ترک ناشی از هیدروژن در آلیاژهای فولاد و تست آن

 Vote: 1 person
ترک ناشی از هیدروژن (HIC) در فولاد

ترک ناشی از هیدروژن (Hydrogen-Induced Cracking) یا به اختصار (HIC) یک اتفاق رایج در بسیاری از فلزات آهنی و غیر آهنی، از جمله انواع آلیاژهای فولاد و آلیاژ نیکل است. این مکانیسم ترَک، ناشی از فوگاسیته هیدروژن است. برای ساخت لوله‌ها و ورق‌های فولادی که در ساخت خطوط لوله نفت، گاز و آب و همچنین مخازن تحت فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند، لازم است ترکیب شیمیایی در ساخت آلیاژ فولادی طوری لحاظ شود که از HIC جلوگیری شود. آلیاژهای فولادی که به این منظور ساخته می‌شوند، پیش از استفاده در فرایند تولید لوله و ورق، آزمایش می‌شوند. این آزمایش به تست HIC معروف است. جهت دریافت اطلاعات بیشتر، با آنلاین سازه همراه باشید.

فرایند ترک ناشی از هیدروژن در فولاد

ترک ناشی از هیدروژن چیست؟

انواع آلیاژهای فولادی از جمله فولاد پر کربن و فولاد کم کربن، زمانی که در معرض محیط‌های ترش قرار می‌گیرند مستعد ایجاد ترک‌‌هایی خواهند شد. این ترک‌ها در اصطلاح ترک خوردگی ناشی از هیدروژن (HIC)  نام دارد. منظور از محیط ترش، محیط های حاوی سولفید است. در حضور آب و سولفید هیدروژن، اتم هیدروژن آزاد می‌شود. این هیدروژن وارد فولاد شده، با آن واکنش داده و ترکیبات هیدروژنی (گازی و مولکولی) تشکیل می‌دهد. فشار گاز هیدروژن باعث ایجاد ترک‌های داخلی موضعی می‌شود که به ترک‌های ناشی از هیدروژن معروف هستند.

ترک های ناشی از هیدروژن یک مسیر خطی یا پلکانی را در داخل ماده دنبال می‌کند. از این رو با اصطلاح "ترک گام به گام" نیز شناخته می شوند. با این حال، تحت تنش و شرایط خاص، ترک‌ها را می‌توان در یک آرایه نردبان‌ مانند به نام ترک‌های ناشی از هیدروژن مبتنی بر استرس (SOHIC) نیز طبقه بندی کرد. این شکل از ترک اغلب در ناحیه جوش‌ها دیده می شود.

هر ماده دارای یک تنش آستانه‌ای است. این مورد در رابطه با آلیاژهای فولادی نیز صادق است و برای بسیاری از آلیاژهای فولادی، یک نقطۀ تنش به نام تنش آستانه‌ای وجود دارد. در پایین‌تر از این تنش، ترک ناشی از هیدروژن رخ نمی‌دهد. این آستانه تابعی از میزان استحکام فولاد و محیط خاص حامل هیدروژن است. بنابراین، تنش آستانه یا شدت تنش برای HIC یک ویژگی مادی در نظر گرفته نمی‌شود. به طور کلی، تنش آستانه با افزایش استحکام تسلیم و استحکام کششی یک آلیاژ کاهش می‌یابد. ترک خوردگی ناشی از هیدروژن با جذب هیدروژن و تاخیر در زمان شکست (دورۀ نهفتگی) همراه است که طی آن، هیدروژن به سمت مناطقی که تنش سه محوری آن بالاست پخش می‌شود.

حالات شکستگی ناشی از ترک‌های هیدروژنی، می‌تواند از قسمت‌های درگیر، به بخش‌هایی از مقطع فولادی که در ظاهر سالم هستند نیز سرایت کند و در آنجا ترویج شود. بنابراین، انواع مختلفی از الگوهای ترک وجود دارد. تنش هیدروژنی بر خلاف خوردگی و ترک‌های تنشی(SCC)  که به صورت انشعابات گسترده ظاهر می‌شود، ترک‌های تکی نیز ایجاد می‌کند.

 

ترک ناشی از هیدروژن چیست؟

تست ترک ناشی از هیدروژن (HIC)

ترک خوردگی فاجعه بار فولادها در محیط های سولفید هیدروژن (H2S) که به آن ترک استرس سولفیدی گفته می‌شود، یک مورد خاص از ترک خوردگی استرس هیدروژنی است. تست‌های HIC برای ارزیابی دقیق حساسیت تجهیزات فولادی در محیط‌های عملیاتی مرطوب H2S/Sour Service مانند صنعت نفت و گاز ارائه می‌کند. به منظور ارزیابی مقاومت در برابر ترک ناشی از هیدروژن فولاد خط لوله و مخازن تحت فشار، این تست‌ها لازم است. آزمایش ها باید از یک استاندارد خاص تبعیت کند؛ در این مورد آزمایش‌ها معمولاً مطابق استاندارد NACE TM0284 انجام می‌شود.

برای تست HIC از محلول‌های خاصی استفاده می‌شود. در این مورد، دو محلول تست استاندارد وجود دارد:

  • محلول A: شامل محلول کلرید سدیم و محلول اسید استیک که در دما و فشار محیط با H2S اشباع شده است.
  • محلول B: شامل محلول مصنوعی آب دریا که در دما و فشار محیط، با H2S اشباع شده است.

نمونه‌های فولادی می‌بایست در دمای 3±25 درجه سانتی‌گراد (5±77 درجه فارنهایت) در این محلول‌های آزمایشی غوطه‌ور شوند. سپس به مدت 96 ساعت در محلول‌ها باقی بمانند. پس از طی شدن این مدت زمان، نمونه‌ها را از محلول آزمایش خارج کرده و ترک‌هایی که در آن‌ها ایجاد شده است را اندازه‌گیری می‌کنند.

برای ارزیابی مقاومت فولاد در برابر HIC لازم است تا سه پارامتر اصلی محاسبه شود. این پارامترها عبارتند از:

  1. نسبت حساسیت به ترک (CSR)
  2. نسبت طول ترک (CLR)
  3. نسبت ضخامت ترک (CTR)

استاندارد و گرید لوله های فولادی مقاوم به ترک ناشی از هیدروژن

با توجه به مواردی که در بالا گفته شد، بدیهی است که در صنعت لوله‌کشی به ویژه در لوله‌های آب، گاز و نفت، آلیاژهایی باید در ساخت لوله‌ها استفاده شود که در برابر  ناشی از هیدروژن موجود در محلول ها مقاوم باشند. استانداردها و گریدهایی از آلیاژهای فولادی که می‌توان در این زمینه برای ساخت لوله‌ها استفاده کرد عبارتند از:

  • API 5L Grade X60, X65, X70
  • ASTM A516 Grade 60, 65, 70
  • ASTM A420 WPL6
  • ASTM A333 Gr.6
  • ASTM A860 WPHY60, WPHY65, WPHY70
  • ASTM A694 Gr. F60, F65, F70
ساخت مخازن تحت فشار با فولادهای مقاوم به ترک

صفحات فولادی مقاوم در برابر HIC

از صفحات فولادی مقاوم در برابر HIC برای ساخت مخازن تحت فشار استفاده می‌شود. در واقع می‌توان گفت این صفحات به دلیل مقاومت در برابر خوردگی‌های ناشی از سولفید هیدروژن، بسیار حیاتی و مهم هستند. وجود گوگرد در نفت و گاز، یک واقعیت اجتناب‌ناپذیر است. این موضوع به ویژه در مورد نفت و گاز ترش که مقادیر بالاتری گوگرد دارند، حیاتی‌تر است. ورق‌های فولادی مقاوم در برابر ترک خوردگی‌های ناشی از هیدروژن با ترکیبات خاصی ساخته می‌شوند. نمونه‌ای از ترکیبات شیمیایی مورد استفاده جهت ساخت این آلیاژ مقاوم در جدول زیر ارائه شده است.

ترکیب شیمیایی ورق های فولادی HIC بر اساس استاندارد JIS

نتایج تست HIC ورق های فولادی استاندارد JIS

لطفا به این مطلب امتیاز دهید و ما را در بهینه کردن مطالب یاری نمایید.
one star rate
%0
two star rate
%0
three star rate
%0
four star rate
%0
five star rate
%100
 میانگین رای: 1 نفر

نظرات ( 0 )


ارسال پیام