Corrosion influence on fatigue behaviour - a study on aluminium AA6082 in offshore structures

Abstract

Aluminiumslegeringer i 6000-serien brukes ofte til avanserte prosjekter i industrien, inkludert offshore energiproduksjon og installasjoner til havs. For å ivareta strukturell integritet under slike krevende forhold, er grunnleggende materialvurdeinger helt avgjørende. Denne masteroppgaven søker å utvide kunnskapen på området ved å undersøke hvordan aluminiumslegering 6082 påvirkes av operasjonelle forhold offshore, hovedsakelig gjennom høysyklusutmatting og korrosjonsutbredelse. I 2022 ble oljeplattformen Gyda tatt ut av drift og slept til land, etter 33 år i aktiv tjeneste. Under demontering ble deler av konstruksjonen tatt til side og sendt til Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet for videre inspeksjon. Undersøkelsene som er presentert i denne oppgaven er gjort på en ekstrudert 6082 bjelke fra materialet som ble levert.

Undersøkelsene ble utført i flere trinn. Først ble prøvestykker maskinert ut fra bjelken, vinkelrett i forhold til ekstruderingsretningen, og slipt på baksiden. Lavsyklus utmattingstesting ble deretter igangsatt, før testingen gradvis beveget seg mot høysyklusutmatting. Prøver som overlevde 2 000 000 sykler ble avbrutt. Alle utmattingstester ble utført med et spenningsforhold R = 0.1 og 20 Hz frekvens. Initiell utmattingsspenning ble bestemt ved strekktesting. Fraktografiske undersøkelser ble deretter utført på relevante bruddoverflater ved hjelp av elektronmikroskop (SEM). Korrosjonsutbredelse ble videre kartlagt ved å studere mikrostruktur, korrosjonsdybde og overflateruhet i forskjellige prøver.

Jevnt fordelt gropkorrosjon ble fastslått å være den mest utbredte korrosjonstypen. I tillegg ble det oppdaget spor av intergranulær korrosjon. Utmattingsegenskapene til prøvene ble sterkt påvirket av dette, antakeligvis på grunn av en markant reduksjon av sprekkdannelseslevetiden. Alle prøvestykkene feilet fra brudd som initierte i korrosjonsgroper, ofte flere steder på samme prøve. Resterende undersøkelser antydet store variasjoner i korrosjonsgropstørrelse, utbredelse, overflateruhet og kornutvikling. Sammenlignet med lignende litteratur resulterte prøvene fra denne masteroppgaven i et lignende antall sykler som mindre prøver med lite eller ingen korrosjon.

Aluminium alloys in the 6000-series are often used for advanced technical applications, including offshore energy production and installations. To ensure structural integrity in these demanding environments, thorough material considerations are crucial. This master thesis aims to improve this knowledge by investigating how aluminium alloy 6082 is affected by offshore operational conditions, focusing on fatigue behaviour and corrosion development. In 2022, the offshore oil rig Gyda was decommissioned and taken ashore after 33 years of operation. During dismantling, certain structural elements were sent to the Norwegian University of Science and Technology for further inspections. The following investigations are conducted on an extruded 6082 beam from this material.

The investigations were conducted in several steps. Initially, specimen were extracted transversally to the extrusion direction and machined on one side. Fatigue testing was initiated in the low cycle regime before gradually moving into the high cycle regime and eventually reaching runout at 2 000 000 cycles. All fatigue tests were conducted with a stress ratio of R = 0.1 and 20 Hz frequency. Initial fatigue stress was calculated by tensile testing. After fatigue testing, fractographic investigations by scanning electron microscope (SEM) were conducted on relevant samples. The influence of corrosion was further investigated through microstructural examinations, corrosion depth and surface roughness measurements.

The main corrosion form was found to be pitting corrosion, distributed evenly across the metal. Traces of intergranular corrosion were also evident. The fatigue behaviour of the specimen was drastically affected by this, likely due to reduced time spent in the crack initiation stage. All specimen failed from cracks initiating in corrosion pits, often on multiple locations. Remaining investigation methods revealed large variations in pit sizes, distribution, surface topology and grain development. When compared to similar literature, the thesis specimen displayed a fatigue life in cycles similar to smaller specimen with less or no corrosion.