Effect of Hydrogen on Fatigue Crack Growth in Modern Pipe Steels for Hydrogen Transport

Abstract

Det eksisterende olje- og gass-nettverket på norsk sokkel representerer i lys av den pågående energirevolusjonen fremtidige transportruter for hydrogen. Hydrogen er kjent for å svekke de mekaniske egenskapene til stål og kan derfor utgjøre en trussel mot den strukturelle integriteten til stålrørene. Ved å forstå og motvirke langtidseffekten av hydrogen på stålrør utsatt for gjentakende last, kan det allerede eksisterende nettverket ha stor betydning for fremtidig hydrogentransport. Hensikten med denne oppgaven er å bedre forstå mekanismene bak økt sprekkveksthastighet i moderne stålrør.

To X65-stål, med henholdsvis ferrittisk-perlittisk båndstruktur og finkornet, homogent fordelt bråkjølt og herdet mikrostruktur har blitt utmattingstestet. Effekten av elektrokjemisk hydrogenlading på sprekkveksthastigheten ble deretter bestemt gjennom å plotte sprekkveksthastigheten mot spenningsintensintetsspekteret og gjennom undersøkelser av bruddoverflaten.

De resulterende kurvene viste at sprekkveksthastigheten i de hydrogenpåvirkede prøvene økte raskt med spenningsintensiteten opp til ca 16 MPam^(1/2) før sprekkveksthastigheten nådde et platå med svak økning. Effekten av hydrogen var dermed mest fremtredende ved en mellomliggende spenningsintensitet og ga en sprekkveksthastighet som var ca. 10 ganger raskere enn i luft.

Bruddflateundersøkelser alene ga ikke tilstrekkelig grunnlag for å trekke konklusjoner om de underliggende mekanismene bak den økte sprekkveksthastigheten forårsaket av hydrogen. Alternative eksperimentelle metoder for å forstå samspillet mellom hydrogen, stålets mikrostruktur og sprekkvekst blir diskutert i lys av relevant litteratur.

The existing oil & gas pipeline infrastructure on the Norwegian shelf present possible transport routes for hydrogen as part of the ongoing energy transition. However, the detrimental effects of hydrogen on steel properties represents a threat for the structural integrity of the pipelines. By understanding and mitigating the effects of hydrogen on the long term properties of pipelines subjected to cyclic loading, the existing pipeline network can be used for hydrogen transport for years to come. The aim of this thesis was to better understand the underlying mechanisms behind hydrogen-assisted increase in fatigue crack growth rate (FCGR) of modern pipeline steels.

FCG testing have been carried out on two X65 grade steels; One with a banded ferrite-pearlite microstructure and one with a fine-grained homogeneously dispersed quenched & tempered ferrite-bainite microstructure. The effect of electrochemical hydrogen-charging on FCGR were established through crack growth rate vs. stress intensity range curves and fractography.

The resulting curves showed that the crack growth rate in the hydrogen-charged specimens rapidly increased with increasing stress intensity up to a stress intensity range of around 16 MPam^(1/2), before approaching a crack growth plateau. Hence, the effect of hydrogen was most prominent at intermediate stress intensity ranges, giving a crack growth rate of about an order of magnitude quicker than in air.

Fractography alone did not provide sufficient information to conclude on the underlying mechanism behind the increased FCGR aided by hydrogen, and additional experimental techniques that could contribute in understanding the interplay between hydrogen, steel microstructure and crack growth are discussed in the light of relevant literature.