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油气储运 2025年

作者：吴瑕柳金豆兰岚宋梓涵贾文龙西南石油大学石油与天然气工程学院重庆涪陵燃气有限责任公司

【目的】氢气解离为氢原子是掺氢天然气输送管道发生渗氢及氢脆损伤的首要条件，当前相关研究主要聚焦于钢材的α-Fe微观结构，尚不明确Fe3C微观结构的加入是否加强或改变氢气在钢材表面的吸附解离行为。【方法】以高钢级钢材为研究对... 详细信息

【目的】氢气解离为氢原子是掺氢天然气输送管道发生渗氢及氢脆损伤的首要条件，当前相关研究主要聚焦于钢材的α-Fe微观结构，尚不明确Fe3C微观结构的加入是否加强或改变氢气在钢材表面的吸附解离行为。【方法】以高钢级钢材为研究对象，基于第一性原理和密度泛函理论建立Fe3C和α-Fe两类典型微观结构的晶胞模型。考察两类晶胞模型在不同密排面、吸附位、吸附角度下的氢吸附行为，以Fe3C和α-Fe相的最优吸附构型为初始态，并基于晶胞模型模拟得到的吸附产物，展开过渡态搜索，描述高钢级钢材表面氢解离过程，对比两类晶胞模型下H2吸附解离所需吸附能及其解离能垒；考虑电子电荷密度、态密度表面性质，分析微观结构表面最优吸附构型下H原子与Fe、C原子间的成键机理。【结果】研究发现，密排面、吸附位和吸附角度直接影响吸附能的大小，Fe3C相的最优吸附构型为H2平行吸附于100面Bgg位，其吸附能为－1.26 eV，α-Fe相的最优吸附构型为H2平行吸附于110面tf位，其吸附能为－1.44 eV；H2分子先从垂直形态转变为平行形态再进行解离，Fe3C相在最优吸附构型的解离能垒为0.83 eV（79.97 kJ/mol），α-Fe相在最优吸附构型的解离能垒为0.46 eV（44.32 kJ/mol）；解离吸附时H原子会导致Fe原子间的键合力减弱，H原子的1s轨道电子与表面C原子的2s和2p轨道电子和表面Fe原子的4s轨道和3d轨道电子产生杂化共轭作用。【结论】H2在高钢级钢材表面的吸附解离能力与钢材微观组织和表面结构有关，Fe3C微观结构会加强氢气在钢材表面的吸附解离行为，且H2分子平行吸附于钢材表面时解离能最小。高钢级钢材中，H2分子首先吸附于α-Fe相，部分吸附于Fe3C相，通过轨道杂化作用解离产生活性H原子进入材料内部，为发生氢损伤提供必要条件。（图21，表3，参22）

关键词：第一性原理高钢级钢晶胞模拟氢吸附解离

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