Effetto dell’idrogeno sulle caratteristiche meccaniche di acciai al carbonio e basso legati

8/19/2019 Effetto dell’idrogeno sulle caratteristiche meccaniche di acciai al carbonio e basso legati

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Effetto dell’idrogeno sulle caratteristiche meccaniche di acciai

al carbonio e basso legati

P. Fassina - ENI, Divisione Exploration & Production

F. Bolzoni, F. Brunella, G. Fumagalli, L. Lazzari, G. Re - Politecnico di Milano,Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica “Giulio Natta”

L. Vergani, A. Sciuccati - Politecnico di Milano, Dipartimento di Meccanica

Energia e idrogeno

Le esperienze e le strategie europee. Il nuovo bando

energia del 7PQ. Le iniziative in Italia12 luglio 2012


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Effetto dell’idrogeno sulle caratteristiche meccaniche diacciai al carbonio e basso legati

• L’utilizzo di idrogeno come vettore energetico, e in particolare lagestione dei flussi d’idrogeno in fase di produzione, stoccaggio,trasporto e distribuzione, può influenzare notevolmente le proprietàdei materiali utilizzati

• l’atomo d’idrogeno, di piccole dimensioni, può penetrare ediffondere facilmente negli acciai, soprattutto quelli a matriceferritica, causandone l’infragilimento

• Nella presentazione sono riassunti i risultati di una ricerca finanziata

da ENI, Divisione Exploration and Production, in particolare:• messa a punto di un metodo elettrochimico di carica di idrogeno• determinazione dell’effetto della presenza di idrogeno sullecaratteristiche meccaniche degli acciai, in particolare tenacità e

resistenza alla fatica.• Attualmente presso il Dipartimento CMIC è in corso una tesi di

Dottorato (studente: Ehsan Fallahmohammadi) per approfondire lacomprensione dei meccanismi di diffusione ed intrappolamentodell’idrogeno negli acciai

Introduzione


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Nella letteratura scientifica sono stati studiati in modo approfonditoalcuni meccanismi di interazione tra idrogeno atomico e materialimetallici, in particolare gli acciai, come:

• Attacco da idrogeno (curve di Nelson)• Corrosione sotto sforzo e corrosione fatica, sia con approccio

tradizionale sia con approccio della MFLE

Idrogeno e materiali metallici

Curve di Nelson (Graver D.L. (1985)

Corrosion data survey, NACE.

P. Pedeferri, Corrosione e protezione dei materiali metallici,Polipress, 2007. Corrosion Fatigue. Devereux O, McEvily AJ,

Staehle RW (eds.). NACE; 1972


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Durante la ricerca svolta presso il Politecnico di Milano è statomesso a punto un metodo di valutazione dell’effetto dell’idrogenosulle proprietà meccaniche che consiste in:

Carica elettrochimica

Conservazione dei provini in azoto liquido Prove meccaniche: valutazione delle tenacità e dellaresistenza a fatica del materiale con i metodi della meccanicadella frattura

Il metodo separa il momento di carica dell’idrogeno atomico entro ilmetallo e lo sviluppo degli effetti di infragilimentoVantaggi:

migliore controllo dei parametri: temperatura, velocità diapplicazione del carico, frequenza

superfici di frattura molto “pulite” (non corrose) chepermettono di ricavare interessanti osservazioni suimeccanismi di frattura

Idrogeno e materiali metallici


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• Acciaio micro-legato al C-Mn, grado API 5L X 65;

• acciaio basso legato F 22 2.5 Cr 1 Mo.

I campioni sono stati prelevati da tubazioni senza saldatura sottoposte a tempra

e rinvenimento.

Entrambi i materiali sono commerciali e specificati per condizioni “sour service”.

Materiali

ElementoAcciaio

C Mn Cr Mo Ni Nb V TiX65 0.11 1.18 0.17 0.15 0.42 0.023 0.06


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• L’acciaio microlegato X65 ha una microstruttura costituita da ferriteaciculare con carburi finemente dispersi. La microstruttura è piuttostoomogenea; la forma delle inclusioni è rotonda (inclusioni globulari ditipo D), non sono presenti inclusioni di forma allungata.

• La microstruttura dell’acciaio 2.5 Cr 1 Mo F 22 è martensiterinvenuta, grani ferritici allungati con carburi finemente dispersi. Lamicrostruttura è omogenea, la densità di inclusioni è molto bassa,sono presenti solo inclusioni sferoidali

Materiali

X65 F22


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Le condizioni di carica sono le seguenti:• soluzione 0.4 mol L-1 CH3COOH 0.2 mol L

-1 CH3COONa (pH 4.3),600 ppm S=

• soluzione deaerata• temperatura ambienteDensità di corrente catodica 6 A/m2 per 20 oreVolume della cella: 5L (provini Charpy) o 10-15 L (provini CT o di fatica)Materiale anodico: lega di magnesio

• Al termine della carica i campioni sono immersi in azoto liquido (inalternativa il campione è rivestito con Ni + Cu).

• E’ possibile caricare a cuore provini anche di spessore rilevante

(centimetri) con significative quantità d’idrogeno (0,6-2 ppm) in modoriproducibile.

Carica elettrochimica di idrogeno

F.Bolzoni, P. Fassina, G. Fumagalli, L. Lazzari, G.Re, proc. of Eurocorr 2010, Moscow.


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Prove di meccanica della frattura – X65

I valori di JQ (“tenacità”) diminuiscono con la temperatura in assenza di idrogeno,

Per i provini caricati con idrogeno i valori sono molto inferiori e rimangonopressoché costanti al variare della temperatura

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

-110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30

Temperature [°C]

J q

[ k J

/ m 2 ]

con idrogeno

senza idrogeno

X65

P. Fassina, F. Bolzoni, G. Fumagalli, L. Lazzari, L. Vergani, A. Sciuccati, Engineering Fracture

mechanics, Volume 81, page 43-55, ISSN 0013-7944, 2012.


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Prove di meccanica della frattura – F22

I provini lasciati per 24 ore a temperatura ambiente dopo la carica mostrano uncomportamento simile a quelli con idrogeno, con valori più elevati di JQ

La presenza di idrogeno diminuisce la componente plastica dell’integrale J

F220

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

-130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20

Temperatura [°C]

J q

[ k J

/ m 2 ]

senza idrogeno

con idrogeno

con idrogeno dopo 24 ore

P. Fassina, F. Bolzoni, G. Fumagalli, L. Lazzari, L. Vergani, A. Sciuccati, Engineering Fracture

mechanics, Volume 81, page 43-55, ISSN 0013-7944, 2012.


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Prove di propagazione a fatica – F22

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

10 100∆∆∆∆K [MPa*m

1/2]

d a / d N [ m m / c y c l e ]

Non caricati 20 Hz

caricati 10 Hz test 1

caricati 10 Hz test 2

caricati 1 Hz

La velocità della cricca di fatica aumenta, soprattutto a basse frequenze (migrazione

idrogeno) e a temperatura ambiente (velocità di diffusione dell’idrogeno)

T ambiente

P. Fassina, L. Lazzari, F. Brunella, G. Re, L. Vergani, A. Sciuccati, 11th International Conference on theMechanical Behavior of Materials, Procedia Engineering, Volume 10, 2011, Pages 3354 - 3361 ISSN

1877-7058


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Prove di propagazione a fatica – F22

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

10 100∆∆∆∆K [MPa*m

1/2]

d a / d N [

m m / c y c l e ]

non caricati T ambiente

con H -30°C 10 Hz test 1

con H 30°C 10 Hz test 2

con H -30°C 1 Hz test 1

con H 30°C 1 Hz test 2

-30°C

P. Fassina, L. Lazzari, F. Brunella, G. Re, L. Vergani, A. Sciuccati, 11th International Conference on the

Mechanical Behavior of Materials, Procedia Engineering, Volume 10, 2011, Pages 3354 - 3361 ISSN1877-7058

La velocità della cricca di fatica aumenta, soprattutto a basse frequenze (migrazione

idrogeno) e a temperatura ambiente (velocità di diffusione dell’idrogeno)


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Acciaio X65, provino CT caricato con idrogeno:

• Blunting meno evidente• propagazione stabile con meccanismo “a celle”, costituite da bordo

duttile e parte centrale di “quasi clivaggio”

• Propagazione instabile (clivaggio)

Prove di meccanica della frattura – X65


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Prove di propagazione a fatica – X65

con idrogeno (T ambiente, 10 Hz) a0 + 2 mm, x3000 (c) a0 + 9.5 mm, x50 (d);

inizialmente la frattura è più piatta e sono visibili faccette fragili e alcune “striaturefragili”

al crescere della profondità della cricca predomina la frattura cellulare

C

C

d

d

P. Fassina, L. Lazzari, F. Brunella, G. Re, L. Vergani, A. Sciuccati, 11th International Conference on theMechanical Behavior of Materials, Procedia Engineering, Volume 10, 2011, Pages 3354 - 3361 ISSN

1877-7058


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Modello di propagazione a fatica

E’ stato anche proposto un possibile modello cinetico originale nel qualela velocità di diffusione dell’idrogeno nella matrice prende il posto dellavelocità di corrosione sotto sforzo del modello classico di «Corrosionesotto sforzo-fatica» o «Stress Corrosion Fatigue»

A. Sciuccati, et al. , Effect of hydrogen environment on fatigue behaviour of high toughness steels, in:“Fatigue Crack Growth: Mechanisms, Behavior and Analysis”, NOVA 2012


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Diffusione ed intrappolamento dell’idrogeno

negli acciai

0

1

2

0 5 10 15 20

j H ( µ A c m - 2 )

time ( h )

Theo. (D= 2 10-11 m2 s-1)

Exper. transient

tb tlag

ji

0.63 jinf

E. Fallahmohammadi, G. Fumagalli, G. Re, F. Bolzoni, L. Lazzari, “Study on hydrogen diffusion inpipeline steels”, proc. of Eurocorr 2011


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Conclusioni

E’ stato messo a punto un metodo elettrochimico di carica di idrogenosu campioni standard per prove meccaniche.

Il contenuto di idrogeno diffusibile è compreso tra 0,6 e 2 ppm

Nelle prove di meccanica della frattura l’effetto dell’idrogeno è risultatosignificativo fino a -30°C

La presenza di idrogeno influenza la velocità di avanzamento dellacricca di fatica, soprattutto a basse frequenze e a temperatura

ambiente La velocità di avanzamento della cricca di fatica è il risultato di due

contributi Il primo, puramente meccanico, dipende dal carico applicato Il secondo dipende dall’idrogenoAll’aumentare di ∆K prevale l’effetto puramente meccanico

La superficie di frattura dei campioni contenenti idrogeno mostra unamorfologia diversa

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