LSAW terastoru vesiniku{0}} põhjustatud pragunemise põhjuste analüüs

Vesinik-indutseeritud pragunemine (HIC), mida mõnikord nimetatakse ka vesinikhapruseks (HE) või vesinik-abiga pragunemiseks (HAC), on keevitatud terastorustike - tõsine probleem, eriti need, mis on toodetud pikisuunalise sukeldatud{3}}kaarkeevitusega (LSAW). Kui vesinik satub metallmaatriksisse (nt keevitamise, korrosiooni või vesinikurikka keskkonnaga kokkupuute ajal), võib see järsult vähendada plastilisust ja soodustada hapraid pragunemist pinge all.

LSAW terastorude puhul, mis on ette nähtud nafta, gaasi või vesiniku kõrgsurvetranspordiks{0}}, võib HIC rike seada ohtu konstruktsiooni terviklikkuse ja ohutuse. Selles analüüsis uurime LSAW terastorude vesinik{2}}indutseeritud pragunemise algpõhjuseid, integreerides avaldatud uuringute ja tegelike -vaatluste tulemused.

Definitsioon ja protsess: Vesiniku rabestumine viitab metallide -, eriti süsinikusisaldusega ja madala-legeerteraste - elastsuse ja sitkuse vähenemisele difundeeruva vesiniku olemasolu tõttu. Kui vesinikuaatomid tungivad läbi metallvõre, nõrgendavad nad aatomisidemeid ja muudavad terase koormuse või pinge all hapraks murdumiseks.
Vajalikud tingimused: HIC tekkeks on üldiselt vaja kahte eeltingimust: (1) difundeeruva vesiniku olemasolu (nt keevitamisel, korrosioonil, katoodlaadimisel jne sisestatud aatomvesinik) ja (2) rakendatud või jääkmehaaniline pinge (nt torujuhtme siserõhk, keevitusjääkpinge, väliskoormus).
Hilinenud pragunemise nähtus: HIC ei ilmu sageli kohe. Pärast vesiniku sissetungimist võib tekkida latentsusperiood -, mis ulatub tundidest päevadeni või kauemgi -, enne kui praod algavad ja levivad. Selle põhjuseks on asjaolu, et vesinik vajab aega, et difundeeruda kriitilistesse mikrostruktuuripiirkondadesse (terade piirid, defektid, inklusioonid) ja koguneda lävikontsentratsioonini, enne kui see põhjustab rabedust ja pragunemist.

On mitmeid aktsepteeritud mikro{0}}mehhanisme, mille abil vesinik põhjustab murenemist ja pragunemist:

Vesinik{0}}Täiustatud dekohesioon (HEDE): Vesinik vähendab metalliaatomite vahelist kohesioonitugevust -, eriti tera piiridel -, soodustades teradevahelist purunemist.
Vesinik{0}}Täiustatud lokaliseeritud plastilisus (HELP): Vesinik soodustab lokaalset plastilist deformatsiooni (nt dislokatsiooni liikuvuse suurenemist), mis põhjustab mikrotühmide moodustumist, deformatsiooni lokaliseerumist ja võimaliku pragude teket.
Siserõhk vesinikgaasi poolt (villide teke / surve{0}}pragunemine): Teatud tingimustel rekombineeruvad vesinikuaatomid, moodustades tühimike või sulendites molekulaarse vesiniku (H₂), luues siserõhu, mis võib põhjustada pragude teket, villide teket või kasvu.

Need mehhanismid võivad toimida üksikult või kombineeritult, sõltuvalt terase mikrostruktuurist, vesiniku kontsentratsioonist, pingeseisundist ja keskkonnatingimustest.

LSAW (Longitudinal Submerged-Arc Welded) terastorudel on tootmisprotsessist ja kasutuskeskkonnast - tulenevad teatud omadused -, mis muudavad need eriti vastuvõtlikuks vesiniku- põhjustatud pragunemise suhtes. Mõnda peamist põhjust käsitletakse allpool.

LSAW valmistamise ajal vormitakse terasplaadid või -ribad silindriks ja keevitatakse pikisuunas, kasutades sukel{0}}kaarkeevitust (SAW). Selles protsessis võivad vesinikku sisse viia mitmed tegurid:

Niiskus keevitusvoos või elektroodides: Kui keevitusmaterjalid sisaldavad jääkniiskust, võib tekkida vesinik, mis imendub sula keevisvanni. Tahkumisel jääb vesinik keevismetalli või kuumuse{1}}mõjutatud tsooni (HAZ) kinni.
Korrosioon või kokkupuude vesinikuga keskkonnas: Pärast keevitamist võib kokkupuude niiske keskkonna, hapugaaside (nt H₂S) või katoodkaitseprotsessidega põhjustada vesiniku sattumist keevitatud terasesse.

Seetõttu loovad keevitus- ja{0}}järgsed keevitustingimused suurepärase võimaluse vesiniku omastamiseks.

Keevisliidesel ja kuumus{0}}mõjutatud tsoonil (HAZ) on üldiselt heterogeenne mikrostruktuur-tera piiride moonutused, erinevad tera orientatsioonid, jääkpinged, inklusioonid jne. Selline struktuurne mitte-ühtlus tekitab"vesinikpüüdjad"kus eelistatult akumuleerub vesinik (terapiirid, dislokatsioonid, inklusioonid).
Need kõrge vesiniku püüdmise efektiivsusega piirkonnad on altid rabedusele. Näiteks torujuhtmete teraste (nt X80) uuringud näitavad, et jämedateraline HAZ (CGHAZ) tõmbekoormuse all on HIC suhtes eriti tundlik.
Keevisliidetel võib seega olla suurem HIC-tundlikkus kui mitteväärismetallil. Katsetes keevitatud torujuhtmete terastega hapu keskkonnas purunevad keevisliited sageli varem kui mitteväärismetallid tänu suuremale vesiniku kinnijäämisele ja kergemale pragude tekkele.

Torujuhtmed töötavad sageli suure siserõhu, tsüklilise koormuse ja tõmbepinge - tingimustes, mis suurendavad HIC-riski. Isegi keevitamise ja vormimise jääkpinged võivad olla piisavad. Kõrg-surve- või hapu{4}}gaasitorustikes (eriti vesiniku- või H₂S-gaasitorustikes) võib vesinik-pingekrakkimine (HAC) kombineerida vesiniku haprumist, suurendades rikke tõenäosust.

Tuginedes Union Steel Industry Co., Ltd. artiklis esitatud juhtumiuuringule ("LSAW terastoru vesinik{2}}indutseeritud pragude põhjusanalüüs") ja seda kinnitavatele uuringutele, ilmnevad tüüpiliste rikete puhul mitu mustrit.

Rikke funktsioon / vaatlus	Tõlgendamine / põhjus
Keevitatud LSAW torudele tekkisid piki keevisõmbluse sulamisjoont praod, mis ulatusid keevisõmbluse juurest toruseina sisemuse poole.	Tähistab keevisõmbluse päritolu või HAZ-i - tüüpiline vesiniku- põhjustatud pragunemine keevisliidetes.
Praod näitasid hapraid murdepindu ("valged rabed murrud") ja mõnikord "valged laigud" pragude juure lähedal.	Soovitab pigem vesiniku akumuleerumist ja rabedumist kui plastilist rebenemist; vesinik "valge laik" on tuntud HIC-marker.
Pragude teke viibib sageli (mitte kohe) - mõnikord päevi/nädalaid pärast keevitamist või vesinikuga kokkupuudet.	Peegeldab hilinenud vesiniku difusiooni ja kontsentratsiooni kogunemist-enne kriitilise läve saavutamist.
Pärast keevitusprotseduuride ümberkorraldamist (näiteks kraana ümberpaigutamist, et vältida õli saastumist keevisoone juures) sarnaseid defekte enam ei esinenud.	Eeldab, et väline saaste (õli, niiskus) aitas kaasa vesiniku sattumisele keevisõmblusesse - kontrollitav tootmisfaktor.

Nende tähelepanekute põhjal saab LSAW-torude HIC-i peamised põhjused rühmitada järgmiselt:

Vesiniku allikad: niiskus või saasteained (õli, vesi) keevitusvoos või kulumaterjalides; keskkonna vesinik (nt hapugaas, H₂S, korrosioon); elektrokeemilised protsessid (katoodkaitse).
Mikrostruktuurilised lõksud ja stressikontsentratsioon: heterogeenne mikrostruktuur keevisõmbluses ja HAZ-is, lisandite olemasolu, terapiirid, dislokatsioonid - kõik võimalikud vesinikupüüdjad.
Mehaaniline pinge (jääk- või tööpinge): keevitamisel/vormimisel tekkivad jääkpinged pluss siserõhk või väliskoormused loovad pragude levimiseks vajaliku pingekeskkonna.
Ajast{0}}sõltuv difusioon ja akumulatsioon: vesiniku difusioon aja jooksul viib latentsusperioodini - võivad tekkida praod pärast viivitust, mõnikord päevi või nädalaid pärast-töötlust või kokkupuudet.

Hiljutised akadeemilised ja eksperimentaalsed uuringud torujuhtmete teraste vesiniku rabeduse ja HIC kohta annavad sügavama ülevaate mikro{0}}mehaanilistest protsessidest ja nende seostest LSAW-torudega.

Keevitatud kõrgtugeva{0}}torujuhtmeterase (nt X80) uuring näitas, et jämedateralise-kuumusega-mõjutatud tsoon (CGHAZ) on tõmbekoormuse korral eriti vastuvõtlik HIC-le. Ebaühtlane tera struktuur, mitmekordne tera orientatsioon, kandmised ja keevitus-indutseeritud defektid toimivad vesiniku püüdjate ja pinge kontsentraatoritena.
Terapiiridest, dislokatsioonidest ja muudest mikrostruktuurilistest defektidest tulenevad "lõksud" suurendavad oluliselt kohalikku vesiniku kontsentratsiooni, soodustades haprust.
-raua atomistlikus modelleerimises näidati, et dislokatsioonide ja terade piiride vaheline interaktsioon vesiniku laadimisel aktiveerib tera piiride kohesiooni: vesiniku segregatsioon terade piiril vähendab kohesioonitugevust, dislokatsiooni kokkupõrge soodustab lokaalse pinge kontsentratsiooni, mille tulemuseks on teradevaheline murd.

Mõned katsed näitavad pragude teket ja kasvu ainult vesiniku tõttu - isegi rakendatud väliskoormuse või olulise jääkpinge puudumisel. Näiteks näitasid vesinik-laenguga proovid pinnaga paralleelseid põiksuunalisi redeli-tüüpi pragusid, mis näitab, et vesiniku akumuleerumine üksi võib tekitada piisava lokaliseeritud rõhu või pinge pragude tekitamiseks.

See viitab sellele, et isegi kui välispinged on minimaalsed, võib LSAW terastorudes (nt keevismetallis või HAZis) kinnijäänud vesinik ise-algatada pragunemise soodsates mikrostruktuuritingimustes.

Tegelikkuses on vesiniku{0}}indutseeritud kahjustused harva tingitud ühest mehhanismist. Sõltuvalt terase koostisest, keevitustehnikast, keskkonnast, pingetest ja mikrostruktuurist võivad kaasa aidata HEDE, HELP, siserõhk (villide teke) ja difusiooniga kontrollitud kogunemine-.

Veelgi enam, sellised tegurid nagu ülitugevad terased, suur dislokatsioonitihedus ja keerulised mikrostruktuurid (martensiit, bainiit) suurendavad veelgi HIC tundlikkust.

Arvestades ülaltoodud mehhanisme ja haavatavust, seisavad LSAW terastorud silmitsi mitme ainulaadse väljakutsega, mis suurendavad HIC riski:

Kõrged{0}}tugevusnõuded: Torujuhtmete terased on sageli konstrueeritud suure voolavuse ja tõmbetugevusega, et taluda survekoormust, ning tugevamad{0}}terased on üldiselt vastuvõtlikumad vesinikuga haprusele.
Suured keevisõmblused ja pikad keevitusliinid: LSAW torudel on pikad pikisuunalised keevisõmblused -, mis suurendavad võimaliku vesiniku sissepääsuga kokkupuutuva keevismetalli ja HAZ-i mahtu.
Raske täielikult kontrollida niiskust/saasteaineid: Arvestades tööstuslikke{0}}keevitusoperatsioone, on täiesti kuiva voo/elektroodide ja puhaste soonpindade tagamine tühine. Õli saastumine või jääkniiskus (keskkonnaga kokkupuutest või käitlemisest) võib sisaldada vesinikku -, nagu on näha praktiliste rikete korral.
Vormimisel ja keevitamisel tekkiv jääkpinge: torude moodustamiseks painutamine/valtsimine ja keevitamine tekitavad oma olemuselt jääkpingeid, mis koos vesiniku mõjuga tekitavad{0}}pragunemisohtlikke piirkondi.
Pikk kasutusiga keerukates keskkondades: torujuhtmed töötavad sageli aastakümneid, muutuva temperatuuri, rõhu ja võib-olla söövitava või hapugaasi keskkonnas, - võimaldades vesiniku akumuleerumist aja jooksul ja lõhenemist.

Kui koondada praktilistest juhtumiuuringutest ja alusuuringutest saadud arusaamad, võib LSAW terastorude vesinik{0}}indutseeritud pragude põhjusliku ahela kokku võtta järgmiselt.

Vesinik Sissejuhatus- keevitamise (niiskus/saastumine), korrosiooni, hapugaasi{1}}kokkupuute või katoodprotsesside ajal.
Vesiniku neeldumine ja püüdmine- vesinik difundeerub keevismetalli või HAZ-i ja jääb mikrostruktuuriliste tunnuste (terade piirid, dislokatsioonid, kandmised) lõksu.
Kogunemine ja difusioon- Aja jooksul vesinik koguneb, hajub kriitilistesse nõrkadesse kohtadesse (nt keevisjuur, HAZ), võib-olla rekombineerub H₂-ks, põhjustades siserõhu või lokaalse vesiniku kontsentratsiooni piike.
Stressi rakendus- keevitamisel/vormimisel tekkiv jääkpinge, töörõhk/pinge või isegi vesiniku siserõhk ise tekitab lõksude või tühimike ümber tõmbepinge.
Pragude algatamine- piisava lokaalse vesiniku kontsentratsiooni ja pinge korral tekivad praod tuumades - sageli teradevahelise või kvaasi-lõhendusena, mõnikord valgete-täppidega rabedad tunnused.
Pragude levik ja hilinenud tõrge- korduvate pingetsüklite ja vesiniku difusiooni aja jooksul tekivad praod, mis lõpuks kahjustavad torude terviklikkust.

LSAW-torude HIC-i põhjuste mõistmine aitab välja pakkuda strateegiaid riski vähendamiseks -, kuigi täieliku ennetamise saavutamine on keeruline. Peamised kaalutlused hõlmavad järgmist:

Keevitustingimuste range kontroll: Kasutage vähese -vesinikusisaldusega keevitusmaterjale (räbustid, elektroodid), tagage kuiv ja puhas keevitussoon -, minimeerides vesiniku sissevoolu keevitamise ajal. Seda tõhusust tõestati ka reaalses-maailmas: pärast õlisaaste kõrvaldamist soones ei ilmnenud HIC-defektid uuesti.
Keevituse järel-kuumtöötlus (PWHT) või vesinikuga "küpsetamine": termiline töötlemine (-liinis või võrguühenduseta) võib aidata vesinikku välja hajutada keevitatud metallist ja HAZ-ist, vähendades vesiniku jääkkontsentratsiooni ja hapruse ohtu.
Materjali ja mikrostruktuuri optimeerimine: Valige terased, mille mikrostruktuurid on vesiniku püüdmise suhtes vähem vastuvõtlikud (nt minimeerige kahjulikke lisandeid, kontrollige terade piire, vältige liiga kõvasid/habedaid mikrostruktuure). Vesinikupüüduri tiheduse vähendamiseks või vesinik{3}}resistentsete faaside soodustamiseks kasutage sulamite disaini või mikrostruktuuride projekteerimist.
Stressi juhtimine: Kontrollige keevitus- ja vormimisprotsesse jääkpingete minimeerimiseks; projekteerida torujuhtme paigaldamine ja kasutamine, et vältida liigseid tõmbepingete kontsentratsioone; kaaluge stressi{0}}leevendusmeetmeid.
Keskkonna- ja teenindusseisundi kontroll: torujuhtmete puhul, mis puutuvad kokku hapugaaside või potentsiaalse vesinikuga, kaaluge katteid, katoodkaitsestrateegiaid, keskkonnaseiret ja regulaarseid ülevaatusi, et avastada HIC varaseid märke.

LSAW terastorude vesinik{0}}indutseeritud pragunemine (HIC) ei ole lihtne-faktori rike; pigem tuleneb see keerulisest koosmõjust vesiniku sissepääsu, mikrostruktuuri omaduste (keevismetall, HAZ, defektid), vesiniku difusiooni ja kinnijäämise ning mehaanilise pinge (jääk- või tööjõu) vahel. LSAW tootmisele omased keevisõmblused ja kuumusest{3}}mõjutatud tsoonid - koos võimalike vesinikuallikate ja pikaajaliste -kasutuspingetega - muudavad need torud eriti haavatavaks.

LSAW-torustike HIC-i vältimine nõuab ranget kontrolli keevitusprotseduuride (kuivvoog, puhas soon, vähese -vesinikusisaldusega kulumaterjalid), võimaliku vesiniku eemaldamise (keevitusejärgne kuumtöötluse-järgne) üle, hoolikat materjali/mikrostruktuuri kavandamist ning pinge- ja keskkonnakontrolli.

Torujuhtmete operaatorite, tootjate ja inseneride jaoks on nende mehhanismide mõistmine kriitilise tähtsusega - mitte ainult esmase pragunemise vältimiseks tootmise ajal, vaid ka pikaajalise -terviklikkuse ja ohutuse tagamiseks aastakümneid kestnud kasutuse jooksul.