های پسماند را ایجاد می‌کند که با اثرات هیدروژن ترکیب می‌شود و مناطق مستعد ترک- را ایجاد می‌کند.
عمر طولانی در محیط های پیچیده: خطوط لوله اغلب در طول چندین دهه، تحت دما، فشار، و احتمالاً محیط‌های خورنده یا گاز ترش - کار می‌کنند که به انباشته شدن هیدروژن در طول زمان و ترک‌خوردگی تاخیری اجازه می‌دهد.

با کنار هم قرار دادن بینش‌های حاصل از مطالعات موردی عملی و تحقیقات بنیادی، زنجیره علت ترک‌خوردگی ناشی از هیدروژن-در لوله‌های فولادی LSAW را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:

مقدمه هیدروژن- در طول جوشکاری (رطوبت/آلودگی)، خوردگی، قرار گرفتن در معرض گاز ترش- یا فرآیندهای کاتدی.
جذب و به دام انداختن هیدروژنهیدروژن - در فلز جوش یا HAZ منتشر می‌شود و در ویژگی‌های ریزساختاری (مرزهای دانه‌ها، نابجایی‌ها، آخال‌ها) به دام می‌افتد.
تجمع و انتشار- در طول زمان، هیدروژن تجمع می‌یابد، به نقاط ضعیف بحرانی (مثلاً ریشه جوش، HAZ) پخش می‌شود، احتمالاً با H2 ترکیب می‌شود که منجر به فشار داخلی یا حداکثر غلظت هیدروژن می‌شود.
کاربرد استرس- تنش پسماند ناشی از جوشکاری/تشکیل، فشار/تنش عملیاتی، یا حتی فشار داخلی هیدروژن، تنش کششی را در اطراف تله‌ها یا حفره‌ها ایجاد می‌کند.
شروع کرک- تحت غلظت و تنش کافی هیدروژن موضعی، ترک‌ها هسته‌ای می‌شوند - اغلب بین دانه‌ای یا شبه-، گاهی اوقات با ویژگی‌های شکننده لکه‌ای سفید-.
انتشار ترک و شکست تاخیری- با چرخه‌های تنش مکرر و زمان انتشار هیدروژن، ترک‌ها رشد می‌کنند و در نهایت یکپارچگی لوله را به خطر می‌اندازند.

درک علل HIC در لوله‌های LSAW به پیشنهاد استراتژی‌هایی برای کاهش خطر - کمک می‌کند، اگرچه دستیابی به پیشگیری کامل چالش برانگیز است. ملاحظات کلیدی عبارتند از:

کنترل دقیق شرایط جوش: از مواد جوشکاری کم-هیدروژن (شار، الکترود) استفاده کنید، از شیار جوش خشک و تمیز اطمینان حاصل کنید - به حداقل رساندن ورود هیدروژن در حین جوشکاری. این کارایی در دنیای واقعی نشان داده شد: پس از حذف آلودگی روغن در شیار، نقص HIC دوباره ظاهر نشد.
عملیات حرارتی پس از{0}جوش (PWHT) یا "پخت" هیدروژنی: عملیات حرارتی (به صورت خطی یا آفلاین) می تواند به پخش هیدروژن از فلز جوش داده شده و HAZ کمک کند، غلظت هیدروژن باقیمانده را کاهش دهد و خطر شکنندگی را کاهش دهد.
بهینه سازی مواد و ریزساختار: فولادهایی را با ریزساختارهایی انتخاب کنید که کمتر مستعد به دام انداختن هیدروژن هستند (به عنوان مثال، آخال های مضر را به حداقل برسانید، مرزهای دانه را کنترل کنید، از ریزساختارهای بیش از حد سخت/شکننده اجتناب کنید). از طراحی آلیاژ یا مهندسی ریزساختار برای کاهش چگالی تله هیدروژن یا ارتقاء فازهای مقاوم در برابر هیدروژن استفاده کنید.
مدیریت استرس: کنترل فرآیندهای جوشکاری و شکل دهی برای به حداقل رساندن تنش های پسماند. نصب و بهره برداری خط لوله را طراحی کنید تا از غلظت بیش از حد تنش کششی جلوگیری شود. اقدامات کاهش استرس{0}}را در نظر بگیرید.
کنترل شرایط محیطی و خدماتی: برای خطوط لوله در معرض گازهای ترش یا قرار گرفتن در معرض هیدروژن بالقوه، پوشش ها، استراتژی های حفاظت کاتدی، نظارت بر محیط زیست و بازرسی های منظم برای تشخیص علائم اولیه HIC را در نظر بگیرید.

ترک‌خوردگی ناشی از هیدروژن-(HIC) در لوله‌های فولادی LSAW یک شکست ساده نیست. بلکه از اثر متقابل پیچیده بین ورودی هیدروژن، ویژگی های ریزساختاری (فلز جوش، HAZ، عیوب)، انتشار و به دام انداختن هیدروژن، و تنش مکانیکی (باقیمانده یا عملیاتی) ناشی می شود. درزهای جوش داده شده و مناطق تحت تأثیر حرارت- ذاتی در تولید LSAW - همراه با منابع احتمالی هیدروژن و تنش‌های طولانی مدت سرویس - این لوله‌ها را به ویژه آسیب‌پذیر می‌سازد.

جلوگیری از HIC در خطوط لوله LSAW مستلزم کنترل دقیق رویه‌های جوشکاری (شار خشک، شیار تمیز، مواد مصرفی کم{0}هیدروژن)، حذف احتمالی هیدروژن (عملیات حرارتی پس از جوش)، طراحی دقیق مواد/ریزساختار، و کنترل تنش و محیط است.

برای اپراتورهای خط لوله، سازندگان و مهندسان، درک این مکانیسم‌ها بسیار مهم است - نه تنها برای جلوگیری از ترک‌خوردگی اولیه در طول ساخت، بلکه برای اطمینان از یکپارچگی و ایمنی طولانی مدت در طول چندین دهه خدمات.