Low-Cycle Fatigue Performance of Hydrogen Pre-charged X65 Girth Welds under Seismic Strain Conditions

يتجه العالم نحو مستقبل مدعوم بالهيدروجين، وهو وقود نظيف يعد باستبدال الغازات الأحفورية في تدفئة المنازل وتشغيل الصناعات. ولنقل هذا الغاز عبر مسافات شاسعة، يعتمد المهندسون على أنابيب فولاذية ضخمة، غالباً ما تكون مدفونة تحت الأرض أو ممتدة تحت المحيطات. ومع ذلك، يمتلك الفولاذ نقطة ضعف خفية عندما يلتقي بالهيدروجين: إذ يمكن للغاز أن يتسلل إلى البنية المجهرية للمعدن، مما يجعله هشاً وعرضة للتصدع تحت الضغط. ويتفاقم هذا الخطر في المناطق التي تهتز فيها الأرض؛ ففي المناطق المعرضة للزلازل، لا تُعد الأنابيب مجرد هياكل ثابتة، بل هي هياكل مرنة يجب أن تنحني وتتمدد مع تحرك الأرض من تحتها. وإذا أصبح الفولاذ شديد الهشاشة بسبب التعرض للهيدروجين، فإن زلزالاً واحداً قد يؤدي إلى فشل كارثي. والسؤال الحاسم للمهندسين هو ما إذا كانت الوصلات الملحومة التي تربط أجزاء هذه الأنابيب يمكنها الصمود أمام الانحناء المتكرر لزلزال أثناء تشبعها بالهيدروجين.

وضع باحثون من "نيبون ستيل إنجينيرينج" وجامعة "غنت" هدفهم للإجابة على هذا السؤال من خلال إخضاع نوع معين من فولاذ الأنابيب لمحاكاة صارمة لهذه الظروف القاسية. وقد ركزوا على درجة API 5L X65، وهي درجة شائعة من الفولاذ المستخدم في خطوط الغاز عالية الضغط، وفحصوا تحديداً اللحامات الحلقية التي تربط مقاطع الأنابيب ببعضها البعض. وتعد هذه اللحامات هي النقاط الأكثر عرضة للخطر في خط الأنابيب لأن الحرارة الشديدة الناتجة عن اللحام تغير البنية الداخلية للمعدن، مما يخلق مزيجاً معقداً من المواد التي تتصرف بشكل مختلف عن الأنبوب الأصلي. ولمحاكاة التهديد الواقعي، لم يكتفِ الفريق بتعريض المعدن لغاز الهيدروجين فحسب؛ بل استخدموا عملية كهروكيميائية لفرض دخول الهيدروجين بعمق داخل الفولاذ، مما ضمن امتصاص المادة لمستوى من هذا العنصر يعادل ما قد تواجهه في خط أنابيب يحمل غازاً بضغط عشرة ميجاباسكال. ثم أخضعوا هذه اللحامات المشبعة بالهيدروجين لعمليات شد وضغط محكومة، مما يحاكي بالضبط مقدار الإجهاد الذي قد يتحمله خط الأنابيب أثناء مستويين مختلفين من شدة الزلازل.

صُممت التجربة لاختبار حدود المادة تحت سيناريوهين متميزين. مثل السيناريو الأول زلزالاً متوسط الشدة، حيث تم تطبيق إجهاد قدره زائد أو ناقص 0.2 بالمئة، وهو ما يتوافق مع المستوى الأدنى من حركة الأرض المتوقعة في إرشادات التصميم الزلزالي. أما السيناريو الثاني فقد حاكى حدثاً أكثر شدة، حيث دفع بالإجهاد إلى زائد أو ناقص 0.5 بالمئة. ولضمان واقعية الاختبارات، أعد الباحثون عينات اللحام بطريتين: بعضها كان سليماً، بينما أُعطيت عينات أخرى شقوقاً نصف بيضاوية اصطناعية على أسطحها الداخلية لمحاكاة نوع العيوب الصغيرة التي قد تحدث أثناء عملية اللحام. عملت هذه الشقوق كمراكز لتركيز الإجهاد، مما خلق أسوأ سيناريو ممكن لبدء تشكل صدع. ثم قام الفريق بتدوير العينات ذهاباً وإياباً، أي شدها وضغطها آلاف المرات لمعرفة عدد الدورات التي يمكنها تحملها قبل الفشل.

كانت النتائج مطمئنة للغاية. ففي ظل كل حالة من الحالات التي تم اختبارها، صمدت اللحامات المشحونة بالهيدروجين. حتى العينات التي احتوت على الشقوق الاصطناعية، والتي صُممت لتكون الحلقة الأضعف، صمدت لفترة تتجاوز بكثير عدد الدورات المطلوبة لمعايير السلامة لكل من الأحداث الزلزالية المتوسطة والشديدة. في السيناريو المتوسط، تطلبت الإرشادات أن يتحمل الأنبوب حوالي أربعين إلى خمسين دورة دون ضرر، وتجاوزت العينات هذا الرقم بسهء، حيث صمد بعضها لمئات الدورات. وفي السيناريو الشديد، حيث كان المتطلب هو ثلاث إلى خمس دورات فقط، تمكنت العينات ذات الشقوق من الصمود لخمسين دورة على الأقل دون حدوث كسر كامل. والأهم من ذلك، لم تعانِ أي عينة من كسر كامل كان سيؤدي إلى تسرب أو انفجار. لم يجعل الهيدروجين المعدن هشاً لدرجة تحطمه تحت الانحناء المتكرر؛ بل حافظت اللحامات على قدر كافٍ من المرونة لامتصاص طاقة الزلازل المحاكية.

وعندما فحص الباحثون المعدن بعد الاختبارات، وجدوا أن الهيدروجين قد بقي بالفعل داخل المادة، حيث ظل أكثر من 90% من الهيدروجين المشحون حتى بعد اكتمال الاختبار. وقد أكد هذا أن الاختبارات أُجريت حقاً في ظروف متأثرة بالهيدروجين. وكشف تحليل الأسطح المكسورة أنه بينما أثر الهيدروجين على كيفية بدء ونمو الشقوق، إلا أنه لم يؤدِ إلى فشل كلي. في العينات السليمة، بدأت الشقوق عند الحافة الخارجية للحام وانتقلت إلى المعدن الأساسي. أما في العينات ذات الشقوق، فقد بدأت الشقوق من طرف العيب الاصطناعي وسارت عبر معدن اللحام. ومن المثير للاهتمام أن الباحثين لاحظوا أنماطاً دائرية فريدة في الشقوق داخل معدن اللحام، والتي بدا أنها تتشكل حول جيوب غازية صغيرة حُبست أثناء عملية اللحام. وبدت هذه الجيوب، إلى جانب الشوائب المجهرية، وكأنها تعمل كنقاط انطلاق محلية لشقوق صغيرة اندمجت لاحقاً مع الشق الرئيسي. وبينما أظهرت هذه السمات أن الهيدروجين يتفاعل مع عيوب المعدن، إلا أنها لم تمنع الهيكل العام من الصمود في الاختبار.

تخلص الدراسة إلى أن وصلات لحام الطوق من نوع X65 تمتلك مقاومة قوية لمزيج محدد من التعرض للهيدروجين والإجهاد الزلزالي. وتشير النتائج إلى أنه، على الأقل لهذا النوع من الفولاذ وتحت ظروف الاختبار، فإن الخوف من أن يجعل الهيدروجين خطوط الأنابيب هشة للغاية بحيث لا تستطيع الصمود أمام الزلازل قد لا يكون في محله. أظهرت اللحامات قدرة على التشوه وامتصاص الطاقة دون فشل كارثي، مما يوفر أساساً قوياً للنشر الآمن للبنية التحتية للهيدروجين في المناطق النشطة زلزالياً. وبينما يسلط البحث الضوء على أن الهيدروجين يغير السلوك المجهري للمعدن، مما يخلق أنماط كسر محددة ويتفاعل مع عيوب اللحام، فإنه يظهر في النهاية أن السلامة الهيكلية لخط الأنابيب تظل سليمة تحت الظروف القاسية للزلزال. يقدم هذا العمل مساراً واضحاً مدعوماً بالبيانات، مؤكداً أنه مع توفر المواد والتصاميم المناسبة، يمكن أن يمضي التحول نحو اقتصاد الهيدروجين دون المساس بسلامة خطوط الأنابيب التي ستحمله.