Enhanced susceptibility of high-strength fastener nuts to hydrogen-induced stress corrosion cracking
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H. Hoche
Dr. Holger Hoche born in 1973, studied materials sciences at TU Darmstadt. Since 2012, he has been the competence area manager for material analytics at the Center for Structural Materials, MPA-IfW, of TU Darmstadt. In addition to his research activities in the fields of hydrogen-induced stress corrosion cracking, microstructure-property correlations and PVD coatings, his work focuses on failure analysis of metallic components. In his lectures, he trains students in the exciting subject of failure analysis and also conducts various training seminars to enable knowledge transfer to the industry.
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M. Brilz
Abstract
High-strength HV-fastener sets of dimensions M48 and M64 with property class 10.9 were employed in offshore wind turbine frameworks. The M64 were used in coupling flanges within monopiles. The M48 were employed in another offshore wind farm and encountered natural weathering. In both installations, time-delayed fractures of the nuts were observed. Owing to the presence of macroscopically visible corrosion products, hydrogen-induced stress corrosion cracking (Hi-SCC) was established as the probable cause of failure. However, a nut fracture in a properly pre-tensioned bolt assembly is atypical since the stresses in the bolt threads are higher than those in the nuts. Based on the Hi-SCC theory, the fracture should occur at the most stressed component, which is the bolt.
During the root cause analysis, extensive examinations were conducted to determine the cause of the nut fractures. The focus was on investigating whether the nut material was more prone to Hi-SCC than the bolt material. The examination program included scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy (SEM-EDS) analysis of the fracture surfaces, optical microscopy of microspecimens, mechanical tests, and stress rupture tests of hydrogen-charged specimens. While the results suggest that the tested nuts comply with the requirements of the applicable standards regarding material properties, they also reveal that the nut material is, despite its lower tensile strength, significantly more susceptible to Hi-SCC than the bolt material. Therefore, a direct relationship between material susceptibility to Hi-SCC and the tensile strength, as standards and guidelines imply, is not given.
Kurzfassung
Hochfeste HV-Schraubengarnituren mit den Durchmessern M48 und M64 und der Festigkeitsklasse 10.9 wurden in Offshore-Windkraftanlagen montiert. Die M64-Schrauben wurden in Kupplungsflanschen innerhalb von Monopiles eingesetzt. Die Schrauben mit dem Durchmesser M48 kamen in einem anderen Offshore-Windpark zum Einsatz und standen zeitweise unter natürlichem Witterungseinfluss. Bei beiden Einbausituationen wurden zeitverzögerte Brüche der Schraubenmuttern beobachtet. Aufgrund makroskopisch sichtbarer Korrosionsprodukte wurde als wahrscheinlicher Versagensgrund die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion (H-SpRK bzw. Hi-SCC, hydrogen-induced stress corrosion cracking) festgestellt. Allerdings ist der Bruch einer Schraubenmutter bei einer korrekt vorgespannten Schraubenverbindung untypisch, da die Spannungen im Schraubengewinde größer sind als im Muttergewinde. Nach der Theorie der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion wäre der Bruch bei dem Bauteil zu erwarten, in dem die größte Belastung auftritt, d. h. bei der Schraube.
Im Rahmen der Schadensanalyse wurden umfassende Untersuchungen durchgeführt, um die Ursache für den Bruch der Muttern festzustellen. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf der Frage, ob der Mutterwerkstoff anfälliger für wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion ist als der Schraubenwerkstoff. Die Untersuchungen umfassten die Bruchflächenanalyse mittels Energiedispersive Röntgenspektroskopie im Rasterelektronenmikroskop (REM-EDX), die lichtmikroskopische Untersuchung von metallographischen Schliffen, mechanische Prüfungen sowie Zeitstandversuche an wasserstoffbeladenen Proben. Obwohl die Ergebnisse nahelegen, dass die geprüften Muttern den Anforderungen der gültigen Normen im Hinblick auf die Werkstoffeigenschaften entsprechen, zeigte sich, dass der Mutterwerkstoff trotz seiner geringeren Zugfestigkeit eine deutlich höhere Anfälligkeit gegenüber Hi-SCC zeigt als der Schraubenwerkstoffr. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Anfälligkeit des Werkstoffs für Hi-SCC und der Zugfestigkeit, wie es Normen und Richtlinien implizieren, liegt daher nicht vor.
About the author
Dr. Holger Hoche born in 1973, studied materials sciences at TU Darmstadt. Since 2012, he has been the competence area manager for material analytics at the Center for Structural Materials, MPA-IfW, of TU Darmstadt. In addition to his research activities in the fields of hydrogen-induced stress corrosion cracking, microstructure-property correlations and PVD coatings, his work focuses on failure analysis of metallic components. In his lectures, he trains students in the exciting subject of failure analysis and also conducts various training seminars to enable knowledge transfer to the industry.
References / Literatur
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