氢辅助开裂的化学-热-力学相场耦合建模及其在含硫环境材料失效预测中的应用

为解决含硫环境中氢辅助开裂(HAC)和硫化物应力开裂(SSC)的复杂多场耦合问题，研究人员创新性地建立了首个热力学一致的化学-热-力学相场模型，整合温度依赖性氢扩散、氢致临界能量释放率退化和热诱导机械应力等机制。该模型通过双悬臂梁(DCB)试验验证，成功预测了腐蚀环境下裂纹萌生与扩展行为，为油气工业基础设施安全设计提供了重要理论工具。

　　

在能源需求持续增长的背景下，油气工业基础设施长期面临含硫环境(H₂S)导致的氢辅助开裂(HAC)威胁，其中硫化物应力开裂(SSC)是最严重的失效形式。传统模型往往忽视温度与氢传输的复杂相互作用，而工业标准如NACE MR0175/ISO 15156仅提供简单的温度阈值判断，缺乏对微观机制的深入阐释。这种认知空白导致材料在变温腐蚀环境中的性能预测存在重大不确定性，可能引发灾难性事故。

为突破这一技术瓶颈，研究人员开发了创新的化学-热-力学相场耦合框架。该模型首次实现了温度依赖性氢扩散、氢致断裂韧性退化和热机械应力的多物理场集成，通过相场方法(phase field)描述裂纹演化，避免了传统断裂力学中复杂的裂纹追踪。研究团队采用双悬臂梁(DCB)试验验证模型准确性，并针对含缺陷管道进行数值模拟，再现真实失效场景。

关键技术方法包括：1) 建立耦合氢浓度(C)、温度(T)和相场(φ)的控制方程；2) 开发温度依赖性氢扩散系数(D)与临界能量释放率(G_c)的退化函数；3) 采用NACE TM0177标准方法D测定低合金油井管钢(OCTG)的K_ISSC(硫化物应力开裂断裂韧性)；4) 通过热力学分析确保模型一致性。

【相场框架构建】研究提出四场耦合边界值问题，包含位移场(u)、相场(φ)、质量传输(C)和热传导(T)。创新性地引入温度对氢溶解度(C₀)和扩散系数的影响机制，通过式(1)描述裂纹尖端氢浓度(C_L)与温度(T)、静水应力(σ_h)的关系，解释了温度升高可能通过降低C_L减轻材料退化的现象。

【实验验证】模型在DCB试验中获得充分验证，准确捕捉了温度驱动的断裂韧性变化规律。如Kobayashi等报道的低温下K_ISSC降低现象，被归因于氢扩散减慢导致的裂纹尖端氢积累。特别值得注意的是，模型成功复现了P110钢在升温时因氢扩散加速而降低SSC敏感性的特征行为。

【工程应用】针对含残余应力和缺陷的管道模拟表明，该框架能有效预测实际工况下的失效模式。通过整合温度对氢陷阱效应和腐蚀产物层形成的影响，模型解释了X52与X80钢在不同温度下的相反表现：前者因升温降低亚表面氢浓度，后者则因陷阱效应增强而更敏感。

这项研究突破了传统相场模型仅考虑等温条件的局限，首次实现温度场对氢致开裂全过程的量化表征。理论创新体现在：1) 建立热力学一致的化学势(μ)表达式；2) 通过式(21)构建温度依赖的氢通量(J)模型；3) 引入式(4)描述热应变(ε^th)对力学场的贡献。工程价值在于为含硫环境材料选择提供精确预测工具，特别适用于温度波动工况的寿命评估。

研究结论深刻揭示了温度通过"双刃剑"效应影响SSC的机制：一方面升高温度加速氢扩散减轻局部富集，另一方面改变腐蚀动力学和陷阱密度。这种认识超越了现有标准的二元判断框架，为建立温度-氢脆敏感性定量关系奠定基础。该模型已被证明能指导SENT、CT等标准测试的优化设计，未来可扩展至焊接残余应力评估和微观组织优化领域，对提升高压高温含硫环境设施的安全性具有里程碑意义。