#電化學(xué)充氫方法模擬H2S滲氫行為的探索研究袁瑋，黃峰*，曲炎淼，劉靜（武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北，武漢， 430083,E-mail:huangfeng@）摘要：本論文建立在課題組對X80鋼進行不同方式的熱處理得到可模擬焊接熱影響區(qū)的不同組織試樣的前期研究基礎(chǔ)上，對其進行氫致裂紋 （HIC）敏感性測試。通過對不同組織 X80鋼進行飽和H2S滲氫實驗來研究材料滲氫行為與其微觀組織及 HIC敏感性的關(guān)系，并探索一種電化學(xué)充氫方法來模擬濕飽和H2S環(huán)境，測量材料的氫滲透曲線，進而評價材料的 HIC敏感性。結(jié)果表明：不同組織X80鋼抗HIC敏感性的能力依次表現(xiàn)為針狀鐵素體 >多邊形鐵素體>板條貝氏體，且三種組織的HIC敏感性結(jié)果都在可接受的范圍內(nèi)； 可用氫滲透行為來評價材料的 HIC敏感性，氫擴散通量J*和氫擴散系數(shù)Deff越小，陰極側(cè)氫濃度C0越大，試樣的HIC敏感性越大；在30mA/cm2電流密度下電解0.5mol/LH2SO4+3.1x10-3mol/LNa4P2O7（毒化劑）溶液進行電化學(xué)充氫，可以模擬濕飽和 H2S環(huán)境來進行氫滲透實驗。關(guān)鍵詞：X80管線鋼；濕飽和H?S環(huán)境；電化學(xué)充氫；氫滲透曲線簡介：X80級管線鋼被廣泛用作輸送石油或天然氣的管道用鋼。管線鋼內(nèi)部 H2S腐蝕是輸氣管線腐蝕的主要形式之一，而氫致裂紋（HIC）是H2S腐蝕中的主要方式⑴。本文通過HIC敏感性測試和H2S環(huán)境中滲氫實驗的對比來研究不同組織 X80鋼氫滲透行為與HIC敏感性的內(nèi)在聯(lián)系，為X80管線鋼的應(yīng)用提供防腐蝕理論依據(jù)。另外，探索一種電化學(xué)充氫方法來模擬濕飽和 H2S環(huán)境，減少實驗過程的危險性和對環(huán)境的污染。實驗：采用NACETM0284-2003標(biāo)準(zhǔn)對不同組織X80鋼進行HIC測試。采用改進的Davanathan-Stachursky滲氫裝臵進行飽和 H2S環(huán)境的滲氫行為研究。實驗時，將試樣固定于兩電解池容器之間，試樣暴露在兩容器之間的面積為 1cm2,陽極側(cè)溶液為除氧的0.1mol/LNaOH;控制陽極電位為250mVscE，當(dāng)背底電流穩(wěn)定后，向陰極側(cè)加入 NACE標(biāo)準(zhǔn)A溶液，即5%NaCI+0.5%冰醋酸水溶液，除氧后通入飽和的H2S氣體至實驗結(jié)束；用CHI660A電化學(xué)工作站記錄陽極側(cè)氫的氧化電流，獲得滲氫曲線，并通過公式計算氫滲透數(shù)據(jù) [2]。電化學(xué)充氫方法模擬H2S環(huán)境的研究與驗證：與飽和 H2S環(huán)境的滲氫裝臵不同的是陰極側(cè)要施加10,15,20,25,30,35mA不等的陰極電流，陰極側(cè)溶液為0.5mol/LH2SO4+3.1x10-3mol/LNa4P2O7實驗過程無需通入H2S氣體，其他實驗步驟均與上同。為了保證實驗的準(zhǔn)確性，對所有滲氫曲線都進行3-5次重復(fù)。結(jié)果與討論：表1給出了三種不同組織X80鋼的HIC敏感性數(shù)據(jù)，圖1和表2分別給出三種不同組織試樣的飽和 H2S進行3-5次重復(fù)。結(jié)果與討論：表1給出了三種不同組織X80鋼的HIC敏感性數(shù)據(jù)，圖1和表2分別給出三種不同組織試樣的飽和 H2S滲氫曲線與氫滲透數(shù)據(jù)。表1 X80三種不同組織HIC敏感性測試結(jié)果Table.1ResultsofHICsensitivitytestsofX80steelwiththreedifferentmicrostructures-2.0x10-1.5x10-1.0x10..aircooling_waterquenching亠original-5.0x100.015000 20000 25000 30000試樣裂紋敏感率裂紋長度率裂紋厚度率(CSR)(CLR)(CTR)原始000空冷3.280.490.05水淬6.960.980.096t/s圖1 三種不同組織X80鋼的氫滲透曲線Fig.1HydrogenpermeationcurvesofX80steelswiththreedifferentmicrostructures.表2 X80三種不同組織的氫滲透數(shù)據(jù)Table.2hydrogenpermeationparametersofX80steelwiththreedifferentmicrostructures試樣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對比表1和表2可以明顯看出：氫的擴散系數(shù) Deff和氫擴散通量J*與鋼材的HIC敏感性具有對應(yīng)關(guān)系，即Deff和J*越小，C0越大，鋼材HIC敏感性越高。圖2分別為X80鋼原始組織不同電流密度下的電化學(xué)滲氫曲線與飽和 H2S環(huán)境滲氫曲線及空冷和水淬組織試樣在30mA/cm2電流密度下的電化學(xué)滲氫曲線與飽和 H?S環(huán)境滲氫曲線。通過對比X80鋼原始組織在不同電流密度下的滲氫數(shù)據(jù)可知： 30mA/cm2電流密度下的滲氫行為濕飽和 H2S滲氫行為最相似，誤差均在可接受范圍。另外，分別對 X80空冷和水淬組織進行 30mA/cm2電流密度下的電化學(xué)充氫滲氫實驗，并計算相對其對應(yīng)的飽和 H2S環(huán)境氫滲透數(shù)據(jù)誤差，發(fā)現(xiàn)誤差均在可接受范圍之內(nèi)，如表3所示。因此，可初步推斷 30mA/cm2電流密度下進行電化學(xué)充氫可模擬濕飽和 H2S環(huán)境來進行氫滲透實驗，從而研究材料的 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圖2 X80原始組織（a）、空冷組織（b）和水淬組織（c）滲氫曲線Fig.2Hydrogenpermeationcurvesoforiginal(L),aircooling(M)andwaterquenching(R)X80steel表330mA/cm2電流密度下氫滲透與濕飽和 H2S環(huán)境氫滲透數(shù)據(jù)誤差Table.3試樣IooJoDeffC0原始試樣1.49%1.44%18.75%16.87%空冷試樣3.28%3.97%11.30%6.38%水淬試樣0.57%0.55%10.76%11.57%結(jié)論:對于X80鋼的不同組織試樣，氫擴散通量 J"和氫擴散系數(shù)Deff越小，陰極側(cè)氫濃度越大，材料HIC敏感性越大；以無毒的Na4P2O7替代有毒的AS2O3在30mA/cm2電流密度下電解0.5mol/LH2SO4+3.1x10-3mol/LNa4P2O7（毒化劑）溶液進行電化學(xué)充氫，可以模擬濕飽和H?S環(huán)境對X80鋼進行氫滲透實驗，從而評價其HIC敏感性。致謝：本研究為國家自然科學(xué)基金（50871077）資助項目。參考文獻:孫孌芬，輸氣管道用鋼抗氫致裂紋 (HIC)性能的研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.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