اثر هیدروژن بر خواص مکانیکی فلز جوش فولاد خط لوله

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 بخش مهندسی مواد، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشکده فنی انقلاب، دانشگاه فنی و حرفه‎ای، تهران، ایران

10.22078/pr.2018.3343.2535

چکیده

در این پژوهش، اثر هیدروژن بر خواص مکانیکی فلز جوش فولاد خط لوله X65 بررسی شده است. خطوط لوله حاوی سیالاتی مانند گاز ترش است که اتم‎های هیدوژن و سایر مواد آسیب زا به فلز پایه و فلز جوش دارند. در این پژوهش شارژ هیدروژن جهت نفوذ اتم‎های هیدروژن به درون ماده به‎روش پیش‎شارژ الکتروشیمیایی با گاز هیدروژن و غوطه‎وری در محلول انجام شد. مطابق نتایج به‎دست آمده در این پژوهش، استحکام تسلیم فلز جوش حاصل از روش الکترود دستی، در حضور هیدروژن 16% افزایش و سختی آن به‎طور میانگین در دو حالت شارژ هیدروژن به‎روش مستقیم و غیرمستقیم 10% افزایش داشته است. این افزایش نشان‎دهنده سخت شدگی است. درصد ازدیاد طول تا زمان شکست 28% و درصد شکست نرم 60% کاهش داشته است که نشان‎دهنده شکست ترد در حضور هیدروژن است. میزان هیدروژن حاصل آمده با روش اکسیداسیون الکتروشیمیایی هیدروژن درفلز جوش مقدار mol/cm3 6-10×5/1 گزارش شد که نسبت به سایر ریزساختارها مقدار قابل توجهی است. با توجه به مشاهدات ریزساختاری (که از طریق تصاویر میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی به‎دست آمد)، اطلاعات آماری فوق و گزارش‎های پیشین در این زمینه، می‎توان اینگونه برداشت کرد که هیدروژن با نفوذ خود در ریزساختار فلز جوش که بیشتر آن فریت سوزنی است، با قرار گرفتن در تانگل‎‌های نابه‎جایی، مرزدانه‎ها، رسوب‎ها و آخال‎ها سبب سخت‌شدگی و افت خواص فلز جوش می‎شود. در کل نتایج این پژوهش نشان می‎دهد هیدروژن بر خواص مکانیکی فلز جوش اثر مخرب می‎گذارد و سبب ایجاد عیوب هیدروژنی می‎شود. البته نمی‌توان از نقش ریزساختار فلز جوش در تاثیر هیدروژن بر خواص ماده چشم‌پوشی کرد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Hydrogen on Mechanical Properties of Pipeline Steel Weld Metal

نویسندگان [English]

  • Reza khatib zadeh davani 1
  • Reza Miresmaeili 1
  • Mohammadreza Soltanmohammadi 2
1 Department of Materials Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Enghelab Technical College, Technical and Vocational University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, the effect of hydrogen on the mechanical properties of pipeline steel weld metal was investigated. In pipelines, weld metal is a significant part, and this part especially has been evaluated because of the presence of sour gas containing hydrogen atoms and other hazardous solutes which can harm base metal and weld metal. In this research, hydrogen charging was carried out due to the diffusion of hydrogen atoms into the sample through electrochemical pre-charging and immersion in the solution method. According to the results obtained in this study, in the presence of hydrogen, the yield stress of weld metal in Shielded Metal Arc Welding (SMAW) increased by 16%, and hardness in both direct and indirect charging method increased by an average of 10%. In the presence of hydrogen, elongation was reduced by 28%, and the percentage of ductile fracture decreased by 60% which indicate the brittle fracture. The content of diffused hydrogen was 1.5E-06 mol/cm3 using the Electrochemical Oxidation of hydrogen method. This amount was higher than that of other microstructures. According to microstructures observation (which provided from Optical Microscope (OM), Scanning Electron Microscope (SEM) photos), previous information, and recent reports in this field, it can be inferred that hydrogen diffuses into weld metal microstructure, which most of this is acicular ferrite by residing in dislocation tangles, grain boundaries, precipitations, and inclusions, causes hardening and decreases properties of weld metal. Overlay, the results of this study indicate that hydrogen degrades mechanical properties of weld metals and causes hydrogen defects. Also, weld metal microstructure has a significant effect on materials degradation in the presence of hydrogen.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Weld
  • Microstructure
  • Hydrogen Charging
  • Mechanical Properties
  • Hydrogen Induced Cracking

[1]. رمضان‌خانی ع.، "جوشکاری خطوط لوله،" انتشارات قرن ، تهران 1391.##

[2]. Stroe M.,” Hydrogen Embrittlement of Ferrous Materials”, 2006.##

[3]. Latifi A., Miresmaeili R. and Abdollah Zadeh A., “The mutual effects of hydrogen and microstructure on hardness and impact energy of SMA welds in X65 steel,” Materials Science and Engineering A, Vol. 679, No. 2, January 2017.##

[4]. Ballesteros A., Ponciano J. and Bott I., “Study of the susceptibility of AP5L X80 girth welds to sulfide stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement,” 8th International Pipeline Conference IPC2010.##

[5]. Hardie D., Charles E. A. and Lopez A. H., “Hydrogen embrittlement of high strength pipeline steels,” Corrosion Science, Vol. 48 , pp. 4378–4385, 2006.##

[6]. Du X. S., Cao W. B., Wang C. D., Li S. J., Zhao J. Y. and Sun Y. F., “Effect of microstructures and inclusions on hydrogen-induced cracking and blistering of A537 steel,” Materials Science and Engineering A 642, pp. 181–186, 2015.##

[7]. Birnbaum K., “Mechanisms of hydrogen related fracture of metals,” Technical Report, pp. 1-18, 1989.##

[8]. Miresmaeili R., Liu L. and Kanayama H., “A possible explanation for the contradictory results of hydrogen effects on macroscopic deformation,” Int. J. Press. Vessel. Pip. 99–100, pp. 34–43, 2012.##

[9]. Bridgman P. W., “Studies in large plastic flow and fracture”, McGraw-Hill New York, 1952.##

[10]. Khatib Zadeh Davani R. and Miresmaeili R., Soltanmohammadi M., “Effect of thermomechanical parameters on mechanical properties of base metal and heat affected zone of X65 pipeline steel in the presence of hydrogen,” Materials  Science and Engineering A, Vol. 718, pp. 135-146, 2018.##

[11]. Lunarska E., Ososkov Y. and Jagodzinsky Y., “Correlation between critical hydrogen concentration and hydrogen damage of pipeline steel,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 22, No. 2–3, pp. 279-284, 1997.##

[12]. Ghomashchi R., Costin W. and Kurji R., “Evolution of weld metal microstructure in shielded metal arc welding of X70 HSLA steel with cellulosic electrodes: A case study,” Materials Characterization, Vol. 107, pp. 317–326, 2015.##

[13]. Koh S., Lee J., Yang B. and Kim K., “Effect of Molybdenum and Chromium Addition on the Susceptibility to Sulfide Stress Cracking of High-Strength, Low-Alloy Steels,” Corrosion, Vol. 63, pp. 220-230, 2007.##

[14]. Zhao Y., Seok M. Y., Choi I. C., Lee Y. H. and Park S. J., Ramamurty U., Suh J.Y., Jang J.i., “The role of hydrogen in hardening/softening steel: Influence of the charging process,” Scripta Materialia, Vol. 107: pp. 46-49, 2015.##

[15]. Jia H. A., Hung M. Richard H., Gangloff P. J. and Scully R., “Hydrogen diffusion and trapping in a precipitation-hardened nickel–copper–aluminum alloy Monel K-500 (UNS N05500),” Acta Materialia, Vol. 61, pp. 3186–3199, 2013.##

[16]. Kong J., Zhen L., Guo B., Li P., Wang A. and Xie C., “Influence of Mo content on microstructure and mechanical properties of high strength pipeline steel,” Material Design, Vol. 25 :pp. 723-728, 2004.##

[17]. Chu W. Y., Qiao L. J., Li J. X., Su Y. J., Yan Y., Bai Y., Ren X. C. and Huang H. Y., “Fatigue crack growth acceleration caused by irreversible hydrogen desorption in high-strength steel and its mechanical condition,” Materials Science and Engineering, Vol. 528, pp. 7729–7738, 2011.##

[18]. Robertson I. M., Birnbaum H. K., Sofronis P: Chapter 91 Hydrogen Effects on Plasticity. In: Dislocations in Solids. Edited by Hirth JP, Kubin L, Vol. 15, pp. 249-293, 2009.##

[19]. Salman A. and Duheisat A., “An Investigation of Mechanical Degradation of Pure Copper by Hydrogen,” Contemporary Engineering Sciences, Vol. 7, No. 4, pp. 165 – 178, 2014.##

[20]. Kim S. S., Lee E. W. and Shin K. S., “Effect of cathodic hydrogen charging on tensile properties of 2090 AL-LI alloy,” Vol. 22, pp. 1831-1834, 1988.##