深海环境对高强钢阴极析氢和渗氢过程的影响

In this work, the effect of low dissolved oxygen content, low temperature, stress and hydrostatic pressure on the cathodic hydrogen reduction and hydrogen permeation would be investigated, which closely relates to the service safety and environmental accommodation of 10CrSiNiCu, Ni-Cr-Mo-V high strength steels in the deep ocean environment, by various electrochemical techniques, hydrogen permeation technique, SEM, XPS and SIMS. The evolution of the cathodic hydrogen reduction and permeation behavior, especially the effects of deep ocean environment factors on the Heyrovsky or Tafel process, would be the important issues to be investigated. It is anticipated that this work provides an essential insight into the mechanisms of the hydrogen reduction and permeation of high strength steels in deep ocean environment, according to which new materials or protection techniques could be developed for the deep ocean engineering.

针对深海环境中高强钢服役性能及其环境适应性存在的问题，本项目利用现代电化学技术、力学测试以及表面形貌观察、产物成分结构分析等方法，以海工用10CrSiNiCu、Ni-Cr-Mo-V低合金高强钢为研究材料，在模拟深海环境中进行高强钢阴极析氢和渗氢行为的研究。通过模拟低溶氧量、低温、载荷和高静水压的深海环境因素，揭示这些因素对高强钢阴极析氢及渗氢的影响机制，重点揭示这些深海环境因素变化对阴极析氢的Heyrovsky过程或Tafel过程产生的影响；从而阐明深海特征环境因素对高强钢阴极析氢和渗氢的作用机理。本项目的研究可以丰富深海材料环境适应性研究体系，使人们更好地理解高强钢的深海腐蚀行为和力学退化行为，为高强钢在深海工程中的安全使用以及发展深海工程适用的保护技术奠定理论基础。

该项目通过电化学测试、力学性能表征、渗氢测试和腐蚀产物形貌结构表征等方法，利用已有的电化学腐蚀、析氢及渗氢理论体系，研究了深海环境下高强钢腐蚀阴极析氢反应及渗氢的演化规律，阐述了深海环境下高静水压力对高强钢阴极析氢、氢吸附和渗氢行为的影响规律。发现在模拟0-600米海深的环境下，随静水压力的增大，阴极析氢过程受到显著抑制，腐蚀速率下降，高强钢的渗透速率减小，这和立项之初的预期结果迥异。这种深海高静水压力影响渗氢行为的机制是由于静水压力的增大束缚了原子氢在高强钢表面的扩散运动，从而抑制了阴极析氢的Tafel化学脱附过程，同时受束缚的氢原子占据了化学活性点，导致腐蚀速率下降。但在35-60atm静水压作用下，渗氢曲线重现性变差，预示着高强钢在超深海环境中可能有着相反的渗氢规律。静水压力与载荷拉应力协同作用下能显著促进高强钢的渗氢行为，钢表面吸附氢原子浓度随着外加拉应力的增加而升高，氢在金属内部的扩散能力也明显提高了，导致钢力学性能的损失显著增大。其原因是由拉应力导致的金属内部空位等缺陷的变化所引起的，而表面氢原子浓度的提高原因并不是由材料表面电化学腐蚀速度的升高所主导，是由拉应力引发的金属表面状态、表面能变化所导致的Hads+在表面吸附能力增强导致的。该研究结果对深海工程开发和高强钢安全使用具有重要的理论价值和实际意义。