徐涛龙1 熊峰1 荣恒1 唐鋆磊1 冯伟2 毛建3

1.西南石油大学；2.国家管网集团西气东输公司；3.国家管网集团西北公司

摘要：目前对于高压临氢环境中高钢级管道环焊缝区氢脆过程复杂性的认识并不充分，尤其是多场耦合诱导的氢原子分布、晶间氢致解离机制、氢致开裂断裂能多尺度表征等瓶颈问题亟待解决。针对以上问题，本文阐述了临氢管道氢脆损伤机制试验与计算的多尺度分析方法，总结了金相观测、显微硬度测试、电化学充氢试验及充氢慢应变速率拉伸试验的基本思路，探讨了管线钢氢脆失效行为的多场耦合分析策略，提出了不同尺度下管线钢氢致开裂的数值计算方法，研究结果可为安全可靠掺氢比的选择提供理论与试验依据。

关键词：掺氢管道；环焊缝区；氢脆；试验研究；多尺度分析

掺氢输送不仅降低了氢能的输送成本，而且在短期内迅速扩大了氢能的使用规模，管道运输将成为未来解决大规模、长距离绿氢运输的优选方案。然而，氢气在金属材料中具有独特的扩散和渗透特性，这将导致管道材料在长期使用中出现氢致开裂等安全问题[1,2]。对于X80等更具氢脆敏感性的高等级管线钢，亟待开展天然气掺氢工况下环焊缝区域氢脆行为的试验与模拟研究，讨论氢分压对环焊缝局部区域力学性能参数的影响。以掺氢比为出发点，建立高压临氢管道焊缝区域材料微观缺陷发展与宏观性能劣化间的联系，相关研究可为掺氢天然气钢制管道的安全运行提供理论依据。

1  管线钢氢脆行为的试验研究策略

理化性能试验是深入研究掺氢管道氢脆失效行为的有效手段之一，试验结果可以直观地表征管材力学性能的劣化趋势。常用的试验手段包括金相观测与硬度测试试验、电化学充氢试验、充氢慢应变速率拉伸试验等。

1.1  金相观测与显微硬度测试试验

环焊缝区域从焊材到母材依次划分为焊缝区（WM）、热影响区（HAZ）和母材区（BM）。由于焊接形成的环焊缝热影响区范围较小，宏观上难以准确划分，因此，通过金相观测结合维氏显微硬度测试方法可对环焊缝各区域进行表征。以西气东输某段在役管道为研究对象，沿管道轴向制取尺寸为30 mm×10 mm×10 mm的试验试样，选取试样上表面作为观测表面并对其进行打磨、抛光、浸蚀，使其满足测试要求。以X80管线钢为例，试验结果表明其环焊缝各区域均由大量贝氏体（B）与少量珠光体（P）组成，但各区域晶粒尺寸大小不一致，焊缝区晶粒尺寸较大，而母材区较小。测得热影响区范围为9 mm。

1.2  电化学充氢试验

该试验旨在深入分析管线钢环焊缝区域的氢扩散特性，涉及母材、焊缝中心和热影响区三个关键区域。在对各组织试样进行切割和研磨抛光后，通过氢渗透试验研究环焊缝不同区域氢的扩散系数与表面吸附氢的浓度。在各区域沿管道壁厚方向制取直径为25 mm，沿管道轴向厚度为2 mm的薄圆片试样，用砂纸对圆片双面进行逐级打磨，直至2000#。为了防止试样阳极一侧发生氧化反应产生非氢原子氧化产生的电流，将试样的一侧进行镀镍处理。试验结果表明，母材晶界的体积分数较大，可提供较宽的氢扩散通道，因此母材的有效扩散率最高；相比之下，热影响区的氢扩散系数小于母材，表明在热影响区存在较多氢陷阱，捕获了部分氢原子，阻碍了氢的扩散；焊缝处的氢扩散系数最小，这是由于焊缝中的氢陷阱最多造成的（图 1）。

图 1 电化学充氢试验

1.3  充氢慢应变速率拉伸试验

通过对比计算含氢与不含氢环境下金属材料的力学性能指标（延伸率、断面收缩率）相对变化率作为氢脆指数判断材料的氢脆敏感性[3]。试验仪器为带有高压反应釜的慢应变速率拉伸试验机，取样区域包括母材、热影响区及焊缝。光滑圆棒试样总长度为76.2 mm，中间标距段长度为28.6 mm，直径为6 mm，表面粗糙度为Ra 0.8，两端螺纹牙距为1.75 mm。将试样放入总压为6 MPa，氢分压分别为0 MPa、0.6 MPa、1.2 MPa的高压反应釜中充氢24 h后，以10-5/s的应变率进行拉伸，并利用扫描电子显微镜（SEM）对拉伸断口进行观测。试验结果表明，在弹性阶段，X80等高等级管线钢并未受到临氢环境的影响，各个试样的抗拉强度以及屈服应力也没有明显的变化。氢对高等级管材的主要影响在于总应变量的降低。含氢环境试样的断口截面上等轴韧窝与准解理面同时存在，这表明拉伸过程中韧性断裂与脆性断裂同时发生，试样受氢环境影响较小，仍保持有较好的韧性。

2  管线钢氢脆失效行为的多场耦合分析策略

通过建立环向多道焊接管道的三维有限元模型，将环焊缝不同区域的力学性能参数与电化学渗透试验方法测得的氢扩散性能参数通过设置材料属性的方式导入模型，准确模拟环焊缝不同区域的材料性能。随后，焊接热源采用双椭球模型计算环焊缝区域焊接温度场，该方式在提高焊接仿真精度的同时，还为后续残余应力场及氢浓度扩散场的模拟提供了可靠的数据。为了模拟焊接的真实情况，采取生死单元方法对焊接区域进行删除和再激活。采用间接式的顺序耦合技术实现温度场与应力场耦合。提取焊接残余应力场的静水应力结果，结合氢扩散控制方程及本构方程，实现残余应力诱导下环焊缝区域氢原子渗透过程的模拟。模拟结果表明，不均匀应力场、组织不均匀性及氢浓度梯度间复杂的相互作用机制，影响着环焊缝各区域内的氢扩散行为。

3  管线钢氢致开裂的多尺度方法研究

分析断裂现象，由于缺乏解析解，数值计算成为一种必不可少的手段。管线钢氢致开裂是一个宏细微观结合的多尺度变化过程，因此，运用多尺度方法开展相关研究十分必要。

3.1  原子尺度

多数研究采用第一性原理计算方法从最小尺度上研究氢在材料表面的吸附扩散过程，阐明氢原子与金属原子的相互作用机制。采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法模拟氢原子在α-Fe晶格中的扩散过程[4]。研究表明，氢原子占据晶格中的四面体位点1和3时，氢原子更容易固定，系统结构更稳定。此外，氢原子能从铁原子获得电子，改变铁原子原本的自由电子排列，降低铁原子间的相互作用力。

3.2  微观尺度

在微观尺度下，主要通过分子动力学模拟α-Fe由氢导致的韧性退化直至脆性断裂的过程，分子动力学模拟主要从原子层面研究材料在载荷作用下的力学行为，利用经典运动方程对一个系统中的N个原子或分子进行逐步的数值求解。对于一个简单的原子系统，每个原子的动力学过程由牛顿第二定律所控制。高钢级管线钢主要含铁素体或由铁素体与渗碳体组成的其他微观组织。铁素体具有体心立方点阵，而渗碳体具有正交晶格。铁素体的强度和硬度相对较低，但其在塑性和韧性方面表现出色。在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织中，铁素体占据主导地位。利用Atomsk建模软件建立了尺寸为425 Å×425 Å×28.664 Å的铁素体/渗碳体片层晶界结构，其中上层为铁素体，下层为渗碳体（图 2）。通过在模型中随机掺入不同数量的氢原子模拟氢环境中晶界开裂行为，此外还考虑了渗碳体四种不同终端（C-Fe、Fe-Fe、Fe-C、C-C）的影响。研究结果表明，随着氢原子浓度的增加，界面初始损伤对应的最大牵引力减小，临界断裂能也随之降低，氢使得材料更易发生断裂。

图 2 微观尺度模拟研究

3.3  细观尺度

在细观层次，泰森多边形在建立多晶模型方面扮演了关键角色，每个泰森多边形代表一个晶粒，其边界相当于晶粒之间的界面。通过这种方式，利用泰森多边形建模可以简便地模拟和研究晶粒的大小、形状和分布，这些都是影响材料性能的关键因素。例如，在金属材料中，晶粒大小和分布直接影响材料的强度、塑性和疲劳寿命。除晶粒特征外，晶界同样影响着金属材料的氢致开裂行为。近几年，由DUGDALE提出的内聚区模型被诸多学者用于模拟多晶模型的沿晶开裂行为，晶界损伤参数可由微观分子动力学获取（图 3）。通过引入晶体塑性唯象本构用于表征多晶体在拉伸载荷作用下的塑性变形演化，使得结果更加真实可靠。模拟结果表明相同位移载荷下，氢使管材的启裂时间提前，最终裂纹长度增加。引入晶体塑性唯象本构后，模型应力呈不均匀分布，裂纹扩展路径应力相对较大，且随着氢浓度的增加，材料由韧性断裂转变为脆性断裂。

图 3 细观尺度模拟研究

3.4  宏观尺度

作为一种典型的弥散方法，相场法用一个标量场，即相场，描述尖锐裂纹拓扑。相较于XFEM、CZM，相场法避免了对不连续边界的数值追踪，并且不需要预估裂纹路径。利用相场法建立焊缝根部烧穿缺陷与错边缺陷模型进行模拟（图 4），结果表明由于裂纹尖端处的静水应力较高，随着裂纹的扩展，氢聚集于裂纹尖端处并且裂纹尖端的氢浓度出现了下降。此外，通过对比两模型还可以发现，不同的缺陷类型导致了裂纹扩展路径的变化，模拟结果与实际相符。

图 4 宏观尺度模拟研究

4  结语

氢脆是制约管道大规模掺氢输送的关键问题，了解并探明其作用机理有助于促进氢能利用，助力“双碳”战略目标的实现。本文分别从试验与数值模拟两方面提出了管线钢氢脆行为的可行性研究策略：探讨了多物理场耦合、生死单元等技术分析微结构—应力场—氢浓度场协同的管道环焊缝区氢脆规律的总体思路；探讨了第一性原理、MD-CZM、晶体塑性有限元法、相场法等模拟管道环焊缝区氢致开裂过程的可行方案；探讨了微观—细观—宏观尺度下管线钢材料氢致开裂断裂能计算与信息传递的关键方法。随着氢能储运技术的继续发展，管道环焊缝区多缺陷演化竞争机制、氢分子解理—吸附—渗透—扩散—聚集过程、氢脆抑制机理以及氢脆失效跨尺度方法仍有待进一步研究。

参考文献：

[1]程玉峰.高压氢气管道氢脆问题明晰[J].油气储运，2023，42(1)：1-8.

[2]兰亮云，孔祥伟，邱春林，等.基于多尺度力学实验的氢脆现象的最新研究进展[J].金属学报，2021，57(7)：845-859.

[3]李玉星，张睿，刘翠伟，等.掺氢天然气管道典型管线钢氢脆行为[J].油气储运，2022，41(6)：732-742.

[4]Fu Y , Li T , Yan Y B ,et al. A first principles study on H-atom interaction with bcc metals[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2023, 48(26)：9911-9920.

资助项目：国家自然科学基金面上项目（52374068，12272061）；国家重点研发计划（No.2023YFB4005100）。

作者简介：徐涛龙，1984年生，博士，副教授，现任西南石油大学石油与天然气工程学院油气储运工程教研室主任，主要从事管道与站场完整性管理、储运结构服役安全、油气泄漏致灾与应急、材料失效多尺度机理、新能源储运安全技术等方面的教学与科研工作。联系方式：18280099577，swpuxtl@swpu.edu.cn。