Mechanical behaviour of high toughness steels in extreme environments : influence of hydrogen and low temperature

In presence of H2S and CO2, metallic materials, such as carbon and low alloy steels often used in pipelines, may be subjected to hydrogen damage and embrittlement. The most recent Oil and Gas plants often work in extreme conditions (sour condition and very low temperature). In this work hydrogen and low temperature effects, on mechanical behaviour of two pipeline steels, X65 microalloyed and F22 low alloy steels, are examined. In particular, it has been investigated how mechanical properties of these two steels depend and are affected by a combined effect induced by hydrogen and low temperature presence. A large number of mechanical tests have been performed in laboratory simulating real conditions in which these steels work. The specimens were cut from pipes and a part of them was hydrogen charged by a new electrochemical method. This new non-hazardous charging technique, was developed at the Chemistry, Material and Chemical Engineering Department CMIC “Giulio Natta” of the Politecnico di Milano, in order to introduce, in the material lattice, atomic hydrogen. Diffusible hydrogen content in specimens at about 180°C is in the range 0.6 to 2ppm. Impact, toughness and fatigue crack propagation tests were carried out on charged and uncharged specimens, by varying the test temperature and, for fatigue crack growth tests, also the load frequency. The experimental results show evident effects due to the hydrogen presence especially in slow load tests. The hydrogen diffusion rate in the steels structure seems to be the most important parameter in order to explain the temperature influence on the embrittlement process. Fracture surface examinations provide interesting details to study the phenomenon and confirms the mechanical testing results. A superposition model, able to predict the crack growth rate versus test parameters such as: temperature, frequency, presence of hydrogen and ΔK has been developed. By means of few tests, performed by fixing temperature and frequency, it is possible to estimate the material behaviour for different test conditions. The model is used for the evaluation of critical situations in different conditions.

In presenza di H2S e CO2, materiali metallici, come acciai al carbonio e basso legati, spesso usati nella costruzione di pipeline, possono essere soggetti a danneggiamenti e infragilimenti da idrogeno. I più recenti impianti Oil&Gas spesso lavorano in condizioni estreme (condizioni “sour” e basse temperature) In questo lavoro vengono analizzati gli effetti dell’idrogeno e della bassa temperatura sul comportamento meccanico di due acciai per pipeline, il microlegato X65 e il basso legato F22. In particolare è stato esaminato come le proprietà meccaniche di questi due acciai dipendono e sono influenzate da un effetto combinato causato dalla presenza di idrogeno e bassa temperatura. Molte prove meccaniche sono state svolte in laboratorio simulando le effettive condizioni in cui questi acciai lavorano. I provini sono stati ricavati dai tubi e alcuni sono stati caricati di idrogeno tramite un innovativo metodo elettrochimico. Questa nuova tecnica di carica non pericolosa è stata sviluppata al dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica CMIC “Giulio Natta” del Politecnico di Milano, per introdurre nel reticolo del materiale idrogeno atomico. Il contenuto di idrogeno diffusibile a circa 180°C presente nei provini è compreso tra 0.6 e 2ppm. Prove di impatto, tenacità e propagazione a fatica sono state svolte su provini caricati e non caricati variando la temperature di prova e, per i test di fatica, anche la frequenza di applicazione del carico. I risultati sperimentali mostrano un evidente effetto dovuto alla presenza di idrogeno specialmente nelle prove a lenta applicazione del carico. Il rateo di diffusione dell’idrogeno nella struttura dell’acciaio sembra essere il parametro più importante per spiegare l’influenza della temperatura riguardo al processo di infragilimento. Le osservazioni frattografiche forniscono interessanti dettagli per lo studio del fenomeno e confermano i risultati dei test meccanici. È stato sviluppato un modello di sovrapposizione capace di prevedere la propagazione in relazione a parametri di prova come: temperatura, frequenza, presenza di idrogeno e ΔK. Per mezzo di poche prove, svolte fissando temperatura e frequenza, è possibile stimare il comportamento del materiale per differenti condizioni di test. Il modello viene utilizzato per la valutazione di situazioni critiche in differenti condizioni.