Contribution of acoustic emission to the understanding of sulfide stress cracking of low alloy steels

cited By 17International audienceThe acoustic emission technique was applied to standard tests devoted to evaluate sulfide stress cracking susceptibility of steels for oil and gas industry. The mapping of the density of AE signals vs. their location on the specimen gauge length as a function of time allowed early detection of cracking, and gave meaningful information on incubation times and propagation rates. Sulfide stress cracking initiation was correlated with the presence of critical surface defects. A mechanism involving plastic strain and/or metal dissolution was proposed to account for crack propagation. © 2011 Elsevier Ltd

Acoustic emission monitoring of wet H2S cracking of linepipe steels: Application to hydrogen-induced cracking and stress-oriented hydrogen-induced cracking

cited By 9International audienceAcoustic emission (AE) was used for monitoring steel cracking during exposure to wet hydrogen sulfide (H2S) environments. A method for filtering AE data related to hydrogen-induced cracking (HIC) was presented and applied for several case studies. In a series of tests on unstressed sweet service steels, evolution of AE indicated three successive HIC phases. An initial incubation period corresponded to hydrogen entry in the steel, during which no cracking occurred. Then two cracking phases were detected. The first was associated with decohesion of weak steel interphases. The second was identified as crack propagation under high internal hydrogen pressure. Crack propagation decreased and eventually ceased over time. Analysis of AE data was then used to evaluate the extent of HIC after sour exposure. Correlation was found when appropriate data filtering was applied. AE analysis was also applied to sour service steels under an applied load. The first steel exhibited HIC AE signals. Its fracture surface was typical of a stress-oriented hydrogen-induced cracking (SOHIC) mode of failure, in good agreement with AE results. For the second steel, which also failed during the test, no AE related to HIC was detected. Fracture surface was typical of sulfide stress cracking (SSC), also in good agreement with AE findings. © 2011, NACE International

pH prediction in concentrated aqueous solutions under high pressure of acid gases and high temperature

International audienceAn extended model for pH prediction in oil and gas environments has been developed. Accurate pH calculations for high pressure and high temperature applications depends mainly on CO2 and H2S partial pressures, the ionic strength, the chemical composition of the solution, and the temperature. Accounting for the non-ideal behaviors of liquid and gas phases allows pH calculations up to 200 °C, 2000 bar total pressure, and ionic strengths up to 5 mol.L-1. The results are consistent with experimental measurements and with other models reported in the literature

Detection and quantification of cracking assisted by the environment

Conference on Mechanisms and Mechanics of Plasticity-Environment Interactions, Argeles sur Mer, FRANCE, MAY 19-25, 2007International audienc

Corrosion sous contrainte par l'iode du Zircaloy-4 (cinétiques de fissuration et influence de l'irradiation sur l'amorçage)

Pendant les transitoires de puissance des REP, la corrosion sous contrainte par l'iode (CSC-I) est l'un des modes de rupture potentiels des crayons combustibles en Zircaloy-4 en situation d'Interaction Pastille Gaine. Le premier objectif de notre étude est de discriminer les paramètres influents sur la CSC-I, en mesurant les cinétiques de propagation par suivi électrique, en milieu méthanol iodé à température ambiante sur des éprouvettes plates entaillées. Nous montrons que pour un KI inférieur à 20 MPa.m1/2, la vitesse de propagation IG et mixte IG/TG dépend linéairement du KI, quel que soit le mode de propagation. Entre 20 et 25 MPa.m1/2, la vitesse de propagation purement TG est une fonction affine du KI, mais augmente plus rapidement avec le KI que pendant la propagation IG et mixte IG/TG. La direction et le plan de propagation des fissures (LT ou TL) influent sur les modes de propagation, mais pas sur les cinétiques de propagation. L'augmentation de la concentration en iode conduit à une augmentation des vitesses de propagation pour un KI donné, et à une diminution du KI,seuil déclenchant la propagation d'une fissure. Ce travail permet donc de quantifier l'influence de la concentration en iode et du KI sur la phase de propagation des fissures, de proposer une loi de propagation prenant en compte ces paramètres, et d'améliorer la description de la CSC-I pour les modèles. Les gaines en alliages de zirconium sont irradiées aux neutrons au cours de leur utilisation, ce qui modifie leur microstructure et leurs modes de déformation. Le second objectif de notre étude est donc d'étudier l'influence de ces modifications sur la CSC-I. Pour cela, des éprouvettes lisses de Zircaloy-4 recristallisé sont irradiées aux protons à 2 dpa et 305C, la microstructure et les modes de déformation du Zircaloy-4 non irradié et irradié sont caractérisés en MET et en MEB, et l'influence des modifications induites par l'irradiation sur la sensibilité à la CSC-I est étudiée. Les précipités de phase de Laves sont faiblement modifiés par l'irradiation. La formation de boucles de dislocations P, concomitante à un durcissement induit par l'irradiation, est observée. Le Zircaloy-4 irradié aux protons se déforme dans la direction transverse par canalisation basale, et la déformation se localise dans des bandes de déformation macroscopique. Les cissions critiques des systèmes de glissement basal et prismatique sont inversées par l'irradiation aux protons. La microstructure de boucles de dislocations, le durcissement, et les modes de déformation du Zircaloy-4 irradié aux neutrons sont raisonnablement bien simulés par l'irradiation aux protons. L'irradiation aux protons conduit à une augmentation significative de la sensibilité à l'amorçage des fissures de CSC-I après traction lente dans la direction transverse. Pour de faibles concentrations, les fissures s'amorcent sur les bandes de déformation macroscopiques, et lorsque la concentration en iode augmente, le niveau de déformation locale nécessaire à l'amorçage des fissures diminue.The context of this study ls the iodine-induced stress corrosion cracking (1-SCC) of Zircaloy-4. The first objective is to quantify the affect of the iodine content and of the stress intensity factor (KI) on the subcritical crack propagation rate. Our results indicate that the crack propagation rate is a linear function of KI and increases with the iodine content for a given KI. We finally propose a propagation law, improving by this way the 1-SCC description for modelling. The second objective is to study the effect of irradiation on 1-SCC, by means of tests made on proton-irradiated material. We establish th the dislocation loops microstructure, the hardness, and the deformation modes of proton·irradiated Zircaloy-4 are consistent with the one reported alter neutron irradiation. Besides, irradiation induces an increase of the 1-SCC susceptibility. The role of hardening, chanelling, and macroscopic Jocaiization of deformation are discussedVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Corrosion sous contrainte par l'iode des alliages de zirconium (étude des paramètres critiques pour l'amorçage intergranulaire et la transition inter/transgranulaire)

La corrosion sous contrainte par l iode (CSC-I) est l un des mécanismes de rupture potentiels des crayons combustibles en alliage de zirconium, pouvant intervenir au cours des transitoires de puissance des réacteurs nucléaires. La fissuration par CSC-I comporte trois étapes : amorçage de la fissure, développement intergranulaire puis propagation transgranulaire. Le but du travail est d identifier des paramètres critiques gouvernant les transitions entre ces différentes étapes. En premier lieu, des essais sur des éprouvettes en Zircaloy présentant des finitions de surface et des états métallurgiques variés permettent de discriminer l influence de différents paramètres sur l amorçage des fissures. Nous mettons en évidence le rôle critique du niveau des contraintes résiduelles, de leur répartition en surface ainsi que de leur profil au sein du matériau. La sensibilité des alliages à l amorçage des fissures n est pas directement corrélée à la rugosité de la surface. Cependant, la dispersion des paramètres de rugosité traduit l irrégularité du profil, l hétérogénéité du niveau des contraintes résiduelles, et donc l existence de zones où les contraintes résiduelles sont localement moins protectrices. Dans un second temps, des éprouvettes de Zircaloy-4 possédant différents états d écrouissage sont sollicitées sous charge constante, en présence de méthanol iodé. Les modifications microstructurales induites par l écrouissage favorisent l apparition de la propagation transgranulaire des fissures de CSC-I. Des observations des faciès de rupture en MET révèlent que la transition inter/transgranulaire intervient dans des zones où les grains sont fortement désorientés les uns par rapport aux autres, suite à l augmentation des contraintes locales résultant des incompatibilités de déformation grain à grain.Iodine-induced stress corrosion cracking (I-SCC) is one of the potential failure modes of zirconium alloy fuel claddings during power transients in nuclear reactors. I-SCC failures are usually described in three steps: initiation of cracks, intergranular development and transgranular propagation. The objective of this work is to identify critical parameters controlling transitions between crack propagation modes. First of all, experiments conducted on Zircaloy samples with various surface conditions and metallurgical states lead to discriminate the influence of several parameters responsible for cracks initiation. The critical role of residual stresses level, their distribution at the subsurface and their evolution in the bulk of the material is evidenced. Sensitivity to I-SSC is not directly correlated to surface roughness. However, dispersion in roughness parameters indicates the presence of surface irregularities, heterogeneities of residual stresses and the existence of surface areas where residual stresses are less protective. In a second step, Zircaloy-4 samples with various strain-hardening pre-treatments are submitted to constant load tests in an iodine methanol solution. Microstructural modifications induced by a strain-hardening pre-treatment enhance transgranular propagation of I-SCC cracks. TEM observations of fracture surfaces show that the intergranular to transgranular crack transition takes place preferentially where the relative crystallographic orientation is large between two adjacent grains, because of local stress concentrations resulting from strain incompatibilities between neighbouring grains.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocVILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Etude de la corrosion uniforme d'aciers non alliés et inoxydables (utilisation conjointe de l'émission acoustique et des techniques électrochimiques)

Dans l'industrie chimique ou pétrolière, la corrosion uniforme représente un enjeu économique et sécuritaire important. Les mécanismes régissant ce mode d'endommagement sont bien compris, mais les méthodes de détection et de suivi en service font défaut. La technique d'émission acoustique présente, pour pallier ce manque, des potentialités que nous avons étudiées dans une boucle de circulation instrumentée permettant de simuler les conditions industrielles générant de la corrosion uniforme. En milieu acide, l'activité acoustique est liée au dégagement d'hydrogène résultant de la réduction du proton ; elle est donc bien corrélée avec la sévérité de l'endommagement. En milieu neutre aéré, la formation de dépôts de produits de corrosion est peu émissive. Une étude spécifique des paramètres fréquentiels permet la détection mais, dans ce cas, la quantification de la vitesse de corrosion reste délicate. Une étude complémentaire confirme l'applicabilité de la technique dans le cas de la corrosion "acide" en environnement fortement bruité.In chemical and petrochemical industry, uniform corrosion induces important economic and security disappointments. The mechanisms of this damaging corrosion mode are well understood, but methods for on-line detection are badly missing. Acoustic emission technique presents, to palliate this lack, potentialities that have been studied in an instrumented laboratory loop allowing the simulation of industrial uniform corrosion conditions. In acidic media, acoustic activity is related to the hydrogen evolution resulting from proton reduction ; it is therefore well correlated to the damage severity. In neutral aerated media, the deposit formation of corrosion products is not very emissive. Yet, a specific study of frequency parameters allows detection of corrosion evolution, but in that case, the quantification of corrosion rate remains difficult. A subsidiary study confirms the technique applicability in the case of "acidic" corrosion, even in very noisy conditions.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Monitoring pitting corrosion of AISI 316L austenitic stainless steel by acoustic emission technique: Choice of representative acoustic parameters

International audienc

Contribution of acoustic emission technique for monitoring damage of rubber coating on metallic surfaces. Comparison with electrochemical measurements

International audienceChlorobutyl coatings are industrially applied on metallic inner walls of HCl storage tanks, in order to protect steel against corrosion. Rubber coating constitutes an efficient barrier against HCl penetration up to metallic surface; yet, traces of monochlorobenzene (MCB) into HCl solutions can locally damage the coating and induce both acid infiltration and rapid corrosion of steel under the coating. Acoustic emission (AE) technique, due to its non-intrusive feature and its sensitivity, is a potential technique for the detection of polymer coating damage as well as metallic corrosion under the coating. In that context, this technique was coupled and compared to electrochemical measurements at least for metal damage evaluation. AE signals produced by corrosion of bare metal in HCl solution were first characterized, and then AE and electrochemical results obtained during metal and/or coating damage were compared, in the case of physical or chemical deteriorations of the coating, in an HCl solution containing traces of monochlorobenzene. In case of physical coating damaging, AE and polarisation resistance measurements are in good correlation as soon as metallic corrosion starts. When polymer coating suffers a solvent impregnation, previously to HCl solution contact, acoustic activity increases as soon as corrosion under the coating occurs, whereas polarisation resistance measurements do not allow detecting corrosion of steel

Etude de la corrosion caverneuse d'un acier inoxydable austénitique (utilisation conjointe de l'émission acoustique et des techniques électrochimiques)

Les aciers inoxydables austénitiques, très résistants à la corrosion uniforme, sont dans certaines conditions, sensibles à diverses formes de corrosion localisée, comme la corrosion caverneuse. Si le mécanisme global de ce mode d'endommagement est assez bien compris, les méthodes de détection et de suivi font en revanche défaut. Dans ce contexte, ce travail établit que l'émission acoustique peut constituer une méthode efficace pour détecter ce type de corrosion et pour améliorer les connaissances sur les mécanismes élémentaires responsables de la corrosion caverneuse. Seule l'étape de la propagation est émissive lors d'essais réalisés en milieu salin contenant de l'eau oxygénée. L'activité acoustique est alors corrélée avec la sévérité de l'endommagement. Ce dernier est aggravé par un grenaillage de précontrainte, qui modifie la cinétique de réduction de l'oxygène sur la zone cathodique aérée. Grâce aux essais conduits sur échantillons séparés, l'un simulant la zone anodique et l'autre la zone cathodique, les paramètres acoustiques spécifiques à chacune des zones ont été distingués. Une étude approfondie de la réaction de réduction de l'oxygène, assistée soit électrochimiquement, soit chimiquement, montre que, dans nos conditions expérimentales, cette réaction est suffisamment énergétique pour donner lieu à une activité acoustique. La cinétique de cette réaction et par suite, l'activité acoustique, sont très sensibles à l'état de surface initial de l'acier et à la nature de sa couche passive.The austenitic stainless steels, resistant to uniform corrosion, are sensitive to various forms of localized corrosion, such as crevice corrosion under specific conditions. Although the global mechanism of this damaging mode is rather well understood, the detection and monitoring methods are still missing. In that context, this work confirms that acoustic emission does not only constitute an efficient method for detecting this corrosion mode, but is also a rewarding tool to improve knowledge about the elementary mechanisms responsible for crevice corrosion. Only the propagation step is emissive when the tests are carried out in saline solution containing hydrogen peroxide. The acoustic activity is then correlated with damage severity. Crevice corrosion is enhanced by a shot-peening treatment of the specimens which increases the kinetic of oxygen reduction on the aerated cathodic zone. Tests carried out on two separated samples, one simulating the anodic zone and the other one the cathodic zone, make it possible to distinguish the acoustic parameters specific to each zone. A detailed study of the oxygen reduction reaction, assisted either electrochemically or chemically, shows that this reaction is sufficiently energetic to enhance an acoustic activity under our experimental conditions. The kinetic of the reaction and the consecutive acoustic activity are very sensitive to the initial surface state of steel and to the nature of the passive layer.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF