Field life extension through controlling the combined material degradation of fatigue and hydrogen (HyF-Lex)

Livsforlengelse av eksisterende olje- og gassfelt er høyt prioritert innenfor OG21 nasjonal teknologistrategi for petroleumsindustrien. For å minimere miljøfare og unngå betydelige kostnader på grunn av nedetid og reparasjon, er nedbrytningsmekanismer som korrosjon, utmattelse og hydrogensprøhet viktige faktorer for å kontrollere og håndtere aldrende infrastruktur. Tretthet forårsaker materialfeil ved gjentatte belastninger (syklisk belastning og stress). Den sykliske belastningen kan forårsake katastrofale feil i aggressive miljøer som offshore O&G-produksjon, ikke minst på grunn av de katodiske beskyttelsesmetodene som skaper hydrogengass. Absorbert hydrogen kan redusere en komponents levetid. Hvordan dette skjer er fremdeles usikkert. Hydrogensprøhet og dens effekt på utmatting er et av de mest utfordrende fenomenene å forutsi og modellere i stål. Utfordringene kommer av at hydrogeneffekten endres basert på testforholdene og at skaden av komponenten skjer lokalt, og ikke er påviselig før lekkasje eller komponentbrudd. Disse feilene kan dermed ha alvorlige miljøpåvirkninger. HyFlex-prosjektet startet med studiet av hydrogenutviklingen og absorpsjonen i stål ved bruk av en testmetode der en tynn folie av stål skiller to elektrokjemiske celler. Dette er en ekstremt sensitiv metode og den tilhørende matematiske modellen involverer et stort antall ukjente parametere. En ny tilpasningsprosedyre ved bruk av det såkalte Akaike Information Criterion ble brukt for å finne de rette verdiene til den matematiske modellen for hydrogenabsorpsjon. HyFlex-prosjektet har også utviklet en ny testrigg hvor utmattelseslevetiden til prøver er testet under katodisk polarisering. Testen observerte at hydrogen økte sprekkveksthastigheten. De fant også at en endring av frekvensen for lastendringen, endret størrelsen på hydrogeneffekten. Stål prøvene ble videre analysert med en mikroskopiteknikk med høy oppløsning. Dette prosjektet har gjort etter-analysen av dislokasjons utviklingen langs bruddoverflaten mer enklere ved å utvikle en teknikk som er i stand til å observere dislokasjoner i SEM. Dette har vanligvis vært en undersøkelse utført med en destruktiv karakteriseringsmetode som bruker transmisjonselektronmikroskop (TEM). Den nye skanningelektronmikroskop (SEM) metoden utviklet av HyFlex reduserte analysetiden betydelig. Den økte sprekkveksthastigheten som følge av hydrogen ble knyttet til en redusert dislokasjons mobilitet. Redusert dislokasjons mobilitet nær en sprekke vil redusere bruddseigheten til komponenten. I modelleringspakken ble plastisiteten i nærheten av en sprekk simulert ved hjelp av en Diskre Dislokasjon Dynamikk (DDD) modell. Foreslåtte hydrogeneffekter fra litteraturen på dislokasjonsmobilitet, elastisk interaksjon mellom defekter og sprekkens styrke mot sprøbrudd ble emulert til forskjellige hydrogen gasstrykk. I det nåværende testforholdet som ble emulert, var det hydrogeneffekten på styrken mot sprøhetsbrudd som gjenskapte de eksperimentelle funnene best. Resultatene ble imidlertid funnet å være systemspesifikt. Hvilken hydrogeneffekt som er kritisk og forårsaker økt sprekkvekst, avhenger av testforholdene. Prosjektet har hatt et tett samarbeid med internasjonale partnere i Japan, Tyskland, Frankrike, Iran og Belgia. Dette prosjektet har økt kunnskap i forståelsen av hydrogeneffekten på levetiden til stål som brukes i offshore O&G-applikasjoner.

HyFlex has developed a new testing rig able to measure the fatigue life of samples under hydrogen charging. Hydrogen was found to enhance the crack growth rate. These results were validated with the Discrete Dislocation Dynamics (DDD) model. The hydrogen effect on the cohesive strength replicated the experimental findings however, the results were system-specific. This project has made possible the post-analysis of the dislocation evolution along the fracture surface more agile and easier by developing a technique able to capture dislocations in the scanning electron microscope (SEM). The new experimental and theoretical methodologies Hyflex have generated will have an impact on the hydrogen research community since they open new ways for testing and understanding the detrimental effect hydrogen has on structural materials. With the new era of green hydrogen just taking-off, Hyflex will represent a very important background, setting the Norwegian activities in a very good position.

It is well known that the presence of atomic H in ferrous materials under cyclic stresses affects the fatigue behaviour. Platforms, umbilicals, risers, flowlines and subsea pipelines are continuously subjected to oscillatory environmental loads and H, from cathodic protection or H2S containing fluids. Degradation by H under such conditions would manifest as reduced resistance to fatigue crack growth. The HyF-Lex project aims to investigate, understand and measure the influence of hydrogen on fatigue crack growth. To achieve this, in situ fatigue testing at the macro-scale under hydrogen-charging conditions, combined with advanced nano- and micro- characterization of the cracks and plastic zones will be used. These results will give input to a hierarchical model framework to address the combined degradation effect from fatigue and hydrogen. Comparative investigations of H uptake under CP and H2S conditions will provide information regarding the charging conditions for the fatigue testing. The project team consists of a balanced team of young and experienced scientists at NTNU and SINTEF that has a well-established network both nationally and internationally. International cooperation is ensured by the participation of three European research institutes who are at the forefront of the research field of fatigue and hydrogen degradation. Industrial relevance of the project is assured by an industrial advisory group containing five companies that are strong stakeholders in the Norwegian oil and gas sector.