Efecto del Níquel en Permeación de Hidrógeno en Aceros Expuestos a Medio Agrio
2025
| Tesista | Mauro Federico Daniel Vaca Ingeniero en Materiales - Instituto Sabato - UNSAM - CNEA - Argentina |
| Directores | Dr. Mariano Kappes. CNEA - Argentina. |
| Lugar de Realización | Gerencia Materiales, GAEN - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 15/12/2025 |
| Jurado | Dra. María José Cancio. TENARIS - Argentina. |
Título completo
Efecto del Níquel en Permeación de Hidrógeno en Aceros Expuestos a Medio Agrio
Resumen
La fisuración bajo tensiones en presencia de sulfuros (SSC, Sulfide Stress Cracking) es un fenómeno severo de degradación de los aceros expuestos a medios con H2S (medios agrios) y constituye una de las principales amenazas para la industria de petróleo y gas (O&G, Oil & Gas). Actualmente, es reconocido como un caso particular de fragilización por hidrógeno (HE, Hydrogen Embrittlement), en el que dicho elemento es absorbido a partir de reacciones de corrosión en la superficie del material, debido a que la presencia de H2S promueve esta reacción. Una vez absorbido, el hidrógeno puede difundir en los aceros y acumularse en sitios especiales denominados trampas. Además, cuando los componentes presentan una microestructura susceptible y se encuentran sometidos a tensiones de tracción, puede producirse una pérdida de ductilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga. Por otro lado, en aceros al carbono y de baja aleación, el níquel ha sido señalado como un aleante de interés debido a que aumenta la templabilidad y disminuye la temperatura de transición dúctil-frágil con una mínima penalización sobre la soldabilidad. Sin embargo, para servicio agrio su contenido se encuentra restringido por normas internacionales (ISO 15156-2 / NACE MR 0175) a valores por debajo del 1 % p/p, a la vez que se limita la dureza del material a niveles inferiores a 22 HRC. Sin embargo, el efecto del níquel sobre la resistencia al SSC no es del todo claro, ya que puede modificar la microestructura, la difusividad y el atrapamiento de hidrógeno, así como el potencial de circuito abierto y la formación de productos de corrosión, por lo que su rol continúa siendo objeto de investigación.
El presente trabajo tiene como objetivo caracterizar de manera específica los efectos del níquel, aislando su influencia de la de otros aleantes, sobre la carga de hidrógeno en aceros martensíticos expuestos a medios agrios. Para ello, se emplearon aleaciones con contenidos variables de Ni (entre 0 y 5 % p/p), que fueron tratadas térmicamente para obtener microestructuras martensíticas revenidas con durezas ≤ 22 HRC, conforme a la norma ISO 15156-2. Se llevaron a cabo ensayos de permeación de hidrógeno con carga electroquímica para evaluar flujo, difusividad y concentración, utilizando soluciones de cloruros acidificadas con ácido acético y con tiosulfato de sodio como generador local de H2S. Asimismo, se analizó el comportamiento electroquímico de las diferentes aleaciones a potenciales catódicos, considerando tanto el metal base como el recubierto por productos de corrosión, los cuales fueron caracterizados mediante microscopía para determinar su posible rol en la inhibición de la absorción de hidrógeno.
El presente trabajo tiene como objetivo caracterizar de manera específica los efectos del níquel, aislando su influencia de la de otros aleantes, sobre la carga de hidrógeno en aceros martensíticos expuestos a medios agrios. Para ello, se emplearon aleaciones con contenidos variables de Ni (entre 0 y 5 % p/p), que fueron tratadas térmicamente para obtener microestructuras martensíticas revenidas con durezas ≤ 22 HRC, conforme a la norma ISO 15156-2. Se llevaron a cabo ensayos de permeación de hidrógeno con carga electroquímica para evaluar flujo, difusividad y concentración, utilizando soluciones de cloruros acidificadas con ácido acético y con tiosulfato de sodio como generador local de H2S. Asimismo, se analizó el comportamiento electroquímico de las diferentes aleaciones a potenciales catódicos, considerando tanto el metal base como el recubierto por productos de corrosión, los cuales fueron caracterizados mediante microscopía para determinar su posible rol en la inhibición de la absorción de hidrógeno.
Complete Title
Effect of Nickel on Hydrogen Permeation in Steels Exposed to Sour Medium
Abstract
Sulfide stress cracking (SSC) is a severe degradation phenomenon of steels exposed to H2S-containing environments (sour environments) and constitutes one of the main threats to the oil and gas industry (O&G). It is currently recognized as a particular case of hydrogen embrittlement (HE), in which hydrogen is absorbed from corrosion reactions at the material surface, since the presence of H2S promotes this reaction. Once absorbed, hydrogen can diffuse and accumulate at special sites known as traps. Furthermore, when components have a susceptible microstructure and are subjected to tensile stresses, a loss of ductility, toughness, and fatigue resistance may occur. On the other hand, in carbon and low alloy steels, nickel has been identified as an alloying element of interest because it increases hardenability and decreases the brittle to ductile transition temperature with minimal impact on weldability. However, for sour service its content is restricted by international standards (ISO 15156-2 / NACE MR 0175) to values below 1 wt. %, while the material hardness is limited to levels below 22 HRC. Nevertheless, the effect of nickel on SSC resistance is not fully understood and remains as a topic worth of investigation since it modifies the microstructure, the hydrogen diffusivity and trapping, as well as the open circuit potential and the formation of corrosion products.
The present work aims to specifically characterize the effects of nickel, isolating its influence from that of other alloying elements, on hydrogen uptake in martensitic steels exposed to sour environments. For this purpose, alloys with varying Ni contents (between 0 and 5 wt. %) were thermally treated to obtain tempered martensitic microstructures with hardness ≤ 22 HRC, according to ISO 15156-2. Hydrogen permeation tests with electrochemical charging were conducted to evaluate flux, diffusivity, and concentration, using sodium chloride solutions acidified with acetic acid and sodium thiosulfate as a local H2S generator. Additionally, the electrochemical behavior of the different alloys at cathodic potentials was analyzed, considering both the base metal and the surface covered by corrosion products, which were characterized to determine their potential role in inhibiting hydrogen absorption.
The present work aims to specifically characterize the effects of nickel, isolating its influence from that of other alloying elements, on hydrogen uptake in martensitic steels exposed to sour environments. For this purpose, alloys with varying Ni contents (between 0 and 5 wt. %) were thermally treated to obtain tempered martensitic microstructures with hardness ≤ 22 HRC, according to ISO 15156-2. Hydrogen permeation tests with electrochemical charging were conducted to evaluate flux, diffusivity, and concentration, using sodium chloride solutions acidified with acetic acid and sodium thiosulfate as a local H2S generator. Additionally, the electrochemical behavior of the different alloys at cathodic potentials was analyzed, considering both the base metal and the surface covered by corrosion products, which were characterized to determine their potential role in inhibiting hydrogen absorption.
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