Nickelbaserte legeringer (NBAs) brukes i mange bransjer, inkludert olje og gass, på grunn av deres høye styrke, korrosjonsmotstand og forventet motstand mot hydrogenindusert sprøhet (HE). Imidlertid har det blitt kjent at HE kan forårsake svikt i NBAs, og det er nå forstått at alle NBAs er mottakelige for HE, i varierende grad. Olje- og gassindustrien er bekymret for risikoen for HE i NBAs, og de samarbeider for å utvikle retningslinjer for å vurdere HE i eksisterende komponenter av NBA og potensielt lovende nye legeringer. Retningslinjene vil kreve en solid forståelse av mekanismene for HE i NBAs, pålitelige testmetoder for å motstå HE, og en prediktiv ramme for integritetsvurdering og levetidsforutsigelse. Prosjektet fokuserer på tre hovedområder: 1) Forstå effekten av mikrostruktur på hydrogen-diffusjon og mekanismer for sprøhet. Vi vil studere hvordan mikrostrukturen til NBAs påvirker måten hydrogen diffunderer inn i metallet og hvordan det samvirker med metallets struktur. 2) Utvikling av en mekanistisk modell for hydrogensvikt. Vi vil utvikle en modell som kan forutsi hvordan hydrogenindusert sprøhet vil påvirke styrken og seigheten til NBAs. 3) Gi grunnlaget for å etablere en pålitelig testmetode. Prosjektet vil utvikle testmetoder som kan brukes til å validere modellen for HE. Prosjektet forventes å gi en bedre forståelse av hydrogenindusert sprøhet i NBAs og å utvikle metoder for å vurdere risikoen for HE i eksisterende og nye legeringer. Disse resultatene vil bidra til å sikre sikkerheten og påliteligheten til NBAs i olje- og gassindustrien.
Oppdateringer per 1. oktober 2024
Betydelig fremgang har blitt gjort i både de eksperimentelle og simuleringsrelaterte delene av prosjektet i løpet av den siste perioden. Eksperimentell fremgang: Mikrostrukturene til fire nikkellegeringer, som alle er en del av DNV JIP-prosjektet, har blitt undersøkt ved NTNU ved hjelp av avanserte eksperimentelle teknikker. Spesielt utviklingen av DL-EPR-teknikken, som ble etterspurt av industriens samarbeidspartnere, ble fullført tidligere enn forventet. Selv om DL-EPR ikke er en standardmetode, viser den lovende resultater som et verktøy for å screene og identifisere skadelige mikrostrukturer. Simuleringsfremgang: DNV utvikler for tiden en industriell retningslinje basert på konseptet med lokal tøyning for å vurdere risikoen for hydrogensprøhet (HE) i tekniske komponenter. Det ble opprinnelig antatt at kritisk tøyning i et hydrogenmiljø ville øke med spenningskonsentrasjonsfaktoren. Våre simuleringsresultater, ved bruk av den avanserte H-CGM+ prediktive modellen, viser imidlertid at kritisk tøyning ikke nødvendigvis øker jevnt med spenningskonsentrasjon. Vi har også lagt merke til at bruddstedet kan variere mellom luft og hydrogenladede forhold, avhengig av prøvens tykkelse, og at den kritiske lokale tøyningen ser ut til å være påvirket av hydrogeninnholdet i materialet.
Oppdatering per 1. oktober 2025
Prosjektet har gjort viktige framskritt både på den eksperimentelle og den simuleringsbaserte delen. Eksperimentelt arbeid: Vi har undersøkt hvordan hydrogen påvirker de mekaniske egenskapene og bruddmekanismene i ulike nikkellegeringer. Spesielt har vi sett på hvordan brudd kan endre seg fra å gå gjennom kornene i materialet (transgranulært) til å gå langs korngrensene (intergranulært). I samarbeid med Tohoku University har vi også studert hvordan hydrogen beveger seg i nikkellegeringer, og sammenlignet dette med en lovende, herdbar austenittisk legering. Til dette brukte vi et avansert system som kan filme hvordan hydrogen oppfører seg i sanntid. Resultatene gir viktige innspill til DNV og JIP-partnere i tolkningen av storskala materialtester. For å forstå bedre hvordan hydrogen påvirker mikrostrukturen, har vi brukt synkrotronstråling (GIXRD) kombinert med hydrogenpåføring og strekkforsøk. Dette viste at hydrogen fører til både gitterutvidelse og økning i dislokasjoner (feil i krystallstrukturen), noe som gir ny innsikt i hvorfor materialet svikter. Simuleringsarbeid: Vi har videreutviklet den mekanismebaserte simuleringsmodellen H-CGM+, som viser at dannelsen av hulrom i materialet er hovedårsaken til hydrogenindusert sprøhet (HE). Med H-CGM+ har vi studert samspillet mellom hydrogen, innspenningsgrad ved sprekkspissen og materialets mikrostruktur. Simuleringene viser at høyere innspenningsgrad fortsatt henger sammen med lavere bruddseighet – på samme måte som i luft. Samtidig har noen forskningspartnere observert det motsatte i forsøk. Våre resultater peker derfor på behovet for videre studier for å forstå de underliggende mekanismene og forklare disse forskjellene.
Nickel-based alloys (NBA) are widely used in the oil and gas industry because of their superior corrosion resistance, excellent mechanical strength and expected immunity to hydrogen embrittlement (HE) or hydrogen induced stress cracking. With multiple failures reported over the last years, it is now commonly accepted that all nickel alloys are susceptible to HE, however, some are less susceptible than others. Because of the slow hydrogen diffusion in nickel alloys, a failure caused by HE which is one of the costliest failures in the industry, may occur after decades in service. Alarmed by this “time bomb” scenario, the oil and gas industry in Norway is attempting to establish a practical guideline for assessing HE in both existing NBA components and in potential new hydrogen resistant alloys. Known as a conspicuous material challenge, HE is the outcome of the complex interactions of triple families of parameters - susceptible microstructures, hydrogen environment and mechanical loading. Establishing such an industrial guideline requires a solid understanding of the HE mechanisms of relevant materials, reliable HE resistance testing methods and a predictive framework for integrity assessment and life prediction. The primary objective of this project is to provide the scientific basis needed for establishing the practical guideline with respect to HE in existing NBA and the potential new alloys for the subsea applications. The secondary objectives are to probe the HE mechanisms of the in-service precipitation hardened nickel alloys (PHNA) with special emphasis on the embrittling effect of grain boundary precipitates; to study the hydrogen diffusion and hydrogen-coupled deformation mechanisms in selected strain hardened austenitic alloys; to provide basis for developing model-guided testing methods for retrieving transferrable model parameters; to establish and verify a microstructure-informed HE predictive framework for integrity assessment.
