徐濤龍1 熊峰1 榮恒1 唐鋆磊1 馮偉2 毛建3

1.西南石油大學；2.國家管網集團西氣東輸公司；3.國家管網集團西北公司

摘要：目前對于高壓臨氫環境中高鋼級管道環焊縫區氫脆過程復雜性的認識并不充分，尤其是多場耦合誘導的氫原子分布、晶間氫致解離機制、氫致開裂斷裂能多尺度表征等瓶頸問題亟待解決。針對以上問題，本文闡述了臨氫管道氫脆損傷機制試驗與計算的多尺度分析方法，總結了金相觀測、顯微硬度測試、電化學充氫試驗及充氫慢應變速率拉伸試驗的基本思路，探討了管線鋼氫脆失效行為的多場耦合分析策略，提出了不同尺度下管線鋼氫致開裂的數值計算方法，研究結果可為安全可靠摻氫比的選擇提供理論與試驗依據。

關鍵詞：摻氫管道；環焊縫區；氫脆；試驗研究；多尺度分析

摻氫輸送不僅降低了氫能的輸送成本，而且在短期內迅速擴大了氫能的使用規模，管道運輸將成為未來解決大規模、長距離綠氫運輸的優選方案。然而，氫氣在金屬材料中具有獨特的擴散和滲透特性，這將導致管道材料在長期使用中出現氫致開裂等安全問題[1,2]。對于X80等更具氫脆敏感性的高等級管線鋼，亟待開展天然氣摻氫工況下環焊縫區域氫脆行為的試驗與模擬研究，討論氫分壓對環焊縫局部區域力學性能參數的影響。以摻氫比為出發點，建立高壓臨氫管道焊縫區域材料微觀缺陷發展與宏觀性能劣化間的聯系，相關研究可為摻氫天然氣鋼制管道的安全運行提供理論依據。

1  管線鋼氫脆行為的試驗研究策略

理化性能試驗是深入研究摻氫管道氫脆失效行為的有效手段之一，試驗結果可以直觀地表征管材力學性能的劣化趨勢。常用的試驗手段包括金相觀測與硬度測試試驗、電化學充氫試驗、充氫慢應變速率拉伸試驗等。

1.1  金相觀測與顯微硬度測試試驗

環焊縫區域從焊材到母材依次劃分為焊縫區（WM）、熱影響區（HAZ）和母材區（BM）。由于焊接形成的環焊縫熱影響區范圍較小，宏觀上難以準確劃分，因此，通過金相觀測結合維氏顯微硬度測試方法可對環焊縫各區域進行表征。以西氣東輸某段在役管道為研究對象，沿管道軸向制取尺寸為30 mm×10 mm×10 mm的試驗試樣，選取試樣上表面作為觀測表面并對其進行打磨、拋光、浸蝕，使其滿足測試要求。以X80管線鋼為例，試驗結果表明其環焊縫各區域均由大量貝氏體（B）與少量珠光體（P）組成，但各區域晶粒尺寸大小不一致，焊縫區晶粒尺寸較大，而母材區較小。測得熱影響區范圍為9 mm。

1.2  電化學充氫試驗

該試驗旨在深入分析管線鋼環焊縫區域的氫擴散特性，涉及母材、焊縫中心和熱影響區三個關鍵區域。在對各組織試樣進行切割和研磨拋光后，通過氫滲透試驗研究環焊縫不同區域氫的擴散系數與表面吸附氫的濃度。在各區域沿管道壁厚方向制取直徑為25 mm，沿管道軸向厚度為2 mm的薄圓片試樣，用砂紙對圓片雙面進行逐級打磨，直至2000#。為了防止試樣陽極一側發生氧化反應產生非氫原子氧化產生的電流，將試樣的一側進行鍍鎳處理。試驗結果表明，母材晶界的體積分數較大，可提供較寬的氫擴散通道，因此母材的有效擴散率最高；相比之下，熱影響區的氫擴散系數小于母材，表明在熱影響區存在較多氫陷阱，捕獲了部分氫原子，阻礙了氫的擴散；焊縫處的氫擴散系數最小，這是由于焊縫中的氫陷阱最多造成的（圖 1）。

圖 1 電化學充氫試驗

1.3  充氫慢應變速率拉伸試驗

通過對比計算含氫與不含氫環境下金屬材料的力學性能指標（延伸率、斷面收縮率）相對變化率作為氫脆指數判斷材料的氫脆敏感性[3]。試驗儀器為帶有高壓反應釜的慢應變速率拉伸試驗機，取樣區域包括母材、熱影響區及焊縫。光滑圓棒試樣總長度為76.2 mm，中間標距段長度為28.6 mm，直徑為6 mm，表面粗糙度為Ra 0.8，兩端螺紋牙距為1.75 mm。將試樣放入總壓為6 MPa，氫分壓分別為0 MPa、0.6 MPa、1.2 MPa的高壓反應釜中充氫24 h后，以10-5/s的應變率進行拉伸，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）對拉伸斷口進行觀測。試驗結果表明，在彈性階段，X80等高等級管線鋼并未受到臨氫環境的影響，各個試樣的抗拉強度以及屈服應力也沒有明顯的變化。氫對高等級管材的主要影響在于總應變量的降低。含氫環境試樣的斷口截面上等軸韌窩與準解理面同時存在，這表明拉伸過程中韌性斷裂與脆性斷裂同時發生，試樣受氫環境影響較小，仍保持有較好的韌性。

2  管線鋼氫脆失效行為的多場耦合分析策略

通過建立環向多道焊接管道的三維有限元模型，將環焊縫不同區域的力學性能參數與電化學滲透試驗方法測得的氫擴散性能參數通過設置材料屬性的方式導入模型，準確模擬環焊縫不同區域的材料性能。隨后，焊接熱源采用雙橢球模型計算環焊縫區域焊接溫度場，該方式在提高焊接仿真精度的同時，還為后續殘余應力場及氫濃度擴散場的模擬提供了可靠的數據。為了模擬焊接的真實情況，采取生死單元方法對焊接區域進行刪除和再激活。采用間接式的順序耦合技術實現溫度場與應力場耦合。提取焊接殘余應力場的靜水應力結果，結合氫擴散控制方程及本構方程，實現殘余應力誘導下環焊縫區域氫原子滲透過程的模擬。模擬結果表明，不均勻應力場、組織不均勻性及氫濃度梯度間復雜的相互作用機制，影響著環焊縫各區域內的氫擴散行為。

3  管線鋼氫致開裂的多尺度方法研究

分析斷裂現象，由于缺乏解析解，數值計算成為一種必不可少的手段。管線鋼氫致開裂是一個宏細微觀結合的多尺度變化過程，因此，運用多尺度方法開展相關研究十分必要。

3.1  原子尺度

多數研究采用第一性原理計算方法從最小尺度上研究氫在材料表面的吸附擴散過程，闡明氫原子與金屬原子的相互作用機制。采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法模擬氫原子在α-Fe晶格中的擴散過程[4]。研究表明，氫原子占據晶格中的四面體位點1和3時，氫原子更容易固定，系統結構更穩定。此外，氫原子能從鐵原子獲得電子，改變鐵原子原本的自由電子排列，降低鐵原子間的相互作用力。

3.2  微觀尺度

在微觀尺度下，主要通過分子動力學模擬α-Fe由氫導致的韌性退化直至脆性斷裂的過程，分子動力學模擬主要從原子層面研究材料在載荷作用下的力學行為，利用經典運動方程對一個系統中的N個原子或分子進行逐步的數值求解。對于一個簡單的原子系統，每個原子的動力學過程由牛頓第二定律所控制。高鋼級管線鋼主要含鐵素體或由鐵素體與滲碳體組成的其他微觀組織。鐵素體具有體心立方點陣，而滲碳體具有正交晶格。鐵素體的強度和硬度相對較低，但其在塑性和韌性方面表現出色。在碳鋼和低合金鋼的熱軋（正火）和退火組織中，鐵素體占據主導地位。利用Atomsk建模軟件建立了尺寸為425 Å×425 Å×28.664 Å的鐵素體/滲碳體片層晶界結構，其中上層為鐵素體，下層為滲碳體（圖 2）。通過在模型中隨機摻入不同數量的氫原子模擬氫環境中晶界開裂行為，此外還考慮了滲碳體四種不同終端（C-Fe、Fe-Fe、Fe-C、C-C）的影響。研究結果表明，隨著氫原子濃度的增加，界面初始損傷對應的最大牽引力減小，臨界斷裂能也隨之降低，氫使得材料更易發生斷裂。

圖 2 微觀尺度模擬研究

3.3  細觀尺度

在細觀層次，泰森多邊形在建立多晶模型方面扮演了關鍵角色，每個泰森多邊形代表一個晶粒，其邊界相當于晶粒之間的界面。通過這種方式，利用泰森多邊形建模可以簡便地模擬和研究晶粒的大小、形狀和分布，這些都是影響材料性能的關鍵因素。例如，在金屬材料中，晶粒大小和分布直接影響材料的強度、塑性和疲勞壽命。除晶粒特征外，晶界同樣影響著金屬材料的氫致開裂行為。近幾年，由DUGDALE提出的內聚區模型被諸多學者用于模擬多晶模型的沿晶開裂行為，晶界損傷參數可由微觀分子動力學獲取（圖 3）。通過引入晶體塑性唯象本構用于表征多晶體在拉伸載荷作用下的塑性變形演化，使得結果更加真實可靠。模擬結果表明相同位移載荷下，氫使管材的啟裂時間提前，最終裂紋長度增加。引入晶體塑性唯象本構后，模型應力呈不均勻分布，裂紋擴展路徑應力相對較大，且隨著氫濃度的增加，材料由韌性斷裂轉變為脆性斷裂。

圖 3 細觀尺度模擬研究

3.4  宏觀尺度

作為一種典型的彌散方法，相場法用一個標量場，即相場，描述尖銳裂紋拓撲。相較于XFEM、CZM，相場法避免了對不連續邊界的數值追蹤，并且不需要預估裂紋路徑。利用相場法建立焊縫根部燒穿缺陷與錯邊缺陷模型進行模擬（圖 4），結果表明由于裂紋尖端處的靜水應力較高，隨著裂紋的擴展，氫聚集于裂紋尖端處并且裂紋尖端的氫濃度出現了下降。此外，通過對比兩模型還可以發現，不同的缺陷類型導致了裂紋擴展路徑的變化，模擬結果與實際相符。

圖 4 宏觀尺度模擬研究

4  結語

氫脆是制約管道大規模摻氫輸送的關鍵問題，了解并探明其作用機理有助于促進氫能利用，助力“雙碳”戰略目標的實現。本文分別從試驗與數值模擬兩方面提出了管線鋼氫脆行為的可行性研究策略：探討了多物理場耦合、生死單元等技術分析微結構—應力場—氫濃度場協同的管道環焊縫區氫脆規律的總體思路；探討了第一性原理、MD-CZM、晶體塑性有限元法、相場法等模擬管道環焊縫區氫致開裂過程的可行方案；探討了微觀—細觀—宏觀尺度下管線鋼材料氫致開裂斷裂能計算與信息傳遞的關鍵方法。隨著氫能儲運技術的繼續發展，管道環焊縫區多缺陷演化競爭機制、氫分子解理—吸附—滲透—擴散—聚集過程、氫脆抑制機理以及氫脆失效跨尺度方法仍有待進一步研究。

參考文獻：

[1]程玉峰.高壓氫氣管道氫脆問題明晰[J].油氣儲運，2023，42(1)：1-8.

[2]蘭亮云，孔祥偉，邱春林，等.基于多尺度力學實驗的氫脆現象的最新研究進展[J].金屬學報，2021，57(7)：845-859.

[3]李玉星，張睿，劉翠偉，等.摻氫天然氣管道典型管線鋼氫脆行為[J].油氣儲運，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.

資助項目：國家自然科學基金面上項目（52374068，12272061）；國家重點研發計劃（No.2023YFB4005100）。

作者簡介：徐濤龍，1984年生，博士，副教授，現任西南石油大學石油與天然氣工程學院油氣儲運工程教研室主任，主要從事管道與站場完整性管理、儲運結構服役安全、油氣泄漏致災與應急、材料失效多尺度機理、新能源儲運安全技術等方面的教學與科研工作。聯系方式：18280099577，swpuxtl@swpu.edu.cn。