Hydrogen diffusion in carbon and low-alloy steels for oil and gas applications

To advance towards a sustainable hydrogen economy, it is essential to comprehend the interaction between hydrogen and steels to ensure safe transportation and storage. Hydrogen diffusion plays a critical role in comprehending the damaging effects of hydrogen on steels, commonly referred to as hydrogen embrittlement (HE). This thesis deals with the hydrogen diffusion properties of carbon and low-alloy (Cr - Mo) steels commonly employed in the oil and gas industry for special fittings in the pipeline construction. Specifically, the study investigates ASTM A350 LF2 and AISI 4140 steels, the latter both in its normalized (N) and quenched and tempered (Q&T) conditions, utilizing the electrochemical permeation technique provided by the Devanathan and Stachurski, in accordance with the standardized ISO 17081 method. The apparent diffusion coefficient (Dapp) is examined in relation to the steel microstructure and various experimental parameters, including temperature, cathodic solution and sample preparation. The lowest Dapp is observed for the AISI 4140 Q&T, measuring in the order of 10^(-11) m^2/s. In contrast, the Dapp values for ASTM A350 LF2 and the AISI N 4140 are comparable and an order of magnitude higher. This result is in accordance with the steel microstructure. Indeed, the AISI 4140 Q&T exhibits a lath martensitic microstructure, which, due to a greater grain boundary area and a higher number of defects acting as trap sites, significantly hinders the transport phenomena compared to the ferrite/pearlite microstructure of the AISI 4140 N and the ASTM A350 LF2. Tests conducted at different temperatures confirm that hydrogen diffusion is a thermally activated process that approximately follows a trend described by an Arrhenius-type equation. Furthermore, the effect of sodium hydroxide (NaOH) on the experimental results is explored and validated, both as pre-treatment and as cathodic solution.

Per avanzare verso un’economia sostenibile in cui l‘idrogeno assume un ruolo di primaria importanza, è fondamentale comprendere l’interazione tra idrogeno e acciaio, al fine di garantire un trasporto e uno stoccaggio più sicuro. Il trasporto dell’idrogeno all’interno dei materiali riveste un ruolo cruciale nella comprensione degli effetti dannosi dell’idrogeno sugli acciai, comunemente noti come infragilimento da idrogeno (HE). Questa tesi indaga la diffusione dell’idrogeno negli acciai al carbonio e bassolegati al Cr-Mo, generalmente utilizzati nell’industria petrolifera e del gas per giunzioni speciali nella costruzione di condotte. In particolare, lo studio si concentra sugli acciai ASTM A350 LF2 e AISI 4140, quest’ultimo sia in condizione normalizzata (N) sia temprata e rinvenuta (Q&T), utilizzando la tecnica di permeazione elettrochimica di Devanathan e Stachurski, in conformità con la norma ISO 17081. Il coefficiente di diffusione apparente (Dapp) è stato analizzato in relazione alla microstruttura dell’acciaio e a vari parametri sperimentali, tra cui la temperatura, la soluzione catodica e la preparazione del campione. Il valore di Dapp più basso è stato rilevato per l’AISI 4140 Q&T, con un ordine di grandezza di 10^(-11) m^2/s. Al contrario, i valori di Dapp per ASTM A350 LF2 e AISI 4140 N risultano comparabili e di un ordine di grandezza superiore rispetto alla condizione Q&T. Questi risultati sono in accordo con la microstruttura degli acciai: l’AISI 4140 Q&T presenta una microstruttura martensitica aciculare che, grazie all’estesa area di bordo grano e all’elevato numero di difetti che agiscono da siti trappola, ostacola significativamente i fenomeni di trasporto rispetto alla microstruttura ferritica-perlitica dell’AISI 4140 N e dell’ASTM A350 LF2. Gli esperimenti condotti a temperature diverse confermano che la diffusione dell’idrogeno sia un processo termicamente attivato, che segue approssimativamente un andamento descritto da un’equazione di tipo Arrhenius. Infine, viene esplorato e validato l’effetto dell’idrossido di sodio (NaOH) sui risultati sperimentali, sia come pretrattamento sia come soluzione catodica.