Hydrogen embrittlement of pipelines carbon steel: the role of polymeric and metallic coatings

The purpose of this thesis was the study of polymeric and metallic protective coatings for their application on carbon steel pipelines. Along with the materials, also the electrochemical methods reliability was one of the features of interest. In case of the polymeric coating, a 2-K novolac epoxy coating formulated by SealForLife industries has been analysed utilising a Devanathan-Stachurski (DS) electrochemical cell to check the passage of atomic hydrogen through the polymer. The tests resulted in no passage of hydrogen as well as the detachment of the coating from the carbon steel substrate due to recombina tion of the hydrogen atoms. The coating can be promising once studied the related time in-service needed for the detachment to occur: if the debonding time obtained with the DS cell corresponds to years (10-20) of life in-service of the polymer, then it would be just a matter of re-applying the coating few times in order to reach the lifetime of the pipeline. For metallic coatings instead, only pure metals has been studied since the main attention has been focused on the electrochemical method, cyclic voltammetry (CV). The aim was to check if CV, as a easy, fast and cheap method, can be used to study metals formulations to understand their behaviour has hydrogen barriers. Pure metals like nickel, platinum and palladium has been studied, as well as API 5L X70 carbon steel and S235 carbon steel as substrate materials. Essentially with cyclic voltammetry the hydrogen solubility of the tested materials can be obtained along with the time of charging needed to reach it. The main materials of interest, Ni and X70 carbon steel, have been analysed also with Thermal Desorption Spectroscopy (TDS) to control e ectively the solubility of these materials and compare the results with the CV ones. From the CV tests, it came out that this electrochemical method permitted to obtain the solubility of the studied materials in less than 1.5h, except for the case of nickel, which needs further analysis. It would be interesting to continue this initial study on CV, being the results on pure metals promising, with more complex metallic coating formulations and check the sen sibility of this electrochemical method to small variations in the percentage of elements in the coating and changes in the microstructure of the component. Successful results in this direction would permit to utilise the simple CV to study completely metallic coatings for hydrogen barrier applications.

Lo scopo di questa tesi è stato lo studio di rivestimenti polimerici e metallici per la loro applicazione su tubazioni in acciaio al carbonio. Insieme ai materiali, anche l'a dabilità dei metodi elettrochimici è stata una delle caratteristiche di interesse. Nel caso del rivesti mento polimerico, è stato analizzato un rivestimento epossidico novolacca 2-K formulato da SealForLife Industries utilizzando una cella elettrochimica Devanathan-Stachurski (DS) per controllare il passaggio dell'idrogeno atomico attraverso il polimero. Le prove hanno evidenziato l'assenza di passaggio di idrogeno nonché il distacco del rivestimento dal sub strato di acciaio al carbonio per ricombinazione degli atomi di idrogeno. Il rivestimento può essere promettente una volta studiato il relativo tempo in servizio necessario a nché avvenga il distacco: se il tempo di debonding ottenuto con la cella di DS corrisponde ad anni (10-20) di vita in servizio del polimero, allora sarebbe solo questione di riapplicare il rivestimento periodicamente per raggiungere la durata di vita della tubazione. Per i rives timenti metallici invece, sono stati studiati solo metalli puri poiché l'attenzione principale è stata focalizzata sul metodo elettrochimico, la voltammetria ciclica (CV). L'obiettivo era veri care se la CV, come metodo semplice, veloce ed economico, può essere utilizzata per studiare formulazioni di metalli per comprenderne il loro comportamento come bar riere al passaggio dell'idrogeno. Sono stati studiati metalli puri come nichel, platino e palladio, nonché acciaio al carbonio API 5L X70 e acciaio al carbonio S235 come materi ali di substrato. Essenzialmente con la voltammetria ciclica si può ottenere la solubilità dell'idrogeno dei materiali testati insieme al tempo di carica necessario per raggiungerla. I principali materiali di interesse, Ni e acciaio al carbonio X70, sono stati analizzati anche con spettroscopia di desorbimento termico (TDS) per controllare e cacemente la solu bilità di questi materiali e confrontare i risultati con quelli della CV. Dalle prove CV è emerso che questo metodo elettrochimico ha permesso di ottenere la solubilità dei mate riali studiati in meno di 1,5 ore, ad eccezione del caso del nichel, che necessita di ulteriori analisi. Sarebbe interessante continuare questo studio iniziale sulla CV, essendo i risul tati sui metalli puri promettenti, con formulazioni di rivestimenti metallici più complesse e veri care la sensibilità di questo metodo elettrochimico a piccole variazioni nella per centuale di elementi nel rivestimento e cambiamenti nella microstruttura del componente. Risultati positivi in questa direzione permetterebbero di utilizzare la semplice CV per studiare interamente rivestimenti metallici per applicazioni come barriera di idrogeno.