Assessment of through-thickness variations in hydrogen embrittlement behavior of API 5L X65 and X70 pipeline steels

Abstract

Os aços microligados de alta resistência (HSLA) da classe API são amplamente utilizados na fabricação de dutos destinados ao transporte de petróleo e gás contendo compostos agressivos, como o gás sulfeto de hidrogênio (H₂S). Nesses ambientes, a fragilização por hidrogênio (HE) representa um risco significativo à integridade estrutural, podendo levar à falha prematura dos componentes. Este estudo avaliou a suscetibilidade à fragilização por hidrogênio de três variantes do aço API 5L X65 e de um aço API 5L X70, com foco na influência da microestrutura ao longo da espessura de chapas grossas (32 mm). As microestruturas foram caracterizadas por microscopia óptica e eletrônica de varredura em diferentes posições através da espessura (superfície, ¼ de espessura e meio da espessura). O comportamento de transporte de hidrogênio foi avaliado por ensaios de permeação eletroquímica, a partir dos quais se determinaram a difusividade efetiva (Deff) e a concentração aparente de hidrogênio subsuperficial (C0). Ensaios padronizados de trincamento induzido por hidrogênio (HIC) e de tração em baixa taxa de deformação (SSRT) foram realizados em condições com e sem carregamento de hidrogênio. Os três aços X65 apresentaram microestruturas ferríticas relativamente homogêneas ao longo da espessura, resultando em comportamento de permeação estável (com pouca variação de Deff e C0) e boa resistência à fragilização por hidrogênio: não foram detectadas trincas por HIC e o carregamento de hidrogênio produziu apenas efeitos secundários nas propriedades mecânicas. Em contraste, o aço X70 exibiu forte segregação central de Mn, matriz bainítica granular com constituintes martensita-austenita (M/A) na região central, redução acentuada em Deff e aumento em C0 nessa região. Essa microestrutura atuou como sítio de aprisionamento de hidrogênio e de iniciação de trincas, levando a intensa fragilização e redução da ductilidade sob exposição ao hidrogênio. Este estudo ressalta a importância do controle microestrutural e da minimização da segregação química no desenvolvimento de aços com maior resistência à fragilização por hidrogênio, especialmente para aplicações em ambientes contendo H₂S e ricos em hidrogênio. Além das aplicações convencionais, esta pesquisa possui relevância disruptiva no contexto do transporte de hidrogênio verde, um dos principais desafios da transição energética global. Um aspecto crítico reside em fornecer amostras homogêneas em termos de suscetibilidade à fragilização por hidrogênio, considerando que heterogeneidades podem ocorrer não apenas entre diferentes aços, mas também dentro de um mesmo aço ao longo de sua espessura.