Estudo das propriedades mecânicas, microestruturais e susceptibilidade do aço API 5L X70 à fragilização por hidrogênio

Abstract

O hidrogênio ocasiona a fragilização que é um fenômeno observado em alguns tipos de metais, principalmente o aço, quando expostos a ambientes com presença do sulfeto de hidrogênio (H2S). A difusão dos átomos de hidrogênio no aço se dá através da interação hidrogênio-metal, onde devido ao seu pequeno tamanho atômico esse pode ser difundido para o interior do aço, resultando na fragilização e redução das suas propriedades mecânicas. A susceptibilidade dos aços à fragilização por hidrogênio depende principalmente de fatores ambientais do meio como a temperatura, pressão parcial de H2S e pH do ambiente, além de fatores metalúrgicos como a microestrutura e propriedades mecânicas. O objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades mecânicas, químicas e microestruturais dos aços API 5L X70MS (sour service) e API 5L X70MO (aço off-shore utilizado como comparativo para o API 5L X70MS), utilizados na fabricação de tubos para a indústria de petróleo e gás, bem como avaliar susceptibilidade à fragilização por hidrogênio desses materiais quando expostos à diferentes ambientes contendo H2S. A avaliação das propriedades mecânicas do material foi feita com base nos resultados de ensaio de tração, dureza e impacto. A microestrutura foi avaliada por meio de microscopia óptica e a análise das inclusões (MnS) feita por microscopia eletrônica de varredura. A composição química dos aços foi determinada por espectrometria e análise gasométrica. Para avaliação da susceptibilidade dos aços ao processo de fragilização por hidrogênio, foram realizados ensaios de HIC (trincamento induzido por hidrogênio) e SSC-FPBT (teste de dobramento quatro pontos) nas soluções A e B da norma ANSI/NACE TM0177 e solução B da ANSI/NACE TM0284. Além disso, medidas de potencial em circuito aberto e curvas de polarização potenciodinâmica foram realizadas nas soluções A e B da norma ANSI/NACE TM0177 e permeação de hidrogênio na solução de H2SO4 0,05 mol/L + NH4SCN 3,0 g/L. Os resultados mostraram que o aço API 5L X70MS apresentou composição química, propriedades mecânicas e microestruturais adequadas e não apresentou susceptibilidade à fragilização pelo hidrogênio. No entanto, o aço API 5L X70MO utilizado como comparativo, apesar de também apresentar propriedades mecânicas dentro dos limites especificados pela norma API 5L (2018), não apresentou composição química e microestrutural adequada para aplicações sour service e se mostrou susceptível à fragilização por hidrogênio.

Hydrogen causes embrittlement, which is a phenomenon observed in some types of metals, mainly the steel, when exposed to environments with the presence of hydrogen sulfide (H2S). The diffusion of hydrogen atoms in steel occurs through the hydrogen-metal interaction, where due to its small atomic size can be diffused into the steel resulting in embrittlement and reduction of its mechanical properties. The susceptibility of steels to embrittlement depends mainly on environmental factors such as temperature, partial pressure of H2S and pH of the environment, as well as metallurgical factors such as microstructure and mechanical properties. The objective of this work was to study the mechanical, chemical and microstructural properties of the API 5L X70MS (sour service) and API 5L X70MO (off-shore steel used as comparative for the API 5L X70MS) steels used in the manufacture of pipes for the oil and gas industry, as well to evaluate the susceptibility to hydrogen embrittlement of these materials when exposed to different environments containing H2S. The mechanical properties evaluation of the material was performed based on test results of the tensile, impact Charpy and hardness test. The microstructure was evaluated by optical microscopy and the analysis of inclusions (MnS) by scanning electron microscopy. The chemical composition of the steels was determined by spectrometry and gasometric analysis. In order to evaluate the susceptibility of steels to the hydrogen embrittlement process, HIC (Hydrogen Induced Cracking) test and SSC-FPBT (Four Point Bend Test) was performed on A and B solutions of the ANSI/NACE TM0177 standard and solution B of the ANSI/NACE TM0284. In addition, open circuit potential measurements and potentiodynamic polarization curves were performed on A and B solutions of the NACE TM 0177 and hydrogen permeation on H2SO4 0.05 mol/L + NH4SCN 3.0 g/L solution. The results showed that API 5L X70MS steel presented chemical composition, mechanical and microstructural properties adequate and presented no susceptibility to hydrogen embrittlement. However, the API 5L X70MO steel used as comparative, although also having mechanical properties within the specified by API 5L (2018), did not present adequate chemical and microstructural composition and proved susceptible to hydrogen embrittlement.