Het raadsel van de broze buizen

Dit kan ook tijdens het lassen grote problemen opleveren, want bij die activiteit ontstaat ook waterstof. Daardoor kan het materiaal als het ware worden ‘opgeladen’ met deze stof. ,,Ik heb het er laatst over gehad met een lasspecialist. Die zei dat het wel eens voorkomt dat tijdens het lassen de las gewoon weer openscheurt. Dan heeft de waterstof ergens in het materiaal een druk kunnen opbouwen die groot genoeg is om het te laten scheuren.”

Krom heeft in zijn model het effect van ‘vallen’ meegenomen. Vallen zijn alle plaatsen in het metaal die anders zijn dan de normale roosterplaatsen. Dat kunnen bijvoorbeeld insluitsels van koolstof- of zwavelatomen zijn, of kleine scheurtjes. Gewoonlijk zit de waterstof alleen op bepaalde plaatsen in het rooster, de interstitiële ruimtes. Maar de stof is gevoelig voor vallen. Als het mogelijk is diffundeert de waterstof daarheen.

,,Uit mijn model blijkt dat vallen bij een lage waterstofconcentratie gunstig zijn. Want als de waterstof daar zit, kan het niet zorgen voor een verzwakking van het staal. Als er dan kracht op het materiaal wordt uitgeoefend, zal het minder snel breken. Maar als er een hoge concentratie waterstof is, wordt er van binnen een grote druk opgebouwd in de scheurtjes en kunnen deze groeien.”
Centen

Dit effect zou een verklaring kunnen zijn voor experimentele resultaten die hij heeft gekregen. Daaruit blijkt namelijk dat een stalen staaf eerder breekt naarmate je er langzamer aan trekt. Want als er snel aan een staaf getrokken wordt heeft het waterstof geen tijd om in het rooster te diffunderen. Daardoor is de concentratie waterstof in het rooster laag en kan de staaf verder uitrekken voordat hij breekt.

Volgens Krom zou het model kunnen worden gebruikt om waterstofverbrossing te verklaren. ,,Maar er moeten eerst nog goede experimenten worden gedaan om te kijken of er geen tekortkomingen zijn in het model. Mijn resultaten stemmen namelijk niet goed overeen met de experimenten. Dat kan komen doordat de experimenten gedaan zijn met staal en ik de parameters van ijzer heb gebruikt, omdat alleen die bekend zijn.”

Ook kan gekeken worden hoe kritisch een scheur in een buis op dat moment is. ,,Ik heb geleerd dat in de industrie alles om centendraait”, verklaart hij. ,,Als je een nieuwe fabriek bouwt met ander materiaal kun je kijken hoe gevoelig dat materiaal is voor scheurvorming door waterstof. Met mijn model zou je ook kunnen bepalen of het nog verantwoord is om met de scheur in de buis een tijdje door te blijven werken, of dat je echt meteen moet stoppen om de buis te vervangen. Elke dag langer werken met hetzelfde materiaal is tenslotte meegenomen.”

Materiaalkunde

De dag van Kroms promotie was alleszins bijzonder. Zijn promotor, prof. Bakker, is nog herstellende van een hartaanval en kon daarom niet aanwezig zijn bij de verdediging van het proefschrift. Daarom heeft Krom nu een nog ongetekende bul.

Maar verzetten was niet mogelijk omdat op hij op dezelfde dag ook nog is getrouwd. ,,Dan hebben familieleden tenminste niet het excuus dat ze geen vrij konden krijgen. En ze kunnen ook niet wegblijven omdat ze geen zin hebben in een moeilijk technisch verhaal.”

Bij de sectie mechanisch gedrag van materialen van Materiaalkunde was Krom een beetje een buitenbeentje. ,,Ik ben wel eens uitgelachen door collega’s omdat ik alleen maar met simulaties heb gewerkt. Dat vinden ze hier niet ‘echt’ genoeg. Voor de rest wordt hier voornamelijk experimenteel werk verricht. Maar voor mijn onderzoek zijn simulaties noodzakelijk.”

Krom simuleerde het transport van waterstof in staal. Waterstof heeft in staal een zeer lage oplosbaarheid en een heel hoge diffusiesnelheid: het beweegt erg snel door het materiaal. Daardoor is het niet mogelijk experimenteel te bepalen hoeveel waterstof er in een stukje staal zit.

,,Voor mijn simulaties heb ik gebruik gemaakt van een model uit de literatuur. Toen mijn promoter en ik er goed naar keken, bleek dat model niet te kloppen: er werd waterstof in geproduceerd. Het zou natuurlijk heel mooi zijn als je méér waterstof kunt maken, enkel door waterstof door staal te laten diffunderen. Maar zo werkt dat niet”, legt Krom uit. ,,Het model heb ik daarom aangepast. Onlangs is dat geaccepteerd voor publicatie in de Journal of the Mechanics and Physics of Solids, hét blad voor het modelleren van materiaalgedrag.”
Olie

Het probleem van de waterstofverbrossing speelt op dit moment voornamelijk in de olie-industrie. In olie is ook waterstof opgelost in de vorm van waterstofsulfide. Die waterstof kan in het metaal van de buis terecht komen. ,,Chemische processen in de industrie vinden plaats bij een zo hoog mogelijke temperatuur en druk, om een zo hoog mogelijk rendement te halen. Maar voor de inspectie van het systeem moeten temperatuur en druk soms omlaag. Daardoor daalt de oplosbaarheid van waterstof in het materiaal sterk. Waterstof gaat dan naar de zwakke plekken in de buis. Bijvoorbeeld naar plaatsen waar twee stukken buis aan elkaar zijn vastgelast, of waar toch al kleine scheurtjes zitten. Daar kan de waterstof waterstofgas vormen. Er ontstaat dan een druk. En als die hoog genoeg wordt, kan de scheur groterworden.”

Maar dat is niet het enige probleem. Waterstof doet ook nog iets onbegrijpelijks met het metaalrooster. Bij een metaal in vaste vorm zijn de atomen op een bepaalde manier ‘gestapeld’. Dat noemt men het metaalrooster. Het rooster zorgt voor de stevigheid. Maar als er waterstof in het metaal aanwezig is, wordt het zwakker.

,,Ik heb simulaties gedaan van waterstofgas in scheurtjes. Ik zeg dan bijvoorbeeld hoe groot de druk van waterstofgas moet zijn om een scheur groter te laten worden. Dat vergelijk ik met data van een echte scheur, waarbij de lengte van de scheur in de tijd is gemeten. Met mijn simulatieprogramma probeer ik dezelfde grafiek terug te vinden. Dat geeft mij dan een indicatie van de taaiheid van het materiaal in waterstof. Die druk blijkt in een metaal waar waterstof in het rooster zit vier keer kleiner te zijn dan wanneer er geen waterstof is.”

Dit kan ook tijdens het lassen grote problemen opleveren, want bij die activiteit ontstaat ook waterstof. Daardoor kan het materiaal als het ware worden ‘opgeladen’ met deze stof. ,,Ik heb het er laatst over gehad met een lasspecialist. Die zei dat het wel eens voorkomt dat tijdens het lassen de las gewoon weer openscheurt. Dan heeft de waterstof ergens in het materiaal een druk kunnen opbouwen die groot genoeg is om het te laten scheuren.”

Krom heeft in zijn model het effect van ‘vallen’ meegenomen. Vallen zijn alle plaatsen in het metaal die anders zijn dan de normale roosterplaatsen. Dat kunnen bijvoorbeeld insluitsels van koolstof- of zwavelatomen zijn, of kleine scheurtjes. Gewoonlijk zit de waterstof alleen op bepaalde plaatsen in het rooster, de interstitiële ruimtes. Maar de stof is gevoelig voor vallen. Als het mogelijk is diffundeert de waterstof daarheen.

,,Uit mijn model blijkt dat vallen bij een lage waterstofconcentratie gunstig zijn. Want als de waterstof daar zit, kan het niet zorgen voor een verzwakking van het staal. Als er dan kracht op het materiaal wordt uitgeoefend, zal het minder snel breken. Maar als er een hoge concentratie waterstof is, wordt er van binnen een grote druk opgebouwd in de scheurtjes en kunnen deze groeien.”
Centen

Dit effect zou een verklaring kunnen zijn voor experimentele resultaten die hij heeft gekregen. Daaruit blijkt namelijk dat een stalen staaf eerder breekt naarmate je er langzamer aan trekt. Want als er snel aan een staaf getrokken wordt heeft het waterstof geen tijd om in het rooster te diffunderen. Daardoor is de concentratie waterstof in het rooster laag en kan de staaf verder uitrekken voordat hij breekt.

Volgens Krom zou het model kunnen worden gebruikt om waterstofverbrossing te verklaren. ,,Maar er moeten eerst nog goede experimenten worden gedaan om te kijken of er geen tekortkomingen zijn in het model. Mijn resultaten stemmen namelijk niet goed overeen met de experimenten. Dat kan komen doordat de experimenten gedaan zijn met staal en ik de parameters van ijzer heb gebruikt, omdat alleen die bekend zijn.”

Ook kan gekeken worden hoe kritisch een scheur in een buis op dat moment is. ,,Ik heb geleerd dat in de industrie alles om centendraait”, verklaart hij. ,,Als je een nieuwe fabriek bouwt met ander materiaal kun je kijken hoe gevoelig dat materiaal is voor scheurvorming door waterstof. Met mijn model zou je ook kunnen bepalen of het nog verantwoord is om met de scheur in de buis een tijdje door te blijven werken, of dat je echt meteen moet stoppen om de buis te vervangen. Elke dag langer werken met hetzelfde materiaal is tenslotte meegenomen.”