Fatigue assessment of coated steels for steel structures in different environments : air vs. hydrogen

Abstract

Fatigue failure in steel structures used in high hydrogen content environments can be caused by hydrogen embrittlement (HE). HE reduces ductility by introducing plastic zones in steel which help crack initiation and propagation. Coatings and other HE reduction methods have been produced and studied to counter it.

This thesis studied fatigue behaviour of coated S355M steel in air and hydrogen environments. Thesis was funded by Nor-Maali Oy which produced two different coating systems to be studied. Coatings capabilities on reducing hydrogen uptake and hydrogen movement in material were studied with thermal desorption spectroscopy (TDS) and hydrogen permeation tests. Low-cycle fatigue (LFC) tests were performed in both air and hydrogen environments, and digital image correlation (DIC) was used to measure deformations during the testing. Scanning electron microscope (SEM) was used to scan fracture surfaces to observe the effects of the hydrogen on the fracture.

The tests revealed that coating system A protected the base steel less than coating system B. Coating system A allowed hydrogen to enter steel causing more brittle fractures when compared to coating system B. The results from each test method complemented each other on which coating system were more suitable for hydrogen environment.

The study shows that coating effectiveness in hydrogen environments depends on its ability to block hydrogen diffusion. Among those tested, the polymer-based coating performed best in reducing hydrogen-assisted fatigue damage.

Vetypitoisessa ympäristöissä käytettyjen teräsrakenteiden väsymismurtuma voi johtua vetyhaurastumisesta. Vetyhaurastuminen vähentää sitkeyttä luomalla teräkseen plastisia vyöhykkeitä, jotka edistävät halkeamien syntymistä ja etenemistä. Tämän torjumiseksi on kehitetty ja tutkittu pinnoitteita ja muita vetyhaurastumisen vähentämismenetelmiä.

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin pinnoitetun S355M-teräksen väsymiskäyttäytymistä ilma- ja vety ympäristöissä. Opinnäytetyön rahoitti Nor-Maali Oy, joka tuotti kaksi erilaista pinnoitejärjestelmää tutkittavaksi. Pinnoitteiden kykyä vähentää vedynottoa ja vedyn liikkumista materiaalissa tutkittiin lämpödesorptiospektroskopialla ja vedyn läpäisykokeilla. Molemmissa ilma ja vety ympäristöissä suoritettiin matalasyklisiä väsymiskokeita, ja digitaalista kuvakorrelaatiota käytettiin siirtymien mittaamiseen testin aikana. Pyyhkäisyelektronimikroskooppia käytettiin murtumapintojen skannaamiseen vedyn vaikutusten havaitsemiseksi murtumassa.

Testit osoittivat, että pinnoitejärjestelmä A suojasi perusterästä vähemmän kuin pinnoitejärjestelmä B. Pinnoitejärjestelmä A päästi vetyä teräkseen, mikä aiheutti enemmän hauraita murtumia verrattuna pinnoitejärjestelmään B. Jokaisesta testimenetelmästä saatu tulos näytti saman tuloksen mistä selvisi parempi pinnoitejärjestelmä vety ympäristöön.

Tutkimus osoittaa, että pinnoitteiden tehokkuus vety-ympäristöissä perustuu niiden kykyyn estää vedyn diffuusiota. Tutkituista vaihtoehdoista polymeeripohjainen pinnoite osoittautui tehokkaimmaksi vedyn aiheuttaman väsymisvaurion vähentämisessä.