Multiscale Hydrogen Embrittlement Assessment for Subsea Conditions

Mens norsk kontinentalsokkel krever utvikling av nye materialløsninger for å håndtere tøffere forhold, og for utvikling av undervanns olje- og gassprosessingssystemer, må materialers integritet i de faktiske forholdene sikres. Dette inkludert også virkningen av eksponering mot hydrogen. Hydrogensprøhet har vært en utfordring for undervannsindustrien i mange år, som også må vurderes i forbindelse med levetidsforlengelse av strukturer og utstyr. Det eksisterende retningslinjer for å vurdere hydrogensprøhet av utstyr og komponenter under vann er begrenset til dupleks rustfrie stål. Et praktisk retningslinjer for kvantitative analyser av hydrogensprøhet for andre materialgrupper mangler. Selv om det er gjort store anstrengelser for å etablere en bedre forståelse for fenomenet hydrogensprøhet, gir eksisterende teorier fortsatt kun en kvalitativ og binær behandling av hydrogensprøhet. For industrielle anvendelser er det nødvendig med kvantitativ prediksjon. I perioden 2019 til 2020 har doktorgradsstudentene i prosjektet hovedsakelig fokusert på å fullføre de obligatoriske kursopplæringene og gjennomføre litteraturstudier. Innsats er brukt på å forstå begrensningene og fordelene med eksisterende metoder for å måle hydrogendiffusjonen. I perioden fra 2020 til 2021 er det gjort betydelige fremskritt i de tre arbeidspakkene. Hydrogenopptaket og diffusjonsatferden til den utvalgte nikkellegeringen 625 har blitt studert ved å bruke de nyeste eksperimentelle teknikkene. En tilpasset elektrokjemisk hydrogenladecelle med industrirelevante ladeforhold ble designet og en spesiell celle for å studere hydrogenopptak ble bygget. Et viktig forhold mellom hydrogendiffusivitet og temperatur er oppnådd. Det er funnet at tilstedeværelsen av karbider langs korngrensene i de kommersielle legeringene kan hemme hydrogendiffusjon ved å fange opp hydrogen ved karbid/matrise-grenseflatene. Den hydrogeninduserte mekaniske egenskapsdegradering til legeringen 625 har blitt studert ved å bruke multiskala-eksperimenter, inkludert in situ elektrokjemisk nanoindentering og makroskala strekktester. Strekktestresultatet viser at legering 625 er svært utsatt for hydrogensprøhet. Etter brudd viser de hydrogenladede prøvene både intergranulære og transgranulære sprekker. Atomistiske simuleringer har fremmet forståelsen av hydrogensprøhetsmekanismene. Molekyldynamikksimuleringer viser at når hydrogenkonsentrasjonen er lav, er bruddmodusen transgranulær. Når hydrogenkonsentrasjonen øker, vil det danne vacancy ved korngrensen. De akkumulerte vacancies vil nukleere nanovoider som til slutt vil føre til korngrense-dekohesjon og intergranulær fraktur. Disse funnene vil være de gode utgangspunktene for det mekanismebaserte prediktive rammeverket som skal bygges. Hovedresultatet av prosjektet i den siste perioden kan oppsummeres som følger: vi har foreslått en hydrogendiffusjonsligning og fått dyp forståelse angående effekten av ulike parametere inkludert temperatur, katodisk potensial, strømtetthet på hydrogendiffusjonen i legering 625. Den foreslåtte hydrogendiffusjonsligningen kan brukes direkte til å estimere hydrogenpenetrasjonsdybden under en viss temperatur. Det ble eksperimentelt vist at hydrogensprøhetsindeksen øker med en økning i pre-strain-verdi. Både de eksperimentelle og atomistiske simuleringsstudiene har bekreftet at hydrogenindusert "vacancy" dannelse ved korngrensen er en forløper til intergranulær fraktur. En unik void-basert modell ble foreslått for å vurdere den hydrogeninduserte duktile til intergranulære overgangen. Den foreslåtte hydrogendiffusjonsmodellen, den nye vacancy-void-baserte mekanismen og den prediktive modellen gir et utmerket utgangspunkt for et fysikkbasert rammeverk for vurdering av hydrogensprøhet. For å formidle de vitenskapelige resultatene ble det arrangert et internasjonalt symposium med fokus på hydrogensprøhet i nikkelbaserte superlegeringer i desember 2022 ved NTNU. Det var totalt 50 deltakere og representanter fra ti norske selskaper i olje- og gassindustrien deltok på symposiet. Hovedkonklusjonen fra symposiet er at alle nikkellegeringer er utsatt for hydrogensprøhet. Mikrostrukturen og korngrenseutfellingene spiller en stor rolle i hydrogensprøhet av nikkellegeringer. Prosjektet hadde fremmet vår forståelse angående hydrogendiffusjon og mekanismer, samt prediktive modeller for legering 625. En pålitelig testmetode som kan gi nødvendig modell inputdata mangler imidlertid. Det bør forskes videre for å øke vår kunnskap om de sprø mikrostrukturene og bygge en direkte kobling i den prediktive modellen mellom mikrostrukturene og mekanismene for å etablere en praktisk retningslinje for industrien. For å forbedre forståelsen av eksisterende nedbørsherdede nikkellegeringer og å søke etter og studere nye alternative legeringer som har bedre motstandsdyktighet mot hydrogen ble det identifisert som viktige fremtidige forskningsoppgaver.

The project was focused on the nickel alloy 625 used for subsea application. By the end of the project period, we have achieved the following: - A world-leading voiding mechanism-based predictive framework for hydrogen embrittlement assessment - A tailor-made hydrogen coupled complete Gurson model for nickel alloys used in subsea - Accurate description of the temperature and plastic strain dependent hydrogen diffusion which provides the essential data for the life extension of the subsea components made of the alloy - A predictive framework developed can be readily applied to the renewable energy systems - Together a reliable testing method which generates the input data for the models, the predictive framework can be used to optimize the material solutions.

Hydrogen embrittlement is a long standing challenge for the subsea industry and a critical failure mode that must be considered in life extension strategy. The current framework for assessing hydrogen embrittlement of subsea components is limited to duplex stainless steels. A practical framework to quantitatively address hydrogen embrittlement of other subsea material groups is missing. This project aims to enable prediction of hydrogen embrittlement when designing subsea components and to evaluate hydrogen embrittlement sensitivity of materials. This will be accomplished by developing and implementing a new multiscale assessment framework for hydrogen embrittlement. The proposed solution represents an efficient and accurate methodology to address hydrogen embrittlement. It provides quantitative methods to reduce and manage uncertainty and thereby risk. With reduced risk, the safety factors can be optimized to allow more cost effective solutions through savings in material use, project execution and product development. Significant efforts have been made to understand hydrogen embrittlement. Current theories offer a qualitative and binary treatment of hydrogen embrittlement. However, for industrial applications, a quantitative prediction is needed. Hence a gap exists which restricts direct application of scientific understandings in practical engineering. The proposed project aims to bridge said gap for hydrogen embrittlement through competence-building research. While Norwegian continental shelf calls for development of new material solutions to handle harsher conditions, or development of subsea gas processing systems, the material integrity in the intended conditions must be secured - including the effects of hydrogen exposure. The proposed solution can be extended beyond the oil and gas industry to the renewable energy sector, e.g. offshore windmills, to the fuel cell industry and others