含H2S环境中抗渗氢剂对27CrMo44S/1钢氢渗透及氢损伤行为影响的研究

摘要

随着我国经济快速发展带来的能源缺口，石化资源得到大量开发，油气资源在开采、运输过程中，油气中存在的H2S使氢进入钢材内部的情况加重，导致钢铁在服役过程中塑性降低而表现出在较低载荷作用下发生突发性的断裂事故，其突发性和不可预知性，给国民经济带来巨大的经济损失。针对油田高强结构件的氢损伤问题，亟待寻找一种高效实用的防护手段来降低钢在含H2S环境中的氢损伤敏感性。本实验室已找到一种抗渗氢剂能够降低高强钢在酸性溶液中的氢损伤敏感性，并且已针对模拟海洋环境下抗渗氢剂抑制高强钢氢损伤的机理进行了浅析。
　　本研究结合27CrMo44S/1钢力学性能、渗氢行为的实验结果，考察了含H2S的酸性溶液中，抗渗氢剂的浓度变化对钻杆高强钢氢渗透过程以及力学性能产生的影响，并综合常规电化学测试结果以及宏观、微观形貌分析的结果，对抗渗氢剂在含有H2S的环境中的抑氢机理进行分析。
　　氢渗透实验的结果表明，酸性溶液中H2S的存在使得稳态渗氢电流密度以及钢内表面可扩散氢原子浓度提高了一个数量级，并且使钢在酸性溶液中的塑性发生显著的恶化。然而，通过优先在溶液中添加抗渗氢剂，能够使抗渗氢剂中金属X盐的水解产物在钢表面优先吸附，使快速生长的腐蚀产物对X盐水解产物的包覆作用减弱，从而有效降低了抗渗氢剂的添加量，使得抗渗氢剂在钢表面对氢渗透过程起到持久有效的抑制作用。
　　添加适量的抗渗氢剂（1500ppm）能够有效降低27CrMo44S/1钢在含H2S的酸性溶液中的渗氢电流密度，并使内表面可扩散氢原子浓度明显减少，提升了钢在酸性溶液中浸泡后的延伸率，在阻碍氢渗透过程进行的同时明显降低了氢致塑性损失。这主要是由于抗渗氢剂的添加使得钢表面腐蚀产物膜的结构缺陷减少，抗渗氢剂中金属X盐的水解产物在表面的有效吸附，提高了阴极反应发生的能垒，降低了钢表面阴极析氢速率，说明金属X盐的水解产物有效的屏蔽覆盖了钢表面阴极析氢活性位点；在一定程度上，抗渗氢剂中金属X盐的水解产物还能够促进原子氢在电极表面的复合-脱附过程，使得原子氢在钢表面吸附减少；金属X的水解产物沉积在钢的阴极活性位点附近，电极反应阻力增大，钢表面电荷转移和氢离子扩散的阻力提高，表面析氢反应速率及氢气的释放量降低，钢表面氢原子浓度降低，进入到钢内部的氢原子浓度降低，从而达到了抑制氢渗透和氢损伤的效果。
　　但由于添加的抗渗氢剂中含有Cl-，添加浓度过高（大于1500ppm）时，酸性溶液中Cl-浓度升高，Cl-在钢表面的吸附抑制了金属X盐的水解产物在阴极析氢活性位点的沉积，使得阴极表面析氢活性增强；另一方面，Cl-的浓度升高增加了钢表面的点蚀敏感性，形成的点蚀坑又可作为氢渗透进钢铁内部的活性通道，导致钢在酸性溶液中内表面的氢原子浓度升高，这就使得抗渗氢剂对氢渗透和氢损伤过程的抑制作用降低，钢在含H2S的酸性溶液中的氢损伤敏感程度反而呈现升高的趋势。

目录

声明

第1章 绪论

1.1硫化氢腐蚀概述

1.2氢损伤

1.3氢渗透以及H2S的毒化作用

1.4氢损伤防护研究现状

1.5 稀土金属的性质及其应用

1.6 本文的研究意义及内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料及试样制备

2.2 氢渗透实验

2.3 断裂力学测试

2.4 静态浸泡充氢实验

2.5 常规电化学实验

2.6 失重实验

2.7 表面形貌观察

2.8 X-Ray 光电子能谱(XPS)分析

2.9 本章小结

第3章 抗渗氢剂以及H2S对氢渗透及氢损伤行为的影响

3.1 引言

3.2 抗渗氢剂、H2S的添加对渗氢行为的影响

3.2 不含H2S环境中抗渗氢剂浓度对渗氢行为的影响

3.3 含H2S环境中抗渗氢剂浓度对渗氢行为的影响

3.4 抗渗氢剂和H2S对力学行为的影响

3.5 U型弯浸泡实验

3.6 本章小结

第4章 抗渗氢剂对析氢反应过程的影响

4.1 引言

4.2 抗渗氢剂对阴极析氢速率的影响

4.3 静态充氢-集氢实验

4.4 析氢动态过程原位检测

4.5 本章小结

第5章 抗渗氢剂抑制氢渗透行为的机理探究

5.1 引言

5.2 抗渗氢剂对析氢电位的影响

5.3 抗渗氢剂对析氢反应活性的影响

5.4 抗渗氢剂对电化学阻抗的影响

5.5 XPS表面腐蚀产物成分分析

5.6 抗渗氢剂在含H2S酸性环境中抑氢机理浅析

5.7 本章小结

结论

参考文献

致谢