电化学充氢方法模拟H2S渗氢行为的探索研究

#电化学充氢方法模拟H2S渗氢行为的探索研究袁玮，黄峰*，曲炎淼，刘静（武汉科技大学材料与冶金学院，湖北，武汉， 430083,E-mail:huangfeng@）摘要：本论文建立在课题组对X80钢进行不同方式的热处理得到可模拟焊接热影响区的不同组织试样的前期研究基础上，对其进行氢致裂纹 （HIC）敏感性测试。通过对不同组织 X80钢进行饱和H2S渗氢实验来研究材料渗氢行为与其微观组织及 HIC敏感性的关系，并探索一种电化学充氢方法来模拟湿饱和H2S环境，测量材料的氢渗透曲线，进而评价材料的 HIC敏感性。结果表明：不同组织X80钢抗HIC敏感性的能力依次表现为针状铁素体 >多边形铁素体>板条贝氏体，且三种组织的HIC敏感性结果都在可接受的范围内； 可用氢渗透行为来评价材料的 HIC敏感性，氢扩散通量J*和氢扩散系数Deff越小，阴极侧氢浓度C0越大，试样的HIC敏感性越大；在30mA/cm2电流密度下电解0.5mol/LH2SO4+3.1x10-3mol/LNa4P2O7（毒化剂）溶液进行电化学充氢，可以模拟湿饱和 H2S环境来进行氢渗透实验。关键词：X80管线钢；湿饱和H?S环境；电化学充氢；氢渗透曲线简介：X80级管线钢被广泛用作输送石油或天然气的管道用钢。管线钢内部 H2S腐蚀是输气管线腐蚀的主要形式之一，而氢致裂纹（HIC）是H2S腐蚀中的主要方式⑴。本文通过HIC敏感性测试和H2S环境中渗氢实验的对比来研究不同组织 X80钢氢渗透行为与HIC敏感性的内在联系，为X80管线钢的应用提供防腐蚀理论依据。另外，探索一种电化学充氢方法来模拟湿饱和 H2S环境，减少实验过程的危险性和对环境的污染。实验：采用NACETM0284-2003标准对不同组织X80钢进行HIC测试。采用改进的Davanathan-Stachursky渗氢装臵进行饱和 H2S环境的渗氢行为研究。实验时，将试样固定于两电解池容器之间，试样暴露在两容器之间的面积为 1cm2,阳极侧溶液为除氧的0.1mol/LNaOH;控制阳极电位为250mVscE，当背底电流稳定后，向阴极侧加入 NACE标准A溶液，即5%NaCI+0.5%冰醋酸水溶液，除氧后通入饱和的H2S气体至实验结束；用CHI660A电化学工作站记录阳极侧氢的氧化电流，获得渗氢曲线，并通过公式计算氢渗透数据 [2]。电化学充氢方法模拟H2S环境的研究与验证：与饱和 H2S环境的渗氢装臵不同的是阴极侧要施加10,15,20,25,30,35mA不等的阴极电流，阴极侧溶液为0.5mol/LH2SO4+3.1x10-3mol/LNa4P2O7实验过程无需通入H2S气体，其他实验步骤均与上同。为了保证实验的准确性，对所有渗氢曲线都进行3-5次重复。结果与讨论：表1给出了三种不同组织X80钢的HIC敏感性数据，图1和表2分别给出三种不同组织试样的饱和 H2S进行3-5次重复。结果与讨论：表1给出了三种不同组织X80钢的HIC敏感性数据，图1和表2分别给出三种不同组织试样的饱和 H2S渗氢曲线与氢渗透数据。表1 X80三种不同组织HIC敏感性测试结果Table.1ResultsofHICsensitivitytestsofX80steelwiththreedifferentmicrostructures-2.0x10-1.5x10-1.0x10..aircooling_waterquenching亠original-5.0x100.015000 20000 25000 30000试样裂纹敏感率裂纹长度率裂纹厚度率(CSR)(CLR)(CTR)原始000空冷3.280.490.05水淬6.960.980.096t/s图1 三种不同组织X80钢的氢渗透曲线Fig.1HydrogenpermeationcurvesofX80steelswiththreedifferentmicrostructures.表2 X80三种不同组织的氢渗透数据Table.2hydrogenpermeationparametersofX80steelwiththreedifferentmicrostructures试样Tl/s■5I-/X0A-11J4/X0-2-1mol•ms-7Deff/X02-1cms■5C0/X0molcm-3原始37342.012.095.114.10空冷86591.241.271.956.61水淬106040.881.091.596.86对比表1和表2可以明显看出：氢的扩散系数 Deff和氢扩散通量J*与钢材的HIC敏感性具有对应关系，即Deff和J*越小，C0越大，钢材HIC敏感性越高。图2分别为X80钢原始组织不同电流密度下的电化学渗氢曲线与饱和 H2S环境渗氢曲线及空冷和水淬组织试样在30mA/cm2电流密度下的电化学渗氢曲线与饱和 H?S环境渗氢曲线。通过对比X80钢原始组织在不同电流密度下的渗氢数据可知： 30mA/cm2电流密度下的渗氢行为湿饱和 H2S渗氢行为最相似，误差均在可接受范围。另外，分别对 X80空冷和水淬组织进行 30mA/cm2电流密度下的电化学充氢渗氢实验，并计算相对其对应的饱和 H2S环境氢渗透数据误差，发现误差均在可接受范围之内，如表3所示。因此，可初步推断 30mA/cm2电流密度下进行电化学充氢可模拟湿饱和 H2S环境来进行氢渗透实验，从而研究材料的 HIC敏感性。4-2.0X1C-5-1.5X105-1.0X105」-5.0x104-2.0X1C-5-1.5X105-1.0X105」-5.0x106-1000020000300004000050000600000.0~!0x30mA:25mA20mA—it—15mA_i_10mA-1.4x16-1.0X1C5-4.0x10t/s30mAH2S-6.0x106-2.0x106--1.2x105・0 5000 100001500020000250003000035000-8.0x106-1.0x10-8.0x10-6.0x10-2.0x10t/s-1.4x16-1.0X1C5-4.0x10t/s30mAH2S-6.0x106-2.0x106--1.2x105・0 5000 100001500020000250003000035000-8.0x106-1.0x10-8.0x10-6.0x10-2.0x10t/s10000 15000 20000 25000-4.0x10t/s图2 X80原始组织（a）、空冷组织（b）和水淬组织（c）渗氢曲线Fig.2Hydrogenpermeationcurvesoforiginal(L),aircooling(M)andwaterquenching(R)X80steel表330mA/cm2电流密度下氢渗透与湿饱和 H2S环境氢渗透数据误差Table.3试样IooJoDeffC0原始试样1.49%1.44%18.75%16.87%空冷试样3.28%3.97%11.30%6.38%水淬试样0.57%0.55%10.76%11.57%结论:对于X80钢的不同组织试样，氢扩散通量 J"和氢扩散系数Deff越小，阴极侧氢浓度越大，材料HIC敏感性越大；以无毒的Na4P2O7替代有毒的AS2O3在30mA/cm2电流密度下电解0.5mol/LH2SO4+3.1x10-3mol/LNa4P2O7（毒化剂）溶液进行电化学充氢，可以模拟湿饱和H?S环境对X80钢进行氢渗透实验，从而评价其HIC敏感性。致谢：本研究为国家自然科学基金（50871077）资助项目。参考文献:孙娈芬，输气管道用钢抗氢致裂纹 (HIC)性能的研究[D].天津大学硕士学位论文.2005:3-5.C.F.Dong,X.G.Li,Z.Y.Liu,Hydrogen-inducedcrackingandhealingbehaviourofX70steel,JournalofAlloysandCompounds,2009,484(1-2):966-972.Ming-ChunZhao,Yi-YingShan,YuHaiLi.InvestigationontheH2S-resistantbehaviorsofacicularferriteandultrafineferrite,MaterialsLetters,2002,57(11):141-145.StudyonsimulatinghydrogenpermeationbehaviorinsatureHenvironmentby

electrochemicalchargehydrogenYuanWei,HuangFeng,QuYanmiao,LiuJin(SchoolofMaterialsScienceandMetallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei,

430083E-mail:huangfeng@)Abstract:Thistopic,basedontheLab'preresearchoftheHICsensitivityofX80withdifferentmicrostructures,dohydrogenpermeationexperimentsunderthesaturatedH2Senvironmenttobuildtherelationshipbetweenthematerial 'shydrogenpermeationbehaviorandtheHICsensitivity,andsearchforakindofelectrochemicalhydrogenchargingmethod,whichissafeandnon-polluting,tosimulatethesaturatedH2Senvironment,andtomeasurethehydrogenpermeationcurveinordertoevaluatethematerialHICsensitivity.Theresultsindicated:hydrogenpermeationexperimentscanevaluatematerialsHICsensitivity,andthesmallertheeffectivehydrogendiffusivity Deffandthehydrogenpermeation?uxare,thelargertheHICsensitivityis.Electrochemicalhydrogencharging,electrolyzed0.5mol/LH2SO4+3.1X0'mol/LNa4P2O7(hydrogen