高压H2S环境中管线钢的氢渗透阻隔机制研究

氢渗入钢铁内部后会局部偏聚引起氢压升高，从而导致氢致开裂（HIC）。通常认为，腐蚀环境中H2S 分压增大，钢铁内部氢渗入增加，HIC敏感性增加。而我们前期研究发现，在高H2S分压条件下，渗入钢中的氢含量反而下降，HIC敏感性降低。这一反常现象对于碳钢在高含硫环境下的应用具有重要意义。申请者认为，导致这现象的根本原因是高压H2S环境钢铁表面迅速生成的腐蚀产物层降低了H2S的催化毒化能力，阻隔了大量氢渗入金属内部。为此，本项目首先开展高压H2S条件下的氢渗透和腐蚀试验，进一步确定管线钢中氢含量、氢损伤与分压依存关系；其次，利用吸附和渗透原理，研究离子在腐蚀产物中的吸附与传输特性以及不同H2S分压条件下形成的腐蚀产物对HS-等离子传输的阻碍规律；然后，利用高分压H2S条件下氢渗透模型量化表面阻隔、腐蚀产物层阻隔以及界面阻隔作用，结合前两项成果，揭示高含H2S环境管线钢中氢渗透的阻隔机制。

氢渗入钢铁内部后会使材料性能退化，产生多种类型的不可逆氢损伤，如氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂等。H2S存在于油气田和深海等环境，其“毒化”作用使氢原子无法结合为氢分子，导致氢原子进入材料内部，造成氢损伤。通常认为，腐蚀环境中H2S分压越大，渗入材料内部的氢越多，氢脆敏感性越大。但实际工况和实验室结果均表明，高压H2S环境下，碳钢的氢脆敏感性低于常压H2S环境中。.因此，本项目首先开展高压H2S条件下的氢渗透和腐蚀试验，进一步确定管线钢中氢含量、氢渗透电流变化规律与H2S分压关系；其次，研究不同H2S分压条件下H2S的毒化作用和腐蚀产物的阻隔规律；结合前两项成果，揭示高含H2S环境管线钢中氢渗透的阻隔机制。.实验结果表明：(1) H2S环境下存在高峰消退型和低峰平稳型两种氢渗透模式。0.1 MPa H2S环境下氢渗透曲线表现为低峰平稳型。1 MPa 以上H2S环境下氢渗透曲线表现为高峰消退型。钢中的氢含量随H2S压力和反应时间增加而增大，随反应的温度升高而降低，但均不呈线性变化。 (2) H2S的毒化作用严重受到压力影响，25℃时1 MPa H2S的毒化作用是0.1 MPa H2S的4倍左右，高压H2S环境下钢表面的氢浓度远超过阴极渗氢方法使用大电流的值。而环境温度的升高对其毒化作用影响不明显。(3)高压H2S环境下氢渗透值的下降源于钢表面生成了六方晶系磁黄铁矿型腐蚀产物，作为高压H2S环境下18小时候后出现的大晶体腐蚀产物，磁黄铁矿与碳钢基体紧密结合，阻隔了溶液和铁基体的接触，一方面缓解了铁的溶解，一方面氢在其表面结合为氢分子逸出，弱化了H2S的毒化性。与高压环境不同，0.1MPa H2S环境下只有四方晶体的马基诺矿型腐蚀产物，马基诺矿由于其片层晶体结构在钢表面沉积后表现为疏松多孔状，与集体结合力弱且导电性极佳，利于溶液的侵入和氢的扩散，因而0.1 MPa H2S环境稳定后的氢渗透值高于高压环境。.结论: 高含H2S环境管线钢中氢渗透的阻隔主要依靠腐蚀产物对H2S “毒化”作用的弱化，使得氢原子结合为氢气逸出，降低进入材料内部氢原子的量。同时，致密的磁黄铁矿型腐蚀产物有助于阻碍铁的溶解，降低腐蚀速率。