获奖项目名称：

硫化氢腐蚀产物膜对氢渗透阻隔机制及影响因素

第一完成单位：

武汉科技大学

项目联系人：

黄峰

联系人电话：

13995670593

联系人邮箱：

huangfeng@wust.edu.cn

项目简介：

  随着高硫油气井的开发，含硫化氢（H2S）的油气会引发管线钢的H2S腐蚀，导致氢致开裂（HIC）和应力腐蚀开裂（SSCC）。研究表明，HIC与SSCC的发生与氢在钢中的渗透、扩散及聚集密切相关，而H2S腐蚀产物膜物化性质会显著影响腐蚀进程与氢渗透行为。目前受H2S毒性及成膜周期长的限制，相关实验研究难度大，该关键科学问题尚缺乏系统报道，制约了防护措施制定与阻氢涂层研发。
本项目以澄清H₂S腐蚀产物膜对氢渗透阻隔机制及影响因素为目标，围绕H₂S腐蚀产物膜物相成分、形态、离子选择性等物理化学性质，开展了H2S浓度、pH值和拉应力作用下管线钢氢渗透动力学行为基础研究工作，历经10余年取得主要科学发现如下：
  （1）率先澄清电化学循环伏安法快速原位生成H2S腐蚀产物膜离子选择性与H2S浓度与pH值无关。率先采用电化学循环伏安法，在管线钢表面快速原位生成H2S腐蚀产物膜，该膜主要由单独FeS或马基诺矿或其混合物组成，其成分和晶体结构受H2S浓度与pH值控制，但n型半导体特性和阴离子选择性与H2S浓度与pH值无关。这一发现为揭示H2S腐蚀产物膜阻隔氢渗透的界面微观机制提供了关键理论依据。
  （2）构建了H2S腐蚀产物膜氢渗透阻隔机制的界面微观物理模型。定义氢渗透阻隔因子（HPRF）定量表征H2S腐蚀产物膜单一因素氢渗透阻隔效应，正值阻碍氢渗透，负值促进氢渗透。发现H2S腐蚀产物膜对氢渗透有阻隔效应，且由晶态和麦基诺矿FeS混合组成的膜阻氢效应最大。构建了H2S腐蚀产物膜氢渗透阻隔机制的界面微观物理模型，率先从膜/溶液界面空间电荷分布和膜厚协同作用角度，揭示了膜对氢渗透阻隔效应机制。
  （3）首次揭示了膜与拉应力耦合作用对氢渗透阻隔存在交互效应，而非简单加和。发现拉应力虽不改变H2S腐蚀产物膜成分、结构与离子选择性，但会破坏其完整性。建立了双变量氢渗透阻隔因子（HPRFstress-film）模型，首次揭示了膜与拉应力耦合作用对氢渗透阻隔存在交互效应，而非二者简单加和，即拉应力对氢渗透影响主要反映在拉应力对硫化物膜完整性影响上。
  项目在International Journal of hydrogen energy等国际著名期刊上发表SCI论文18篇（共被SCI他引968篇代表性论文被Journal of Science and Technology (14.3)、Corrosion Science (IF= 8.5)、International Journal of hydrogen energy (IF=8.3)等SCI他引165次，单篇最高SCI他引103次。中国工程院韩恩厚院士、国际期刊《Engineering Failure Analysis》专题编辑比利时根特大学Tom Depover教授引用本工作，并给予了充分肯定和高度评价。该项研究成果为抗氢涂层设计与研发及H2S环境防护措施制定提供了科学依据和理论基础。