Az sayıda dubleks ve süper dubleks paslanmaz çelik bileşen, hidrojen kaynaklı stres çatlaması (HISC) nedeniyle deniz altı hizmetinde başarısız oldu. Bu arızaların önemi, gelecekte bileşenlerin kendinden emin bir şekilde tasarlanmasına izin vermek için HISC için kritik koşulları tanımlamayı amaçlayan araştırmalara yol açmıştır. Foinaven süper dupleks göbek arızalarına ilişkin veriler 1999'da OTC'de ve 2001'de NACE korozyon konferansında yayınlandı ve diğer iki araştırmadan elde edilen veriler 2004'te OMAE'de yayınlandı.
HISC'ye duyarlılık, östenit aralığı ile güçlü bir korelasyon gösterir ve düzgün numuneler üzerinde yapılan testler, kaba taneli mikro yapıların HISC'ye daha duyarlı olduğunu göstermiştir. Katodik korumalı (CP) deniz suyunda küçük ölçekli sabit yük testleri genellikle dubleks ve süper dubleks malzemelerin HISC duyarlılığını karakterize etmek için kullanılır. -1100mVSCE'de Foinaven alanından göbek malzemeleri üzerinde yapılan sabit yük, çekme HISC testleri, süper dupleks malzeme %0.5'lik bir ilk gerilime yüklenirse, sünme ve çatlak başlamasının çok hızlı bir şekilde gerçekleşeceğini ve sonunda önemli ölçüde daha yüksek bir arıza meydana geleceğini gösterdi düşük sıcaklık sürünmesinin bir sonucu olarak toplam gerinme. Tam ölçekli göbekler üzerinde yapılan testler, çatlakların bir kez başladıktan sonra, uygulanan yükte daha fazla artış olmadan yaklaşık 10 gün içinde kalınlık boyunca yayılabileceğini göstermiştir. Dolayısıyla, başarısızlık önlenecekse HISC'nin başlatılmasından kaçınılması gerektiği ve değerlendirme kriterinin HISC'nin başlatılması için eşik başlangıç gerilimi veya gerinim ile ilgili olması gerektiği sonucuna varıldı.
DNV RP F112, tasarıma muhafazakar bir yaklaşım sağlamak için bu ve diğer verilere dayanmaktadır. Bununla birlikte, borular da dahil olmak üzere bazı ürün biçimlerinin, daha ince östenit aralığı nedeniyle HISC'ye kaba taneli dövme malzemelerden önemli ölçüde daha dirençli olduğunu gösteren veriler mevcuttur. RP F112, endüstriden yeniden üretilemez ve dolayısıyla yanlış anlaşılmalara açık olduğuna dair anekdotsal kanıtlarla tanınan bir standardın konusu olmayan bir ostenit aralığı ölçümüne dayandığından, bu daha ince aralığın avantajının güvenilir bir şekilde alınmasına izin vermez. -yorum. DNV RP F112 hazırlandığında mevcut verilerde, (i) tipik deniz dibi sıcaklığında ve ortam basıncında test edilen küçük ölçekli numuneler ile çalışan gerçek bileşenler, yani yüksek çalışma sıcaklığında ve basınç ve (ii) ince taneli boru malzemesi için tam ölçekli testler.
Önerilen Makale: Çelik malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
dkp sac sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Deneysel Prosedür
Giriş
Oldukça iri taneli süper dupleks paslanmaz çelikten alınan çekme numuneleri üzerinde küçük ölçekli HISC testleri gerçekleştirilmiştir. Testler 30 günlük bir süreye sahipti ve -1100mVSCE potansiyelinde gerçekleştirildi. Karşılaştırmalı testler 20 ve 80°C'de (1 bara) ve 1 ve 100bara'da (20°C) gerçekleştirilmiştir.
Büyük ölçekli dört noktalı bükümlü HISC testi, maksimum altı ayı aşan ince taneli çevre kaynaklı ve köşe kaynaklı dikişsiz borular üzerinde gerçekleştirilmiştir. Artık stres ölçümleri testten önce yapılmıştır. Test, deniz suyunda katodik koruma altında -1100mV'de yapıldı ve test sırasında kaynaklı boru üzerinde farklı konumlarda gerinim kaydedildi. Görsel inceleme, boya penetran muayenesi, metalografik ve fraktografik çalışmalar yapılmıştır.
Malzemeler
Malzeme A, oldukça tutarlı ostenit ada boyutu ile oldukça kaba hizalı bir ostenit yapısına sahipti. Malzeme B'nin 'birincil' kaba, hizalı östenit yapısı ve iri birimler arasında daha ince, rastgele eş eksenli 'ikincil' ostenit adaları vardı. Östenit aralığı ölçümleri bu malzemede (i) tüm östenit dahil ve (ii) yalnızca kaba birincil östenit aralığını yansıtmak, yani ince ikincil östenit ihmal edilerek yapılmıştır.
Küçük Ölçekli HISC Testlerinde Sıcaklık ve Basıncın Etkisi
Uzunlamasına yönde işlenen numuneler ile malzeme A (%25Cr süper dupleks çubuk) üzerinde iki seri sabit yük çekme HISC testi gerçekleştirilmiştir; ön şarj ve testler, doğal deniz suyunda -1100mVSCE'de ve 20 ve 80°C'de 1 bara basınçta yapılmıştır. Ag/AgCl referans elektrotunun soğuk tutulabilmesi için bir tuz köprüsü kullanıldı.
İlave sabit yük HISC testleri, -1100mVSCE'de, 20°C'de, malzeme A (uzunlamasına işlenmiş numuneler) üzerinde doğal deniz suyunda, ön şarj ve 100 bara'da test ile gerçekleştirilmiştir. Otoklav nitrojen ile basınçlandırılmıştır. Bir Ag/AgCl referans elektrotu kullanıldı. Numuneler, oda sıcaklığında ve basıncında (sırasıyla 749 ve 553 MPa) belirlendiği gibi, 30 gün içinde çatlak ilerlemesi ve başlaması için eşik gerilmeleri civarında gerilmeye tabi tutulmuştur. EFC 17'de açıklandığı gibi, numuneler üzerinde ölçülen uygulanan strese dahili otoklav basıncı için izin verildi.
Testten sonra numunenin hidrojen içeriği vakumlu sıcak ekstraksiyon ile ölçüldü ve test sonunda başarısız olmayan numuneler üzerinden metalografik kesitlerde çatlak sayıları ve derinlikleri ölçüldü.
Tam Ölçekli Kaynaklı Boru Testleri
B malzemesinde (%22Cr duplex), 4m uzunluğunda, 15mm et kalınlığında ve 168mm dış çapta boru numuneleri, amaca yönelik, dört nokta bükümlü bir yük çerçevesinde tam ölçekli testler için kullanıldı. İki örnek kaynak geometrisi incelenmiştir:
(i) orta uzunlukta çevresi kaynaklı bir boru.
(ii) bir anot bağlantı pedini simüle eden, orta uzunlukta dairesel bir yamaya iç köşe kaynağı olan bir boru. GW1 ve GW2 olarak adlandırılan çevre kaynaklı borular, Zeron 100X süper dupleks dolgu teli kullanılarak mekanize TIG (boru yatay ve döndürülmüş halde) ile kaynaklanmıştır. FW1 olarak adlandırılan köşe kaynaklı boru, benzer tel kullanılarak manuel TIG ile kaynaklanmıştır.
Kaynak ucu/HAZ alanlarında merkez delik delme tekniği kullanılarak testten önce artık gerilimler ölçülmüştür. Konumlar, sonraki test üzerindeki etkiyi en aza indirecek şekilde seçildi. Kaynaklı borular, potansiyostat tarafından uygulanan -1100mVSCE potansiyeline sahip 10°C sıcaklıkta doğal, akan deniz suyu içeren kaynak alanı etrafına monte edilmiş bir hücre ile test edilmiştir. Borular, testten önce yedi gün boyunca yük uygulanmadan önceden doldurulmuştur. GW1 ve FW1 borularına uygulanan yük, daha sonra makroskopik çatlak gelişimi için eşik yükünü belirlemek üzere kademeli olarak artırıldı. Her yükleme aşaması yedi gün boyunca muhafaza edildi ve boru, bir binoküler mikroskop kullanılarak çatlamanın başlangıcı açısından incelendi. Yedi gün maruz kaldıktan sonra, uygulanan yük arttırıldı ve prosedür, çatlama başlayana kadar tekrarlandı. Test sırasında gerinim kaydetmek için borular gerinim ölçere tabi tutulmuştur. İlk iki testten yaklaşık bir eşik yükünün belirlenmesinin ardından, kolan kaynaklı boru GW2, kaynaktan uzaktaki gerinim ölçerlerde ölçüldüğü ve 6 aylık bir süre boyunca tutulduğu gibi %0.5 toplam gerinim verecek şekilde yükleme ile test edildi. Kaynaklı borular, test sonunda boya penetrant muayenesi (DPI) ile kaynakta ince çatlak olup olmadığını tespit etmek için incelendi ve DPI tarafından belirlenen ilgili alanlardan kesitler alındı.
Kaynak uçları için gerilim konsantrasyon faktörleri (SCF'ler), kaynak geometrilerinin karşılaştırılması ve TWI'de gerçekleştirilen önceki sonlu elemanlar analizine dayalı olarak tahmin edilmiştir. İncelenen iki kaynak geometrisi aşağıdaki tahmini SCF'lere sahipti:
(i) çevre kaynaklı borular. SCF yaklaşık 2.6 ±0.2 idi. Alıntılanan hatalar, FE modellerine kıyasla gerçek kaynaklarda geometri değişkenliğine izin verir. Alın kaynağının ucundaki SCF'yi belirleyen ana değişkenler, kaynak parmağındaki açı ve kaynağın genel profilidir. Kolan kaynakları için, uç açısı yaklaşık 45 derece olarak ölçülmüş ve kaynak taşması dairesel bir yay şeklinde kabul edilmiştir.
(ii) köşe kaynaklı boru. SCF 2,8 ±0,2 olarak tahmin edildi. Buradaki ana değişkenler, uç açısı ve kaynak ayağı uzunluğu ile plaka (boru) kalınlığı arasındaki orandır. Burun açısı 20-25°, bacak uzunluğu 8mm ve plaka (boru) kalınlıkları sırasıyla 15mm idi.
Sonuçlar
Sıcaklık ve Basıncın Etkileri
Uygulanan gerilim açısından, numunenin 30 gündeki kırılma eşiği 80°C'de 20°C'ye göre yaklaşık %3 daha düşüktü, ancak çatlak başlangıcı için gerilimde azalma olmadı (yani kalınlık boyunca yayılmayan küçük çatlakların oluşumu) ) 30 gün içinde bulundu. Eşdeğer veriler, 80°C'de çatlama için gerinimdeki benzer küçük bir azalmayı göstermektedir. Bununla birlikte, E malzemesinin %0,2 uzama gerilimi, 80°C'de 20°C'den (sırasıyla 530 ve 608MPa) yaklaşık %13 daha düşüktü; bu, 20°C'de HISC çatlak başlatma ve yayılma eşiklerinin 80°C'den daha düşük olduğunu gösterir. , normalleştirilmiş gerilim, yani uygulanan gerilimin %0,2 uzama gerilimine bölünmesiyle ele alındığında.
1 ve 100 bara'da HISC testi, deniz suyunda 1 ve 100bara'da, 20°C'de ve -1100mVSCE'de %25Cr süperdupleks malzeme A'nın küçük ölçekli çekme HISC testinin sonuçlarını sunar. 100bara'da çatlak ilerlemesi için stres eşiğinde yaklaşık %4'lük bir azalma kaydedildi, ancak çatlak başlangıcı için eşik stresinde herhangi bir azalma kaydedilmedi. Bununla birlikte, 100bara'da daha az test yapıldığı ve eşik değerlerinin 1bara'dan daha az kesin olarak belirlendiği belirtilmelidir. Bu nedenle, çatlak başlama eşiğinde küçük bir kayma olması mümkündür, ancak %5'ten fazla olamaz.
Son test karakterizasyonu 80°C'de 20°C'ye kıyasla, 5 ila 8 faktörü ile önemli ölçüde daha yüksek hidrojen alımı gözlemlenirken, ölçümler, 1bara'ya kıyasla 100bara'da hidrojen alımında yaklaşık iki kat artış gösterdi ( her ikisi de 20°C'de). 80°C'de 20°C'ye göre çok daha fazla çatlak oluştuğu, ancak sıcaklığın 80°C'ye yükseltilmesinin çatlak derinliğini azalttığı görüldü. Artan basınç, belirli bir gerinim için çatlak derinliğini arttırdı.
Kaynaklı Borularda Tam Ölçekli HISC Testleri
Artık gerilim 453 MPa'lık bir maksimum çekme artık gerilimi, füzyon hattından yaklaşık 2 mm uzaklıkta çevre kaynaklı boru GW1'in HAZ'ında ölçülmüştür. GW1 borusunun HAZ'ında 447MPa ve 309MPa'lık maksimum çevresel ve eksenel çekme artık gerilmeleri gözlendi. GW2 borusunun HAZ'ında maksimum 392MPa'lık bir maksimum çekme artık gerilimi ölçülmüştür ve maksimum çevresel ve eksenel çekme artık gerilimleri 389MPa ve 279MPa'dır. Köşe kaynaklı FW1 borusu için, füzyon hattından yaklaşık 1.5 mm uzaklıkta HAZ'da 404 MPa'lık bir maksimum çekme artık gerilimi ölçülmüştür.
Eşik yükünü gösteren ana malzeme B. Küresel gerinim, yani gerilim konsantrasyonlarından uzak, test sırasında sabitti ve göstergelerde düşük sıcaklık sürünmesi nedeniyle herhangi bir gerilme gözlemlenmedi.
%0,63 gerilmede yedi gün sonra, 584MPa nominal boylamasına gerilime karşılık gelen hiçbir çatlama gözlemlenmedi. Eşdeğer normalleştirilmiş gerilim (%0,2'lik dayanıklılık gerilimine göre) 1,05'tir. Çatlama, 601MPa nominal gerilime (normalleştirilmiş gerilim = 1.08) karşılık gelen %0.85'lik bir gerinim seviyesinde (kaynak ucundan uzakta ölçülmüştür) 12 saatten kısa bir süre sonra meydana geldi. GW1 borusundaki arıza, kaynak ucunda meydana geldi ve HAZ yoluyla ana malzemeye yayıldı.
Altı ay boyunca çatlama olmadan bir yükte test edilen GW2 borusu için uygulanan yük, kesikli çizgi ile gösterilir (kaynak başlığının ucu - mastar 6'dan 125 mm ölçülmüştür). Kaynak ucundan uzakta ölçülen maksimum toplam gerilim, 571MPa'lık bir gerilime ve 1.03'lük normalleştirilmiş bir gerilime karşılık gelen %0.5'in biraz üzerindeydi.
Tartışma
Çalışma Koşulları
Sıcaklığın 80°C'ye yükseltilmesi ve basıncın 100bara'ya yükseltilmesi, 30 gün içinde numune arızası için eşik stresini düşürme eğilimindeydi, ancak küçük çatlak başlangıcı üzerinde çok az veya hiç etki bulunmadı. 80°C'de uzama geriliminin azalması dikkate alındığında, normalleştirilmiş gerilim açısından çatlama davranışı iyileşir, ancak HISC'ye duyarlılığın 80°C'de önemli ölçüde değişmediği sonucuna varılır. Basıncın hidrojen alımı üzerindeki etkisinin mekanizması, bir etki H atomlarının rekombinasyonunu inhibe etmek olsa da, hemen belli değildir. Hidrojen toplanmasını artıran koşulların numune arızasını, yani çatlak yayılmasını artırma eğiliminde olduğu, ancak en azından incelenen süreler için çatlak başlangıcı üzerinde çok az etkisinin olduğu görülmektedir. Artan yüzey hidrojen içeriğinin HISC başlatmasını önemli ölçüde etkilemediği gerçeği, yüzey hidrojen seviyesinin 20°C ve 1bara'da kolay çatlak başlatma için zaten yeterince yüksek olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, çatlak yayılımı üzerinde basıncın daha büyük ama yine de oldukça küçük bir etkisi kaydedildi. Bu, daha yüksek bir yüzey konsantrasyonundan kaynaklanan artan hidrojen seviyesi yeraltı ile tutarlıdır (hidrojen difüzyon katsayısı değişmez).
Artan sıcaklığın etkisi basit değildir. Daha yüksek sıcaklıklarda daha yüksek şarj akımı yoğunlukları bulunduğundan, 80°C'deki yüzey hidrojen konsantrasyonunun 20°C'dekinden çok daha yüksek olması beklenir ve bu, 80°C'de daha fazla sayıda yüzey çatlağının nedeni olabilir. 20°C'ye kadar. Hidrojen difüzyonu da 80°C'de daha hızlıdır, bu da daha yüksek yeraltı hidrojen içeriğine yol açar. Ancak bu, 80°C'de daha büyük çatlak derinliklerine yol açmadı. Bunun olası bir açıklaması, yayılmanın, en azından kısmen, yalnızca çatlağın önündeki hidrojen penetrasyon hızından ziyade ostenit yapısı tarafından kontrol edilmesi olabilir.
Tam Ölçekli Boru Davranışı
Çalışma, -1100mVSCE'de katodik olarak korunan, ince östenit aralığına sahip tam ölçekli kaynaklı dubleks paslanmaz çelik boruların, her ikisi de -1100 mVSCE'de katodik olarak korunan, %0,2'lik toplam gerilmeye eşdeğer, %0,2'lik bir toplam gerilmeye eşdeğer olan, her ikisi de 2.6-2.8 SCF ile bir kaynakta HISC başlangıcından önce herhangi bir stres yoğunlaştırıcı. Köşe kaynaklı ve çevre kaynaklı borular arasında sadece küçük farklılıklar gözlendi. Boru testi kırılma yükleri, bir stres yoğunlaştırıcıda sadece %0.25'lik bir uygulanan gerilim altında başarısız olan iri taneli süper dubleks dövme parçalarınkinden önemli ölçüde daha fazladır. HISC'nin başlaması ve ardından yayılması, görünüşe göre büyük ölçekli numunelerde çok benzer streste meydana geldi. SCF ile kaynak ucundaki yerel koşullar arasında basit bir ilişki olmadığı için, yerel düşük sıcaklık sürünmesinden etkilenecek olan kaynak ucundaki gerilim ve gerinim bilinmemektedir. İş başlangıçta üstlenildiğinde, sonuçları daha fazla analiz etmek için herhangi bir fırsat veya güçlü bir ihtiyaç yoktu, ancak şimdi kaynak ucundaki stres ve gerinmeyi modelleme ve RP F112 izin verilen yükleme ile karşılaştırma fırsatı var.
Kalan Sorunlar: Geliştirilmiş hisc direncine ve yüzey altı kusurlarına sahip malzemeler
RP F112, HISC'den kaçınmak için tasarımda ileriye doğru büyük bir adımı temsil eder. Bununla birlikte, bazı ürün formları için, örneğin ince taneli dövme borular için gereğinden fazla muhafazakar olabilir, çünkü kısmen, öncelikle çok iri taneli süper dupleks dövme malzemesi verilerine karşı doğrulanmıştır ve kısmen de artık gerilimin etkisine ilişkin muhafazakar varsayımlarda bulunur. Bu, endüstriden bazı bileşenlerin gereğinden fazla tasarlandığına dair raporlara yol açarak gereğinden daha kalın, daha ağır ve daha pahalı bileşenlerin üretilmesine yol açtı. Bununla birlikte, borular da dahil olmak üzere bazı ürün biçimleri, en azından kısmen daha ince östenit aralığı nedeniyle, HISC'ye kaba taneli dövme malzemelerden önemli ölçüde daha dirençlidir. RP F112, östenit aralığı <30µm olan malzemeler için bu gelişmiş HISC direncinin avantajına izin verirken, kabul edilmiş bir standardın konusu olmayan östenit aralığının mikroyapısal ölçümüne dayandığından kalifikasyon süreci sağlam değildir, ve östenitin hizalanması ve en boy oranı gibi diğer faktörler dikkate alınmaz. RP F112'de açıklanan ostenit aralığı ölçüm prosedürünün tekrarlanabilir olmadığına ve bu nedenle örneğin 'ince eş eksenli ostenit' kümelerinin tedavisi ile ilgili olarak yanlış yorumlanmaya açık olduğuna dair kanıtlar vardır. Geliştirilmiş HISC direncine sahip malzemeler için sağlam bir yeterlilik testinin geliştirilmesi faydalı olacaktır.
RP F112, yeni tasarımlarda, belirsizlik alanlarında ve 'kritik' öğelerde kaynakların hatasız olmasını önerir. Ne yazık ki birçok ürün bu kategorilere girer ve gerekli incelemenin yapılması genellikle zordur ve kusurları giderme ihtiyacı gereksiz onarımları zorunlu kılabilir. Buradaki endişe, bu tür bileşenlerin, örneğin, özellikle dış yüzeyden esas olarak hidrojen girişine maruz kalan bileşenler için, başlangıçta sığ hidrojen yüklü, stresli bölgenin dışında yer alırlarsa, hidrotesti ve erken hizmet yüklemesini geçebilmeleridir. Bununla birlikte, bu tür kusurlar, hidrojen yüklü, stresli, yakın bir bölgede tamamen veya kısmen kapsüllenirse, orta ila uzun vadede başarısızlık riski vardır. Hidrojen zamanla bir malzemeye daha fazla yayıldıkça, bu tür gömülü kusurlardan kaynaklanan arıza riski artacaktır.
RP F112, hidrojen uzun bir süre boyunca onlara difüze olduğu için dubleks paslanmaz çelikte gömülü kusurlara uygulanabilir kırılma tokluğu hakkında güvenilir veri bulunmadığından, kusurlarla başa çıkmak için muhafazakar bir yaklaşım benimsiyor.
CP ile deniz suyunda şarja maruz bırakılan dubleks/süper dubleks kaynaklar üzerindeki yavaş gerinim oranı kırılma tokluğu testleri, 0,05 mm kadar düşük CTOD değerleri verir. Ancak, gömülü kusurlardan kaynaklanan hiçbir HISC arızasının rapor edilmemiş olması, bu değerlerin uygun olmadığını ve bu tür kusurlarla ilgili kırılma tokluğunu ölçmek için daha fazla çalışmanın gerekli olduğunu göstermektedir. Katkıda bulunan faktörler arasında gömülü bir kusurdaki hidrojen konsantrasyonu, düşük sıcaklıkta sürünme ve çatlak ucu keskinliği bulunur.
Sonuç ve Öneriler
Süper dupleks paslanmaz çeliğin HISC'ye duyarlılığı, 80°C'de önemli ölçüde daha yüksek hidrojen alımına rağmen, 20°C'den yaklaşık 5 ila 8 kat daha yüksek olmasına rağmen, 20 ve 80°C'de büyük ölçüde benzerdir.
Basıncın 100bara'ya yükseltilmesi, HISC çatlak ilerlemesi için eşik stresinde mütevazı bir azalma sağladı, ancak çatlak başlangıcı üzerinde hiçbir etkisi olmadı. Hidrojen alımı, 20°C'de 1bara'ya kıyasla 100bara'da yaklaşık iki kat daha yüksekti.
İnce östenit aralıklı büyük ölçekli kaynaklı %22Cr boruların HISC için eşik gerilimi, %0,5'lik bir gerilime eşdeğer, kaynaktan uzakta ölçülen %0,2 uzama geriliminin 1,03 katıydı. RP F112 izin verilen yüklerle karşılaştırmak için bu verileri yeniden analiz etme fırsatı vardır. İri taneli süper dupleks dövme parçalar üzerinde önceki tam ölçekli testlerle karşılaştırma, mikro yapının etkilerinin daha iyi anlaşılmasına yardımcı olacaktır.
<30µm ostenit aralığı ile ilişkili, geliştirilmiş HISC direncine sahip bir malzemeyi nitelendirmek için güvenilir ve tekrarlanabilir bir yönteme ihtiyaç vardır.
Bir kusur dış yüzeye yeterince yakınsa, hidrojen zamanla uçlarından birine yayılabilirse, teorik olarak bu HISC'ye yol açabilir. Ancak, bu tür özelliklerden kaynaklanan herhangi bir arıza bildirilmemiştir, bu da test ile hizmet durumu arasında bir tutarsızlık olduğunu düşündürür. Bu nedenle, gelecekte bu tür kusurlardan kaynaklanan başarısızlık olasılığının ölçülmesi ve değerlendirilmesi gerekir.
