Hydrogen diffusion in carbon and low-alloy steels: measurement by electrochemical permeation

The energy sector is currently moving toward a green revolution. The use of hydrogen as energy vector has a possible role is the decarbonization. The understanding of its diffusion into steels at the present time used for methane transport could decrease the potential costs to reduce carbon emissions. This thesis examined the implementation of a electrochemical permeation technique, developed by Devanathan and Stachurski and normed by ISO 17081, to study hydrogen permeation and to acquire the diffusion coefficient of four steels implemented in oil & gas industry: API 5L X70, AISI 4140, ASTM A694 F65 and ASTM A350 LF2. The equipment adhibited to hydrogen permeation was fully assembled according to ISO 17081 standard, and the mode of operation of every single component was studied. The measurement of the hydrogen diffusion coefficient is influenced by microstructural inhomogeneities, that are the so-called trap sites. The hydrogen diffusion coefficients were calculated, analysing the permeation transient curves and modelling them by the solution of the Fick’s law of mass diffusion, in particular by means of time-lag, time-to-breakthrough, Fourier and Laplace methods. The tested materials were analysed using a double compartment cell, with the metal in the middle. The charging solution was 0.01M H2SO4 and the oxidating solution 0.1M NaOH. First permeation transients were carried out for each material, varying the sample thickness. The pipeline steel API 5L X70 has the lowest hydrogen diffusion coefficient of 7.6*10^(-11) m^2⁄s among the tested materials. Low alloy steel AISI 4140 as received shows a diffusion coefficient of value 19.3*10^(-11) m^2⁄s. The hydrogen diffusion coefficient of steel ASTM A350 LF2 is 21.8*10^(-11) m^2⁄s, while the ASTM A694 F65 steel has the greatest hydrogen permeation with a value of 25.6*10^(-11) m^2⁄s. The obtained results are consistent with literature.

Il settore energetico si sta attualmente muovendo verso una rivoluzione verde. L’uso dell’idrogeno come vettore energetico ha un ruolo possibile nella decarbonizzazione. La comprensione della sua diffusione negli acciai attualmente utilizzati per il trasporto del metano potrebbe ridurre i costi potenziali per ridurre le emissioni di carbonio. Questa tesi ha esaminato l'implementazione di una tecnica di permeazione elettrochimica, sviluppata da Devanathan e Stachurski e normata dalla norma ISO 17081, per studiare la permeazione dell'idrogeno e misurare il coefficiente di diffusione di quattro acciai utilizzati nell'industria del petrolio e del gas: API 5L X70, AISI 4140, ASTM A694 F65 e ASTM A350 LF2. L'apparecchiatura adibita alla permeazione dell'idrogeno è stata assemblata secondo la norma ISO 17081 ed è stata studiata la modalità di funzionamento di ogni singolo componente. La misura del coefficiente di diffusione dell'idrogeno è influenzata da disomogeneità microstrutturali, i quali sono i cosiddetti siti trappola. I coefficienti di diffusione dell'idrogeno sono stati calcolati, dalle curve transitorie di permeazione, mediante modellazione in accordo alle leggi di Fick della diffusione di massa, in particolare con i metodi time-lag, time-to-breakthrough, Fourier e Laplace. I materiali testati sono stati analizzati utilizzando una cella a doppio compartimento, con il metallo al centro che separa i due comparti. La soluzione usata per la carica di idrogeno era 0.01 M H2SO4 e la soluzione ossidante (per la misura dell’idrogeno permeato) era 0,1 M NaOH. Per ciascun materiale sono stati effettuati i primi transitori di permeazione, variando lo spessore del campione. L'acciaio per pipeline API 5L X70 ha il coefficiente di diffusione dell'idrogeno più basso tra i materiali testati con un valore di 7.6*10^(-11) m^2⁄s. L'acciaio basso legato AISI 4140 così come ricevuto presenta un coefficiente di diffusione del valore di 19.3*10^(-11) m^2⁄s. Il coefficiente di diffusione dell'idrogeno dell'acciaio ASTM A350 LF2 è 21.8*10^(-11) m^2⁄s, mentre l'acciaio ASTM A694 F65 ha il maggior valore di permeazione dell'idrogeno con un valore di 25.6*10^(-11) m^2⁄s. I risultati ottenuti sono stati analizzati ed è stata verificata la coerenza con i dati di letteratura misurati su materiali simili.