含双腐蚀缺陷管道的氢浓度分布模拟

郭诗雯^1,2, 吴浩志^1,2, 董绍华^1,2, 陈林^1,2, 程玉峰³

1.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院 北京 102249

2.中国石油大学(北京) 应急管理部油气生产安全与应急技术重点实验室 北京 102249

中国腐蚀与防护学报  2024, Vol. 44  Issue (2): 335-344

CSTR: 32134.14.1005.4537.2023.333

DOI: 10.11902/1005.4537.2023.333

摘要: 

为了研究含双腐蚀缺陷管道上的氢浓度分布规律，本文建立了应力场和氢扩散场耦合的有限元模型，针对双腐蚀缺陷间的应力耦合行为，探究了腐蚀缺陷长度、缺陷间距以及管道所受拉伸应变对管材中氢扩散富集行为的影响机制。结果表明，腐蚀缺陷的存在导致氢原子在管道内发生局部富集，富集区最大氢浓度数值随拉伸应变的增大和缺陷长度的减小而升高，同时，最大氢浓度位置发生改变。而双缺陷在间距足够大时不再对氢扩散和富集产生叠加影响，可看作两个独立的缺陷。研究成果为含双腐蚀缺陷管道在输氢环境中的安全评价提供了理论支撑。

关键词：双腐蚀缺陷,  氢分布,  有限元模拟,  X52管线钢

结论：

本文建立了含双腐蚀缺陷管道模型，耦合应力场和氢扩散场，探究了双腐蚀缺陷处的氢富集情况，发现拉伸应变大小、缺陷间距、缺陷长度均会显著影响氢原子在缺陷处的扩散和富集行为，导致富集区最大氢浓度随拉伸应变、缺陷间距和长度不断变化，意味着不同条件下氢致裂纹起始位置将随之变化。主要结论如下：

(1) 无拉伸应变作用时，氢原子在管道上均匀分布，最大氢浓度是初始边界氢浓度；施加拉伸应变后，氢原子在腐蚀缺陷处发生局部富集，最大氢浓度超过边界浓度，并随拉伸应变的增大而升高。不同拉伸应变下，最大氢浓度会在一个缺陷下方、管道外壁和两缺陷中间上部3个位置变化，但不会接触到缺陷边界，始终保持一定的距离。

(2) 较小的拉伸应变(0.1%)下，不同间距的最大氢浓度相差很小；拉伸应变增大后(0.2%和0.5%)，间距较小(0、5和10 mm)的最大氢浓度位置改变的同时数值升高明显，间距较大(15和20 mm)的最大氢浓度相对较小且位置不变。

(3) 双缺陷间距不变时，缺陷长度的增大使最大氢浓度减小，且最大氢浓度会在较小拉伸应变下从一个缺陷下方上移至两个缺陷的中间上部。

(4) 两个间距0 mm、长度均为10 mm的缺陷与一个长度20 mm的缺陷处氢浓度分布不同，而间距15 mm以上时可以看作两个独立的缺陷考虑其对氢分布的影响。

图2 在0.5%的拉伸应变下，长度10、20 mm单缺陷和相距0、5、10 mm双缺陷处的静水应力分布

Fig.2 Distributions of hydrostatic stress at single defect with length of 10 and 20 mm, double defects with spacing of 0, 5 and 10 mm under tensile strain of 0.5%

图3 在0%，0.1%，0.2%和3%的拉伸应变下，长度20 mm单缺陷与相距0 mm的双缺陷处的氢浓度分布

Fig.3 Distributions of hydrogen concentrations at single defect with a length of 20 mm and double defects with a spacing of 0 mm under tensile strains of 0% (a), 0.1% (b), 0.2% (c) and 3% (d)

图6 不同间距的双腐蚀缺陷模型底边氢浓度分布

Fig.6 Linear distributions of hydrogen concentrations along the model bottom of double corrosion defects with a spacing of 0 mm (a), 5 mm (b), 10 mm (c) and 15 mm (d)

图10 长度为10和20 mm单缺陷模型底边氢浓度分布

Fig.10 Linear distributions of hydrogen concentrations along the model bottom of single corrosion defect with a length of 10 mm (a) and 20 mm (b)

本文引用格式:

郭诗雯, 吴浩志, 董绍华, 陈林, 程玉峰. 含双腐蚀缺陷管道的氢浓度分布模拟. 中国腐蚀与防护学报[J], 2024, 44(2): 335-344

DOI:10.11902/1005.4537.2023.333

GUO Shiwen, WU Haozhi, DONG Shaohua, CHEN Lin, CHENG Frank. Simulation of Hydrogen Distribution in Pipeline with Double Corrosion Defects. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2024, 44(2): 335-344

DOI:10.11902/1005.4537.2023.333

通讯作者: 董绍华，研究方向为管道完整性管理

E-mail: shdong@cup.edu.cn

作者简介: 郭诗雯，女，1995年生，博士生