Hydrogen diffusion in steels for oil and gas: influence of temperature and microstructure

Hydrogen transport is expected to play a key role in the energy transition. In this context, understanding hydrogen–steel interactions is essential to assess the risks associated with hydrogen embrittlement. The present thesis work analyses the diffusion coefficient (D) in some steels used in the Oil & Gas sector: API 5L X60 TMCP and X60 Vintage, API 5CT T95 and P110, characterized by different microstructures and strength grades. The diffusion coefficient is determined using the Devanathan–Stachurski electrochemical permeation technique, in accordance with ISO 17081. Tests are carried out at 20 °C and 40 °C to investigate the effect of temperature on diffusion mechanisms. Experimental data are processed through a model based on Fick’s laws to allow a quantitative comparison among the steels. Results show that D generally increases with temperature, in agreement with the Arrhenius law, confirming the thermally activated nature of hydrogen diffusion. However, X60 Vintage exhibits an almost constant diffusion coefficient between 20 °C and 40 °C, indicating greater stability with respect to temperature variations. Among the investigated steels, P110 shows the lowest D values at both temperatures. This behaviour is attributed to its fine-grained tempered martensitic microstructure, characterized by a high density of defects and extensive grain boundaries acting as hydrogen trapping sites, which reduce hydrogen mobility. In contrast, X60 1969 steel, with a ferritic–pearlitic microstructure, presents the highest diffusivity, consistent with a lower density of microstructural traps. Intermediate D values are observed for T95 and X60 TMCP, associated with high density of grain boundaries and interfaces that act as reversible trapping sites, limiting hydrogen mobility The agreement between the measured values at 20 °C and literature data confirms the reliability of the experimental procedure. Overall, the study presents a systematic approach to evaluating hydrogen diffusion in pipeline steels, emphasizing the influence of temperature and microstructure on hydrogen transport behaviour.

Il trasporto dell’idrogeno è destinato a svolgere un ruolo chiave nella transizione energetica. In questo contesto, comprendere le interazioni idrogeno–acciaio è essenziale per valutare i rischi associati all’infragilimento da idrogeno. La tesi analizza il coefficiente di diffusione (D) in acciai del settore Oil & Gas: API 5L X60 TMCP e X60 Vintage, e API 5CT T95 e P110, caratterizzati da diverse microstrutture e classi di resistenza. D è determinato mediante la tecnica di permeazione elettrochimica di Devanathan–Stachurski, in conformità alla ISO 17081. Le prove sono condotte a 20°C e 40°C per investigare l’effetto della temperatura sulla diffusione. I dati sperimentali sono elaborati tramite un modello basato sulle leggi di Fick per consentire un confronto quantitativo tra gli acciai. I risultati mostrano che D aumenta con la temperatura, in accordo con la legge di Arrhenius, confermando la natura termicamente attivata della diffusione dell’idrogeno. Tuttavia, l’X60 Vintage presenta un coefficiente di diffusione quasi costante tra 20°C e 40°C, indicando maggiore stabilità rispetto alle variazioni di temperatura. Tra gli acciai investigati, il P110 mostra i valori di D più bassi a entrambe le temperature. Tale comportamento è attribuito alla microstruttura martensitica temprata a grano fine, caratterizzata da un’elevata densità di difetti e bordi di grano che agiscono come siti di intrappolamento dell’idrogeno, riducendone la mobilità. L’acciaio X60 Vintage, con microstruttura ferritico–perlitica, presenta la diffusività più elevata, coerentemente con una minore densità di trappole microstrutturali. Valori intermedi di D sono osservati per T95 e X60 TMCP, associati a un’elevata densità di bordi di grano e interfacce che agiscono come siti di intrappolamento reversibile, limitando la mobilità dell’idrogeno. La concordanza tra i valori misurati a 20°C e i dati di letteratura conferma l’affidabilità della procedura sperimentale. Nel complesso, questa tesi studia la diffusione dell’idrogeno negli acciai per condotte, sottolineando il ruolo della temperatura e della microstruttura nel determinare il comportamento del trasporto dell’idrogeno.