Document not found! Please try again

1 HYDROGEN EMBRITTLEMENT BEHAVIOUR OF HSLA ... - Aisberg

142 downloads 0 Views 1MB Size Report
Further increase of ultimate tensile strength related with un-tempered ... Keywords: Hydrogen Embrittlement, HSLA steels, steel microstructure, cathodic ...
HYDROGEN EMBRITTLEMENT BEHAVIOUR OF HSLA LINEPIPE STEELS UNDER CATHODIC  PROTECTION 

  Authors: M.Cabrini, S.Lorenzi, P.Marcassoli, T.Pastore      Abstract     The  paper  deals  with  Hydrogen  Embrittlement  (HE)  under  cathodic  protection  of  steels  used  or  recently  proposed for buried pipelines of oil and gas industry. High strength low alloyed steels with different chemical  composition, microstructure and ultimate tensile strength ranging between 530 to 860 MPa were considered in  order  to  compare  new  steels  with  traditional  grades.  Their  behaviour  was  assessed  through  constant  load  tests, fracture mechanic tests  on modified WOL specimens, slow strain rate and interrupted slow strain rate  tests  in  solutions  simulating  soil  moistures  and  seawater,  at  room  temperature  and  cathodic  potentials  between –2 to –0.8 V vs SCE reference electrode. All the steels were found immune under static load and HE  phenomena  were  observed  only  during  slow  strain  rate  tests  at  potentials  more  negative  than  a  critical  potential, depending on steel susceptibility and strain rate. Quenched and tempered steels with high tempered  martensite  and  very fine  precipitation  distribution  show a  better behavior than  the  rolled  steels with  banded  microstructure,  exhibiting  the  highest  HE  resistance.  The  resistance  of  steels  characterized  by  banded  microstructures increases with the ultimate tensile strength until about 700 MPa, than decreases. The increase  of ultimate tensile strength by changing the steel microstructure, from hot rolling with coarse ferrite/pearlite to  fine  ferrite/pearlite  microstructure,  and  finally  very  fine  acicular  ferrite  arises  the  resistance  of  steel  to  HE.  Further  increase  of  ultimate  tensile  strength  related  with  un-tempered  martensite  inside  the  acicular  ferrite  based microstructure produce a worsening of resistance.      Keywords: Hydrogen Embrittlement, HSLA steels, steel microstructure, cathodic protection.     Introduction     High  strength  low  alloyed  (HSLA)  steels  are  widely  used  in  natural  gas  and  oil  transportation  for  buried  pipelines and sealines. The pipelines are protected against external general corrosion by means of protective  coatings and cathodic protection. Polarization at potentials in the range –0.8 to –1.1 V vs SCE are imposed,  but  very  negative  levels  can  be  reached  on  overprotected  areas  close  to  the  impressed  current  anodes  (Shipilov, 2002, Lazzari and Pedeferri, 2006).  Decades  of  field  experience  confirm  the  importance  of  cathodic  protection  in  order  to  reduce  the  risk  of  perforation. However, some field ruptures pointed out the possibility of insurgence of Hydrogen Embrittlement  (HE) in cathodically protected pipelines (Punter et al., 1991, Chiovelli et al., 1994, Polyakov and Kharionovsky,  1996). These phenomena were historically attributed to the presence of hard spot in heat affected zone, with  altered  microstructure. A  great number of  studies  were  published  on  this  problem  that  was  avoided  with an  accurate control of the steel production (Fessler et al., 1977, Carter and Hyatt, 1973).   Some ruptures also pointed out the possibility to have HE in absence of hard spots, if a slow continuous plastic  deformation  acts  on  the  pipeline,  caused  by  the  soil  settlement  or  landslides  (Punter  et  al.,  1992).  Similar  results has been reproduced in full scale laboratory tests at cathodic potentials of –1.05 V and –2 V vs. SCE  and  strain  rates  (𝜀̇) of  10–510–6  s–1  (Cabrini et  al.,  1998).  Furthermore,  cyclic  loadings  due  to  gas  pressure  variation can also contribute to environmentally assisted subcritical crack growth (Shipilov, 2005, Shipilov and  Le May, 2006). As a matter of fact daily pressure fluctuations in pipeline can produce cyclic loading with stress  ratio (minimum/maximum load ratio) of about 0.6-0.8 at very low cyclic frequency of about 2-5 cycles per day  (Gutman et al., 1977).   1

Because EAC phenomena usually increase with the mechanical properties of the steel and nowadays there is  a  general  tendency  of  the  Oil  and  Gas  Industry  for  developing  high  strength  grades  of  steel  for  pipeline  in  order to reduce wall thickness and the costs associated with pipeline projects (Tanguy et al., 2005, Seo et al.,  2007, Beidoknti et al, 2009), the risk of HE could rise. Steels with tensile yield strength exceeding about 700  MPa should be verified in order to prevent cracking on structures with cathodic polarization at potentials more  negative than -0.9 V vs SCE (Marchesani et al., 2005, Demofonti et al., 2008).  New X100 and X120 steels are currently being considered for high pressure gas pipeline applications in the  arctic (Huang et al., 2010). X100 steel has been developed for installation in projects in the northern Canada  and the Japanese Sub-Sea.   A  number  of  literature  works  have  been  devoted  to  the  study  of  HE  under  cathodic  protection.  The  role  of  strain rate and potential was evidenced by Hinton and Procter (1983), Cigada et al. (1985) Saenz et al. (1986).  Cigada et al. observed cracking on X65 in synthetic seawater at the usual potential for cathodic protection after  high strain and with strength rate below 4∙10-5 s-1. They show the effect of strain rate on the critical potential for  HE. At free corrosion potential cracking was noticed only at 10-7 strain rate. Saenz et al. (1986) found that API  5L X65 and X70 steels showed a loss of ductility during SSR tests when polarised at potential lower than -0.8  V vs SCE in 0.6 M NaCl solution. Similar results were obtained by Trasatti et al. (2005) during SSR tests on  API5L X80 steel at -1 V vs SCE in substitute ocean water. The loss of ductility was due to hydrogen induced  cleavage  cracking  which  occurred  as  a  result  of  the  enhanced  entry  and  transport  of  hydrogen  in  the  steel  produced  by  continuous  straining.  Rondelli  et  al.  (1987)  demonstrate  on  X65  steel  under  normal  level  of  cathodic protection that also the crack propagation for HE only occur under continuous straining. The energy  required  for  propagation  is  much  lower  than  for  propagation  in  air  and  decreases  as  cathodic  polarization  increases. A threshold of plastic strain for HE occurring and the role of strain rate was also confirmed by slow  bending  tests  (Cabrini  et  al.,  2004).  The  behaviour  of  different  grades  of  pipeline  steels  was  considered  in  previous  papers  (Cabrini  et  al.,  2003,  Barsanti  et  al.,  2004,  Cabrini  et  al.,  2004).  The  susceptibility  of  the  material  depends  on  the  mechanical  properties,  the  microstructure  and  the  chemical  composition.  The  resistance  to  cracking  with  HE  mechanism  has  been  widely  demonstrated  for  sour  service  application  (Parkins, 1969).  By  means  of  thermo-mechanical  controlled  processing  (TMCP),  covering  controlled  rolling  and  accelerated  cooling, steels with high strength in association with superior toughness and formability can be produced. The  resulting  multi-phase  microstructure  depends  on  cooling  rate,  ranging  from  polygonal  ferrite-pearlite  to  degenerate  pearlite  and  lath-type/bainitic  ferrite  (acicular  ferrite).  By  increasing  cooling  rate  it  is  possible  to  observe a prevalent microstructure of acicular ferrite. Accelerated cooling after controlled rolling also produces  a  refined  final  microstructure  and  favours  the  formation  of  low  transformation  temperature  products,  like  bainite and martensite – austenite constituent (Rodrigues et al., 2000, Shanmugametal, 2007, Matrosov et al.,  2008). Seamless pipelines are also produced using quenching and tempering, producing steels with tempered  martensite microstructure.  This  paper  shows  the  results  of  tests  performed  at  the  University  of  Bergamo  on  the  effect  of  steel  microstructure,  cathodic  potential  and  strain  rate  on hydrogen  embrittlement  of  linepipe  steels,  ranging from  old  traditional  grades  to  new  ones  recently  proposed,  under  cathodic  protection  in  solutions  simulating  soil  moisture and seawater. The behaviour of 19 different linepipe steels produced either through controlled rolling  and  accelerated  cooling  or  quenching and  tempering heat  treatments  was  evaluated by  means  of  Constant  Load Tests, Slow Strain Rate Tests, Interrupted Slow Strain Rate Tests and Fracture Mechanics Tests.    EXPERIMENTAL     Materials   Table  1  summarises  chemical  compositions,  manufacturing  process,  mechanical  properties  and  microstructures of the steels. The tests were carried out on linepipe steels with Tensile Yield Strength from 430  to 770 MPa. Both SAW longitudinally welded pipes manufactured by hot rolled and controlled rolled plates and  2

seamless  pipes  were  taking  into  account.  The  steels  grades  with  80/100  ksi  TYS  were  manufactured  by  TMCP.  Seamless  pipes  were  quenched  and  tempered.  The  steels  produced  by  traditional  hot  rolling  show  banded ferrite/pearlite microstructures, with polygonal ferrite and bands of coarse pearlite (Figure 1) and TYS  ranging from 420 to 470 MPa. The steel manufactured by controlled rolling shows a refined ferrite grain (Figure  2) that increases yield strength and toughness with respect to the traditional hot rolled steels. The adoption of  accelerated  cooling  after  controlled  rolling  produces  a  further  refinement  of  ferrite  grain  and  modifies  microstructure  by  promoting  bainitic  and  martensitic  transformations.  The  pearlite  located  between  ferrite  bands is progressively replaced by acicular ferrite with carbides (Figure 3), bainite and tempered martensite as  cooling  rate  increases  (Figures  4-6).  The  TMCP  steels  considered  in  this  work  show  variable  contents  of  pearlite, bainite and martensite and uneven microstructure along the thickness of pipe wall. The quenched and  tempered steels have homogeneous microstructure of fully tempered martensite but different dimensions and  distribution of carbides.    Test solutions   The tests were performed in 35g/L NaCl solution, in artificial seawater prepared according  ASTM D1141-90  and  in  a  solution  proposed  as  the  medium  composition  of  soil  moistures  found  under  coatings  of  buried  pipelines, named NS4 solution, usually adopted for studying Near Neutral Stress Corrosion Cracking (Delanty  and O’Beime, 1992). The composition of the NS4 solution is 0.483 g/L of NaHCO3, 0.122 g/L of KCl, 0.18 g/L  of CaCl2 and 0.1 g/L of MgSO4. All the tests were carried out in aerated solution at room temperature. The pH  is 7 for NaCl solution, 8.3 for NS4 and artificial sea water solutions. Cathodic protection was applied through a  potentiostat, in the range -0.800 ÷ -2 V vs SCE (Saturated Calomel Electrode).    Specimens and tests procedure   Constant load, slow strain rate tests and interrupted slow strain rate tests were performed on cylindrical tensile  specimens (Figure 7) obtained along longitudinal direction, close the external surface of pipe. Before testing,  the  specimens  were  finished  with  abrasive  paper  (1200  grit)  in  order  to  eliminate  the  strain-hardened  layer  induced by machining. Finally they were polished with acetone or ether.   Fracture  mechanics  tests  were  performed  on  12.70  mm  bolt  load  modified  WOL  specimens  (Figure  8)  obtained from base material with loading in longitudinal direction and propagation along transverse direction  (L-T specimens), or loading in transverse direction with propagation in longitudinal direction (T-L specimens)  (ASTM E399-90).  Constant  Load  tests  were  performed  by  means  of  a  tensile  machine  with  a  double  lever  arm  with  two–ball  joints  in  order  to  achieve  pure  axial  loading.  All  the  specimens  were  loaded  at  the  tensile  yield  strength  estimated from loading curves of Slow Strain Rate tests in air. The SSR tests were carried out at strain rates  ranging from 10–4 s–1 and 10–7 s–1 through a tensile machine, with four independent stations of loading. During  SSR tests the load was monitored as a function of time in order to estimate stress vs strain curves. After the  tests, the reduction of area (Z%) and total elongation (A%) were measured on specimen.  Tests  were  performed  in  solution  and,  for  comparison,  in  air.  The  occurrence  of  environmentally  assisted  cracking after tests in solution was evaluated through the maximum load max, A% and Z% normalised to the  respective values measured after tests in air. Furthermore, fractographic analysis was conducted in order to  detect brittle areas and secondary cracks.  The  Interrupted  Slow  Strain  Rate  (ISSR)  tests  were  carried  out  on  the  same  specimens  of  the  SSR  tests.  During ISSR tests, the specimen was initially loaded at 105 s1 strain rate. After maximum load was reached,  i.e. after 5% reduction of load from maximum value was achieved, the monotonic increase of elongation was  interrupted and the specimen was left in the test solution at constant deformation for one week. At the end of  exposure  period,  the  specimen  was  examined  at  the  Scanning  Electron  Microscope  in  order  to  detect  the  presence of any cracking.  The fracture mechanics tests were carried out on modified wedge-opening-load (WOL) specimens using the  experimental  procedure  described  by  Wei  and  Novak  (1987).  The  experimental  details  were  described  in  3

Cigada et al. (1992). The specimens were fatigue pre-cracked according to requirements of ASTM E399-90  Standard,  providing  the  maximum  value  of  Stress  Intensity  Factor  (Kmax)  was  lower  than  50%  of  the  value  applied for testing (Kap). The specimens were bolt loaded and the applied load (P) was estimated through the  crack opening displacement (V). The crack length was estimated by compliance measurements during last  fatigue  cycles  of  pre-cracking.  At  the  end  of  tests,  it  was  again  measured  by  optical  examination  after  specimen opening according ASTM E399-90 Standard.   The tests were performed in the range of 73 to 88 MPa∙m1/2. Before immersion, the specimens were coated  with  the  exception  of  the  crack  propagation  zone,  in  order  to  reduce  cathodic  protection  current.  The  specimens were put into a PE cell with 35 L test solutions and polarised at –1.5 V vs SCE. The tests solution  was  re-circulated  by  means  of  immersion  pump  and  replaced  every  15  days.  The  pH  of  the  solution  was  monitored in order to prevent any relevant change. However, it always remained in the range 7-8. The testing  time was from 5 to 18 months.   RESULTS     Failures were never observed during CL tests, even with cathodic polarization at very negative potential, at 1.5  and  -2  V  vs  SCE.  These  results  were  also  confirmed  on  precracked  modified  WOL  specimens,  which  never showed any propagation from fatigue pre-crack.   Also during the ISSR tests, the specimens did not show any cracks at –1.05 V vs SCE. The presence of microcracks  was  only  observed  at  –1.5  V  vs  SCE  on  high  strength  grades  produced  by  controlled  rolling  and  accelerated cooling.   Hydrogen embrittlement  phenomena  were  observed  in  the  SSR tests  as  a  function  of applied  potential and  strain rate. The results do not show any relevant variation in steel behaviour over the three test solutions at  very negative  potentials.  Thus, they  agree  with  the  data of Kasahara  et al.  (1981)  reported  in  the  review  of  Shipilov (2006), that observed that the loss of steel ductility under cathodic protection was not affected by pH  in  the  range  between  4  and  12.  However,  the  SSR  tests  at  the  potential  of  -1.05  V  vs  SCE  on  steel  FP1  showed  results  in  NS4  solution  very  similar  to  that  in  35  g/L  NaCl,  but  a  behaviour  in  synthetic  seawater  slightly worse. Figures 9-10 show examples of stress vs strain curves obtained during SSR tests.   During SSR tests, the specimens exhibited low ductility at very negative potentials and low slow strain rates,  due to well-defined brittle cracks on fracture surface. As a consequence, the loading curves change but in all  cases  they  approached  to  the  maximum  load  reached  during  tests  in  air,  showing  an  initial  similar  trend.  According to this, secondary cracks occurred only in the necking zone. Thus, environmental embrittlement only  modified the final part of the loading curve. During this phase, the final rupture of the specimens initiates from  surface cracks induced by HE on heavy plastic strained material, clearly noted by SEM analysis (Figure 11),  producing  a  decrease of  ductile  parameters. SEM  fracture  analysis  was  performed  in order to  evidence  HE  crack growth more than 50 µm on fracture surface and secondary cracks. On specimens showing well-defined  brittle areas and secondary cracks, the Reduction of Area usually was lower than 90% of the value obtained  after test in air. Fractographic examination was more effective in order to identify the insurgence of HE, as a  matter of fact slight HE cracking was even remarked on specimens showing Reduction in Area close to the  values measured after air tests. The Figures 12-15 illustrate the results of SSR tests.  Hydrogen  embrittlement  occurred  at  potentials  more  negative  than  a  critical  value  that  depends  on  susceptibility of the steel and strain rate. The critical potential decreases as strain rate and resistance of steel  to this phenomena increase.      DISCUSSION     The  HE  is  a  phenomenon  caused  by  the  penetration  of  atomic  hydrogen  inside  the  metal  lattice.  The  electrochemical reduction of hydrogen ions occurs on the surface of the metal, according to the mechanism:  4

. 𝐻$ 𝑂 + 𝑒 ( → 𝐻*+,                       (1)  . ( 𝐻*+, + 𝐻$ 𝑂 + 𝑒 → 𝐻$                     (2)  . . 𝐻*+, + 𝐻*+, → 𝐻$                       (3)  Part of the hydrogen adsorbed on the surface of the metal (Hads) diffuses in the metal and is absorbed in the  lattice (Habs):  . . 𝐻*+, → 𝐻*.,                        (4)  The absorbed hydrogen diffuses inside the lattice toward the zones of stress concentration and induces brittle  delayed fractures after it reaches a critical concentration. In oil industry, the presence of substances that are  poisons of hydrogen recombination,  such as H2S, promotes high atomic concentration adsorbed on metallic  surface and consequently allows high level of hydrogen diffusion in the lattice, enhancing HE cracking. For the  environments  considered  in  this  research  these  substance  are  not  typical.  In  their  absence,  the  principal  factors influencing Hydrogen Embrittlement mechanism are the cathodic polarization, the intrinsic susceptibility  of the material and its mechanical and metallurgical properties, the straining conditions.  The effect of the cathodic polarization is related with the role of the potential (E) on the rate of the  cathodic  process of hydrogen  evolution  from  water dissociation.  The  adsorbed  hydrogen  is produced  by  the  reaction  (1). In aerated waters, at the pH of the solutions adopted for this study, this reaction is very low or negligible at  the free corrosion potential of steel. The cathodic protection, necessary for the protection from the generalized  corrosion, shifts the potential under the equilibrium potential for the hydrogen evolution (Eeq,H). Thus, the rate of  such reaction increases according to the Tafel’s law:  67689,;

𝑖0 = 𝑖2 ∙ 10( <                       (5)  with b that can be assumed equal to about  0.052 V at room temperature.  According to this law, the rate of  formation  of  the  atomic  hydrogen  on  metallic  surface  under  cathodic  protection  increases  of  one  order  of  magnitude by decreasing the potential (E) of 0.120 V.  The equilibrium potential can be estimated by the first Nernst’s law, as a function of pH:  𝐸>?,0 = −59 ∙ 𝑝𝐻                      (6)  At the pH of soil moistures, generally from 7 to 8, or seawater, typically 8.2, the equilibrium potential is about 0.66 ÷ -0.73 V vs SCE (Figure 16). However, cathodic protection increases the pH on the protected surface  enough  to  cause  the  precipitation  of  the  carbonate  scale  both  on  marine  and  buried  structures,  for  the  alkalinity  produced  by  the  cathodic  reaction,  proportionally  to  the  cathodic  current  density.  In  appendix,  a  model based on stationary diffusion flux is described for neutral solutions, without any buffer capacity, and for  solutions with tendency to separate calcium carbonate. By assuming that at the hydrogen equilibrium potential  the cathodic current density is equal to the oxygen limiting current, the alkalinisation is estimated to rise up to  about  pH  11  in  well  aerated  solution  without  any  calcareous  deposit  formation,  i.e.  pure  NaCl  solutions  or  solutions  with  low  contents  of  calcium,  magnesium  and  bicarbonate  ions.  On  the  contrary,  the  formation  of  carbonate  deposits  tends  to  maintain  alkalinity  close  to  the  pH  of  saturation  for  carbonate  precipitation,  reducing the alkalinisation on the cathode. In this case, if solution contain a sufficient concentration of calcium  and  bicarbonate  ions,  the  pH  on  the  electrode  is  expected  to  increase  only  up  to  reach  the  necessary  supersaturation for precipitation, that can be consider, in first approximation, not more than half or one unit of  pH (see Appendix).   On the base of this model, which is in accordance with the analysis made from other literature work since from  the  paper  of  Engell  and  Forchhammer  (1965),  it  can  be  assumed  that  the  pH  on  cathodic  polarized  metal  approach 10.5-11 in well aerated NaCl solutions. At these pH, the thermodynamic potentials to have hydrogen  evolution on the metal is in the range of -0.86 ÷ -0.89 V vs SCE. In the artificial seawater it should not arise  more than 8.7-9.2 pH, giving an equilibrium potential about 1 hundred millivolts more noble. These differences  might explain the slightly worse behavior observed in artificial seawater than the other two test solutions at low  cathodic polarization.   The hydrogen diffusion is proportional to the concentration difference between surface and metal lattice. It is  mainly related with concentration on the surface, that increases as the cathodic overpotential rises. In order to  reach  the  critical  concentration  for  cracking,  the  hydrogen  concentration  on  metallic  surface  should  reach  a  5

sufficient value to promote significant diffusion towards metal lattice. This is possible if the cathodic protection  produces a sufficient polarization below hydrogen equilibrium potential. The critical concentration for cracking  depends  both  on  intrinsic susceptibility  of  the  material  and  the  strain  conditions. As  the  HE  susceptibility  of  material increases, a lower hydrogen quantity is required to have cracking and HE phenomena takes place at  less  negative  potentials.  Thus  the  critical  potential  can  be  assumed  as  an  index  of  intrinsic  susceptibility  of  material towards HE. The critical value of potential increases as the strain rate decreases. It lies in the range of  -0.85 ÷ -1.05 V vs SCE depending on the steel microstructure and mechanical properties.     Effect of plastic straining   The  tests  carried  out  under  constant  load  both  on  smooth  tensile  specimens  and  fatigue  pre-cracked  specimens  did  not  show  any  initiation  and  propagation  for  HE.  Therefore  they  show  the  substantial  HE  immunity under static loading, even for marked cathodic overprotection, at very negative potential (-1.5 V vs  SCE)  (Figure  16).  The  quantity  of  hydrogen  is enhanced  into  the  mechanically  distorted  metal lattice of  the  elastic strained steel but the critical hydrogen concentration in the most stressed zones was never reached, in  absence of  hydrogen poison  (Cabrini,  1998).  Different  conditions  occur on  steels with  hard  spots  that  show  cracking  under  constant  load.  Hydrogen  can  accumulate  in  the  un-tempered  martensitic  zones,  into  the  distorted  tetragonal  lattice  as  demonstrate  by  photoelectrochemical  measurements  on  X60  steel  (Razzini,  1998).  In  these  conditions  hydrogen  embrittlement  takes  place  when  the  specimens  are  loaded  at  constant  value.   During SSR tests, the continuous straining in plastic field influences the hydrogen saturation of traps into the  metal.  Permeation  tests  under  slow  strain  rate  carried  out  on  flat  thin  specimens  of  a  ferritic/pearlitic  low  strength steel and a acicular ferrite and bainite/martensite high strength steel, polarised at -1.05 and -2.00 V vs  SCE,  evidenced  the  effect  of  strain  rate  on  the  possibility  of  hydrogen  to  saturate  the  traps  (Cabrini  et  al.,  1998). At high strain rate (10–5 s–1 and higher) the hydrogen has not enough time to fulfill the traps as they are  generated by the plastic straining. It was suggested that the equilibrium between the new traps generation by  the external loading and their hydrogen saturation is achieved for strain rate lower than 10–6 s–1; at this strain  rate the hydrogen permeation seems to be increased by the mechanical external stress (Cabrini et al., 1998,  Bolzoni et al., 2001). At the lowest strain rate considered during tests (1.7∙10-7 s-1), critical potentials approach  the  value  of  thermodynamic  hydrogen  evolution.  Thus,  although  at  this potential the  hydrogen  adsorbed  on  surface  is  very  low,  a  relevant  quantity  of  hydrogen  can  penetrate  in  the  metal  lattice,  favoured  by  the  continuous straining.  A slow and continuous straining is not only a necessary factor for crack initiation but it also play a fundamental  role during propagation. If the specimen is maintained at constant load condition after the crack initiation (ISSR  test  results)  the  cracks  stop  to  propagate.  This  behaviour  was  even  observed  at  severe  cathodic  overprotection  at  -1.5  V  vs  SCE.  Therefore,  also  the  sub-critical  propagation  of  the  HE  cracks  requires  the  action of a continuous and slow straining. Nevertheless the presence of hydrogen in the steel increases the  crack growth rate and decreases the fracture energy, as showed by means of J-integral tests carried out in  absence or in presence of cathodic polarisation (Bolzoni et al., 2000).  Hydrogen Embrittlement does not only depend on strain rate, but crack initiation takes place after a minimum  critical  strain  is  reached.  In  the  monoaxial  tensile  SSR  tests,  HE  phenomena  take  place  only  when  plastic  deformations were higher than those at necking beginning during tensile tests in air. Furthermore, the initiation  of  the  cracks  remains  confined  to  the  zone  of  the  necking  cone,  where  the  highest  plastic  deformation  is  reached.    Effect of microstructure on HE embrittlement susceptibility   As the strain rate decreases, the critical value of potential increases in the range of -1.05 ÷ -0.85 V vs SCE  depending on the steel microstructure and mechanical properties. Figures 17 and 18 show the critical potential  as  a  function  of  strain  rate  and  of  the  ultimate  tensile  strength  of  the  steel.  Rolled  steels generally  showed  critical  potential  higher  than  the  martensitic  steels.  All  the  examined  steels  produced  by  hot  rolling  and  6

controlled  rolling  show  a  similar  behaviour  at  the  lowest  considered  strain  rate  (1.7∙10-7  s-1),  with  critical  potentials approaching the value of thermodynamic hydrogen evolution.  Increasing the strain rate, the HE susceptibility of the steels seems to increase by the ultimate tensile strength  of the steels. The critical potential approaches a minimum for the steel with UTS of about 700 MPa.  The  mechanical  properties  of  these  steels  have  been  modulated  by  means  of  slight  modifications  in  the  chemical  composition  and  in  the  parameters  of  thermo-mechanical  process,  mainly.  The  variations  of  microstructure  and  mechanical  properties  are  described  in  the  paragraph  on  materials  in  the  Experimental  section of this paper.  The  reduction  of  critical  potential  at  low  values  of  UTS  is  related  with  the  pearlite-ferrite  microstructures  showed  by  rolling  and  controlled  rolling  steels,  whereas  the  behaviour  at  higher  strength  is  related  to  the  recent grades of X80 and X100 steels with acicular microstructure.  Koh et al. (2004) reports that ferrite-acicular microstructure has higher resistance to stress corrosion cracking  in sour environments than ferrite-pearlite or ferrite-bainite microstructures. Many authors pointed out the better  HIC and SSC resistance of acicular ferrite than polygonal ferrite and pearlite (Zhao et al., 2008, Park et al.,  2008, Huang et al., 2011). A similar behavior can also be assumed under cathodic protection. In the ferritepearlite steels the HE cracks initiate in the pearlite bands and they do not propagate in the ferrite (Figure 19).  The  presence  of  hard  constituents  of  un-tempered  martensite  decreases  the  cracking  resistance  (Liao  and  Lee, 1994, Park et al., 2008). The cracks are preferentially initiated in the martensite or bainite bands, but the  crack growth is countered by the presence of acicular ferrite. The cracks appear very enlarged in the direction  of loading (Figure 20), i.e. the rolling direction, with the HE propagation limited to the thickness of the pearlite  bands, producing an almost ductile fracture surface.   The  HE  resistance  is  strongly  influenced  by  the  amount  of  acicular  ferrite  respect  to  the  bands  of  hard  constituents like pearlite, bainite and martensite. As far as the HE resistance of rolled steels is concerned, it  could  be  concluded  that  if  tensile  strength  is  produced  by  a  very  fine  microstructure,  HE  resistance  is  not  necessarily  worsened.  Thus,  fine  microstructure  components  as  acicular  ferrite,  can  counterweight  the  deleterious increase of tensile strength. However in steels with acicular ferrite HE susceptibility arises with the  tensile strength owing to the effect of increasing contents of hard constituents, like un-tempered martensite.  With  respect  to  rolled  steels,  the  tempered  martensitic  steels  show  critical  potentials  very  scattered  with  a  number of steels showing better behaviour than rolled steels (Figures 17-18).  Literature  data  showed  that  quenching  and  tempering  can  improve  the  SSC resistance of  HSLA  steels, but  exceptions  were  observed  (Staehle,  1969).  Carneiro  et  al.  (2003)  reported  that  a  refined  homogeneous  quenched and tempered bainite/martensite microstructure simultaneously improved HIC and SSCC resistance.  These  steels  showed  higher  SSCC  resistance  than  both  rolled  and  normalized  steels  with  ferritic/pearlitic  microstructures. Albarran et al. (1999) confirmed that quenching and tempering provides an optimum SSCC  resistance of API X-80 steels. The improved SSCC resistance of the quenched and tempered microstructure  can be attributed to its homogeneous bainite/martensite microstructure, which made difficult crack propagation  (Wang  and  Staehle  1972,  Kobayashi  et  al.,  1982).  Because  banded  structure  provides  high  hydrogen  trap  density  can  enhance  crack  propagation  with  respect  to  homogenous  microstructures  (Carneiro  et  al.,  2003,  Albarran et  al., 2003).  Thus  homogeneous  microstructures  with  dispersed  and  very fine  traps  can  distribute  hydrogen on high number of sites, so that it is less probable to reach the critical concentration.  Figure 21 compares the behaviour of TM3, TM4 and TM5 steels which have same tensile strength and close  chemical compositions with only different nickel contents. They show different resistance to HE. The TM3 steel  is less resistant than the other two steels which perform better than steels with banded ferrite microstructures.  The  resistance  to  HE  may  be  related  to  the  morphology  of  precipitates,  mainly  carbides.  A  recent  paper  emphasizes the role of martensite-austenite phase (Park, 2008). The Figure 22 shows the microstructures of  the  steels  after  picral  etching  in  order  to  evidence  carbide  distribution.  TM3  steel  has  a  microstructure  characterized  by evident  lath  martensite  whereas  TM4  steel and  TM5  steel  have  fully  tempered  martensite.  The steels show different distribution of carbides  after picral etching (Figure 21). TM4 steel shows very fine  precipitate distribution. On the other hand, TM3 steel shows few particles of coarse precipitates.  7

HE cracking occurs on grain boundaries of precipitates along paths where they are concentrated (Figure 23).  At this location, the interfacial decohesion can be favored by the combination of a hydrogen build-up coupled  with  significant  internal  stresses  as  outlined  by  Albarran  et  al.  (1999).  The  precipitate  interface  can  act  as  hydrogen  trap.  A  fine  dispersion  of  carbides  raises  the  extension  of  interface  so  that  low  local  hydrogen  contents are only achieved (Tau et al., 1996), increasing HE resistance of the steel.  CONCLUSIONS   The behaviour of different HSLA linepipe steels towards the Hydrogen Embrittlement under cathodic protection  were evaluated.    The  results  confirm  the  immunity  of  all  steels  under  static  loading  conditions.  HE  phenomena  were  never  noticed  up  to  yield  strength,  even  at  very  negative  cathodic  protection  potentials.  They  were  only  observed  under slow and continuous plastic straining typical of the SSR tests. The presence of a slow and continuous  straining is a necessary factor both for crack initiation and propagation.     HE  phenomena  occurs  at  potential  less  noble  than  a  critical  potential,  which  depends  on  strain  rate,  steel  microstructure and its mechanical properties.     Quenched and tempered steels with high tempered martensite and very fine precipitation distribution show a  better behavior than the rolled steels with banded microstructure, exhibiting the highest HE resistance.     The resistance of steels characterized by banded microstructures increases with the ultimate tensile strength  until  about  700  MPa,  than  decreases.  The  increase  of  ultimate  tensile  strength  by  changing  the  steel  microstructure, from hot rolling with coarse ferrite/pearlite to fine ferrite/pearlite microstructure, and finally very  fine  acicular  ferrite arises  the  resistance of  steel to  HE.  Further increase  of  ultimate  tensile  strength  related  with  un-tempered  martensite  inside  the  acicular  ferrite  based  microstructure  produce  a  worsening  of  resistance.     References    Albarran J.L., Martinez L., Lopez H.F., Corrosion Sci. 41 (1999) 1037-1049.    Albarran J.L. et al., Stress corrosion cracking response of microalloyed pipeline steels exposed to pressurized  sour gas environments. Corrosion 2003, paper 3447, March 16–20, San Diego, CA.    ASTM D1141-90 Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water.    ASTM  E399-90  Standard  Test  Method  for  Linear-Elastic  Plane-Strain  Fracture  Toughness  KIc  of  Metallic  Materials.    Barsanti  L.,  Bolzoni  F.M.,  Cabrini  M.,  Pastore  T.,  Spinelli  C.,  “Hydrogen  Embrittlement  resistance  of  X100  steels for long distance high pressure pipelines”, Second International Conference on Environmental-Induced  Cracking of Metals EICM04, September 19-23, 2004, The Banff Centre, Banff, Canada.    Beidoknti B., A. Dolati, A.H. Koukabi, Mater. Sci. Eng. A507 (2009) 167–173.    Bolzoni F.M., M.Cabrini, P.Pedeferri, C.Spinelli, “Evaluation of Hydrogen Embrittlement Resistance of Microalloyed  Steels  by  means  of  J-integral  Curve”,  Proceedings  of  EUROCORR2000,  Institute  of  Corrosion,  London, 2000.  8

  Bolzoni  F.,  M.Cabrini,  C.  Spinelli,  “Hydrogen  diffusion  and  hydrogen  embrittlement  behaviour  of  two  high  strength pipeline steels”, Eurocorr 2001, Riva del Garda, Proceedings on CD-ROM, AIM, Milano, pag. 1-10.  ISBN 88-85298-41-9.    Cabrini M., S.Maffi, G.Razzini, “Evaluation of Hydrogen Embrittlement behaviour by means permeation current  measure in slow strain rate conditions of a micro-alloyed steel”, Materials Science Forum, UK (ed. Trans Tech  Publications) p.1245 (1998).    Cabrini M., F.Bolzoni, G.Razzini, E.Sinigaglia, 14th ICC, Paper 30 (1999).    Cabrini  M.,  L.Migliardi,  T.Pastore,  C.Spinelli,  ”Effect  Of  Cathodic  Potential  And  Strain  Rate  on  Hydrogen  Embrittlement  of  HSLA  Steels”,  in  Hydrogen  Effectes  on  Materials  Behaviour  and  Corrosion  Deformation  Interaction, Edited by N. R. Moody, A.W:Thompson, R.E.Ricker, G.W.Was and R.H.Jones, TMS (The Mineral,  Metals & Materials Society) (2003) pp 979-988.    Cabrini M., O.Cogliati, S.Maffi, “Effetto della microstruttura sulla diffusione dell’idrogeno in acciai al carbonio  per pipeline”, La metallurgia italiana, N. 3 (2003) pp.13-20.    Cabrini  M.,  G.D’Urso,  T.Pastore,  “Evaluation  of  the  resistance  to  hydrogen  embrittlement  by  slow  bending  test”, Second International Conference on Environmental-Induced Cracking of Metals EICM04, September 1923, 2004, The Banff Centre, Banff, Canada.    Cabrini  M.,  T.Pastore,  L.Barsanti,  C.Spinelli,  “Effect  of  microstructure  on  the  behaviour  of  HSLA  steels  to  hydrogen  embrittlement  under  cathodic  protection”,  Second  International  Conference  on  EnvironmentalInduced Cracking of Metals EICM04, September 19-23, 2004, The Banff Centre, Banff, Canada.    Carneiro R.A. et al. / Materials Science and Engineering A357 (2003) 104-110.    Carter  C.S.  and  M.V.  Hyatt,  "Review  of  Stress  Corrosion  Cracking  in  Low  Alloy  Steels  with  Yield  Strength  Below  150  ksi",  1973,  in:  R.W.  Staehle,  J.Hochman,  R.D.  McCrigth,  J.E.  Slater  (Eds.),  Stress  Corrosion  Cracking and Hydrogen Embrittlement of Iron Base Alloys, NACE, Houston TX, 1977, pp. 524-600.    Chiovelli S.C., Dorling D.V., Glover A.G., Horsley D.J., Oil Gas J 1994;92(11):91–100.    Cigada A., Pastore T., Re G., Rondelli G., Vicentini B., Stress corrosion cracking in seawater of HSLA steel  type API 5L X65, Metals/materials technology series, ASM 8520-012, 1985.    Cigada  A.,  T.Pastore,  G.Franzoso,  A.  Kopliku,  M.Carenza,  “SCC  of  high  strength  steels  in  deep  seawater  under cathodic protection”, Offshore Tecnology Conference, paper 5156, 1992, ISOPE-92.    Delanty B., O’Beime J., Oil&Gas Journal, June 15, 1992, p.39.    Demofonti G., M.Cabrini, F.Marchesani, C.M.Spinelli, “Eni Tap Project Mechanical Damage and Environmental  Assisted Cracking -Full Scale Methodology Overview”, Proceedings of New Developments on Metallurgy and  Applications of High Strength Steels Conference, May 26 - 28, 2008, Buenos Aires, Argentina.    Det Norske Veritas RP B401, Cathodic Protection Design, 1986.    Engell  H.J.,  Forchhammer P.,  Uber die  veranderung  des  pH-wertes  an  metalloberflachen  bei kathodischem  9

schutz in meerwasser, Corrosion science, 1965, Vol. 5, pp 479 to 488, Pergamon Press Ltd, printed in Great  Britain.    Fessler R.R., T.P. Groeneveld, A.R. Elsea. in “Stress Corrosion Cracking and Hydrogen Embrittlement of Iron  Base Alloys”, NACE 5 p.135 (1977).    Groeneveld T.P., R.R.Fessler, 6th Symposium Line Pipe Research – PRC–AGA, (1979).    Gutman EM, Amosov BV, Khudiakov MA. Neft Khoz 1977 (8): 59–62.    Hara T., Asahi H., Suehiro Y., Kaneta H., Effect of flow velocity on carbon dioxide corrosion behavior in oil and  gas environments, Corrosion, August 2000.    Hinton B.R.W., R.P.M. Procter, Corrosion Science (1983); 23:101–23.    Huang F. et al. /Materials Science and Engineering A527 (2010) 6997–7001.    Huang F. et al., Journal of Material Science (2011) 46:715–722.    Kasahara  K,  Isowaki  T,  Adachi  H.  Study  on  hydrogen-stress  cracking  susceptibilities  of  line  pipe  steels.  Metallic corrosion, vol. 1 Frankfurt/Main: Dechema; 1981. p. 394–9.    Kobayashi Y., T. Taira, K. Matsumoto, T. Terenuma, in: C.G.Interrante, G.M. Pressouyre (Ed.), Proceedings of  Current Solutions to Hydrogen Problems in Steels of the First International Conference, ASM, 1982.    Koh S.U., J.S. Kim, B.Y.Yang, K.Y.Kim, Corrosion 60 (2004) 244-253.    Lazzari L., Pedeferri P., Cathodic protection, Polipress, Milan, 2006.    Liao C.M. and J.L.Lee, Corrosion, 50 (1994) 695.    Marchesani F., E. Donati, C. M. Spinelli, G. Mannucci, G. Demofonti, M. Cabrini, T. Pastore: “The Tap Project”;  1st International Conference “Super High Strength Steels” Rome 2-4 November 2005.    Matrosov M. Yu., L. I. Éfron, A. A. Kichkina, and I. V. Lyasotskii, Metal Science and Heat Treatment Vol. 50,  Nos. 3 – 4, 2008.    Park G.T. et al. / Corrosion Science 50 (2008) 1865–1871.    Parkins R.N., in: R.W. Staehle, A.J.Forty, D.Van Rooyen (Eds.), Fundamentals Aspects of Stress Corrosion  Cracking. NACE, Houston, TX, 1969, p. 361.    Polyakov  VN,  Kharionovsky  VV.  Statistics  of  transmission  pipeline  fractures.  In:  Rossmanith  HP,  editor.  Structural failure, product liability and technical insurance. London: E&FN Spon; 1996. p. 353–61.    Punter  A,  Fikkers  AT,  Vanstaen  G.  Hydrogen  induced  stress  corrosion  cracking  of  the  R.A.P.L.  oil  transmission  pipeline  as  a  result  of  the  combined  effect  of  cathodic  protection  and  plastic  deformation.  In:  Tiratsoo J, editor. Proceedings of the 9th international pipe protection conference. London: Elsevier; 1991. p.  257–69.    10

Punter A., A.T. Fikker, G. Venstoen, Material Performance 31 p.24 (1992).    Razzini G., Cabrini M., Maffi S., Peraldo Bicelli L., Musatti G., “Effect of the heat-affected zones on hydrogen  permeation and embrittlement of low-carbon steels”, Materials Science Forum Vols. 286–292 (1998) pp 1257– 1266, Trans Tech Publications, Switzerland.    Razzini G., M.Cabrini, S.Maffi, G.Mussati and L.Peraldo Bicelli, Corrosion Science 41 p.203 (1999).    Rodrigues P.C.M. et al. /Materials Science and Engineering A283 (2000) 136–143.    Rondelli G., Re G., Cigada A., Vicentini B., Pastore T., Stress corrosion cracking in sea water of a steel for  offshore applications, The American society of Mechanical Engineers, 1987.    Saenz  de  Santa  Maria  M.,  R.P.M.  Procter,  Environmental  cracking  (corrosion  fatigue  and  hydrogen  embrittlement)  X-70  linepipe  steel.  In:  Fatigue  and  crack  growth  in  offshore  structures,  C137/86.  London:  IMechE; (1986) p. 101–8.    Seo  D.H.,  S.H.Cho,  C.M.Kim,J.Y.Joo,  K.B.Kang,  Microstructure  and  mechanical  properties  of  X80/API  5L  X100 plates and pipes. In proc. The 17th International Offshore and Polar Engineering Conference, Lisbone,  Portugal, 2007.    Shanmugametal S., Materials Science and Engineering A 460–461 (2007) 335–343.    Shipilov S.A., Critical assessment of the rule of cathodic protection in pipeline integrity and reliability. In: Flewitt  PEJ et al., editors. Engineering structural integrity assessment: need and provision. Sheffield: EMAS; 2002. P.  155-62.    Shipilov  SA.  Corrosion  fatigue.  In:  Varvani-Farahani  A,  editor.  Advances  in  fatigue,  fracture  and  damage  assessment of materials. Southampton: WIT Press; 2005.    Shipilov S.A., I.Le May, Engineering Failure Analysis 13 (2006) 1159-1176.    Staehle  A.,  J.Forty,  D.Van  Rooyen  (Eds.),  Fundamentals  Aspects  of  Stress  Corrosion  Cracking.  NACE,  Houston, TX, 1969, p. 361.    Tanguy B., T.T.Luu, G.Perrin, A.Pineau, J.Besson, Plastic and damage behaviour of high strength API5L X100  pipeline steel: experiments and modelling. International Journal of pressure Vessel and Piping (2005); 85:32235.    Tau L., S.L.I. Chan, C.S.Shin, Corrosion Science, 38 (1996) 2049-2060.    Trasatti S.P.et al., Materials and Corrosion, 2005, 56 (2), 111-17.    Wang M.T., R.W. Staehle, Proceedings of the Hydrogen in Metals: International Conference, Paris, May /June  1972, pp. 342.    Wei  R.P.,  Novak  S.R.,  “Interlaboratory  evaluation  of  KISCC  and  da/dt  determination  procedures  for  high  strength steels”, Journal of testing and evaluation, 15 (1) 38, 1987.    Zhao M.-C. et al., Materials Science and Engineering A 478 (2008) 43–47    11

Appendix - Evaluation of alkalinization on metallic surface under cathodic protection    The  concentration  of  OH-  on  steel  surface  has  been  calculated  by  mass  balance  flux  at  metal  surface  in  stationary conditions (Engell and Forchhammer, 1965), by considering the diffusion flux and Faraday’s Law.  By  assuming  that  salinity  of  solution  is  given  by  chemical  ions  not  directly  involved  in  the  reactions,  the  electrophoretic contribution of mass transport flux can be ignored.  At the hydrogen equilibrium potential the main cathodic reaction in aerated solution under cathodic polarization  is  𝑂$ + 4𝑒 ( + 2𝐻$ 𝑂 → 4𝑂𝐻 (                     (7)  Therefore OH  ions production rate is equal to oxygen limiting current density:  𝑖FGH,IJ = 4 ∙ F ∙ 𝑘IJ ∙ 𝐶N,IJ                      (8)  where F is the Faraday constant, kO2 is the mass transport coefficient of oxygen in water and  CB,O2 the bulk  oxygen concentration.  The diffusion flux of ionic species from the surface can be expressed by relation  𝑖O,G = F ∙ 𝑘G ∙ P𝐶Q,G − 𝐶2,G R                     (10)  where ki is the mass transport coefficient of the ion in water, C0 and CB are respectively the concentrations on  surface and in bulk solution.  OH-  ions  produced  by  cathodic  reaction  are  consumed  by  water  formation  reaction,  negligible  if  H +  concentration  is  low,  such  as  in  neutral-alkaline  solutions,  and  by  calcium  carbonate  precipitation  above  saturation pH, according to:  𝐶𝑎TT + 𝑂𝐻 ( + 𝐻𝐶𝑂U( → 𝐶𝑎𝐶𝑂U                   (11)    Case 1: non-scaling water  In neutral solution without precipitation of carbonates, it can be assumed that the production of OH-, equal to  the oxygen limiting current, is balanced by the diffusion from the electrode:   4𝑘IJ ∙ 𝐶N,IJ = 𝑘VW7 ∙ P𝐶2,VW7 − 𝐶Q,VW7 R                 (14)  The mass transport coefficient can be calculated as a function of Reynolds (Re), Schmidt (Sc) and Sherwood  (Sh) adimensional numbers by using literature equations (Hara et al., 2000), generally expressed as  b Sh = cost ∙ 𝑅𝑒 _ ∙ 𝑆𝑐 cU                     (15)  With Sherwood number and Schmidt number respectively defined by  Shd =

ef ∙g hf

 ;  

i

Scd = h  

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

(16) 

where ν is the kinematic viscosity and l the characteristic length. Re is a function of fluidodynamic conditions  only, whereas Sh and Sc depend on chemical species because they depend on diffusion coefficient.  By substituting (15-16) in (14)   $c

$c

4𝐷IJU ∙ 𝐶N,IJ = 𝐷VWU7 ∙ P𝐶2,VW7 − 𝐶Q,VW7 R     thus  lhmJ

𝐶2,VW7 = 𝐶Q,VW7 + kh

no7

p

$c U

∙ 𝐶N,IJ  

 

 

 

 

 

 

 

(18) 

 

 

 

 

 

 

(19) 

  Case 2: scaling water  If calcium carbonate can separate at the surface, the pH on the electrode is reduced by buffer capacity of the  solution.  The  alkalinity  modifies  the  bicarbonate/carbonate  equilibrium  and  produces  precipitation  of  calcium  carbonate  𝐻$ 𝑂 ⇄ 𝐻 T + 𝑂𝐻 (                        (20)  ( (( T 𝐻𝐶𝑂U ⇄ 𝐶𝑂U + 𝐻                      (21)  (( TT 𝐶𝑎𝐶𝑂U ⇄ 𝐶𝑂U + 𝐶𝑎                      (22)  12

The equilibrium of reaction (11) can be expressed by  rJ b =         7 ∙u r ∙r u ∙u 7 s

t

;vmw

vxyy

m;

 

 

 

 

 

 

(23) 

where Kw, K2 and Ks are respectively the water ionic product, the second dissociation constant of carbonic acid  and the solubility product of calcium carbonate. The flux of OH- ions produced at cathode is balanced by the  flux of ions diffusing from surface to bulk solution and the consumption of ions (iR,i) due to reaction (11)  𝑖FGH,IJ = 𝑖O,VW7 + 𝑖z,VW7                      (24)  By considering that the consumption of hydroxide ions is equal to that of calcium and bicarbonate ions  𝑖z,VW7 = 𝑖z,{|yy = 𝑖z,0uIw7                      (25)  For the mass balance of calcium and bicarbonate ions  𝑖O,{|yy = 𝑖z,VW7                        (26)  𝑖O,0uIw7 = 𝑖z,VW7                        (27)  Finally, the hydroxide concentration can be calculated from equation (10) by the following relations and (23)  $c

$c

$c

$c 𝐷VWU7

$c U 𝐷0uI 7 w

4𝐷IJU ∙ 𝐶N,IJ − 𝐷VWU7 ∙ P𝐶2,VW7 − 𝐶Q,VW7 R = 𝐷{|Uyy ∙ P𝐶Q,{|yy − 𝐶2,{|yy R   

 

 

(30) 

 

 

(31) 

However the precipitation can only occur from supersatured solutions above saturation pH:  r ∙r 𝐶2,0uIw7 ∙ 𝐶2,u*yy ∙ 𝐶2,I07 = 𝛼 ∙ sr t               (𝛼 ≥ 1)         

 

(33) 

$c 4𝐷IJU

∙ 𝐶N,IJ −

∙ P𝐶2,VW7 − 𝐶Q,VW7 R =

J

∙ P𝐶Q,0uIw7 − 𝐶2,0uIw7 R  

Figure  24  shows  the  variation  of  pH  on  cathode  surface  as  a  function  of  oxygen  concentration  estimated,  without  any  carbonate  precipitation  and  with  carbonate  precipitation  calculated  by  considering  a  value  of  α  equal to 3.      

13

Table 1: Chemical composition, mechanical properties and microstructure of the tested HSLA steels.    Steel 



Mn  Si 





Cr 

Ni  Mo  Nb 

Cu 

TYS  UTS  Micro-  (MPa)  (MPa)  structure 

Hot rolled steel (longitudinal welded pipelines)  FP1  0.22  1.35  0.24  0.012  0.024