紧固件用高强钢在海洋大气中的氢渗透行为与环境敏感断裂研究

高强度钢质紧固件作为海上工程设施重要的连接受力部件，其表面阳极型涂层破损时提供的电偶电流会导致氢析出并向钢材基体渗透，易使紧固件在海洋大气中发生环境敏感断裂而威胁到整个设施安全。此过程涉及薄液膜下钢材表面不均匀分布的、高度局域化的电化学反应信息，对这些信息的获取将成为研究高强钢环境敏感断裂行为的关键。因此，本项目拟利用扫描Kelvin探针来实现高强钢海洋大气腐蚀过程的微区电化学表征及局部区域的极化曲线测量，在结合Devanathan-Stachurski双面电解池、慢应变速率拉伸等实验技术确定此类高强钢发生敏感断裂临界条件的同时，建立高强钢表面局部电化学反应信息与其氢渗透行为之间的相关性，阐明涂层、应力与氢对高强钢敏感断裂行为的作用机理。这对于在理论上弄清紧固件用高强钢的环境敏感断裂过程机制，在实践上指导涂层使用、发展长寿命防护措施，确保海上设施安全具有重要意义。

系统研究了紧固件用锌铝合金涂层保护下的钢材基体在海洋大气环境中的氢析出、氢渗透行为和氢脆敏感性，积累了紧固件用锌铝涂层钢材的氢吸收和环境敏感断裂基础试验数据，可为海上风电机组、钻井平台及海洋船舶等设施重要的连接部件进行涂镀层设计、选材和可行性论证提供科学依据。本项目首先围绕锌铝涂层破损后，钢材基体表面能否析氢展开，发明了一种基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统及测试方法，证实了水去极化将参与钢材表面的阴极过程，揭示了析氢的必然性；改进了用于研究海洋大气环境中氢渗透行为的D-S双面电解池，研究了环境温度、湿度、应力水平、涂层缺陷比例以及试样表面杂质盐沉积等因素对基体钢材氢渗透行为的影响，得到了用以推测最大氢渗透电流和氢渗透总量的数学模型，推导了涂层材料在海水中的氢渗透过程相关公式，并阐明了析氢电流与氢渗透电流的关系；利用微区探针技术，研究了应力水平、充氢量对基体钢材阳极溶解行为的影响；建立了描述锌铝涂层钢材氢渗透过程的改进模型，计算了相关的动力学参数，在一定条件范围内确定了钢材发生氢渗透行为的临界条件；采用慢应变速率拉伸试验结合断口分析，对比评价了锌铝涂层钢材在海洋大气中的氢脆敏感性，研究不同环境对其断裂行为的影响，探讨了钢材的断裂机理和氢的作用，这不仅对于确保海上设施的安全运行具有非常重要的科学意义，所得到的研究结果还可以推广到使用锌铝涂层的建筑、生物工程、石油化工等其他领域。此外，将薄液膜下的微区电化学测试延伸到管道多相流腐蚀研究，发明了一种CO2无氧环境下薄液膜制备装置及局部电化学测试系统，并围绕X80钢及其超级铁素体钢材的局部腐蚀开展了初步研究。