HIC یا ترک خوردگی تحت تاثیر هیدروژن چیست؟ HIC در چه موادی رخ می دهد؟

ورود هیدروژن به داخل فلزات و آلیاژها می تواند باعث خسارت های زیر شود:

کاهش انطاف پذیری و یا استحکام شکست
تشکیل و فعال شدن عیوب سطحی و داخلی
انتشار عیوب در تنش هایی به مراتب کمتر از تنش های لازم برای شکست مکانیکی
خسارت های ماکروسکوپی به دلیل به دام افتادن در فصل مشترک های مکانیکی

هیدروژن می تواند در مراحل مختلف ساخت قطعات و تجهیزات و یا حین سرویس وارد شود. در عملیات اسید شویی، آبکاری و جوشکاری، هیدروژن جذب فلزات می شود. سرویس های شیمیایی بعدی که در معرض خورندگی آبی و خوردگی گالوانیکی، محیط های حاوی هیدروژن دمای بالا و یا محیط های ترش مانند گاز ترش، نفت خام ترش و سایر محیط های حاوی سولفید هیدروژن (H₂S) قرار دارند نیز ممکن است هیدروژن وارد نمایند. در سیستم های آبی ورود هیدروژن توسط سموم کاتدی تقویت می شود. این سم ها ترکیب هیدروژن های اتمی و تشکیل هیدروژن مولکولی در سطح فلز را متوقف می کنند. در این حال هیدروژن اتمی جهت نفوذ به شکاف ها و فضاهای بین دانه ای فلز آزاد می باشد. این سموم شامل سیانیدها، گوگرد، ترکیبات سلنیومی، آرسنیک، بیسموت، فسفر، ید، آنتیموان، تلوریم و سولفید هیدروژن (H₂S) است. سولفید هیدروژن به عنوان شدیدترین سم عمل می کند. محیط های سولفید هیدروژنی مرطوب، مهاجم ترین محیط ها برای تسریع ورود هیدروژن هستند.

ورود هیدروژن به داخل فلزات و آلیاژها باعث خوردگی و تخریب و انهدام های ناشی از آن می شود. تخریب های ناشی از خوردگی هیدروژن به صورت های مختلفی چون تاول هیدروژنی و انواع تردی و ترک هیدروژنی، خسارت های فاجعه باری به وجود آورده است. در اثر نفوذ اتم های هیدروژن به درون آلیاژ و تشکیل مولکول هیدروژن در اطراف ناخالصی ها و حفرات خالی، به دلیل اینکه این مولکول حجم زیادی داشته و نمی تواند از ساختار آلیاژ خارج شود، لذا آلیاژ به صورت موضعی دچار بادکردگی خواهد شد. به این اتفاق تاول زنی هیدروژنی (Hydrogen Blistering) می گویند. تاول های هیدروژنی می توانند در تمامی عمق آلیاژ، در وسط ضخامت یک ورقه فولادی یا در نزدیک جوش ها به وجود آیند. در بعضی موارد، تاول های هیدروژنی به موازات سطح آلیاژ در جهت ضخامت دیواره به هم متصل می شوند و پارگی لایه ای و ترک صاف (مستقیم) یا پله پله به وجود می آورند. در این صورت، به این نوع خسارت های هیدروژنی، ترک خوردن تحت تاثیر هیدروژن (HIC) و ترک خوردن تحت تاثیر هیدروژن و تنش (SOHIC) می گویند. در صورتی که وقوع خسارت هیدروژنی از نفوذ هیدروژن به داخل آلیاژ پر استحکام و با سختی بالا در محیط حاوی سولفید هیدروژن و انجام واکنش خوردگی سولفیدی حاصل شود و قطعه هم تنش باشد، با پدیده خوردگی تنش سولفیدی (SSC) مواجه خواهیم بود.

ترک خوردن تحت تاثیر هیدروژن (Hydrogen-Induced Cracking) که به اختصار HIC گفته می شود، از انواع مهم خوردگی و انهدام های مرتبط با هیدروژن است که با عناوینی چون ترک تاخیری هیدروژنی، ترک القایی هیدروژنی و ترک در اثر هیدروژن هم نامیده می شود. اگر چه مکانیسم حقیقی HIC به طور دقیق روشن نشده، ولی معلوم شده است که ورود هیدروژن اتمی به درون فلز سبب پیدایش شرایطی می گردد که موجب ایجاد ترک هیدروژنی می شود.

HIC در سه مرحله اتفاق می افتد:

تشکیل اتم های هیدروژن در سطح فلز و جذب سطحی آن
نفوذ اتم های هیدروژن جذب سطح شده به داخل فلز
تجمع اتم های هیدروژن در تله های هیدروژنی مثل حفره های اطراف آخال ها در فولاد که منجر به افزایش فشار داخلی، شروع و گسترش ترک ها می شود.

هیدروژن اتمی پس از تشکیل بر روی سطح فلز، اگر نتواند با اتم های دیگر هیدروژنی ترکیب شده و تشکیل گاز هیدروژن بی ضرر (H₂) کند، به درون آن نفوذ می کند. اگر هیدروژن هنگام عبور از داخل قطعه به یک حفره یا ناخالصی غیر فلزی برسد، در داخل حفره ها و اطراف آخال ها، اتم های هیدروژن جمع می شوند و ضمن ترکیب با هم، مولکول هیدروژن تشکیل می شود. چون هیدروژن مولکولی نمی تواند از داخل فلز عبور کند، بنابراین غلظت هیدروژن و فشار آن در داخل حفره افزایش می یابد و یک تنش داخلی در درون فلز القا می شود. با اتصال این حفرات به هم در یک آلیاژ و محیط مستعد، احتمال بروز ترک در قطعه و وقوع شکست در آن افزایش می یابد. حال اگر در این وضعیت، این قطعه با توجه به شرایط کاری خود، تحت بارهای خارجی نیز قرار داشته باشد، این احتمال باز بیشتر می شود.

خسارت هیدروژنی در محیط H₂S مرطوب

رفتار هیدروژن در فولاد که منجر به خوردگی های HIC و SSC در محیط H₂S مرطوب می شود

تئوری های مختلفی برای توجیه مکانیسم وقوع HIC مطرح شده است. از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

تئوری فشار Pressure Theory
تغییرات انرژی سطح ترک Surface Energy
کار پلاستیکی مضاعف Enhanced Plastic Flow
انتقال توسط نابجایی ها Transport model
تشکیل هیدرات Hydride Formation
سستی پیوند اتمی Decohesion Theory

در مقابل هر یک از این تئوری ها، مغایرهایی بیان شده است که عمومیت آن ها را زیر سوال می برد ولی به نظر می رسد تئوری سستی پیوند اتم های Fe-Fe می تواند خود به تنهایی و یا همراه با تئوری های دیگر می تواند توجیه مناسبی برای این نوع تخریب هیدروژنی باشد.

HIC در مواد با استحکام بالا مثل فولادهای آلیاژی، فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا، فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی، فولادهای زنگ نزن آستنیتی کار سرد شده، و به طور محدودتر در برخی آلیاژهای نیکل، بیشتر رخ می دهد. ترک هیدروژنی در قطعات جوشکاری شده ی این گروه از فلزات بسیار معمول است و هم در فلز جوش و هم در ناحیه متاثر از حرارت جوش (HAZ) دیده می شود و با نام هایی چون ترک خوردگی سرد (Cold Cracking)، ترک خوردگی پنجه جوش (Toe Cracking) و ترک خوردگی زیر جوش (Under Bead Cracking) نیز شناخته می شود. یکی از راه های نفوذ هیدروژن به فلز جوش، وجود رطوبت و یا ترکیبات آلی مانند چربی ها در موضع تحت جوشکاری و رطوبت موجود در الکترود و فلاکس است. تمیزکاری مناسب درز اتصال، مواد مصرفی مناسب جوشکاری، پخت الکترود قلیایی، پیش گرم قطعه و فرایند جوشکاری مناسب از جمله راه های جلوگیری از نفوذ هیدروژن به فلز جوش و ترک هیدروژنی است.

ترک های پله ای شکل HIC

بر خلاف خوردگی معمولی که انهدام در آند اتفاق می افتد، وقتی HIC روی می دهد، انهدام در کاتد جایی که هیدروژن تولید شده است، رخ می دهد. خطرناک ترین درجه حرارت برای HIC دمای اتاق (۲۵ درجه سانتیگراد) می باشد. فولادهای خیلی سخت مارتنزیتی که حرارت های بالای ۴۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کرده اند تا به مقدار اندکی از سختی آن ها کاسته شود، به مقدار قابل ملاحظه ای استعداد خود را از لحاظ ابتلا به HIC از دست می دهند. در حرارت های بالاتر، سمانتیت نرمال (کاربید اپسیلن) تشکیل می شود که به نظر می رسد هیدروژن را آسان تر جذب می کند. حضور برخی عناصر مثل مس، کبالت به همراه مس، تنگستن به همراه مس، کلسیم و برخی فلزات نادر در ترکیب شیمیایی فولادها از استعداد آن به HIC می کاهد. در حالت کلی، هر عاملی که باعث کاهش جذب هیدروژن به داخل فولاد شود، می تواند مانع وقوع HIC بشود.

اگر مجبور به استفاده از یک آلیاژ مستعد به HIC و سرویس نامناسب هستیم، برای پیشگیری از وقوع HIC می توان از راهکارهای زیر استفاده کرد:

انتخاب حفاظت آندی: وقتی احتمال HIC وجود دارد طراح می تواند از حفاظت آندی جهت کاهش ترک خوردگی استفاده کند. ولی هرگز نباید از حفاظت کاتدی استفاده کند. زیرا این نوع سیستم حفاظتی، اکتیویته را در کاتد جهت ایجاد هیدروژن افزایش می دهد و موجب افزایش سرعت ترک خوردگی می شود.
حرارت دادن فولاد بعد از آبکاری یا اسیدشویی: وقتی که قرار است فولاد، آبکاری یا اسیدشویی شود، طراح باید مقرر کند که قطعات تا ۱۶۲ درجه سانتیگراد حداقل به مدت ۱ تا ۳ ساعت، جهت خروج هیدروژن گرم شوند.
استفاده از ممانعت کننده مناسب در سیال برای ایجاد یک پوشش محافظ
استفاده از رنگ یا روکش مناسب برای کاهش جذب سطحی هیدروژن
برداشتن انواع مختلف پوشش ها از روی فولاد قبل از جوشکاری: مقرر شود که قبل از جوشکاری، تمامی پوشش های گالوانیزه، کادمیم، مس یا سایر پوشش های روی فولاد توسط اسید یا ماشین کاری(سنگ زنی) برداشته شود.
در قطعات جوشکاری شده، با رعایت راهکارهای زیر می توان از ترک هیدروژنی پیشگیری کرد:

۱- تمیزکاری مناسب درز اتصال

۲- استفاده از مواد مصرفی مثل الکترود و فلاکس مناسب

۳- پخت الکترودهای قلیایی

۴- پیش گرم قطعه، دمای بین پاسی مناسب و عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) مناسب

۵- فرایند جوشکاری مناسب

۶- جوشکاری چند پاسه

ترک HIC در ناحیه HAZ فولاد کربنی جوشکاری شده

به طور خلاصه تنش های پسماند، منابع هیدروژن و ریزساختار حساس از جمله عوامل اصلی در بروز ترک خوردگی هیدروژنی (HIC) هستند. بنابراین با کنترل این موارد می توان احتمال رخداد این نوع ترک را کاهش داد.

منابع: برای تهیه این مطلب از منابع زیر استفاده شده است:

۱- دکتر مفیدی، جمشید، اصول خوردگی و حفاظت فلزات، موسسه انتشارات دانشگاه تهران، چاپ اول ۱۳۷۷

۲- دکتر فرزام، منصور، مهندسی خوردگی و حفاظت از فلزات، انتشارات یادواره کتاب، چاپ اول ۱۳۷۸

۳- یوسف نژاد، احمد، تالیف ر.جیمز لندروم، مبانی طراحی خوردگی، انتشارات دانشگاه صنعتی سهند، ۱۳۸۲

۴- دکتر ساعتچی، اصغرزاده، صمدی، انتخاب مواد برای حداقل کردن خوردگی، انتشارات ارکان دانش، ۱۳۸۹

۵- دکتر عبدالملکی، دکتر صادقیان، مکانیزم های تخریب آلیاژهای مهندسی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی