یکی از الزامات مهم در ذخیره‌سازی و حمل گازهای صنعتی، طبی و خاص، سازگاری مواد سیلندرها و شیر با محتوای گاز داخلی است. این سازگاری تحت تأثیر واکنش‌های شیمیایی و اثرات فیزیکی قرار دارد که یکی از مهم‌ترین این اثرات، تردی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement – HE) است.
فرآیند تردی هیدروژنی
فرآیند تردی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement) یک پدیده مخرب در علم مواد است که در آن حضور یا نفوذ اتم‌های هیدروژن به داخل ساختار فلزات، خصوصاً فلزات با استحکام بالا مانند فولاد، باعث کاهش چقرمگی، شکل‌پذیری و مقاومت کششی آنها می‌شود. این پدیده در بسیاری از صنایع حساس مانند هوافضا، خودروسازی و صنایع نفت و گاز اهمیت ویژه‌ای دارد. در طی این فرآیند، اتم‌های هیدروژن معمولاً در حین فرایندهایی نظیر آبکاری الکتریکی، جوشکاری، ریخته‌گری یا حتی در محیط‌های خورنده به درون فلز نفوذ می‌کنند. سپس این اتم‌ها در محل‌های تمرکز تنش مانند مرز دانه‌ها یا نواحی دارای نقص ساختاری تجمع یافته و با ایجاد فشار داخلی، ترک‌هایی را در ساختار ماده به وجود می‌آورند که ممکن است منجر به شکست ناگهانی و بدون هشدار قبلی شود.
مهم‌ترین عوامل موثر بر تردی هیدروژنی شامل میزان و سرعت ورود هیدروژن به فلز، تنش‌های اعمال شده به قطعه و ساختار متالورژیکی ماده هستند. راهکارهای متعددی برای جلوگیری یا کاهش این پدیده وجود دارد، از جمله بهینه‌سازی فرایندهای تولیدی برای کاهش جذب هیدروژن، عملیات حرارتی موسوم به “بیک‌اوت” (Bake-out) برای خارج کردن هیدروژن از قطعه، استفاده از پوشش‌های مقاوم در برابر نفوذ هیدروژن و انتخاب آلیاژهای مقاوم‌تر به تردی. شناخت دقیق فرآیند تردی هیدروژنی و راهکارهای مقابله با آن، نقش کلیدی در افزایش طول عمر و ایمنی قطعات صنعتی به ویژه در کاربردهای حساس دارد، زیرا وقوع آن می‌تواند خسارت‌های فنی و اقتصادی جبران‌ناپذیری به همراه داشته باشد.
گازهای مستعد ایجاد ریسک تردی هیدروژنی کدامند؟
براساس استاندارد ISO 11114-1 (و استاندارد ملی ایران ۱۴۶۵۵-۱)، گازهای زیر در دسته‌ی گازهای مستعد ایجاد تردی هیدروژنی قرار می‌گیرند:
۱. هیدروژن (H₂)
اصلی‌ترین گاز مسبب تردی هیدروژنی.
به راحتی در ساختار بلورین فلزات نفوذ می‌کند.
در فشارهای بالا و دمای محیط می‌تواند موجب کاهش شدید استحکام و انعطاف‌پذیری فلز شود.
۲. کلر (Cl₂)
در تماس با برخی فلزات، می‌تواند با ایجاد واکنش‌های شیمیایی، جذب هیدروژن را تشدید کند.
به ویژه در محیط‌های مرطوب، باعث تخریب سریع‌تر سازه‌های فلزی می‌شود.
۳. دی‌سیلان (Si₂H₆)
گازی بسیار واکنش‌پذیر که در فرایندهای صنعتی نظیر تولید نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شود.
در حضور دی‌سیلان، ریسک جذب هیدروژن به فلزات افزایش می‌یابد.
۴. دی‌بران (B₂H₆)
یکی از مشتقات هیدرید بور، گازی بسیار ناپایدار.
در صورت تماس با فلزات تحت تنش، احتمال ترک‌خوردگی ناشی از تردی افزایش می‌یابد.
۵. فسفین (PH₃)
گاز سمی و بسیار واکنش‌پذیر.
به طور غیرمستقیم از طریق آزادسازی هیدروژن در واکنش‌های ثانویه، می‌تواند باعث تردی شود.
۶. سولفید هیدروژن (H₂S)
گاز خورنده و بسیار خطرناک.
علاوه بر تردی هیدروژنی، باعث پدیده‌ی دیگری به نام تردی سولفیدی (Sulfide Stress Cracking) نیز می‌شود.
حال ریسک تردی هیدروژنی در مخلوط گازهای ترد کننده چه زمانی رخ می دهد ؟
مخلوط های گازی ترد کننده، باید تحت شرایط خاصی ذخیره شوند. و ریسک تردی هیدروژنی زمانی رخ می‌دهد که فشار جزئی گاز بیشتر از 50 بار و سطح تنش مواد به اندازه کافی بالا باشد.
چه نوع سیلندر هایی مناسب ذخیره کردن هیدروژن هستند؟
سیلندرهای H-type مخصوص ذخیره‌سازی گاز هیدروژن طراحی شده‌اند. به دلیل ویژگی‌های خاص این گاز، این سیلندرها از مواد مقاوم‌تری نسبت به سیلندرهای معمولی ساخته می‌شوند. معمولاً از فولاد آلیاژی با استحکام بالا یا کامپوزیت‌های پیشرفته مانند فیبر کربن ساخته می‌شوند تا قادر به تحمل فشارهای بالا (تا 700 بار) باشند. برای جلوگیری از واکنش‌های شیمیایی میان هیدروژن و فلزات، در داخل این سیلندرها از پوشش‌های ضد خوردگی استفاده می‌شود. سیلندرهای H-type تحت آزمون‌های فشاری و تست‌های ترک‌خوردگی هیدروژنی قرار می‌گیرند تا ایمنی در شرایط ذخیره‌سازی و حمل گاز هیدروژن تضمین شود. و همچنین طبق استانداردISO-9809 ( استاندارد ملی INSO 7909)، برای سیلندرهای فولادی بدون درز، میزان استحکام کششی نباید بیشتر از 950 مگاپاسکال باشد تا از ایجاد خطرات احتمالی ناشی از تردی هیدروژنی جلوگیری شود.
بطور کلی ساده ترین راه برای جلوگیری از وقوع این پدیده این است که از جذب هیدروژن به اتصالات و قطعات پیش از به کار گیری و ورود آن ها به سیکل عملیات کاری، ممانعت شود. توصیه می شود که برای پوشش دهی اتصالات از حمام های شستشو و پوشش دهی با هیدروژن کم استفاده شود.
این در حالی است که برای فولادهای با استحکام بالا که سختی بیشتر از 40 HRC دارند، پیش از فرایند پوشش دهی باید عملیات تنش زدایی در دمای 150 تا 230 درجه سانتی گراد انجام شود. بلافاصله بعد از پوشش دهی نیز باید قطعات به مدت 4 ساعت در کوره ای با حداقل دمای 190 تا 210 درجه سانتی گراد (بسته به استحکام کششی قطعات) گرم شوند.
در این مرحله قطعات تا دمای 200 درجه سانتی گراد گرم می شوند تا هیدروژن جذب شده از فلزات خارج شود. حرکت هیدروژنی اتمی از درون یک فلز، نوعی فرایند دیفوز یونی است که به دما و زمان وابسته است. هرچه استحکام فلز بیشتر باشد، برای نفوذ به دما و زمان بیشتری نیز نیاز دارد.
توجه داشته باشید که این کار باید پیش از ایجاد هرگونه ترک ناشی از وجود تنش های باقی مانده و حداکثر یک ساعت بعد از پوشش دهی قطعات انجام شود تا هیدروژن زدایی به خوبی انجام شده و از خطر تردی هیدروژنی کاسته شود.
البته در مقایسه با سایر پدیده‌های مشابه، تردی هیدروژنی هیچ گونه علائم ظاهری و ماکروسکوپیک قابل مشاهده ندارد. همچنین، با روش‌های متداولی چون متالوگرافی، سختی‌سنجی و… قابل شناسایی نیست. این امر باعث می‌شود که تشخیص این پدیده در مراحل اولیه دشوار باشد و در نهایت، شکست قطعه به صورت ناگهانی و بدون هشدار قبلی رخ دهد.
کدام گازها خطر تردی هیدروژنی ندارد؟
برخی گازهایی که بر مطابق استاندارد ISO 11114-1 (استاندارد ملی 14655-1 ) خطر تردی هیدروژنی ندارند و از وقوع این پدیده به دور هستند عبارتنداز :
- آرگون (Ar)
- بوتانC₄H₁₀ ) (
- اتیلن ( C2H4 )
- متان (CH4 )
- نیتروژن(N2)
- زنون(Xe)
- اکسیژن(O2)
- و …
نتیجه‌گیری
با آگاهی از مکانیسم‌های تردی هیدروژنی و رعایت دقیق استانداردهای بین‌المللی، می‌توان از بروز شکست‌های ناگهانی و خطرناک در سیلندرهای گاز جلوگیری کرد. انتخاب صحیح مواد، طراحی اصولی سیلندرها و انجام اقدامات پیشگیرانه، کلید موفقیت در این مسیر است.
