Investigating The Effect of Hydrogen Embrittlement of Heat Treated X65 Pipeline Steel and Additively Manufactured 316L Stainless Steels. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF investigating the effect of hydrogen embrittlement of heat treated x65 pipeline steels and additively manufactured 316L stainless steels.pdf Restricted to Repository staff only until 12 January 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

يُعدّ الهيدروجين محوراً رئيسياً في أنظمة الطاقة النظيفة الناشئة، إلا أن تفاعله مع المعادن الإنشائية ما يزال يشكّل تحدياً كبيراً في تصميم بنى تحتية آمنة للهيدروجين. تهدف هذه الرسالة إلى دراسة قابلية معدنين هندسيين أساسيين للتقصف الهيدروجيني، وهما: فولاذ خطوط الأنابيب API 5L X65 والفولاذ المقاوم للصدأ 316L المصنع بتقنية التصنيع بالإضافة أو الطباعة ثلاثية الأبعاد. يركّز البحث على كيفية تأثير تاريخ المعالجة، بما في ذلك المعالجة الحرارية دون درجة الأوستن لفولاذ X65 واتجاهات البناء في الفولاذ 316L المصنع بالإضافة، في سلوك امتصاص الهيدروجين، وتدهور الخواص الميكانيكية، واستقرار الطبقة الخاملة السطحية. تم تقييم فولاذ X65 في حالته الأصلية وبعد معالجات حرارية عند درجات 550°م، 600°م و650°م. خضعت العينات لعمليات شحن هيدروجيني كهربائي مضبوطة لمدة 12 و24 و36 ساعة، تلتها اختبارات ميكانيكية شملت الشد والصلادة والصدم (شاربي)، إضافة إلى اختبار النفاذية الهيدروجينية باستخدام أسلوب Devanathan–Stachurski وقياس المحتوى الهيدروجيني. أظهرت النتائج أن المعالجات الحرارية المعتدلة تحسّن بدرجة كبيرة مقاومة التقصف الهيدروجيني من خلال تخفيف الإجهادات الشدية المتبقية وتعديل كثافة مصائد الهيدروجين داخل التركيبة الكرستالية. فقد سجّلت معالجة 550°م أقل انخفاض في ليونة الشد نتيجة كثافة عالية من المصائد العكسية، بينما حافظت معالجة 600°م على أعلى طاقة صدم حتى بعد التعرض المطوّل للهيدروجين بفعل تكوّن مصائد غير قابلة للعكس تثبّط تأثير الهيدروجين على المتانة. كما لوحظت أعلى درجات التدهور بعد 12 ساعة من الشحن، بالتوافق مع أعلى محتوى هيدروجيني مقاس. أما الفولاذ 316 قليل الكربون فقد جرى تصنيعه بتقنية الانصهار بالليزر على سرير مسحوق بأربع اتجاهات بناء أفقي مستوٍ (0°)، أفقي على الحافة (0°)، مائل (45°)، وعمودي (90°). تم تطبيق الشحن الهيدروجيني بالظروف نفسها، وأعقب ذلك تقييم أفقي مستوٍ (0°)، أفقي على الحافة (0°)، مائل (45°)، وعمودي (90°). تم تطبيق الشحن الهيدروجيني بالظروف نفسها، وأعقب ذلك تقييم ميكانيكي عبر اختبارات الشد والتحليل الكسري، إضافة إلى تحليل كهروكيميائي شمل الجهد الدائري المفتوح (OCP)، ومطيافية الممانعة الكهروكيميائية (EIS)، ومقاومة الاستقطاب الخطي (LPR)، والاستقطاب المحرك (PDP)، وتحليل مـوت–شوتكي (MS). وقد أدى التركيب المجهري المتكوّن من برك انصهار متداخلة وبنى خلوية وتغصنية دقيقة ومسامات تعتمد على اتجاه البناء إلى نشوء تباين ميكانيكي واضح. العينات الأفقية ذات المسامية المنخفضة أظهرت أعلى مقاومة للشد والمتانة وأقل تأثراً بالتقصّف الهيدروجيني، بينما أبدت العينات العمودية مسامية أعلى وانهياراً أسرع لطبقة التخميل وقابلية أكبر وإن كانت طفيفة للتدهور بفعل الهيدروجين. وظهر أكبر انخفاض في الليونة بعد 12 ساعة من الشحن، بما يتوافق مع أعلى مستوى امتصاص للهيدروجين. تؤكد النتائج إجمالاً أن الحالة الميكرو-بنائية وتاريخ المعالجة يلعبان دوراً حاسماً في التحكم بتفاعلات الهيدروجين مع الفلزات. كما تبيّن أن تحسين ظروف المعالجة الحرارية لفولاذ X65، واختيار اتجاهات البناء المثلى للفولاذ 316L المصنع بالإضافة، يمكن أن يقلّل بشكل ملحوظ من تأثيرات التقصّف الهيدروجيني. ويوفّر البرنامج التجريبي الشامل المعتمد في هذه الدراسة أساساً مهماً لتطوير سبائك أكثر مقاومة للهيدروجين ودعم موثوقية البنية التحتية المستقبلية لطاقة الهيدروجين

English Abstract

Hydrogen is increasingly central to emerging clean energy systems, yet its interaction with structural metals continues to pose significant challenges for the safe design of hydrogen infrastructure. This thesis investigates the hydrogen embrittlement (HE) susceptibility of two critical engineering alloys: API 5L X65 pipeline steel and additively manufactured (AM) 316L stainless steel. The study examines how material processing, subcritical heat treatment for X65 and build orientation for AM 316L influences hydrogen uptake, mechanical degradation, and passive-film stability. API 5L X65 steel was evaluated in the as-received condition and after heat treatments at 550°C, 600°C, and 650°C. Specimens underwent controlled electrochemical hydrogen charging for 12, 24, and 36 hours, followed by mechanical testing (tensile, hardness, and Charpy impact), hydrogen permeation (Devanathan Stachurski method), and hydrogen content measurement. Results show that moderate heat treatments significantly enhance resistance to HE by relieving residual tensile stresses and modifying trap populations. The 550 °C condition exhibited the lowest loss in tensile ductility due to overall superior Diffusion performance, while the 600 °C condition maintained the highest impact toughness even after prolonged charging through the formation of stable traps. All conditions experienced maximum property degradation at 12 hours of charging, correlating with peak hydrogen content. For AM 316L stainless steel, specimens were fabricated via laser powder bed fusion in four build orientations: horizontal flat (0°), horizontal long-edge (0°), inclined (45°), and vertical (90°). Hydrogen charging was applied under identical conditions, and subsequent evaluation included tensile testing, fractography, and electrochemical analysis (OCP, EIS, LPR, PDP and MS). The AM microstructure, characterized by overlapping melt pools, cellular dendritic subgrains, and orientation dependent porosity, led to pronounced mechanical anisotropy. Horizontally built samples, having minimal porosity, displayed superior strength and toughness and exhibited the smallest embrittlement response. Vertical builds showed higher porosity, earlier passive-film breakdown, and slightly greater susceptibility to hydrogen-assisted degradation. Across all orientations, the most severe ductility loss occurred after 12 hours of charging, consistent with peak hydrogen absorption. Overall, the findings demonstrate that both microstructural condition and processing history critically govern hydrogen metal interactions. Optimized stress-relief treatments for X65 and favorable AM build orientations for 316L can significantly mitigate hydrogen-induced degradation. The comprehensive experimental matrix established in this work provides valuable insight for designing hydrogen-resistant steels and advancing reliable hydrogen energy infrastructure.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Toor, Ihsan Ul Haq
Committee Members:	Saheb, Nouari and Abdul Samad, Mohammed
Depositing User:	AYMAN MUSAAD (g202213760)
Date Deposited:	13 Jan 2026 05:57
Last Modified:	13 Jan 2026 05:57
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144025