Coupled mechanical-diffusion modelling of shot peening effects on hydrogen embrittlement

Hydrogen is considered one of the main energy vectors to be pursued in the transition towards low-carbon emission energy systems, given the actual necessity to decrease the greenhouse gases emitted into the atmosphere. An effective approach for its initial deployment consists of blending hydrogen with natural gas, avoiding the expensive construction of dedicated infrastructures. However, the hydrogen embrittlement phenomenon raises significant concerns regarding the safety of this solution, since it generates a decrease in the material ductility and toughness, which can easily and seriously damage the structural integrity of the pipeline network unless mitigation strategies are adopted, such as internal shot peening of the pipes. The present thesis addresses this issue through the development of a fully-coupled mechanical–diffusion numerical model applied to tensile specimens made of API 5L X60 steel and subjected to slow strain rate tensile tests in a saline environment, where hydrogen is generated. The model is implemented with the software Abaqus using a thermal-diffusion analogy, integrating hydrogen trapping phenomena, stress-assisted diffusion, and a cohesive zone model to simulate crack propagation. The cohesive parameters are calibrated on a hydrogen-free test of a notched specimen, while the hydrogen effect is introduced through a dependence of the cohesive strength on the local hydrogen concentration. The numerical framework is validated against experimental tests performed without shot peening, showing a very good capability to predict the experimentally observed mechanical response, with a particular attention to the concentration values at the crack tip. The framework is subsequently extended to include the beneficial effects of shot peening on the mechanical response of the model, as observed experimentally. The complex numerical model requires numerous inputs that are challenging to measure experimentally, such as the diffusivity of the peened layer, the types of traps present, their density, and binding energies. Therefore, a sensitivity study is conducted to explore the effects that these inputs have on crack propagation. The discussion outlines the strengths and limitations of this approach, along with suggestions for future improvements.

L'idrogeno è ritenuto uno dei principali vettori energetici sui quali puntare per la transizione verso sistemi energetici a basse emissioni di carbonio. Un modo efficace per la sua iniziale diffusione è quello di miscelarlo insieme al gas naturale, evitando la costruzione di costose infrastrutture dedicate. Tuttavia, l'infragilimento da idrogeno fa sorgere numerose preoccupazioni sulla sicurezza di questa soluzione, dato che esso causa una perdita di duttilità e tenacità del materiale che può facilmente portare a seri danni strutturali della rete a meno di possibili azioni mitigative del fenomeno, come quella della pallinatura interna dei condotti. La presente tesi affronta questa problematica attraverso lo sviluppo di un modello numerico accopiato diffusivo-meccanico applicato a provini di trazione realizzati in acciaio API 5L X60 e sottoposti a prove a bassa velocità di deformazione in un ambiente salino, dove l'idrogeno viene generato. Il modello è implementato con il software Abaqus tramite un'analogia termo-diffusionale, integrando fenomeni di intrappolamento, diffusione assistita dallo stato tensionale e un modello a zona coesiva per simulare la propagazione della cricca. I parametri della zona coesiva sono calibrati su una prova senza idrogeno con provino intagliato, mentre l'effetto dell'idrogeno viene poi introdotto mediante la dipendenza della resistenza degli elementi coesivi dalla concentrazione locale di idrogeno. Il framework numerico è validato mediante prove senza pallinatura, in cui mostra un'ottima capacità di prevedere la risposta meccanica sperimentalmente osservata, con particolare attenzione ai valori di concentrazione osservati sulla cricca. Il framework viene poi esteso per provare ad includere gli effetti benefici, osservati sperimentalmente, della pallinatura sulla risposta meccanica del modello. Il complesso modello numerico richiede numerosi input difficili da misurare sperimentalmente, come la diffusività dello strato pallinato, le tipologie di trappole presenti, la loro densità e le energie di legame. Pertanto, viene condotto uno studio di sensibilità per esplorare gli effetti che tali input hanno sulla propagazione della cricca. La discussione delinea i punti di forza e i limiti di questo approccio, insieme a suggerimenti per future implementazioni e miglioramenti.