ترک ناشی از هیدروژن چیست (HIC)؟

مکانیسم ترک ناشی از هیدروژن Hydrogen Induced Crack

ترکِ ناشی از هیدروژن (HIC)، به شکلی از ترکِ H2S مرطوب بوده که معمولا با تجمعِ غلظت بالای هیدروژن در فلزات ایجاد می گردد. این مکانیزم شامل هیدروژن اتمی بوده که در یک ساختار فلزی پخش می شود. ترکِ ناشی از HIC به موازات سطح در جهتِ تنشِ حلقه (قلاب) ایجاد می شود. ترک خوردگیِ ناشی از هیدروژن در محیط های خدماتی اسیدی به دلیل وجود H2S مرطوب، شایع تر است. برخی عوامل دیگر نیز وجود دارند که ممکن است به ترک خوردگیِ ناشی از هیدروژن کمک کنند. برخی از این عناصر : آرسنیک، آنتیموان، سلنیوم و سیانیدها هستند. با این حال، H2S مهمترین عنصر برای آسیب های ترک خوردگی ناشی از هیدروژن در صنعت نفت و گاز لحاظ می شود. HIC باعثِ آسیب های تاول زا به بسیاری از فلزها و آلیاژها می شود.

ترک خوردگی ناشی از هیدروژن ، به دلیل قابلیت لغزشِ محدودِ آن در ساختار BCC، در آلیاژهای آهنی رایج تر است. HIC، به طور کلی، باعث آسیب به فولادهایی با راکوِلِ (ROCKWELL) C ، سختی 22 یا بیشتر در دماهای نسبتا پایین می شود. HIC همچنین می تواند در طی فرایندهای مختلف با دمای بالا همچون آبکاری با استفاده از الکتریسیته، زنگ زدایی اسیدی (اسیدشویی)، فسفاته کاری، حفاظت کاتودی، جوشکاری قوس الکترولیکی و غیره رخ دهد. منحنی نلسون API مبنایی بر درک منطقه دمایی ارائه داده که در آن امکان HIC افزایش می یابد. در شکل2 این مقاله یک منحنی معمولی که ناحیه HIC وغیر HIC را نشان می دهد، ارائه شده است.

ترک ناشی از هیدروژن چیست؟ ناشی از حمله هیدروژن به فلز

ترک ناشی از هیدروژن به اسم های زیر نیز شناخته می شوند:

• آسیب هیدروژن
• تُردیِ هیدروژنی
• تاول زنی هیدروژنی
• ترک خوردگی با تاخیر
• پارگی لایه ای
• ترک زیر مهره ای
• ترک گام به گام

مکانیسم ترک ناشی از هیدروژن

در یک محیط مرطوب H2S، مکانیسم HIC با تشکیل هیدروژن اتمی شروع می شود که در سرتاسر فلز یا آلیاژ پخش شده و در حفره ها یا ناخالصی های درون ساختار فلز جمع می شود. زمانی که این اتم های هیدروژن ترکیب شده و مولکول هیدروژن را تشکیل می دهند، فشار بالایی در حفره ایجاد می شود. H2S این اتم های هیدروژن را وارد ساختار فلز کرده که به نوبه خود، مفتول پذیری و استحکام کششی فلز را کاهش می دهد. این مکانیسم به آرامی مفتول پذیری فلز را کاهش می دهد، به طوری که ترک های داخلی گام به گام ، که بعنوان ترکِ ناشی از هیدروژن شناخته می شوند، ایجاد می شوند.

EXHIBIT – ترک ناشی از هیدروژن

HIC اغلب بر روی سطح فلز به شکلِ نعل اسبی قابل مشاهده است. برای از بین بردنِ احتمال خوردگیِ ناشی از هیدروژن ، باید بازرسی و آزمایش منظم انجام شود. آسیب های ناشی از HIC را میتوان با بررسی ذراتِ مغناطیسی فلورسنتِ مرطوب تشخیص داد. برای قطعات ترک خورده، تستِ “اولتراسونیک آرایه فازی” ، پرکاربردترین و قابل اعتمادترین روش غیرمخرب است.

فولادهای کم آلیاژ و فولادهای نیکل و تیتانیوم با استحکام بالا ، بیشتر مستعدِ ترک خوردگی ناشی از هیدروژن هستند. فولادهای کم استحکام با استحکام کششی زیر 1000 مگاپاسکال معمولا به HIC حساس نیستند. مس، آلومینیوم و آلیاژهای آنها بیشترین مقاومت را در برابر HIC دارند.

الزامات مواد مقاوم در برابر HIC

الزامات برای کربن و فولادهای کم آلیاژ

• سختیِ ماده اصلی کمتر از 22 HRC (237 BHN)
• فولاد باید به طور کامل ارام شود.( سیلیکون / آلومینیوم)
• مواد باید با نرمال کردن / بازپُخت (تابکاری) / Q و T تحت عملیات حرارتی قرار بگیرند.
• محتوای کربن باید کمتر از 23/0 درصد و معادل کربن (CE= CARBON EQUIVALENT) کمتر از 43/0 درصد باشد.
• سولفور و فسفر کمتر از 002/0 درصد
• نیازهایی مانند کلسیم زنی، و کنترل گنجایش

الزامات فولاد ضد زنگِ استنیتی

سختی در مواد اصلی و اولیه باید کمتر از 22HRC باشد (237 BHN)
عملیات حرارتی توسط بازپختِ محلول

الزامات فولاد ضد زنگ دوگانه و فوق دوگانه

سختی در مواد اولیه کمتر از 25 HRC
عملیات حرارتی توسط بازپختِ محلول
فریت باید 35 تا 65درصد باشد.

تست ترک خوردگی ناشی از هیدروژن

تست HIC به دنبال NACE TM0284 انجام می شود. نمونه آزمایش HIC بدون تنش به مدت 96 ساعت (4 روز) در معرضِ محیطِ فرایندِ مشخص شده ،که با گاز سولفید هیدروژن در فشار 1 بار اشباع شده، قرار می گیرد. تناسب به هدف آزمایش برای مدت زمانِ حداکثر 30 روز اجرا شده که با استفاده از کاهش فشار جزئی سولفید هیدروژن انجام می شود. پس از پایان دوره در معرض بودن، نمونه ازمایش مورد بررسی قرار می گیرد و هرگونه ترکِ ایجاد شده اندازه گیری می شود. نسبت های معمولی که برای ازمایش های ترک خوردگی ناشی از هیدروژن استفاده می شوند، عبارتند از : نسبت حساسیت ترک، نسبت طول ترک و نسبت ضخامت ترک.

یک تست HIC دیگری نیز موجود است که به نام روش ” تست ترک خوردگی ناشی از هیدروژن مبتنی بر تنش (SOHIC) شناخته می شود. تست SOHIC با استفاده از روش تست حلقه کامل که در BS 8701 توضیح داده شده، به دنبال NACE MR0175 یا ISO 15156 انجام می شود. روش تست کششی، همانطور که در روشA از NACE TM0177 توضیح داده شده، یا روش خمشِ چهار نقطه ای همانطور که در NACE TM0316 ذکر شده.