深海等静压与钙镁沉积耦合作用对析氢反应及氢致开裂的影响规律

There are plenty of resources in deep sea. It is very important to explore these resources. High strength steel is widely used in deep sea engineering because of its excellent mechanical properties. However, hydrogen induced cracking (HIC) prefer to occurs in high strength steel. In deep sea environment, the mechanism of HIC in deep sea is still ambiguity because of the coupling effect of hydrostatic pressure and calcareous deposits. Thus, understanding the mechanism of HIC in deep sea has great meaning in the protection of engineering structure..In this project, we plan to build up a mathematic model to describe the pressure effect in double layer capacity. This model can help us to explain the pressure effect in distribution and migration of Mg2+ and Ca2+ in double layer capacity. It can also provide theoretical foundation to analysis the deposition process. With the experiment of hydrogen permeation under hydrostatic pressure, coupling effect of calcareous deposits and hydrostatic pressure on hydrogen evolution reaction and hydrogen permeation can be analyzed. With the experiment of slow strain rate test and constant loading test under hydrostatic pressure, the effect of environment factors on HIC can be analyzed. Based on the experiment data, we plan to use machine learning to establish the mapping relation of HIC and environment factors.

深海蕴藏着丰富的资源，是我国资源开发的重中之重。高强钢因其优异的力学性能，被广泛的运用在深海工程中。然而，高强钢存在氢致开裂问题。在深海环境中，更存在等静压力以及由阴极保护形成的钙镁沉积的耦合作用，使得其氢致开裂的机理越发不明确，也更加难以预防。因此，弄清深海环境下高强钢氢致开裂机理对深海工程结构件的安全防护和寿命评估都具有重要的意义。.本项目首先将建立等静压下金属固液界面的电化学模型，从而解释等静压状态下，固液界面双电层中钙镁离子的分布及迁移状况，为等静压下钙镁沉积过程的分析提供理论依据。通过高压氢渗透实验分析等静压，等静压及钙镁沉积耦合对析氢反应及氢渗透行为的影响。最终，通过高压环境慢拉伸及恒载荷实验研究环境因素对氢致开裂行为的影响规律和机理，并在实验数据基础上，利用机器学习建立环境因素与氢致开裂敏感性之间的映射关系。

海洋环境中，金属结构材料上会施加阴极保护电位，从而防止腐蚀失效的发生。过负的阴极保护电位往往会导致材料发生氢致开裂，而过正的阴极保护电位则无法完全防止材料发生腐蚀。由于阴极保护电位的施加和海水中富含的钙镁离子，金属结构材料表面会形成一层钙镁沉积。钙镁沉积覆盖了金属表面，因此能够阻碍氢原子的进入，进而抑制氢致开裂的发生。因此，在阴极保护电位范围内，选择合适的阴极保护电位，使金属表面能够形成致密且覆盖度高的沉积层，能够有效抑制氢致开裂的发生。本项目，首先建立了金属固液界面双电层表征的数学模型，结合高等静压环境下的交流阻抗和动电位扫描实验，表征了等静压对双电层结构的影响，从而揭示了等静压与平衡电位附近电极反应间的规律。通过施加不同阴极保护电位，在A514海洋钢表面形成钙镁沉积，结合拉曼光谱观，共聚焦离子束切割以及EDS扫描，表征了阴极电位与钙镁沉积成分及结构间的关系。通过对包覆有钙镁沉积的A514海洋钢样品进行慢拉伸实验，表征了不同成分结构的钙镁沉积与氢致开裂行为间的关系。通过研究发现，在-1.1 V情况下，钙镁沉积最为致密，且有较高的覆盖度，沉积物主要分为三层，外层为富含Mg(OH)2的Mg(OH)2和CaCO3混合物，中层为富含Mg(OH)2的CaCO3和CaCO3混合物，内层为CaCO3。这种钙镁沉积物对于氢致开裂的抑制作用最为明显。本项目研究结论对海洋环境下金属结构阴极保护技术的发展具有指导意义。