Hydrogen Embrittlement

Fragilización por Hidrógeno

Fragilización por hidrogeno – Un gran desafío para la industria

La fragilización por hidrógeno (también llamado agrietamiento inducido por hidrógeno) describe la fragilización del metal después de ser expuesto al hidrógeno. Debido a la fragilización por hidrógeno, las estructuras pueden sufrir una pérdida de ductilidad, fuerza y/o resistencia. Este fenómeno puede suponer un riesgo para la sostenibilidad de las estructuras de petróleo y gas, las cajas de engranajes y los anclajes de las turbinas eólicas marinas o las construcciones arquitectónicas de acero. Aunque es un tratamiento serio para las estructuras de acero, la fragilización por hidrógeno sigue siendo un proceso complejo que no se comprende del todo debido a la variedad y complejidad de los mecanismos. Los métodos numéricos pueden ayudar a investigar diferentes teorías y comparar los resultados obtenidos con los datos experimentales.

4RealSim, tu socio para abordar la fragilidad por hidrógeno

4RealSim es una empresa especialista en análisis mediante elementos finitos y ofrece servicios de consultoría para las industria del petróleo y el gas, aeroespacial, automoción, construcción y energía, entre otras. En los últimos años 4RealSim ha estado investigando la fragilización por hidrógeno e implementando soluciones numéricas, con el fin de ayudar a nuestros clientes a entender sus casos de fragilización por hidrógeno.

Escribe a contacto@4realsim.com para hablar sobre tu caso.

Caso de fragilización por hidrógeno

El puente de la bahía de Oakland Bay

Un caso conocido de fragilización por hidrógeno es el puente de la bahía de Oakland. En 2013, 6 meses antes de su apertura, el tramo Este del puente falló durante las pruebas. Se produjeron fallos catastróficos en un alto porcentaje de los pernos después de sólo dos semanas de servicio. El fallo se atribuye a la fragilidad, muy probablemente originada por el duro ambiente. Se estima que los costes ascendieron a más de 25.000.000 de dólares.


New eastern span of Oakland Bay Bridge – Picture by Mario Roberto Durán Ortiz

122 Leadenhall street

122 Leadenhall street, también conocido como “Cheesegrater”, sufrió de fragilización por hidrógeno en numerosos pernos de acero, con tres pernos fallando en 2014 y 2015.

Pero no sólo la industria de la construcción se enfrenta a la fragilización por hidrógeno. Este fenómeno también es un problema para la industria del petróleo y el gas, la energía eólica y varias otras industrias.

Antecedentes sobre la fragilización por hidrógeno

Cuando el metal se expone al hidrógeno, puede sufrir una pérdida de ductilidad, fuerza y/o resistencia. Para caracterizar este comportamiento, la fragilidad por hidrógeno ha sido investigada intensamente durante las últimas décadas, lo que llevó a varios modelos y teorías que compiten entre sí. A continuación se resume un conjunto de estas teorías:

  • HELP: Hydrogen Enhanced Localized Plasticity
  • HID: Hydrogen Induced Decohesion
  • HIPT: Hydrogen Induced Phase Transformation

Con la ayuda de métodos numéricos, las empresas pueden evaluar estas teorías y comparar los resultados obtenidos con los datos experimentales obtenidos en el campo.


Influencia de la Fragilización por Hidrógeno en las propiedades materiales

El principal problema es que el hidrógeno puede difundirse fácilmente a través de la estructura metálica y desde un nivel macroscópico se puede encontrar hidrógeno en varios lugares.

Fragilización por hidrógeno - cartografía microestructural

Los recientes avances en la cartografía microestructural del hidrógeno en los aceros – foto de Koyama et al.

 

Difusión acoplada de tensión e hidrógeno

En muchos paquetes comerciales de FEM el proceso de difusión estándar está implantado y puede resolverse con una solución específica para ese problema. Pero el proceso de difusión de hidrógeno acoplado junto al cálculo de tensiones no está disponible fácilmente y necesita ser programado e implementado.
El proceso de difusión acoplada que se discute aquí se basa en el modelo HELP, que requiere el tratamiento separado de la concentración de hidrógeno en el “lattice-site” (coeficiente CL ) y en el “trap site” (coeficiente CX ), que está relacionado con el desarrollo de dislocaciones locales. La concentración total de hidrógeno (CT) es la suma de la concentración en el ” lattice-site” y en la “trap site”.

Diferentes enfoques numéricos fueron desarrollados por Krom (1999), Oh y Kim (2009), Barrera (2016) y otros de una manera adecuada, los cuales utilizaron la ley de la conversación en masa y el teorema de la divergencia para derivar las soluciones numéricas necesarias que deben ser implementadas en el código FEM:

Fragilización por hidrógeno - Teorema de la divergencia final

Teorema de la divergencia final

Implementación de la difusión de hidrógeno en Abaqus

Se ve una analogía muy buena al comparar las ecuaciones de difusión de masa con las ecuaciones de calor desde un punto de vista general (ver imagen abajo). Esto significa que el marco de transferencia de calor puede ser “manupilado” para cubrir la teoría de la difusión de la masa. De esta manera, se puede implementar en Abaqus una solución de difusión de hidrógeno totalmente acoplada a la tensión.

Ecuaciones de calor frente a ecuaciones de difusion de masa

Ecuaciones de calor frente a ecuaciones de difusion de masa

En una solución acoplada, el tensión y las condiciones de límite influyen en la concentración de hidrógeno, mientras que la concentración de hidrógeno influye en el comportamiento del material, y viceversa.
La ecuación de difusión en sí misma se resuelve con la subrutina de usuario UMATHT.
Otro reto es calcular los gradientes de tensión hidrostática, que se calculan en la rutina UMATHT mediante las derivadas de la función de forma.
Además, la fórmula para calcular la tensión de fluencia en función de la deformación plástica se amplía para tener en cuenta la concentración de hidrógeno a través de la subrutina de usuario UHARD.

Validación de la aplicación de la difusión acoplada de tensión e hidrógeno

Se toma un caso de la bibliografía para validar la implementación de la difusión acoplada de tensión e hidrógeno. El caso evalúa el transporte de hidrógeno cerca de una punta de grieta sin filo.

El caso (ver imagen abajo) representa una placa 2D con una grieta y se aplica una deformación para tener una grieta de modo-I y un factor de intensidad de tensión de 89,2 MPa√m.

Fragilización por hidrogeno - caso simple

Geometría, cargas y condiciones de contorno de un caso simple

El desarrollo del hidrógeno a lo largo del tiempo se evalúa cuando hay una tasa de carga diferente: extremadamente rápida a 1,3 seg. y extremadamente lenta a 1,3E+6 seg.
Además, no hay flujo de hidrógeno hacia las superficies exteriores y hay una concentración inicial uniforme de hidrógeno en el interior del componente.

Los resultados FEA de difusión de hidrógeno y tensión acoplados

Los resultados obtenidos con la solución implementada son muy similares a los resultados disponibles en la bibliografía. En la siguiente sección se dan más detalles sobre estos resultados.

La concentración de hidrógeno en los sitios de red de los átomos (lettice-site) se muestra en el lado izquierdo del vídeo de abajo, mientras que la concentración de hidrógeno en los sitios de trampa (trap-site) se muestra en el lado derecho. También hay que tener en cuenta que la leyenda de la concentración de hidrógeno en los “trap-site” es 100 veces mayor que la concentración de hidrógeno en los “lettice-site”.

En el caso rápido (véase el siguiente vídeo), la concentración de hidrógeno en los “lettice-site” está aumentando (la zona roja) durante un breve período al comienzo de la simulación, a medida que aumenta la tensión hidrostática. Está atrayendo todo el hidrógeno de los alrededores y luego está desapareciendo. Todo el hidrógeno en los “lettice-site” ha desaparecido.

El hidrógeno en los “trap-site” depende del desarrollo de la deformación plástica. La deformación plástica no aumenta inmediatamente al principio, pero después de un tiempo aumenta y por lo tanto también aumenta el hidrógeno en los sitios de la trampa. Así que después de un tiempo el hidrógeno del sitio de la red se mueve a los sitios de la trampa.

 

Para el caso lento (véase el vídeo a continuación), se muestra un crecimiento constante del hidrógeno en los “Lettice-site” y “Trap-site” cerca de la punta de la grieta.
Los resultados de la simulación muestran claramente la influencia de la tasa de carga en la concentración de hidrógeno en los sitios de la red y de la trampa. Esto también se ve en la bibliografía.

Propagación de la grieta

En la segunda fase, la propagación de la grieta se incluye en la simulación. El camino de la grieta y la futura grieta se predetermina mediante un modelo de zona cohesiva. El comportamiento cohesivo se caracteriza por la rigidez cohesiva, la fuerza cohesiva y la energía de fractura cohesiva.

Implementación de la propagación de la grieta

La fuerza de cohesión depende de la concentración de hidrógeno en las superficies. La energía de fractura cohesiva se considera independiente de la concentración de hidrógeno, pero si es necesario, se podría incluir la dependencia.

Caso de estudio de propagación de grietas

Se toman algunos casos de la bibliografía para verificar la aplicación de la propagación de la grieta. En este blog se describe el caso del double-cantilever beam (DCB), que es un modelo estándar para la prueba de materiales (NACE DCB). El DCB está modelado como un modelo 2D, con una grieta predefinida en la superficie de la línea media. La grieta está predefinida.

Fragilización por hidrogeno - DCB

Geometría de la double-cantilever beam

Cargas

En un primer paso se tiran verticalmente los extremos libres y en un segundo paso se aplica una carga de hidrógeno en la superficie límite exterior de la DCB.

Resultados FEA de la propagación de la grieta

Cuando los extremos libres de la DCB se tiran verticalmente (primer paso), se puede ver en el vídeo de abajo cómo la tensión de Von Mises y la tensión hidrostática están aumentando lentamente cerca de la punta de la grieta.

En el vídeo a continuación, se muestran los patrones de tensión hidrostática y de Von Mises obtenidos cuando la carga de hidrógeno se libera a la superficie límite exterior de la DCB (paso 2). Durante este paso, el hidrógeno es liberado en el T0 y después el hidrógeno se eleva y se mantiene constante. El hidrógeno se acerca a la punta de la grieta, degrada el material y por lo tanto reduce la fuerza cohesiva. La reducción de la fuerza cohesiva causa la apertura de la grieta.

En un determinado momento, se alcanza un equilibrio entre la carga mecánica externa y la concentración de tensión resultante en la punta de la grieta propagada y las propiedades del material degradado. Una vez que éstas están en equilibrio (esto significa que la fuerza cohesiva es igual a la carga crítica), se produce una grieta autoarrestada.


El video de abajo muestra la concentración de hidrógeno en los sitios de la red (Lattice-sites arriba) y la relación de fuerza cohesiva. La concentración de hidrógeno se centra en la punta de la grieta. La relación de fuerza cohesiva (valor 1 al principio del paso) se está deteriorando en la punta de la grieta, hasta que se produce la detención de la misma.

El video de abajo muestra los mismos resultados pero con una vista más cerca de la punta de la grieta.


Este post no describe los resultados de las investigaciones de los parámetros (tamaño de la malla, resistencia a la fractura, energía de fractura, amortiguación viscosa de la fractura, …), pero estos resultados pueden ser discutidos a petición.

Conclusión: Soluciones FEA de fragilización por hidrógeno

Para concluir, 4RealSim ha implementado y verificado un mecanismo de difusión de hidrógeno totalmente acoplado a la tensión. Esta solución puede utilizarse para evaluar la relevancia de la fragilización por hidrógeno a diferentes niveles.

Una primera posibilidad es utilizar esta solución para evaluar el impacto macroscópico en el comportamiento de la producción, con el fin de evaluar la relevancia de la difusión/concentración de hidrógeno en la estructura .

Otra posibilidad es utilizar esta solución para evaluar el impacto macroscópico en la degradación/daño de los materiales, a fin de evaluar las posibles cargas de fallo teniendo en cuenta los daños materiales locales como resultado de la fragilidad por hidrógeno.

Una tercera posibilidad es utilizar esta solución para evaluar el impacto microscópico en el crecimiento / desarrollo de las grietas. Esto permite al usuario

  • investigar el desarrollo de la grieta microscópica
  • utilizarlo junto con los datos de las pruebas de laboratorio para mejorar la comprensión fundamental
  • utilizarlo junto con los datos de pruebas de laboratorio para investigar diferentes materiales / tratamientos de superficie de materiales

¿Cómo puede 4RealSim ayudar con la fragilidad por hidrógeno?

Como especialístas en análisis mediante elementos finitos, 4RealSim tiene la experiencia y el conocimiento para enfrentar los problemas de la fragilización por hidrógeno. 4RealSim puede desarrollar una subrutina a medida, un proceso de simulación a medida o  puede trabajar independientemente para investigar el problema relacionado con el hidrógeno.

Escribe a contacto@4realsim.com para hablar de tu caso.