Gaseous Hydrogen embrittlement of API-X80 Ferro-Pearlitic steel
Fragilisation par l'hydrogène gazeux d'un acier ferrito-perlitique de grade API X80
Résumé
This study focuses on the hydrogen embrittlement (HED) of API X80 high yield strength (HLE) steel, used in pipeline construction, under high-pressure gaseous conditions at room temperature, and on understanding the associated physical embrittlement mechanisms. The background to this work is the development of a new energy policy, based on the use of renewable energies, in which the use of hydrogen as an energy carrier is an integral part. With this in mind, the use of HLE steel pipelines seems to be one of the solutions to be considered for the large-scale, low-cost transport of hydrogen. However, we need to quantify and understand the impact of hydrogen on these steels. In the first instance, this work focused on a bibliographical study of the phenomena of adsorption, absorption, diffusion, transport and trapping of hydrogen in steels. This was accompanied by experimental and numerical work to implement a hydrogen diffusion model coupled to mechanical fields in the CAST3M finite element code. Secondly, the influence of hydrogen on the mechanical properties of X80 steel, with its ferrito-perlitic microstructure, was studied using tensile tests under 300 bar of hydrogen at room temperature. Once highlighted, the sensitivity of X80 steel to FPH was further analyzed by carrying out tensile tests at different strain rates, under various hydrogen pressures, and on notched axisymmetric specimens. This work showed that the extent of FPH does indeed vary with experimental conditions. Moreover, correlated with the results of simulations of these tests, they also highlighted that, under our experimental conditions and for this steel, FPH is induced by three distinct populations of hydrogen: hydrogen trapped at the ferrite/perlite interfaces, hydrogen adsorbed on the surface, and finally reticular hydrogen trapped in the volume of the material. Lastly, tensile tests and disc fracture tests, during which changes of atmosphere were carried out, demonstrated the high reversibility of FPH, associated with its almost immediate appearance as soon as hydrogen was introduced into the atmosphere. In conjunction with simulations of these tests, these results highlighted the role of adsorbed hydrogen in the embrittlement mechanisms of X80 steel. It also showed that highly trapped hydrogen does not contribute to steel embrittlement. On the contrary, reticular and weakly trapped hydrogen (WB ≤ 16 kJ/mol), present close to the surface, seems to amplify the embrittling effect of adsorbed hydrogen. In the end, three embrittlement mechanisms, each associated with one of the hydrogen populations incriminated in the FPH of X80 steel, are presented and discussed. The main conclusion of this study is that adsorbed hydrogen, through its influence on the organization of material atoms on the surface, plays a key role in the high-pressure, room-temperature gaseous FPH of X80 steel.
Cette étude porte sur la Fragilisation par Hydrogène (FPH), sous voie gazeuse haute pression et à température ambiante, d'un acier à Haute Limite d'Elasticité (HLE) de grade API X80, utilisé pour la construction de pipelines, ainsi que sur la compréhension des mécanismes physiques de fragilisation associés. Ce travail s'inscrit dans un contexte de développement d'une nouvelle politique énergétique, basée sur l'utilisation d'énergies renouvelables, et dans laquelle l'utilisation de l'hydrogène, en tant que vecteur énergétique, s'inscrit pleinement. Dans cette optique, l'utilisation de pipelines en acier HLE semble être, pour le transport de l'hydrogène à grande échelle et à moindre coût, une des solutions à envisager. Celle-ci nécessite cependant de quantifier, et de comprendre, l'impact de l'hydrogène sur ces aciers. En premier lieu, ce travail s'est axé sur l'étude bibliographique des phénomènes d'adsorption, d'absorption, de diffusion, de transport et de piégeage de l'hydrogène dans les aciers. Il est s'accompagné d'un travail expérimental et numérique permettant l'implantation, dans le code de calcul par éléments finis CAST3M, d'un modèle de diffusion de l'hydrogène couplé aux champs mécaniques. En second lieu, l'influence de l'hydrogène sur les caractéristiques mécaniques de l'acier X80, de microstructure ferrito-perlitique, a été étudiée aux moyens d'essais de traction sous 300 bar d'hydrogène et à température ambiante. Une fois mise en évidence, la sensibilité de l'acier X80 à la FPH a été analysée plus en détail via la réalisation d'essais de traction à différentes vitesses de déformation, sous diverses pressions d'hydrogène, et sur des éprouvettes axisymétriques entaillées. Ces travaux ont montré que l'ampleur de la FPH varie effectivement avec les conditions expérimentales. De plus, corrélés aux résultats issus des simulations de ces essais, ils ont également mis en lumière que, dans nos conditions expérimentales et pour cet acier, la FPH est induite par trois populations distinctes d'hydrogène : l'hydrogène piégé aux interfaces ferrite/perlite, l'hydrogène adsorbé en surface, et enfin l'hydrogène réticulaire et piégé dans le volume du matériau. En dernier lieu, la réalisation d'essais de traction et de rupture de disques, durant lesquels des changements d'atmosphères ont été réalisés, ont montré une forte réversibilité de la FPH, associée à son apparition quasi immédiate dès l'introduction d'hydrogène dans l'atmosphère. Corrélés aux simulations de ces essais, ces résultats ont mis en exergue le rôle de l'hydrogène adsorbé dans les mécanismes de fragilisation de l'acier X80. Ces travaux ont également mis en évidence que l'hydrogène fortement piégé ne participe pas à la fragilisation de l'acier. Au contraire, l'hydrogène réticulaire et faiblement piégé (WB ≤ 16 kJ/mol), présent à proximité de la surface, semble amplifier l'effet fragilisant de l'hydrogène adsorbé. Au final, trois mécanismes de fragilisation, associés chacun à une des populations d'hydrogène incriminées dans la FPH de l'acier X80, sont présentés et discutés. Il ressort principalement de cette étude que l'hydrogène adsorbé, par son influence sur l'organisation des atomes du matériau en surface, a un rôle de tout premier plan dans la FPH sous voie gazeuse haute pression et à température ambiante de l'acier X80
Origine : Version validée par le jury (STAR)