Regular Article

Detailed mechanisms of hydrogen charging and hydrogen stress cracking of steel in liquid ammonia storage

I. Reminder of the past and specificity of the corrosive medium

Mécanismes détaillés du chargement en hydrogène

I. Rappel du passé et spécificité du milieu corrosif

36 chemin Mirassou, 64140 Lons, France

^* e-mail: jean-louis.crolet@wanadoo.fr

Received: 21 November 2018
Accepted: 9 July 2019

Abstract

When the unprecedented environmental cracking of steel in liquid ammonia was collectively studied, its undisputable “anodic character” was taken as the signature of a stress corrosion cracking mechanism, which is effectively the case in aqueous corrosion. Conversely, when the metallurgical precautions proved to be the same as in sour service, this strongly suggested a hydrogen stress cracking mechanism. In aqueous corrosion, however, this can only occur by cathodic hydrogen charging at low potential, and for 50 years, this basic contradiction could never be overcome. Actually, it occurs that the liquid ammonia solvent (NH₃) is 50% richer in hydrogen than the water solvent (OH₂), so that hydrogen gas can also be produced by a partial oxidisation into ½ N₂ + H₂. This therefore induces a theoretical possibility of an “anodic” hydrogen charging, or more exactly a protonic cathodic reaction only running at high potential on passive iron in oxygen contaminated ammonia. And once the detrimental potential is achieved through appropriate combinations of oxygen and water traces, the charging process becomes an autonomous oxidation-reduction at the steel surface NH₃ → ½ N₂ + H₂ + (H⁺ + e⁻)_steel. In Part II (Jean-Louis Crolet, Matériaux & Techniques 107, 402, 2019), this new assumption will be successfully confronted to all the factual data from both field and laboratory experience.

Résumé

Lorsque la corrosion fissurante inédite de l’acier dans l’ammoniac liquide fut collectivement étudiée, son indiscutable caractère anodique fut pris pour la signature d’un mécanisme de corrosion sous contrainte, ce qui est effectivement le cas en corrosion aqueuse. À l’inverse, lorsque les précautions métallurgiques se sont avérées les mêmes qu’en « service H₂S », cela suggérait fortement un mécanisme de fissuration sous contrainte par l’hydrogène. Or en corrosion aqueuse, ceci n’est possible qu’en chargement cathodique à bas potentiel, et pendant 50 ans, cette contradiction fondamentale n’a jamais pu être surmontée. Toutefois, le solvant ammoniac liquide (NH₃) se trouve être 50 % plus riche en hydrogène que le solvant eau (OH₂), de sorte que du gaz hydrogène peut aussi être produit par une oxydation partielle en ½ N₂ + H₂. Ceci entraîne alors une possibilité théorique de chargement en hydrogène anodique, ou plus exactement une réaction cathodique protonique ne pouvant se produire qu’à haut potentiel sur du fer passivé dans de l’ammoniac contaminé en oxygène. Et une fois que le potentiel défavorable est établi par des combinaisons appropriées entre traces d’oxygène et d’eau, le processus de chargement devient une oxydo-réduction autonome à la surface de l’acier NH₃ → ½ N₂ + H₂ + (H⁺ + e⁻)_acier. Dans la partie II (Jean-Louis Crolet, Matériaux & Techniques 107, 402, 2019), cette nouvelle hypothèse sera confrontée avec succès à toutes les données factuelles en provenance à la fois de l’expérience en service et en laboratoire.