深海等静压对氢渗透行为的影响.docx

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1、深海等静压对氢渗透行为的影响随着深海资源的开发,高强钢被越来越多地运用在深海工程结构中。大量的工程实践表明,高强钢在常规的阴极保护条件下会发生氢致开裂。等静压是深海区别于浅海的最本质环境因素之一,等静压如何影响氢进入材料的过程?是否导致阴极保护条件下材料更容易发生氢脆?目前还没有系统的研究。本论文针对上述问题开展研究。研发了高压氢渗透实验装置,并用此装置研究了深海等静压对氢在材料表面的吸附和脱附,以及氢在材料内部扩散的影响,获得如下研究结果:(1)对A514海洋钢在0.1至40MPa的等静压下进行恒电流氢渗透实验,利用表面效应

2、模型,发现等静压减小了氢原子吸附、吸着反应的激活能能垒,促进氢原子的吸附,导致了氢渗透稳态电流密度和表观扩散系数随等静压增大的现象。但氢在A514海洋钢中的本征扩散系数为(3.2±0.04)×10-6cm2/s,不随等静压变化而变化。(2)对纯铁在0.1至30MPa的等静压下进行了恒过电位氢渗透实验和交流阻抗实验,利用IPZ模型,结合第一性原理计算,发现等静压可减小吸附氢原子与金属表面的距离,降低吸附氢原子进入金属次表层的扩散能能垒;等静压可明显增加氢在溶液中的饱和溶解度,析氢反应产生的氢分子聚集在金属表面的溶液中,抑制氢原子

3、的复合反应,增加氢在金属表面的覆盖率;上述两个效应,导致氢原子更容易扩散进入金属内部,升高金属内的氢浓度。(3)建立了能够同时表征析氢反应中的Tafel复合反应,Heyrovsky电化学脱附反应以及Volmer反应动力学参数的交流阻抗模型,通过极化曲线测试、恒电位氢渗透实验以及交流阻抗实验,研究了等静压对碱性溶液中A514海洋钢析氢反应动力学参数以及氢渗透过程的影响,发现等静压抑制了Tafel反应,促进了Volmer反应,导致吸附氢原子数量增加,同时促进了Heyrovsky反应,导致吸附氢原子数量减小。在10至40MPa压力范

4、围内,电位在-1.0至-1.1VSSE范围时,析氢反应由有金属表面氢分压控制,氢吸附模式为Langmuir单层吸附,电位在-1.2至-1.3VSSE范围时,析氢反应由阴极电位控制,氢吸附方式随着等静压增大,由Langmuir单层吸附转为Temkin多层吸附。(4)对A514海洋钢在0.2mol/LNaOH和3.5%NaCl中长时间氢渗透,结合充氢端的交流阻抗分析,发现等静压使阴极过电位更负,促进Volmer反应,抑制Tafel脱附,促使更多氢原子进入金属内部。另一方面,等静压促进Volmer反应和Heyrovsky反应,在试样

5、表面产生更多OH-,同时更多氢原子进入试样也促进了Fe原子从试样表面脱附,从而促使更多的阴极沉积产生,阻止氢原子进入。因此,在有阴极沉积的情况下,等静压对氢的进入是竞争机制。