Failure analysis of a CO2 mixture gas cylinder due to stress-corrosion cracking

Gas cylinders are essential components in various industries. Their principal function is storage and transportation of compressed gases. These cylinders are typically constructed from materials such as carbon steel due to its excellent mechanical properties and cost-effectiveness. However, their performance and integrity can be compromised by several phenomena that may lead to serious hazards, even to explosions. Environments to which gas cylinders are exposed can be causes for severe corrosion, leading to a phenomenon known as stress-corrosion cracking (SCC). SCC is a complex degradation mechanism influenced by multiple factors that can cause unexpected and sudden failures. It takes place when specific combinations of susceptible materials are exposed to critical corrosion environments under stress, specifically under constant stress. Crack growth is a result of a combined and synergistic interaction of mechanical stress and corrosion reactions. The term "synergy" is used to describe this process because the simultaneous exchange of mechanical and chemical forces may result in crack propagation, whereas neither factor acting independently nor alternately would result in the same effect. Stress corrosion cracking does not usually produce gross degradations such as rust formation. However, and unfortunately, the cracking phenomenon proceeds via narrow cracks with no local ductile deformation. Such cracks may proceed along grain boundaries or within material grains themselves – intergranular or transgranular cracking. Since earlier researches carried out in 1874 significant progresses have been made in understanding environmental effects about mechanical properties and failures of materials. Despite such progresses, researchers are still far from solving many problems related to environmentally assisted cracking. The present thesis provides a comprehensive overview of SCC mechanisms and environments, listing the most common material-environment systems. It analyses the parameters that influence the rate of SCC crack growth like: temperature, pressure, solutions, concentration and activity, pH value, electrochemical potential, flow rate. A failure analysis is conducted on a selected case study, which involves a low carbon alloy steel cylinder that suffered a catastrophic failure while containing a mixture of 80% nitrogen (N 22) and 20% carbon dioxide (CO 22), during its filling. Through detailed investigations and analyses, this research attempts to detect the sequence of events, from the initial stages of SCC development to the ultimate catastrophic rupture. The aim is to identify key lessons and strategies that can be applied to prevent similar incidents in the future. In summary, the purpose of this master thesis is to contribute to our understanding of SCC mechanisms and environments, which are still challenging nowadays, while offering practical insights derived from a real-world case study. Its aim is to enhance the safety and reliability of gas cylinders and other components adversely affected by SCC, thus ensuring the continued integrity of the industries they support.

Le bombole di gas sono componenti essenziali in diversi settori industriali. La loro principale funzione è lo stoccaggio e il trasporto di gas compressi. Tali bombole sono tipicamente costruite con materiali come l'acciaio al carbonio, grazie alle sue eccellenti proprietà meccaniche e all’economicità. Tuttavia, le loro prestazioni e la loro integrità possono essere compromesse da diversi fenomeni che possono portare a gravi pericoli, fino all'esplosione. Gli ambienti a cui sono esposte le bombole di gas possono essere causa di grave corrosione, portando a un fenomeno noto come tensocorrosione. La tensocorrosione è un complesso meccanismo di degrado influenzato da molteplici fattori, che può portare a cedimenti inaspettati e improvvisi. Si verifica quando combinazioni specifiche di materiali suscettibili, sono esposte ad ambienti critici di corrosione sotto sforzo, in particolare sotto uno sforzo costante. La crescita delle cricche è il risultato di un'interazione combinata e sinergica di sollecitazioni meccaniche e reazioni di corrosione. Il termine "sinergia" viene utilizzato per descrivere questo processo perché lo scambio simultaneo di forze meccaniche e chimiche può portare alla propagazione della cricca, mentre nessuno dei due fattori, agendo in modo indipendente o alternato, produrrebbe lo stesso effetto. La tensocorrosione solitamente non produce danni visibili evidenti come la ruggine. Il fenomeno procede attraverso cricche strette senza deformazione duttile locale. Tali cricche possono avanzare lungo i bordi dei grani (intergranulari) o all'interno dei grani stessi del materiale (transgranulari). Dalle prime ricerche effettuate nel 1874, sono stati compiuti notevoli progressi nella comprensione degli effetti dei vari ambienti sulle proprietà meccaniche e sulla rottura dei materiali. Nonostante questi progressi, i ricercatori sono ancora lontani dal risolvere molti problemi legati alle cricche indotte dalle sollecitazioni ambientali. La presente tesi fornisce una panoramica completa dei meccanismi di tensocorrosione, elencando i più comuni sistemi critici materiale-ambiente. Vengono inoltre analizzati i parametri che influenzano la velocità di crescita delle cricche SCC, quali: temperatura, pressione, soluzioni, concentrazione e attività, valore del pH, potenziale elettrochimico, portata. La failure analysis che è stata condotta riguarda una bombola in acciaio legato a basso tenore di carbonio, che ha subito un cedimento catastrofico durante il suo riempimento. La bombola conteneva una miscela di 80% di azoto (N2) e 20% di anidride carbonica (CO2). Attraverso indagini e analisi dettagliate, tale ricerca ha l’obiettivo di individuare la sequenza di eventi, dalle fasi iniziali dello sviluppo di tensocorrosione fino allo scoppio finale. L'obiettivo è quello di identificare insegnamenti e strategie chiave che possano essere applicate per prevenire incidenti simili. In sintesi, lo scopo di questa tesi di laurea è quello di contribuire alla comprensione dei meccanismi e degli ambienti di tensocorrosione, offrendo spunti pratici derivati da un caso di studio reale. L'obiettivo è quello di migliorare la sicurezza e l'affidabilità delle bombole di gas e di altri sistemi intaccati dalla tensocorrosione, garantendo così l’integrità delle industrie.