A fragilização por hidrogênio é uma potencial causa de falha em diversos componentes industriais. Este tipo de fragilização ocorre principalmente em aços ao carbono e também em aços inoxidáveis martensíticos, que apresentam alta resistência mecânica. Neste trabalho, avaliou-se a influência das temperaturas de revenimento de 300 ºC, 400 ºC e 500 ºC na fragilização por hidrogênio do aço ABNT 10B22-Modificado, após o processo de carbonitretação, o qual é muito utilizado na fabricação de parafusos e fixadores. Foram confeccionados corpos de prova convencionais segundo a Norma NACE TM 177-90 e também foram usados parafusos M4 X50 fabricados conforme a Norma DIN 13 para realização dos ensaios. As amostras foram submetidas a três níveis de introdução forçada de hidrogênio (10mA/cm2, 20mA/cm2 e 30mA/cm2) por controle galvanostático, para as diferentes temperaturas de revenimento. Para efeito comparativo, para cada temperatura de revenido foram produzidas amostras isentas de hidrogênio, caracterizando a condição inicial do material. Todas as amostras foram submetidas ao ensaio de tração com baixa taxa de deformação. Os corpos de prova convencionais foram também ensaiados em tração com carregamento simultâneo de hidrogênio, enquanto os parafusos foram submetidos ao ensaio de torque de fragilização com carregamento prévio. Foram caracterizados os micromecanismos de fratura em todas as condições das amostras confeccionadas. Os resultados obtidos evidenciaram que para menores temperaturas de revenimento as amostras carregadas com hidrogênio apresentaram uma maior perda das propriedades mecânicas como resistência à tração, tenacidade e alongamento quando comparadas a condição inicial, sendo que a geometria do parafuso foi mais propensa aos efeitos deletérios do hidrogênio que os corpos de prova convencionais. O micromecanismo de fratura na camada carbonitretada foi predominantemente intergranular nas amostras carregadas com hidrogênio e o núcleo apresentou coalescimento de microcavidades na maioria dos casos, com microcavidades rasas nas amostras carregadas com hidrogênio. / Hydrogen embrittlement is a potential cause of failure in various industrial components. This type of embrittlement occurs mainly in carbon steels and in martensitic stainless steels, which have high mechanical strength. In this study, it was evaluated the influence of the tempering temperatures of 300 ºC, 400 ºC and 500 ºC on the hydrogen embrittlement effect, for the ABNT 10B22-modified steel, after the process of carbonitriding, which is widely used in the manufacture of screws and fasteners. The specimens were machined according to the NACE TM 177-90 standard and were also employed as specimens in the tests, screws M4 X50 manufactured according to the DIN 13 standard. The samples were subjected to three levels of hydrogen charge (10mA/cm2, 20mA/cm2 and 30mA/cm2) by galvanostatic control for the different tempering temperatures. For comparison, each tempering temperature sample was produced free of hydrogen, characterizing the initial condition of the material. All samples were subjected to slow strain rate tensile test. The specimens were also analyzed in conventional tensile tests with simultaneous charging of hydrogen, while the screws were subjected to the embrittlement torque testing with precharged specimens. Micromechanisms of fracture were characterized in all conditions for each of the samples. The results showed that lower tempering temperatures caused greater losses of mechanical properties such as tensile strength, elongation and toughness for the hydrogen charged samples when compared to the initial condition, and the geometry of the screw was more prone to the deleterious effects of hydrogen that conventional standardized specimens. The case fracture micromechanism was predominantly intergranular in samples charged with hydrogen and the core showed coalescence of microcavities micromechanism, in most cases, with shallow microvoids in the samples charged with hydrogen.

A fragilização por hidrogênio é uma potencial causa de falha em diversos componentes industriais. Este tipo de fragilização ocorre principalmente em aços ao carbono e também em aços inoxidáveis martensíticos, que apresentam alta resistência mecânica. Neste trabalho, avaliou-se a influência das temperaturas de revenimento de 300 ºC, 400 ºC e 500 ºC na fragilização por hidrogênio do aço ABNT 10B22-Modificado, após o processo de carbonitretação, o qual é muito utilizado na fabricação de parafusos e fixadores. Foram confeccionados corpos de prova convencionais segundo a Norma NACE TM 177-90 e também foram usados parafusos M4 X50 fabricados conforme a Norma DIN 13 para realização dos ensaios. As amostras foram submetidas a três níveis de introdução forçada de hidrogênio (10mA/cm2, 20mA/cm2 e 30mA/cm2) por controle galvanostático, para as diferentes temperaturas de revenimento. Para efeito comparativo, para cada temperatura de revenido foram produzidas amostras isentas de hidrogênio, caracterizando a condição inicial do material. Todas as amostras foram submetidas ao ensaio de tração com baixa taxa de deformação. Os corpos de prova convencionais foram também ensaiados em tração com carregamento simultâneo de hidrogênio, enquanto os parafusos foram submetidos ao ensaio de torque de fragilização com carregamento prévio. Foram caracterizados os micromecanismos de fratura em todas as condições das amostras confeccionadas. Os resultados obtidos evidenciaram que para menores temperaturas de revenimento as amostras carregadas com hidrogênio apresentaram uma maior perda das propriedades mecânicas como resistência à tração, tenacidade e alongamento quando comparadas a condição inicial, sendo que a geometria do parafuso foi mais propensa aos efeitos deletérios do hidrogênio que os corpos de prova convencionais. O micromecanismo de fratura na camada carbonitretada foi predominantemente intergranular nas amostras carregadas com hidrogênio e o núcleo apresentou coalescimento de microcavidades na maioria dos casos, com microcavidades rasas nas amostras carregadas com hidrogênio. / Hydrogen embrittlement is a potential cause of failure in various industrial components. This type of embrittlement occurs mainly in carbon steels and in martensitic stainless steels, which have high mechanical strength. In this study, it was evaluated the influence of the tempering temperatures of 300 ºC, 400 ºC and 500 ºC on the hydrogen embrittlement effect, for the ABNT 10B22-modified steel, after the process of carbonitriding, which is widely used in the manufacture of screws and fasteners. The specimens were machined according to the NACE TM 177-90 standard and were also employed as specimens in the tests, screws M4 X50 manufactured according to the DIN 13 standard. The samples were subjected to three levels of hydrogen charge (10mA/cm2, 20mA/cm2 and 30mA/cm2) by galvanostatic control for the different tempering temperatures. For comparison, each tempering temperature sample was produced free of hydrogen, characterizing the initial condition of the material. All samples were subjected to slow strain rate tensile test. The specimens were also analyzed in conventional tensile tests with simultaneous charging of hydrogen, while the screws were subjected to the embrittlement torque testing with precharged specimens. Micromechanisms of fracture were characterized in all conditions for each of the samples. The results showed that lower tempering temperatures caused greater losses of mechanical properties such as tensile strength, elongation and toughness for the hydrogen charged samples when compared to the initial condition, and the geometry of the screw was more prone to the deleterious effects of hydrogen that conventional standardized specimens. The case fracture micromechanism was predominantly intergranular in samples charged with hydrogen and the core showed coalescence of microcavities micromechanism, in most cases, with shallow microvoids in the samples charged with hydrogen.

O processo de proteção catódica é amplamente utilizada na indústria do petróleo e gás para a prevenção contra a corrosão. Entretanto, devido às reações catódicas induzidas pelo potencial catódico aplicado pode ocorrer a formação de depósito calcário na superfície de componentes protegidos catodicamente em água do mar. Existe certa incerteza na literatura sobre o papel do depósito calcário na absorção de hidrogênio e consequentemente na fragilização pelo hidrogênio. Assim, o presente trabalho visa investigar sua influência a fim de contribuir para o melhor entendimento da participação dessa camada nesse fenômeno. Para isso, foram realizados testes de permeação eletroquímica de hidrogênio, de tração de baixa taxa de deformação (BTD) e de cronoamperometria no aço API 5CT P110 em três soluções diferentes: água do mar sintética (AMS), água do mar sintética sem Ca2+ e Mg2+ e NaCl 3,5%. Além disso, foram aplicados dois potenciais catódicos: -1000 mVECS e -1500 mVECS. Após o ensaio de tração de BTD e de cronoamperometria as amostras foram analisadas em MEV/EDS. A partir dos resultados obtidos verificou-se que o depósito calcário formado em AMS em -1000 mVECS é formado por uma fina camada inicial rica em Mg seguida de cristais de aragonita. A formação dessa camada aparentemente diminuiu o fluxo de hidrogênio no estado estacionário em comparação com as demais soluções avaliadas nesse mesmo potencial. Todavia, essa diminuição não resultou em uma mudança significativa na fragilização do material. O depósito calcário formado em AMS em -1500 mVECS mostrou-se poroso e pulverulento, apresentando principalmente Mg em sua composição. O fluxo de hidrogênio no estado estacionário e a fragilização do material em AMS em -1500 mVECS foi maior do que nas demais soluções nesse potencial. Um possível mecanismo para explicar o efeito do depósito calcário na absorção e na fragilização pelo hidrogênio foi proposto e indica a competição entre o fator superficial ocasionado pela formação do depósito calcário e a sobretensão em hidrogênio. / The process of cathodic protection is widely used in oil & gas industry to corrosion prevention. However, the cathodic reactions induced by the applied cathodic potential can lead to the calcareous deposit formation on the cathodically protected structure surface in sea water. There is uncertainty about the role of calcareous deposit on hydrogen uptake and consequently on hydrogen embrittlement. Hydrogen electrochemical permeations, slow strain rate and chronoamperometric tests were carried out in three different solutions: artificial sea water, artificial sea water without Ca2+ and Mg2+ and 3.5% NaCl solution. Besides that, two cathodic potentials were applied: -1000 mVSCE e -1500 mVSCE. After slow strain rate and chronoamperometric tests the samples were analyzed in SEM/EDS. According to the obtained results it was observed that calcareous deposits formed in artificial sea water at -1000 mVSCE consists on a thin Mg-rich inner layer and an outer layer of aragonite crystals. The deposit formation apparently decreased hydrogen flux at steady state in comparison with other solutions evaluated at the same potential. The calcareous deposit formed in artificial sea water at -1500 mVSCE was porous, powdery and mainly composed by Mg. The hydrogen flux at steady state and the embrittlement of the material were higher in artificial sea water at -1500 mVSCE than in other solutions at the same potential. A possible mechanism to explain the calcareous deposit effect on hydrogen uptake and on hydrogen embrittlement was proposed and it indicates the competition between the surface effect induced by calcareous deposit formation and the hydrogen overpotential.

O processo de proteção catódica é amplamente utilizada na indústria do petróleo e gás para a prevenção contra a corrosão. Entretanto, devido às reações catódicas induzidas pelo potencial catódico aplicado pode ocorrer a formação de depósito calcário na superfície de componentes protegidos catodicamente em água do mar. Existe certa incerteza na literatura sobre o papel do depósito calcário na absorção de hidrogênio e consequentemente na fragilização pelo hidrogênio. Assim, o presente trabalho visa investigar sua influência a fim de contribuir para o melhor entendimento da participação dessa camada nesse fenômeno. Para isso, foram realizados testes de permeação eletroquímica de hidrogênio, de tração de baixa taxa de deformação (BTD) e de cronoamperometria no aço API 5CT P110 em três soluções diferentes: água do mar sintética (AMS), água do mar sintética sem Ca2+ e Mg2+ e NaCl 3,5%. Além disso, foram aplicados dois potenciais catódicos: -1000 mVECS e -1500 mVECS. Após o ensaio de tração de BTD e de cronoamperometria as amostras foram analisadas em MEV/EDS. A partir dos resultados obtidos verificou-se que o depósito calcário formado em AMS em -1000 mVECS é formado por uma fina camada inicial rica em Mg seguida de cristais de aragonita. A formação dessa camada aparentemente diminuiu o fluxo de hidrogênio no estado estacionário em comparação com as demais soluções avaliadas nesse mesmo potencial. Todavia, essa diminuição não resultou em uma mudança significativa na fragilização do material. O depósito calcário formado em AMS em -1500 mVECS mostrou-se poroso e pulverulento, apresentando principalmente Mg em sua composição. O fluxo de hidrogênio no estado estacionário e a fragilização do material em AMS em -1500 mVECS foi maior do que nas demais soluções nesse potencial. Um possível mecanismo para explicar o efeito do depósito calcário na absorção e na fragilização pelo hidrogênio foi proposto e indica a competição entre o fator superficial ocasionado pela formação do depósito calcário e a sobretensão em hidrogênio. / The process of cathodic protection is widely used in oil & gas industry to corrosion prevention. However, the cathodic reactions induced by the applied cathodic potential can lead to the calcareous deposit formation on the cathodically protected structure surface in sea water. There is uncertainty about the role of calcareous deposit on hydrogen uptake and consequently on hydrogen embrittlement. Hydrogen electrochemical permeations, slow strain rate and chronoamperometric tests were carried out in three different solutions: artificial sea water, artificial sea water without Ca2+ and Mg2+ and 3.5% NaCl solution. Besides that, two cathodic potentials were applied: -1000 mVSCE e -1500 mVSCE. After slow strain rate and chronoamperometric tests the samples were analyzed in SEM/EDS. According to the obtained results it was observed that calcareous deposits formed in artificial sea water at -1000 mVSCE consists on a thin Mg-rich inner layer and an outer layer of aragonite crystals. The deposit formation apparently decreased hydrogen flux at steady state in comparison with other solutions evaluated at the same potential. The calcareous deposit formed in artificial sea water at -1500 mVSCE was porous, powdery and mainly composed by Mg. The hydrogen flux at steady state and the embrittlement of the material were higher in artificial sea water at -1500 mVSCE than in other solutions at the same potential. A possible mechanism to explain the calcareous deposit effect on hydrogen uptake and on hydrogen embrittlement was proposed and it indicates the competition between the surface effect induced by calcareous deposit formation and the hydrogen overpotential.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-11T15:04:12Z No. of bitstreams: 1 MISAEL SOUTO DE OLIVEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 3567770 bytes, checksum: 102f4839f729d6e1ef1648a5b837db9b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-11T15:04:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MISAEL SOUTO DE OLIVEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 3567770 bytes, checksum: 102f4839f729d6e1ef1648a5b837db9b (MD5) Previous issue date: 2017-08-28 / Capes / A interação dos materiais utilizados na fabricação de equipamentos com os ambientes para os quais são colocados em serviço frequentemente causa sua degradação. A fragilização por hidrogênio apresenta-se como um processo de degradação caracterizado pela nucleação e propagação de trincas nos materiais metálicos, como em tubulações utilizadas no setor de petróleo e gás, sendo classificada como uma das mais perigosas para a integridade estrutural, uma vez que pode ocorrer de forma repentina de difícil percepção, resultando em fratura catastrófica. Por conseguinte, é necessário envidar esforços para obter parâmetros e critérios que ajudam na seleção, inspeção e manutenção de equipamentos, onde as condições operacionais favoreçam a ocorrência de um ambiente de fratura assistida. Para isso, foram realizados ensaios com o aço API 5CT P110, pré-dopado com hidrogênio, seguido pela metodologia de passo incremental (step loading), norma ASTM F1624 (2012), em água do mar sintética com superproteção catódica. A solução de água do mar foi preparada de acordo com a norma ASTM D1141 (2013). O início de crescimento de trinca subcrítico foi determinado através da técnica de queda de potencial de corrente alternada. Os resultados mostraram uma diminuição importante na tenacidade à fratura de iniciação do aço e validaram a determinação do limiar de intensidade de tensões (KIHAC) do aço API 5CT P110 em água do mar sintética sob superproteção catódica. / The interaction of materials used in the fabrication of equipment with the environments for which they are put into service often causes their degradation. The hydrogen embrittlement presents as a degradation process characterized by the nucleation and propagation of cracks in metallic materials, as in pipes used in the oil and gas sector, being classified as one of the most dangerous for structural integrity, since it can occurring suddenly and difficult to perceive, resulting in a catastrophic fracture. Therefore, it is necessary to make efforts to obtain parameters and criteria that help in the selection, inspection and maintenance of equipment, where the operating conditions favor the occurrence of an assisted fracture environment. For this, tests were carried out with the API 5CT P110 steel, pre-doped with hydrogen, followed by step loading methodology, ASTM standard F1624 (2012), in synthetic sea water with cathodic overprotection. The seawater solution was prepared in accordance with ASTM D1141 (2013). The beginning of subcritical crack growth was determined by the technique of alternating current potential drop. The results showed a significant decrease in the steel initiation fracture toughness and validated the determination of the stress intensity threshold (KIHAC) of the API 5CT P110 steel in synthetic sea water under cathodic overprotection.

O processo de proteção catódica é amplamente utilizada na indústria do petróleo e gás para a prevenção contra a corrosão. Entretanto, devido às reações catódicas induzidas pelo potencial catódico aplicado pode ocorrer a formação de depósito calcário na superfície de componentes protegidos catodicamente em água do mar. Existe certa incerteza na literatura sobre o papel do depósito calcário na absorção de hidrogênio e consequentemente na fragilização pelo hidrogênio. Assim, o presente trabalho visa investigar sua influência a fim de contribuir para o melhor entendimento da participação dessa camada nesse fenômeno. Para isso, foram realizados testes de permeação eletroquímica de hidrogênio, de tração de baixa taxa de deformação (BTD) e de cronoamperometria no aço API 5CT P110 em três soluções diferentes: água do mar sintética (AMS), água do mar sintética sem Ca2+ e Mg2+ e NaCl 3,5%. Além disso, foram aplicados dois potenciais catódicos: -1000 mVECS e -1500 mVECS. Após o ensaio de tração de BTD e de cronoamperometria as amostras foram analisadas em MEV/EDS. A partir dos resultados obtidos verificou-se que o depósito calcário formado em AMS em -1000 mVECS é formado por uma fina camada inicial rica em Mg seguida de cristais de aragonita. A formação dessa camada aparentemente diminuiu o fluxo de hidrogênio no estado estacionário em comparação com as demais soluções avaliadas nesse mesmo potencial. Todavia, essa diminuição não resultou em uma mudança significativa na fragilização do material. O depósito calcário formado em AMS em -1500 mVECS mostrou-se poroso e pulverulento, apresentando principalmente Mg em sua composição. O fluxo de hidrogênio no estado estacionário e a fragilização do material em AMS em -1500 mVECS foi maior do que nas demais soluções nesse potencial. Um possível mecanismo para explicar o efeito do depósito calcário na absorção e na fragilização pelo hidrogênio foi proposto e indica a competição entre o fator superficial ocasionado pela formação do depósito calcário e a sobretensão em hidrogênio. / The process of cathodic protection is widely used in oil & gas industry to corrosion prevention. However, the cathodic reactions induced by the applied cathodic potential can lead to the calcareous deposit formation on the cathodically protected structure surface in sea water. There is uncertainty about the role of calcareous deposit on hydrogen uptake and consequently on hydrogen embrittlement. Hydrogen electrochemical permeations, slow strain rate and chronoamperometric tests were carried out in three different solutions: artificial sea water, artificial sea water without Ca2+ and Mg2+ and 3.5% NaCl solution. Besides that, two cathodic potentials were applied: -1000 mVSCE e -1500 mVSCE. After slow strain rate and chronoamperometric tests the samples were analyzed in SEM/EDS. According to the obtained results it was observed that calcareous deposits formed in artificial sea water at -1000 mVSCE consists on a thin Mg-rich inner layer and an outer layer of aragonite crystals. The deposit formation apparently decreased hydrogen flux at steady state in comparison with other solutions evaluated at the same potential. The calcareous deposit formed in artificial sea water at -1500 mVSCE was porous, powdery and mainly composed by Mg. The hydrogen flux at steady state and the embrittlement of the material were higher in artificial sea water at -1500 mVSCE than in other solutions at the same potential. A possible mechanism to explain the calcareous deposit effect on hydrogen uptake and on hydrogen embrittlement was proposed and it indicates the competition between the surface effect induced by calcareous deposit formation and the hydrogen overpotential.

Orientador: Roberto Zenhei Nakazato / Resumo: 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 proc... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Com a descoberta de novas fontes de petróleo e gás, em regiões remotas e de difícil acesso, tem-se a necessidade do desenvolvimento de novas tecnologias para garantir a eficácia da exploração destes recursos. Essa exploração e extração muitas vezes se dão em ambientes altamente corrosivos e os equipamentos devem apresentar propriedades que garantam um fator de segurança em serviço. Os aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) são utilizados em tubulações para o transporte de gás natural e petróleo. Estes estão constantemente expostos a ambientes ácidos os quais são compostos de umidade e sulfeto de hidrogênio (H2S), podendo causar falha induzida pela presença de hidrogênio (Hydrogen Induced Cracking HIC). Este tipo de falha é normalmente abordado na literatura através de ensaios em solução contendo ácido acético e/ou sais (cloreto de sódio, entre outros), sempre com a injeção de H2S. Há vários mecanismos propostos, no entanto, o assunto não está totalmente resolvido. As alterações de composição química dos aços, processos de refino do aço e processos de conformação mecânica são responsáveis pela microestrutura final e determinantes da resistência à fragilização por hidrogênio. O objetivo deste trabalho é analisar e comparar o comportamento quanto à resistência à corrosão e resistência à HIC de quatro materiais: tubo X65 sour, sua região de solda, tubo X65 não-sour e uma chapa destinada a confecção de tubo X65. Os eletrólitos empregados foram: solução A (ácido acético contendo cloreto de sódio) e a solução B (água do mar sintética), os quais correspondem às soluções recomendadas pela norma NACE TM0284-2003. Os materiais foram submetidos a: ensaios de polarização (Polarização Linear para determinação da Resistência de Polarização - Rp) e ensaios de resistência a HIC segundo a norma NACE TM0284-2003; exames em microscópio óptico e eletrônico de varredura para caracterização da morfologia da corrosão e do trincamento. Os ensaios de Rp revelaram que a solução A é mais agressiva do que a solução B, sendo isso explicado pela diferença de pH entre estas duas soluções. Os resultados mostraram ainda que a máxima resistência à corrosão sempre é obtida para o tubo sour, enquanto a mínima ocorreu para o tubo não-sour. Após o ensaio de resistência a HIC os exames em microscópio óptico revelaram que, em ambas as soluções, o tubo de X65 sour, e a sua solda não apresentaram trincas, bem como a chapa destinada a tubo X65; já o tubo de X65 não-sour apresentou trincamento principalmente na região central. Os exames das trincas revelaram que a presença de cementita intergranular e a estrutura bandeada foram as causas do trincamento. No caso do tubo sour, o bom desempenho foi discutido em termos da microestrutura de ferrita poligonal, acicular e microconstituinte M/A. Já o comportamento distinto encontrado para a chapa (para tubo X65), foi discutido levando-se em conta que esta chapa apresentou menor quantidade de cementita intergranular, uma vez que, sua microestrutura é bandeada e não foi encontrado trincamento. Os resultados também revelaram que a solução B, como no caso da resistência à corrosão, é uma solução menos agressiva, pois o trincamento obtido foi muito menor. / The discovery of new oil and gas reserves, at remote and hard to reach locations, makes imperative the development of new technologies to ensure effective exploitation of these resources. This exploitation is often performed at highly corrosive environments and equipment such as pipelines should have special mechanical and corrosion properties to guarantee safety levels in service. High-Strength Low Alloy (HSLA) steels are used in pipelines for transporting gas and oil. These steels are in constant exposure to acid environments containing hydrogen sulfide (H2S) and water, that can cause pipeline failures due to Hydrogen-Induced Cracking - HIC. The literature reports that Hydrogen-Induced Cracking in steels is normally tested in solutions containing acetic acid and/or, salts (sodium chloride and others) with addition of H2S. Chemical composition, steel refining processes and metal forming processes are responsible for the final microstructure of the steel and have effect on the hydrogen embrittlement resistance. The purpose of this work is to analyze and compare the corrosion resistance and HIC resistance, and compare of four materials: pipeline steel API 5L X65 for sour service, its welded junctions, pipeline steel API 5L X65 for non-sour service and pipeline steel plate API 5L X65. The materials were submitted to linear polarization test (Rp) and HIC resistance test according to NACE TM0284-2003 standard. Both tests were carried out with two different electrolytes: the solution A (acetic acid and sodium chloride) and solution B (synthetic seawater). Subsequently; the surface of the steels were evaluated by optical microscope and scanning electron microscopy in order to characterize the cracking modes and corrosion morphology. The Rp tests showed that the solution A is more aggressive than solution B, behavior attributed to the pH difference between solutions. Steel API 5L X65 for sour service had the highest corrosion resistance and pipeline steel API 5L X65 for non-sour service had the lowest. The HIC test and the surface examination revealed that in both solutions, pipeline steel API 5L X65 for sour service, the welded junctions and the pipeline steel plate API 5L X65 showed no cracks. On the other hand, pipeline steel API 5L X65 for non-sour service presented cracking mainly in the central region. The tests revealed that the cracks nucleated at the intergranular cementite in the banded structure. The good performance of the pipeline steel API 5L X65 for sour service was discussed in terms of the microstructure, formed by polygonal ferrite, acicular ferrite and M/A microconstituent. The performance of steel plate (for pipeline API 5L X65) was different. This material did not exhibit cracks in the matrix in spite of its banded microstructure. This result was discussed taking into account that the plate studied had a small amount of intergranular cementite. The results also showed that the solution B, as in the case of corrosion resistance tests, was less aggressive than solution A, because the cracks produced were smaller.

Com o decorrer dos anos o consumo de petróleo e seus derivados aumentou significativamente e com isso houve a necessidade de se investir em pesquisas para descobertas de novas jazidas de petróleo como o pré-sal. Porém, não apenas a localização dessas jazidas deve ser estudada, mas, também, sua forma de exploração. Essa exploração e extração, na maioria das vezes, se dão em ambientes altamente corrosivos e o transporte do produto extraído é realizado através de tubulações de aço de alta resistência e baixa liga (ARBL). Aços ARBL expostos a ambientes contendo H2S e CO2 (sour gas) sofrem corrosão generalizada que promovem a entrada de hidrogênio atômico no metal, podendo diminuir sua tenacidade e causar falha induzida pela presença de hidrogênio (Hydrogen Induced Cracking HIC), gerando falhas graves no material. Tais falhas podem ser desastrosas para o meio ambiente e para a sociedade. O objetivo deste trabalho é estudar a tenacidade, utilizando ensaio Charpy, de um tubo API 5L X65 sour após diferentes tempos de imersão em uma solução saturada com H2S. O eletrólito empregado foi a solução A (ácido acético contendo cloreto de sódio) da norma NACE TM0284 (2011), fazendo-se desaeração com injeção de N2, seguida de injeções de H2S. Os materiais foram submetidos a: ensaios de resistência a HIC segundo a norma NACE TM0284 (2011) e exames em microscópio óptico e eletrônico de varredura para caracterização microestrutural, de inclusões e trincas. As amostras foram submetidas a imersão em solução A durante 96h e 360h, sendo que, após doze dias do término da imersão, foram realizados os ensaios Charpy e exames fractográficos. Foram aplicados dois métodos: o de energia absorvida e o da expansão lateral, conforme recomendações da norma ASTM E23 (2012). As curvas obtidas, em função da temperatura de impacto, foram ajustadas pelo método da tangente hiperbólica. Esses procedimentos foram realizados nas duas seções do tubo (transversal e longitudinal) e permitiram a obtenção dos seguintes parâmetros: energias absorvidas e expansão lateral nos patamares superior e inferior e temperaturas de transição dúctil-frágil (TTDF) em suas diferentes definições, ou seja, TTDFEA, TTDFEA-DN, TTDFEA-FN, TTDFEL, TTDFEL-DN e TTDFEL-FN (identificação no item Lista de Abreviaturas e Siglas). No exame fractográfico observou-se que o material comportou-se conforme o previsto, ou seja, em temperaturas mais altas ocorreu fratura dúctil, em temperaturas próximas a TTDF obteve-se fratura mista e nas temperaturas mais baixas observou-se o aparecimento de fratura frágil. Os resultados mostraram que quanto maior o tempo de imersão na solução A, menor é a energia absorvida e a expansão lateral no patamar superior, o que pode ser explicado pelo (esperado) aumento do teor de hidrogênio em solução sólida com o tempo de imersão. Por sua vez, os resultados mostraram que há tendência à diminuição da temperatura de transição dúctil-frágil com o aumento do tempo de imersão, particularmente, as TTDFEA-DN e TTDFEL-DN das duas seções do tubo (longitudinal e transversal). Esse comportamento controverso, que pode ser denominado de tenacificação com o decorrer do tempo de imersão na solução A, foi explicado pelo aparecimento de trincas secundárias durante o impacto (Charpy). Isso indica uma limitação do ensaio Charpy para a avaliação precisa de materiais hidrogenados. / Over the years the consumption of crude oil and its derivatives increased significantly, creating the necessity to invest in research to discover new sources of pre-salt crude oil. However, not only the location of these deposits should be studied, but also its extraction. This exploration and extraction, in most cases, occur in highly corrosive environments and the transport of the extracted product is performed by high strength low alloy steel pipes (HSLA). HSLA steels exposed to environments containing CO2 and H2S (sour gas) suffer general corrosion that promotes the diffusion of atomic hydrogen into the metal structure, which may decrease its toughness and induce cracks by the presence of hydrogen (Hydrogen Induced Cracking - HIC), leading the material to severe failures. Such events can be disastrous for the environment and the society. The objective of this work is to study the toughness using Charpy Impact Tests on an API 5L X65 sour service steel pipe, submitted to different immersion times in a H2S saturated solution. The used electrolyte was the NACE TM0284 (2011) solution A (acetic acid containing sodium chloride), with deaeration by N2 injection followed by H2S injection. The materials were submitted to HIC resistance tests according to NACE TM0284 (2011) standard and examination by optical microscopy and scanning electron microscopy for microstructural inclusions and cracks characterization. The samples were immersed in the solution for 96h and 360h and after twelve days of immersion, Charpy tests and fracture analysis were performed. Two analytical methods were applied to Charpy tests results: the energy absorbed and lateral expansion, as recommended by the ASTM E23 (2012). The obtained curves, that are a function of impact temperature, were adjusted by the hyperbolic tangent method. This procedure was performed in two different orientations in the pipe (transverse and longitudinal) and allowed the determination of the following parameters: energy absorbed and lateral expansion in the upper and lower levels and ductile-to-brittle transition temperatures (DBTT) in its different definitions: DBTTAE, DBTTAE-DN, DBTTAE-FN, DBTTLE, DBTTLE-DN e DBTTLE-FN. Fracture analysis revealed that the material behaved as expected, meaning that at higher temperatures ductile fracture occurred, at temperatures near DBTT it was obtained a mixed fracture and at lower temperatures it was observed the presence of brittle fracture. Results showed that when the immersion time in the solution was higher, the energy absorbed in upper shelf decreases, and also lateral expansion in upper shelf decreases, which may be explained by the (expected) increase of hydrogen level in solid solution, induced by the immersion time. It was found that there is a tendency of the ductile-to-brittle transition temperature to be lower with the increase of immersion time, particularly the DBTTAE-DN and DBTTLE-DN of the two pipe sections (longitudinal and transversal). This controversial behavior, which may be defined as the toughening by the increase of immersion time in the solution A, was explained by the appearance of secondary cracks during impact test (Charpy). This indicates a limitation of the Charpy test for the accurate characterization of hydrogenated materials, concerning toughness.

Este trabalho tem por objetivo avaliar os efeitos do hidrogênio em três diferentes tipos de aços de alta resistência mecânica. São descritos os fenômenos de introdução, difusão e aprisionamento de hidrogênio (H) dentro dos metais, em conjunto com os diferentes tipos de danos provocados devido à presença do hidrogênio. Os materiais de estudo são aços da família Advanced High Strength Steels (AHSS): aços Dual Phase (DP 1000 e DP 1200) e aço Martensítico (M 190). A introdução de hidrogênio nos materiais foi realizada através de carregamento catódico, o qual é representativo para as condições industriais a que se destinam. De modo a avaliar a influência do H nas propriedades mecânicas dos aços, os seguintes ensaios foram propostos: ensaio de carregamento com H, para determinar o conteúdo total de H (saturação) e conteúdo de H difusível (suscetibilidade a fragilização); ensaio de tração ao ar, para determinar a tensão no final da região elástica e resistência à tração na região do entalhe e ensaio de tração com carga constante em ambiente hidrogenado, para avaliar os efeitos provocados pela presença do H e determinar o patamar abaixo do qual o H não apresenta efeito crítico sobre o material. Os efeitos provocados pela aplicação de diferentes densidades de correntes (0,2 – 1,0 mA/cm²) foram avaliados nos ensaios de quantificação de H difusível. Conforme os resultados obtidos todos os aços apresentaram perdas na resistência mecânica à tração quando em ambiente hidrogenado, ou seja, sofreram fragilização por H. Os aços DP 1200 e M 190 (de microestrutura predominantemente martensítica) foram fortemente afetados, conforme evidenciado pela notável queda nos valores de tensão necessários para provocar a falha. Por outro lado, o aço DP 1000, de menor resistência mecânica, demonstrou menor suscetibilidade à fragilização, o que é atribuído a menor permeabilidade do H na microestrutura austenítica. / This work aims to evaluate the effects of hydrogen in three high- strength steel grades. The phenomena of hydrogen (H) entry, transport and trapping inside the metals, together with the different types of damages due to the presence of hydrogen are presented. The study materials are a range of AHSS steel grades: Dual Phase Steel (DP 1000 and DP 1200) and Martensitic Steel (M 190). The hydrogen entry was performed by cathodic charging, which is suitable for industrial applications. In order to evaluate the influence of H on the steel mechanical properties, the following tests were done: H charging, to measure total H content (saturation point) and diffusible H content (embrittlement susceptibility); uniaxial tensile test of uncharged samples to determine notched tensile strength values and the strength levels at the end of elastic region and constant load tensile testing carried out in hydrogen environment, to determine the threshold values where hydrogen has an effect on the material. DP 1200 and M 190 were strongly affected by H pre-charging, as shown by the significant drop in stress required to break them. On the other hand, DP 1000 showed a lower embrittlement susceptibility, which is attributed to its lower mechanical strength. The current densities effects (0.2 up to 1.0 mA/cm²) were evaluated during H charging to measure diffusible H content. All steels showed a drop in the tensile strength i.e. experienced hydrogen embrittlement. Steels with higher tensile strength, as DP 1200 and M 190, showed a much bigger drop that is related to the favorable characteristics of martensitic microstructure regarding to the hydrogen permeability and diffusivity.