Vetytalous : terästen ja hitsiliitosten ominaisuudet vety- ja hiilivety-ympäristössä

Abstract

Tässä kandidaatintyössä selvitetään terästen ja hitsiliitosten ominaisuuksia vety-ympäristössä. Teräsrakenteiden suunnittelussa on oleellista ymmärtää vedyn ja hiilivetyjen vaikutus materiaalin mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten lujuuteen, sitkeyteen ja väsymiskestävyyteen. Työ suoritetaan kirjallisuuskatsauksena ja tehdään kooste yleisimmistä ilmiöistä. Tutkimuksessa ei otettu huomioon ilmiöiden lieventämistä tai estämistä, vaan aihe rajattiin vain vaikutusten kartoittamiseen.

Työn alussa keskityttiin yleisimpien teräslaatujen ja hitsausmenetelmien määritykseen. Seuraavassa osiossa pohdittiin teräksen ominaisuuksia vety-ympäristössä. Vedylle altistuminen on yksi pääsyistä terästen mekaanisten ominaisuuksien heikkenemiseen ja alikriittiseen särönkasvuun, johtaen jopa katastrofaaliseen vikaantumiseen sallitun jännitysrajan alapuolella. Vety voi aiheuttaa teräksessä haurasilmiön, vetyhaurauden, sekä edistää sisäisten ja ulkoisten murtumien ja repeämien syntyä. Erilaiset murtumismekanismit pyrkivät selittämään vaurioiden muodostumisen.

Viimeisessä osiossa selvitettiin vety-ympäristön vaikutuksia hitsiliitoksiin. Tutkimuksessa todettiin hitsauskaasun vetypitoisuuden lisäävän valokaaren sulatustehokkuutta ja kasvattavan hitsiaineen raekokoa. Vety aiheuttaa hitsin eri osissa vetyhalkeamia ja hitsin pinnalla vetyläikkiä. Vedylle altistuminen nopeuttaa väsymissärönkasvua, heikentää väsymiskestävyyttä ja laskee väsymisrajaa sekä teräksissä, että niiden hitsiliitoksissa.

This bachelor’s thesis investigates the properties of steels and welded joints in hydrogen environment. In the design of steel structures, it is essential to understand the effect of hydrogen and hydrocarbons on the mechanical properties of the material such as strength, ductility and fatigue resistance. The work will be carried out as a literature review and a summary of the most common phenomena will be made. The study did not consider mitigation or prevention of the phenomena but was limited to the identification of the effects.

At the beginning of the work, the focus was on the identification of the most common steel grades and welding methods. The next section discussed the properties of steel in a hydrogen environment. Exposure to a hydrogen environment is one of the main causes of deterioration of the mechanical properties of steels and subcritical crack growth, leading to catastrophic failure below the allowable stress limit. Hydrogen can cause the phenomenon of brittleness in steel, hydrogen embrittlement, and contribute to the formation of internal and external fractures and cracks. Various fracture mechanisms attempt to explain the formation of these lesions.

The final section investigated the effects of the hydrogen environment on welded joints. The study found that the hydrogen content of the shielding gas increases the melting efficiency of the arc and increases the grain size of the weld metal. Hydrogen causes hydrogen cracks in different parts of the weld and fisheyes on the weld surface. Exposure to hydrogen accelerates fatigue crack growth, reduces fatigue resistance and lowers the fatigue limit in both steels and their welded joints.