Μελέτη επίδρασης του υδρογόνου στη μηχανική συμπεριφορά μεταλλικών σωληνώσεων μεταφοράς πετρελαιοειδών και υδρογονανθράκων

Abstract

The main target of this doctoral dissertation is the study of the effect of atomic hydrogen electrodiffusion phenomenon on the mechanical behavior of metallic pipelines, which are used intransportation of petroleum products and hydrocarbon gases. In the first chapter, the hydrogen embrittlement phenomenon due to the electro - migration effect of atomic hydrogen in the crystalline structure of welded aluminum alloys, that are applied to gas transmission lines and oil extraction platforms, was studied. The studied Friction Stir Welded specimens were extracted from pipes with 3 mm wall thickness and an external diameter of 16 in. During the experimental implementation of this research project in the first stage, the cathodic polarization process of welded specimens took place within an electrodynamically and electrokinetically controlled hydrogendiffusion field and then the pre - charged specimens were subjected to slow strain rate tensile test at air ambient (according to ISO 3183, ASTM G148 - 97, ASTM E 8M - 04 standards and the research activity to meet the technological requirements as indicated by the Europipe organization in Germany in collaboration with American Petroleum Institute). The present study focused on the evaluation of the Hydrogen Embrittlement susceptibility of dissimilar friction stir welds of AA5083-H111 and AA6082-T6 aluminum alloys. The main embrittlement mechanisms were studied for applied cathodic polarization current densities of 20, 50 and 80 mA/cm2 and duration of cathodic charging process for 2 and 4h. The slow strain rate tensile tests were performed with a grab removal speed of 0.01 mm/min in order to favor hydrogen diffusivity and hydrogen trapping effect (in deep and irreversible traps), according to the ASTM E 8M – 04 standard. With the increment of applied current density from 20 to 80 mA/cm2 a severe reduction of ductility and a lower decrease of yield stress and ultimate tensile strength were observed. The fractured surfaces were characterized by increased volume fraction of embrittling features such as river patterns, quasicleavage facets and teardrop ridges. For the most extreme cathodic polarization conditions (80 mA/cm2, 4h) the fracture was realized into the fine - grained microstructure of stir zone. Furthermore, by stereoscopic analysis, scanning electron microscopy, X-ray diffractometry and EBSD analytical technique an increased volume fraction of hydride and blister formation was determined, which was related to the restriction of the atomic hydrogen electrodiffusion field in high angle grain boundaries with elevated misorientation angle distribution factor and in semi – coherent or non – coherent interphases between solidification phases, intermetallic precipitates and matrix material. Additionally, it was detected the evolution of stepwise microcracking phenomenon, with preferential points for crack initiation the interfaces between hydrides, embrittling phases with stoichiometrical ratio Al3Mg2 and aluminum substitutional solid solution. In the second chapter, the embrittlement effect due to the electrodiffusion of atomic hydrogen into the crystalline structure of welded pipeline steels transporting petroleum products and hydrocarbon gases in cases of underground installation was investigated. During the experimental implementation of this thematic object, in the first stage, the cathodic polarization procedure took place within an electrochemical stimulated field enriched with hydrogen cations. In the second stage the mechanical testing was carried out through the Crack Tip Opening Displacement technique (Ex – situ hydrogen cathodic charging and CTOD testing). This research work focused on the investigation of the correlation between hydrogen cathodic charging conditions and toughness properties of SAWL welded X65 pipeline steels. The studied steel specimens were extracted from pipes with 19 mm wall thickness and an external diameter of 29 in, without been subjected previously to operational conditions. The experimental technique which was applied to determine the characteristic parameters associated with toughness drop (KQ, J, CTODel, CTODpl) was the CTOD testing after hydrogen cathodic charging process according to BS7448 and ISO12135 standards, with a piston displacement speed of 0.95 mm/min. The hydrogen cathodic polarization process was carried out in a vertical electrolytic cell with applied current densities of 10, 20, 30 mA/cm2 and hydrogen cathodic charging duration 48 h. Through this study, interesting results were provided concerning the diffusion depth, the diffusion coefficient and the desorption time of atomic hydrogen, the surficial density, the morphology and nucleation sites of blisters, the initiation points and the propagation mode of stepwise microcracking as far as toughness properties and fractographic analysis. The maximum diffusion depth value and the highest diffusion coefficient is assigned for each current density field in the region of heat affected zone and the minimum in the area of fusion zone. Finally, the fusion zone is considered to be more prone to the occurrence of embrittlement phenomena compared to base metal. The rate of toughness parameters drop was detected to be higher for current densitiesbetween 0 – 10 mA/cm2 and 20 – 30 mA/cm2, where the non - faradaic cathodic polarization fieldpromotes the electrochemical reduction of hydrogen cations to atomic hydrogen between metal andelectrolyte interface. In the third chapter, the embrittlement effect due to the electrodiffusion phenomenon and electro-migration effect of atomic hydrogen in X52, X65 and X70 pipeline steels, which are used for the transportation of petroleum products and hydrocarbon gases in cases of underwater installation, was studied. For the experimental implementation of this project, the development of an aggressive electrostimulated field for the creation of electrodynamically and electrokinetically assisted diffusion fronts of hydrogen cations and the cathodic polarization of specimens took place simultaneously with their mechanical testing through the CTOD technique, in a horizontal type electrolytic cell according to ISO 3183 and ASTM G148 – 97 standards (In – situ hydrogen cathodic charging and CTOD testing). More precisely, the present research domain focused on the investigation of in – situ hydrogen charging effect during Crack Tip Opening Displacement testing (CTOD) on the fracture toughness properties of X52, X65 and X70 pipeline steels. The studied steel specimens were extracted from pipes with 11 mm wall thickness and external diameter 26 in. The fracture toughness parameters were determined after imposing the fatigue pre-cracked specimens on air, on a specific electrolytic cell under a slow strain rate bending loading (with a piston displacement speed of 0.01 mm/min according to BS7448 and ISO12135standards), for applied current densities of 10 or 20 mA/cm2 and hydrogen cathodic charging duration 26 h. In sequence, the characteristic parameters related to fracture toughness (such as J, KQ, CTODel, CTODpl) were calculated by the aid of the Force – Crack Mouth Open Displacement curves and the relevant analytical equations. According to the obtained experimental results, by increasing the applied current density field during in – situ hydrogen cathodic polarization process the fracture toughness parameters were decreasing continuously. Through this study, interesting results were provided concerning the hydrogen induced toughness decrease, the micro-mechanisms which contribute to failure, the morphology and surficial density of blisters and microcracks, the microhardness increment at pipeline steel surfaces, as far the diffusion depth and the diffusion coefficient of atomic hydrogen into the structure correlated to the applied current density during the in - situ hydrogen cathodic charging process. The novelty of this research work is attributed to the use of an environmental friendly electrolyte consisted of 30 g/L NaCl and 3 g/L NH4SCN (which satisfies green chemistry’s requirements) for elevated values of the applied current density field (10 and 20 mA/cm2 ) during the in – situ hydrogen cathodic charging process and slow strain rate bending. The applied current densities exceeded the above of other researchers, which haven’ tbeen higher than 10 mA/cm2 . Also, with the use of the given electrochemical environment, the study of the development of electro-kinetically assisted pulsed atomic hydrogen diffusion fronts in the micrographic texture of the specimens without the unwanted contribution of corrosion phenomena (localized anodic polarization effect) which disorient the main conclusions about the type of micromechanisms that contribute to the manifestation of hydrogen embrittlement phenomenon was achieved. Moreover, these experiments took place in order to investigate the existence or not of a thermodynamic or electrokinetic - electrodynamic potential threshold which leads to the hydrogen absorbed diminishing effect independently of the increment of the applied current density. In total through the ensemble of the obtained results the novelty of the present dissertation is mainly based on the correlation of both thermodynamic quantities (penetration depth and diffusion coefficient of atomic hydrogen, surface coverage density of blisters and microcracks) as well as kinematic magnitudes (required atomic hydrogen desorption time and time threshold for stabilizing the cathodic overvoltage potential of the electrolytic system) with the degradation of the main mechanical properties, as they arise either from static or semi-static mechanical testing in ferrous and non-ferrous alloy systems, which find application in subsoil and submarine fuel transport facilities (either gas or liquid phase). Finally, there is no published work in the international research community that refers to embrittling micro-mechanisms due to hydrogen electro – diffusion phenomenon, either in homogeneous or inhomogeneous welded aluminum alloys through the FSW technique, which are used in high voltage insulated natural gas pipelines and on oil extraction platforms (platforms in offshore sectors mainly for assembling). The above treaty, however, has been an urgent technological necessity for the last five years to be solved, by both Europipe and the American Petroleum Institute, as a result of which the first research part of the present doctoral dissertation is substantiated.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως θεματικό άξονα τη μελέτη της επίδρασης του ατομικού υδρογόνου στη μηχανική συμπεριφορά μεταλλικών σωληνώσεων μεταφοράς πετρελαιοειδών και υδρογονανθράκων. Στο πρώτο κεφάλαιο διερευνήθηκε η ψαθυροποίηση λόγω διάχυσης ατομικού υδρογόνου συγκολλημένων κραμάτων αλουμινίου, τα οποία βρίσκουν εκτεταμένη εφαρμογή στο τεχνολογικό πεδίο των γραμμών μεταφοράς φυσικού αερίου και στις πλατφόρμες εξόρυξης πετρελαίου. Τα δοκίμια που μελετήθηκαν είχαν εξαχθεί από σωληνώσεις με πάχος τοιχώματος 3 mm και εξωτερική διάμετρο 16 in (406,4 mm). Κατά το πρώτο στάδιο της πειραματικής διαδικασίας πραγματοποιήθηκε η καθοδική πόλωση των συγκολλημένων δειγμάτων εντός του ηλεκτροδυναμικά και ηλεκτροκινητικά ελεγχόμενου πεδίου διάχυσης των υδρογονοκατιόντων και, στη συνέχεια, έλαβε χώρα η εφελκυστική φόρτιση χαμηλού ρυθμού παραμόρφωσης αυτών σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα (Ex – situ hydrogen cathodic charging and slow strain rate tensile testing). Η συγκεκριμένη εργασία διεκπεραιώθηκε σύμφωνα με τα πρότυπα ISO 3183, ASTM G148 - 97, ASTM E 8M - 04 και τους νέους άξονες αναγκαίας ερευνητικής δραστηριότητας, οι οποίοι έχουν ορισθεί για την κάλυψη των λειτουργικών απαιτήσεων στο πραγματικό πεδίο συνθηκών από τα διεθνή πρωτόκολλα διασφάλισης ποιότητας της πετρελαιοβιομηχανίας, σε συνεργασία με τους οργανισμούς της Europipe Industry και του American Petroleum Institute. Το συγκεκριμένο κεφάλαιο επικεντρώνεται κυρίαρχα στην αξιολόγηση της ευαισθησίας που επιδεικνύουν ως προς την εκδήλωση των φαινομένων ψαθυροποίησης λόγω της ηλεκτροδυναμικά ελεγχόμενης μετανάστευσης του ατομικού υδρογόνου τα ανομοιογενώς συγκολλημένα κράματα αλουμινίου ΑΑ5083-Η111 και ΑΑ6082-Τ6 με τη χρήση της τεχνικής δια τριβής μέσω ανάδευσης (Friction Stir Welding). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, μελετήθηκε η συνέργεια των κυριότερων μικρομηχανισμών ψαθυροποίησης για επιβαλλόμενη πυκνότητα έντασης ρεύματος καθοδικής πόλωσης μεταξύ του πεδίου τιμών των 20, των 50 και των 80 mA/cm2 και χρονική διάρκεια παραμονής εντός του πεδίου ηλεκτροχημικής διέγερσης τα χρονικά κατώφλια των 2 και των 4 ωρών. Στη συνέχεια, η εφελκυστική φόρτιση χαμηλού ρυθμού παραμόρφωσης έλαβε χώρα με ταχύτητα απομάκρυνσης των αρπαγών 0,01 mm/min, προκειμένου να ενισχυθεί τόσο θερμοδυναμικά όσο και κινηματικά η διάχυση του ατομικού υδρογόνου και η παγίδευση του μοριακού υδρογόνου (σε υψηλής ενέργειας ενεργοποίησης και μη αντιστρεπτού τύπου παγίδες συσσώρευσης των υδρογονοκατιόντων), σύμφωνα με το πρότυπο ASTM E 8M - 04. Με την αύξηση της επιβαλλόμενης πυκνότητας έντασης ρεύματος καθοδικής πόλωσης από τα 20 έως τα 80 mΑ/cm2 διαπιστώθηκε σημαντική υποβάθμιση της ολκιμότητας και μικρότερη πτωτική τάση για το όριο διαρροής και τη μέγιστη εφελκυστική αντοχή. Επιπρόσθετα, οι θραυσιγενείς επιφάνειες χαρακτηρίστηκαν από αυξημένο κλασματικό όγκο συμμετοχής ψαθυροποιημένων περιοχών με μορφολογία τύπου κοίτης ποταμού, πριονωτών οδοντώσεων περιμετρικά των κορυφογραμμών απόσχισης (saw - teeth or stair - like morphology), μετώπων αποσχιστικής διάτμησης (quasi – cleavage facets) και πεδίων συσσώρευσης μικροκενών με μορφολογία που προσομοιάζει σε ‘μάτι ψαριού’ (microvoid coalescence with fish eye morphology). Για τις πιο ακραίες και εντατικοποιημένες συνθήκες της καθοδικής πόλωσης (80 mA / cm2, 4 ώρες) η θραύση έλαβε χώρα στη λεπτοκρυσταλλική δομή της ζώνης ανάδευσης, πλευρικά της θερμομηχανικά επηρεασμένης ζώνης του κράματος ΑΑ6082 – Τ6. Ακόμη, μέσω χρήσης στερεοσκοπικής ανάλυσης, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ και EBSD αναλυτικής τεχνικής ταυτοποιήθηκε υψηλός κλασματικός όγκος συμμετοχής ομάδων φάσεων υδριδίων με στοιχειομετρική χημική αναλογία AlH3 καθώς και αυξημένη πυκνότητα επιφανειακής κάλυψης φλυκταινών υδρογόνου και διακλαδιζόμενων δικτύων μικρορωγματώσεων, τα οποία αποδίδονται στον περιορισμό των ηλεκτροκινητικά προωθούμενων μετώπων διάχυσης του ατομικού υδρογόνου, καθώς και στην πέδηση και στην αντιστροφή των κατιοντικών ροών σε όρια κόκκων υψηλής γωνίας αναντιστοιχίας μεταξύ των κρυσταλλογραφικών πλεγμάτων, καθώς και σε ημι-συνεκτικού ή μη συνεκτικού τύπου διαφασικά όρια συνάφειας μεταξύ των ομάδων φάσεων στερεοποίησης, των ενδομεταλλικών φάσεων σκλήρυνσης και της μητρικής δομής. Τέλος, προσδιορίσθηκαν οι πορείες διάδοσης των διακλαδιζόμενων δικτύων tvn μικρορωγματώσεων με βηματοειδή μορφή (stepwise microcracking), οι προτιμητέες τοπολογίες εκκίνησης αυτών στις διεπιφάνειες επαφής μεταξύ των υδριδίων, των ψαθυροποιητικών φάσεων με στοιχειομετρική χημική αναλογία Al3Mg2 και του στερεού διαλύματος αντικατάστασης του αλουμινίου. Στο δεύτερο κεφάλαιο, μελετήθηκε το φαινόμενο της ψαθυροποίησης λόγω διάχυσης ατομικού υδρογόνου σε συγκολλητές χαλύβδινες σωληνώσεις μεταφοράς πετρελαιοειδών και υδρογονανθράκων σε περιπτώσεις υπεδάφιας εγκατάστασης. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διεξαγωγής του δεδομένου ερευνητικού αντικειμένου, σε πρώτο στάδιο έλαβε χώρα η καθοδική πόλωση των δοκιμίων εντός ηλεκτροδιεγερμένου πεδίου διάχυσης των υδρογονοκατιόντων, ενώ στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η μηχανική καταπόνηση αυτών μέσω της δοκιμής Crack Tip Opening Displacement test (Ex – Situ hydrogen cathodic charging and CTOD test). Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο, διερευνήθηκε διεξοδικά η συσχέτιση μεταξύ των επιβαλλόμενων συνθηκών της καθοδικής πόλωσης κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διέγερσης και των κρίσιμων χαρακτηριστικών μηχανικών μεγεθών που σχετίζονται με τη δυσθραυστότητα των συγκολλημένων δοκιμίων χάλυβα X65 μέσω της τεχνικής SAWL. Τα δοκίμια χάλυβα που μελετήθηκαν είχαν εξαχθεί από σωληνώσεις με πάχος τοιχώματος 19 mm και εξωτερική διάμετρο 29 in (736,6 mm), οι οποίες δεν είχαν υποβληθεί προγενέστερα στο πραγματικό πεδίο των λειτουργικών συνθηκών. Η σύνθετη μηχανική καταπόνηση CTOD έλαβε χώρα έπειτα από την ηλεκτροχημική διέγερση των δοκιμίων σύμφωνα με τα πρότυπα BS7448 και ISO12135, με ταχύτητα μετατόπισης του εμβόλου 0,95 mm/min και κυριότερο στόχο τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών μηχανικών μεγεθών που σχετίζονται με τη δυσθραυστότητα, όπως είναι η παράμετρος J, ο παράγοντας έντασης τάσης κατά την έναρξη της πλαστικοποίησης KQ και η παράμετρος CTOD τόσο για την ελαστική όσο και για την πλαστική περιοχή. Η καθοδική πόλωση των δοκιμίων πραγματοποιήθηκε σε κατακόρυφο ηλεκτρολυτικό κελί για επιβαλλόμενα πεδία τιμών της πυκνότητας έντασης ρεύματος τα 10, τα 20 και τα 30 mA/cm2 και με χρονική διάρκεια παραμονής εντός του πεδίου ηλεκτροχημικής διέγερσης τις 48 ώρες. Μέσω αυτής της μελέτης, αποδόθηκαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα σχετικά με το βάθος διείσδυσης, τον συντελεστή διάχυσης και τον απαιτούμενο χρόνο εκρόφησης του ατομικού υδρογόνου, την πυκνότητα επιφανειακής κάλυψης, τη μορφολογία και τις τοπολογίες πυρηνοποίησης των φλυκταινών υδρογόνου, τα σημεία εκκίνησης και τις πορείες διάδοσης των δικτύων των μικρορωγματώσεων σε συνάρτηση με τα κρίσιμα χαρακτηριστικά μηχανικά μεγέθη της δυσθραυστότητας και τη θραυστογραφική μελέτη των θραυσιγενών επιφανειών. Η μέγιστη τιμή του βάθους διείσδυσης και οι υψηλότεροι συντελεστές διάχυσης του ατομικού υδρογόνου αποδόθηκαν συστηματικά για κάθε επίπεδο φόρτισης στο μικρογραφικό ιστό της περιοχής της θερμικά επηρεασμένης ζώνης, ενώ αντίθετα οι μικρότερες τιμές για τα προαναφερθέντα θερμοδυναμικά και ηλεκτροκινητικά μεγέθη που σχετίζονται με το φαινόμενο της ηλεκτροδιάχυσης παρατηρήθηκαν σε όλες τις περιπτώσεις στο μικρογραφικό ιστό της ζώνης τήξης. Τέλος, η περιοχή της ζώνης τήξης για τα συγκολλημένα δοκίμια χάλυβα Χ65 κρίθηκε ως ιδιαίτερα επιρρεπής έναντι της εκδήλωσης ψαθυροποιητικών φαινομένων λόγω της διείσδυσης του ατομικού υδρογόνου στο κρυσταλλογραφικό πλέγμα σε σύγκριση με την περιοχή του μετάλλου βάσης. Ο μεγαλύτερος ρυθμός της μείωσης των μηχανικών μεγεθών τα οποία σχετίζονται με τη δυσθραυστότητα προσδιορίσθηκε για επιβαλλόμενη πυκνότητα έντασης ρεύματος καθοδικής πόλωσης μεταξύ των πεδίων τιμών των 0 - 10 mA /cm2 και των 20 - 30 mA /cm2, όπου στο μη φαρανταϊκού τύπου ηλεκτροχημικό πεδίο διέγερσης πραγματοποιείται ηλεκτροδυναμική και ηλεκτροκινητική κατάλυση των ημιαντιδράσεων αναγωγής των υδρογονοκατιόντων στη διεπιφάνεια καθόδου και ηλεκτρολυτικού διαλύματος. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετήθηκε η ψαθυροποίηση λόγω διάχυσης ατομικού υδρογόνου χαλύβδινων σωληνώσεων μεταφοράς πετρελαιοειδών και υδρογονανθράκων Χ52, Χ65 και Χ70 σε περιπτώσεις υποθαλάσσιας εγκατάστασης. Για την πειραματική διεκπεραίωση αυτού του ερευνητικού αντικειμένου έλαβε χώρα η ανάπτυξη ηλεκτροδιεγερμένου πεδίου διάχυσης των υδρογονοκατιόντων και η καθοδική πόλωση των δοκιμίων ταυτόχρονα με τη μηχανική καταπόνηση αυτών μέσω της τεχνικής CTOD, σε οριζόντιου τύπου ηλεκτρολυτική κυψέλη σύμφωνα με τα πρότυπα ISO 3183 και ASTM G148 – 97 (In situ hydrogen cathodic charging and CTOD test). Πιο συγκεκριμένα, κύρια στόχευση του παρόντος κεφαλαίου αποτέλεσε η συσχέτιση της μείωσης της δυσθραυστότητας με τις επιβαλλόμενες συνθήκες της καθοδικής πόλωσης κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διέγερσης για τους χάλυβες κατασκευής σωληνώσεων X52, X65 και X70. Τα δοκίμια χάλυβα που μελετήθηκαν είχαν εξαχθεί από σωληνώσεις με πάχος τοιχώματος 11 mm και εξωτερική διάμετρο 26 in (660,4 mm). Τα κρισιμότερα χαρακτηριστικά μηχανικά μεγέθη, τα οποία σχετίζονται με τη δυσθραυστότητα, αποδόθηκαν για τα προρωγματωμένα δοκίμια σε περιβάλλον αέρα (fatigue pre – cracked), μέσω της ελαστικής προφόρτισης και της καμπτικής καταπόνησης χαμηλού ρυθμού παραμόρφωσης αυτών εντός ηλεκτροδιεγερμένου πεδίου διάχυσης των υδρογονοκατιόντων σε ειδική ηλεκτρολυτική κυψέλη (elastic pre - strain and slow strain rate bending in hydrogen enriched electrolytic environment). Κατά τη διάρκεια της μηχανικής δοκιμής η ταχύτητα μετατόπισης του εμβόλου είχε ορισθεί ίση με 0,01 mm/min σύμφωνα με τα πρότυπα BS7448 και ISO12135, ενώ η ηλεκτροχημική διέγερση των δοκιμίων πραγματοποιήθηκε για επιβαλλόμενη πυκνότητα έντασης ρεύματος καθοδικής πόλωσης 10 και 20 mA / cm2 και χρονική διάρκεια παραμονής τις 26 ώρες. Στη συνέχεια, μέσω χρήσης των καμπυλών F – Crack Mouth Open Displacement (F – CMOD) και των συναρτησιακών σχέσεων της θραυστομηχανικής ανάλυσης προσδιορίσθηκαν τα μηχανικά μεγέθη J, KQ, CTODel, CTODpl. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, διαπιστώθηκε ότι με την αύξηση της επιβαλλόμενης πυκνότητας έντασης ρεύματος καθοδικής κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διέγερσης η δυσθραυστότητα και για τα τρία είδη χαλύβων ακολουθούσε συνεχή πτωτική τάση. Επιπρόσθετα, μέσω της δεδομένης ερευνητικής μελέτης προέκυψαν πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα σχετικά με την επιφανειακή σκλήρυνση των κραματικών συστημάτων που αποδίδεται κυρίως στην αλληλεπίδραση των ατμοσφαιρών Cottrell υδρογόνου με τα δίκτυα των διαταραχών, τους μικρομηχανισμούς που συμβάλλουν στην εκδήλωση των φαινομένων της ψαθυροποίησης λόγω της μετανάστευσης του ατομικού υδρογόνου στο μικρογραφικό ιστό, τη μορφολογία, το μέσο μέγεθος ανάπτυξης και την πυκνότητα επιφανειακής κάλυψης των φλυκταινών υδρογόνου και των μικρορωγματώσεων, το βάθος διείσδυσης και το συντελεστή διάχυσης του ατομικού υδρογόνου σε συνάρτηση με τις επιβαλλόμενες συνθήκες της ηλεκτροχημικής διέγερσης. Η καινοτομία που εισάγει το παρόν κεφάλαιο της διδακτορικής διατριβής στο συγκεκριμένο ερευνητικό πεδίο αποδίδεται στη χρήση ενός φιλικού προς το περιβάλλον ηλεκτρολύτη που αποτελείται από 30 g/L NaCl και 3 g/L NH4SCN, με αποτέλεσμα να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των διεθνών πρωτοκόλλων διασφάλισης της οικολογικότητας των ηλεκτροχημικών διεργασιών σε εργαστηριακή, ημιπιλοτική και βιομηχανική κλίμακα (“πράσινη χημεία”) για ιδιαίτερα αυξημένες τιμές της επιβαλλόμενης πυκνότητας έντασης ρεύματος καθοδικής πόλωσης (10 και 20 mA / cm2) κατά τη διάρκεια της σύνθετης μηχανικής καταπόνησης CTOD συγκριτικά με αντίστοιχες ερευνητικές μελέτες. Επίσης, με τη χρήση του δεδομένου ηλεκτροχημικού περιβάλλοντος πραγματοποιήθηκε η μελέτη της ανάπτυξης των ηλεκτροκινητικά προωθούμενων μετώπων διάχυσης του ατομικού υδρογόνου (electro – kinetically assisted pulsed atomic hydrogen diffusion fronts) στο μικρογραφικό ιστό των δοκιμίων χωρίς την ανεπιθύμητη συμβολή παράπλευρων φαινομένων διάβρωσης (τοπική ανοδική πόλωση), τα οποία αποπροσανατολίζουν την εξαγωγή συμπερασμάτων ως προς το είδος των μικρομηχανισμών που συνεργούν στην εκδήλωση του δεδομένου φαινομένου της ψαθυροποίησης. Τέλος, διερευνήθηκε η ύπαρξη ή μη ενός θερμοδυναμικού - ηλεκτροδυναμικού κατωφλιού πάνω από το οποίο πραγματοποιείται αντιστροφή των ηλεκτροπροωθούμενων μετώπων διάχυσης του ατομικού υδρογόνου λόγω φαινομένων τοπικού υπερκορεσμού του κρυσταλλογραφικού πλέγματος, με αποτέλεσμα να μειώνεται το ανάδελτα (μερική αθροιστική παράγωγος) της ιοντικής ροής και να περιορίζεται το προσροφούμενο υδρογόνο ανεξάρτητα από την αύξηση της εφαρμοζόμενης πυκνότητας ρεύματος καθοδικής πόλωσης κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διέγερσης. Συνολικά, λοιπόν, και για τα τρία ερευνητικά πεδία που προαναφέρθηκαν η καινοτομία της παρούσας διατριβής βασίζεται κυρίως στη συσχέτιση των θερμοδυναμικών μεγεθών τόσο με τα κινηματικά μεγέθη του φαινομένου της ηλεκτροδιάχυσης όσο και με την υποβάθμιση των κυριότερων μηχανικών ιδιοτήτων, όπως αυτές προσδιορίζονται είτε μέσω στατικών είτε ημι-στατικών μηχανικών δοκιμών σε σιδηρούχα και μη σιδηρούχα κραματικά συστήματα, τα οποία βρίσκουν εφαρμογή τόσο σε υπεδάφιες όσο και σε υποθαλάσσιες εγκαταστάσεις μεταφοράς καυσίμου (είτε σε αέρια είτε σε υγρή φάση). Τέλος, δεν υπάρχει δημοσιευμένο έργο στη διεθνή ερευνητική κοινότητα όπου να αναπτύσσεται η διεξοδική μελέτη των μικρομηχανισμών ψαθυροποίησης λόγω ηλεκτροδιεγερμένου μετώπου διάχυσης των υδρογονοκατιόντων, είτε σε ομοιογενώς είτε σε ανομοιογενώς συγκολλημένα κράματα αλουμινίου μέσω της τεχνικής FSW, τα οποία αποτελούν κύρια κατασκευαστικά τμήματα της δομικής επιστελέχωσης αγωγών μεταφοράς φυσικού αερίου υψηλής τάσης και υπεράκτιων μονάδων εξόρυξης πετρελαίου και υδρογονανθράκων.