Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/10255
Title: Numerical Analysis of Local Strain and Hydrogen Distribution Originating During Pitting Corrosion
Authors: Madigan, Maria
Language: eng
Subject (DDC): DDC - Dewey Decimal Classification::600 Technik::620 Ingenieurwissenschaften
Subject: Pitting corrosion, numerical simulation, hydrogen
Issue Date: 2020
Publisher: Universitätsbibliothek der HSU/UniBwH
Document Type: Thesis
Publisher Place: Hamburg
Abstract: 
Abstract
Supermartensitic stainless steels (SMSS) were developed in the 90’s in order to replace the more expensive duplex stainless steels (DSS) and nickel alloys used in the offshore oil and gas industry. The good mechanical and corrosion resistance properties, along with their cost benefits made them an attractive alternative. SMSS use offshore originally consisted of downhole tubing but proved to be an alternative for combatting CO2 corrosion and mildly sour conditions, compared to corrosion resistant alloy (CRA) materials. SMSS was therefore used as flowline materials. Especially the better weldability due to the low carbon content and the promising combination of mechanical properties of these materials, makes SMSS good candidates for other applications.
The risk of hydrogen assisted stress corrosion cracking (HASCC) may increase with increasing carbon (C) content in the steel, as the C may combine with chromium (Cr) ions present in the material. This in turn reduces the amount of Cr ions in the metal matrix which forms the passive layer which provides corrosion resistance. SMSSs have a reduced C content in order to reduce the risk of HASCC occurring when transporting sour service media. Additionally, the reduced C content also increases the weldability of the SMSS. Hydrogen concentration is one of the three key factors used in determining the susceptibility of a material to hydrogen assisted cracking (HAC), the other two being the local/ global mechanical load and the local microstructure. Additionally, a chromium content above approximately 12%, in addition to other alloying elements, such as molybdenum, reduces the susceptibility of a material to pitting corrosion. The presence of pits may cause high local stress and strain concentrations and additionally can cause local environments with high H+ ion concentrations, which accumulates at regions of high stresses and strains. The main location for pitting corrosion on SMSS welded components is in the heat affected zone (HAZ), due to the altering of material properties during welding, however it is uncertain as to where in the pits the cracks initiate. This is because the regions of high strains and high hydrogen concentrations inside the pits are different for the various pit geometries. Pitting corrosion is both difficult to detect and predict making it more dangerous than uniform corrosion.
Experimental methods to measure the local hydrogen concentration in pits have proven difficult to establish, due to the small geometries involved. Additionally, the local mechanisms of initiation and propagation of HAC are not always thoroughly understood. Numerical modelling of hydrogen diffusion and HAC is therefore an alternative procedure to provide a better understanding of crack initiation and to investigate the origin of cracks in pits. This can be achieved by modifying Fick’s law so the effect of various parameters on hydrogen distribution can be explored.
In this work, determining the pit geometry most susceptible to the regions of the highest strains was investigated firstly, and both the HAZ and the base material (BM) microstructures were assumed for numerical analysis. As a first approach, the specimens simulated are not real welds with different microstructures but are assumed to be homogeneous. Seven different pit geometries were modelled in 2D and 3D and have been subjected to a uniaxial load and a bending load. As expected, the depth of the pit influenced the uniaxial loading results with shallower pits producing the lowest total true strains in x-direction. For the bending loading condition however, the pit mouth diameter was the most important geometric aspect of the pit, with larger pit mouth diameters producing the lowest total true strains in x-direction. As another feature, the location of the maximum total true strains in x-direction for the 2D models were all located at the pit bottoms, but the regions varied for the 3D models. The load carrying capacity of a specimen with a pit present was also investigated for both uniaxial and bending loading conditions for 2D and 3D. It was found that 3D models were able to withstand higher displacements for both loading conditions.
Various initial hydrogen conditions were applied to the surface of the pit and/ or the surface of the model in addition to an initial hydrogen concentration profile simulating an inhomogeneous hydrogen distribution created during pitting corrosion occurring inside the pit. The 3D pit geometries from the previous stage with the highest, lowest and medium maximum total true strains in x-direction were modelled. No load was applied during this stage of the work. Only the HAZ material was taken for numerical analysis for this stage and the normalised hydrogen concentrations at certain nodes in the model were recorded for each pit and boundary condition. The pit variable hydrogen concentration boundary condition was assumed most similar to real life anodic and cathodic reactions occurring in the pits. Therefore, the effect of this boundary condition was investigated for all pit geometries. Again, the geometry of the pits, including the depth of the pits, the slope at the bottom of the pits and the overall geometry of the pits, influenced the diffusion path of the normalised hydrogen concentration through the material.
The previous two steps were then combined and also an approximation of pit growth through the model was incorporated into the simulation for the HAZ material. At first, a uniaxial loading condition was applied to an unnotched specimen and after certain conditions were fulfilled various stages of approximate pit growth were applied. When the pits reached a certain depth, it was then assumed that the conditions in the pit were conducive to hydrogen uptake occurring in the pits and a varying normalised hydrogen concentration was applied to the pits. The critical hydrogen concentrations for increasing local strain in the pits were recorded.
Therefore, this work determined the pit geometries most susceptible to regions of maximum total true strains in x-direction and their locations, which may prove useful for non-destructive testing (NDT) of SMSS. Identifying the highest strained pit geometries early may result in more specific inspections to detect pits and prevent failure of the component. As HAC depends on the local interaction of the hydrogen concentration and the mechanical load in terms of strain, this work incorporated data previously evaluated into simulations to identify crack critical regions by the respective hydrogen concentration and strain level interactions.

Kurzzusammenfassung
Supermartensitische rostfreie Stähle (engl.: Supermartensitic Stainless Steels, SMSS) wurden in den 90‘er Jahren entwickelt, um die wesentlich teureren nichtrostenden Duplex-Stähle (engl.: Duplex Stainless Steels, DSS) und Nickellegierungen zu ersetzen, die in der Offshore-Öl- und Gasindustrie verwendet werden. Die guten mechanischen Eigenschaften, ihre hohe Korrosionsbeständigkeit in Zusammenspiel mit ihren ökonomischen Kostenvorteilen machten sie daher zu einer attraktiven Alternative. Ursprünglich wurden SMSS im Offshore-Bereich für die Verrohrung von Bohrlöchern eingesetzt, erwiesen sie sich aber im Vergleich zu den weiteren korrosionsbeständigen Werkstoffen (engl.: Corrosion Resistant Alloy, CRA) als eine Alternative unter Umgebungsbedingungen wie CO2-Korrosion und leicht sauren Bedingungen. SMSS werden daher als Rohrleitungswerkstoffe verwendet. Insbesondere gute Schweißeignung (aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts) in Verbindung mit den mechanischen Eigenschaften, machen die SMSS zu potentiellen Werkstoffkandidaten für andere Anwendungen.
Das Risiko einer wasserstoffunterstützten Spannungsrisskorrosion (engl.: Hydrogen Assisted Stress Corrosion Cracking , HASCC) kann sich mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt im Stahl vergrößern, da sich der Kohlenstoff mit den im Werkstoff vorhandenen Chrom(Cr)-Ionen verbinden kann. Dies wiederum verringert die Menge an Cr-Ionen in der Metallmatrix, die die Passivschicht bildet, welche die Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. SMSS haben einen reduzierten C-Gehalt, um das Risiko des Auftretens von HASCC beim Transport von sauren Betriebsmedien zu verringern. Zusätzlich erhöht der reduzierte C-Gehalt auch die Schweißeignung des SMSS. Die Wasserstoffkonzentration ist einer der drei Schlüsselfaktoren zur Bestimmung der Anfälligkeit eines Materials für wasserstoffunterstützte Risse (engl.: hydrogen assisted cracking, HAC). Die beiden anderen Faktoren sind die lokale/globale mechanische Belastung und die lokale Mikrostruktur. Darüber hinaus verringert in Chromgehalt von mehr als ca. 12%, zusätzlich zu weiteren Legierungselementen wie Molybdän, die Anfälligkeit eines Materials für Lochkorrosion. Diese kann zu hohen lokalen Spannungs- und Dehnungskonzentrationen führen und im Lochgrund zum Entstehen von lokalen Umgebungen mit hoher H+-Ionen-Konzentration führen (Ansäuerung des Lochelektrolyten), die sich dann in Regionen mit hohen Spannungen und Dehnungen ansammelt. Der häufigste Ort für Lochkorrosion an SMSS-geschweißten Bauteilen befindet sich in der Wärmeeinflusszone (engl.: Heat Affected Zone, HAZ), da sich die Werkstoffeigenschaften während des Schweißens massiv verändern. Es ist jedoch nicht abschließend geklärt, wo in durch Lochkorrosion entstandenen Materialschädigungen („Pits“), Risse entstehen. Dies liegt daran, dass Bereiche hoher Dehnungen und Wasserstoffkonzentration innerhalb einer Vertiefung stark von der Lochgeometrie abhängig sind. Lochkorrosion ist schwierig erkenn- und vorhersagbar, was sie gefährlicher macht als gleichmäßige Flächenkorrosion.
Experimentelle Methoden zur Messung der lokalen Wasserstoffkonzentration in Löchern haben sich aufgrund der kleinen Geometrie als nur bedingt anwendbar erwiesen. Darüber hinaus sind die lokalen Mechanismen der Initiierung und Ausbreitung von HAC nicht vollständig verstanden. Die numerische Modellierung der Wasserstoffdiffusion und der HAC ist hier ein alternatives Verfahren gegenüber Experimenten, um ein besseres Verständnis der Rissinitiierung zu erhalten und den Ursprung von Rissen als Folge der Pits zu untersuchen. Dies kann durch die Modifizierung des Fickschen Gesetzes erreicht werden, so dass der Einfluss verschiedener Parameter auf die Wasserstoffverteilung untersucht und bewertet werden kann.
In dieser Arbeit wurde zunächst die Pit-Geometrie untersucht, die am anfälligsten für Bereiche mit höchsten Dehnungen ist. Für die numerische Analyse wurden sowohl die HAZ- als auch die Grundwerkstoff-Mikrostruktur (engl.: Base Material, BM) angenommen. In einem ersten Ansatz handelt es sich bei den simulierten Proben um homogene Werkstoffe (Gegensatz zu realen Schweißnähten mit unterschiedlichen Mikrostrukturen). Sieben verschiedene Pit-Geometrien wurden in 2D und 3D modelliert und einer einachsigen Zug- sowie Biegebeanspruchung ausgesetzt. Die Pit-Tiefe beeinflusste dabei die Ergebnisse hinsichtlich der niedrigsten wahren Gesamtdehnungen in x-Richtung im Fall von flachen Pits. Für die Biegebeanspruchung war jedoch der Pit-Öffnungsdurchmesser der wichtigste geometrische Aspekt, wobei größere Durchmesser die niedrigsten wahren Gesamtdehnung in x-Richtung erzeugten. Ein weiteres Merkmal war, dass sich die Lage der maximalen wahren Gesamtdehnung in x-Richtung bei den 2D-Modellen stets am Pit-Grund befand, diese Bereiche bei den 3D-Modellen jedoch variierten. Die Beanspruchbarkeit einer Probe mit einem vorhandenen Pit wurde ebenfalls für einachsige Zug- und Biegebeanspruchung in 2D und 3D untersucht. Es wurde festgestellt, dass die 3D-Modelle für beide Beanspruchungszustände höheren Verschiebungen erfuhren.
Zusätzlich zu einem anfänglichen auftretenden (durch die Lochkorrosion) inhomogenem Wasserstoffkonzentrationsprofil, wurden verschiedene Anfangsbedingungen für die initiale Wasserstoffverteilung auf der Oberfläche des Pits und des Modells angewendet. Dazu wurde die 3D-Geometrie des Pits aus der vorherigen Simulationsstufe mit den höchsten, niedrigsten und mittleren wahren Gesamtdehnungen in x-Richtung modelliert. Hierbei wurde noch keine mechanische Last aufgeprägt, zunächst nur die HAZ betrachtet und die normalisierten Wasserstoffkonzentrationen an bestimmten Positionen im numerischen Modell bestimmt. Es wurde dazu angenommen, dass eine variable Wasserstoffkonzentration den Folgen einer realen anodischen und kathodischen Teilreaktion im Pit entspricht. Daher wurde diese Randbedingung für alle Pit-Geometrien untersucht. Auch hier beeinflusste die Pit-Tiefe und Form des Pit-Grundes die Wasserstoffverteilung und damit den Diffusionsweg durch den Werkstoff.
Die beiden vorherigen Schritte wurden weiterführend kombiniert und das Pit-Wachstum in das Modell für die HAZ mit einbezogen. Dazu wurde zuerst wurde eine einachsige Beanspruchung definiert und auf eine ungekerbte Probe angewendet und das Pit-Wachstum in Abhängigkeit bestimmter Randbedingungen simuliert. Ab Erreichen einer bestimmten Pit-Tiefe, wurde angenommen, dass die die Wasserstoffaufnahme erleichtert wird und eine demensprechend variierende Wasserstoffkonzentration in der Simulation berücksichtigt. Die kritischen Wasserstoffkonzentrationen zur Erhöhung der lokalen Belastung in den Pits wurden aufgezeichnet.
In dieser Arbeit wurden Pit-Geometrien bestimmt, die aufgrund hoher Gesamtdehnungen in x-Richtung anfällige Bereiche für HAC darstellen. Die Vorhersage dieser Positionen kann sich als nützlich für die zielgerichtete zerstörungsfreie Prüfung (engl.: Non-Destructive Testing, NDT) von SMSS erweisen. Die frühzeitige Identifizierung am stärksten beanspruchter Pit-Geometrien, ist hilfreich zur Durchführung von zielgerichteten Inspektionen, um mögliche Pits frühzeitig zu erkennen und ein Versagen des Bauteils zu verhindern. Für die Bewertung HAC-Anfälligkeit wurden auf Basis numerischer Simulation mögliche risskritische Bereiche der Pits identifiziert und deren Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffkonzentration und mechanischer Beanspruchung (vor allem der Dehnung) beschrieben.
Organization Units (connected with the publication): Fakultät für Maschinenbau 
Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) 
DOI: https://doi.org/10.24405/10255
Advisor: Hoffmeister, Hans 
Referee: Böllinghaus, Thomas
Klassen, Thomas
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: Doctoral Thesis
Exam date: 2020-09-13
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