裂隙岩体中衬砌岩石洞室在氢脆和循环加压作用下的多尺度建模与性能评估

为解决地下储氢中衬砌岩石洞室(LRC)因氢脆(HE)和循环加压导致的材料退化问题，研究人员通过建立二维多尺度数值模型，揭示了裂隙岩体与LRC结构的相互作用机制。研究发现氢浓度与钢衬应力重分布存在正反馈效应，长期运行中HE显著加速钢衬退化。该研究为地下储氢设施的设计优化提供了关键理论依据。

　　

在全球碳中和目标推动下，氢能作为清洁能源载体成为化石燃料替代的关键选择。然而，地下储氢技术面临重大挑战——传统盐穴储氢受限于地理分布，而衬砌岩石洞室(LRC)虽具有地理适应性强的优势，其钢衬结构在高压氢环境中易发生氢脆(HE)导致气体泄漏。更复杂的是，裂隙岩体的地质条件会加剧结构变形与材料退化，但目前缺乏对HE与裂隙岩体耦合作用的系统研究。

针对这一科学难题，研究人员开发了创新的二维多尺度数值模型。该模型通过COMSOL Multiphysics平台实现，包含大尺度模型模拟裂隙岩体与LRC的变形损伤，以及小尺度模型捕捉钢衬氢扩散与脆化过程。研究以瑞典Skallen示范电站的LRC为原型，采用离散裂隙网络(DFN)方法还原现场勘测的裂隙分布特征，并设置38米直径洞室、1.2厘米钢衬和1米混凝土衬砌的典型结构参数。

关键技术方法包括：1) 采用平滑Rankine准则和Mazars模型分别模拟岩石与混凝土的弹脆性损伤；2) 建立考虑剪切膨胀的非线性裂隙本构方程；3) 基于Oriani平衡方程和氢增强局部塑性(HELP)机制描述氢扩散-力学耦合过程；4) 通过位移兼容条件实现多尺度模型耦合。

固体变形与损伤演化
研究发现裂隙岩体在循环加压下呈现显著各向异性变形。当内压达20MPa时，最大水平应力方向(θ=45°-135°和225°-315°)形成辐射状拉伸裂纹，混凝土衬砌损伤主要出现在与岩体裂隙相交区域。值得注意的是，90%的损伤发生在最初5个循环周期内，表明LRC短期运行即面临结构完整性挑战。

裂隙法向与剪切变形
裂隙剪切位移在洞室前后侧(θ≈240°和120°)最为显著，最大位移达3mm。剪切膨胀导致这些区域裂隙开度增加40%，而其他区域因岩体整体压缩呈现裂隙闭合现象。这种非均匀变形直接影响了钢衬的应力分布。

氢扩散与钢衬退化
模拟揭示了氢浓度与应力场的正反馈机制：应力集中区域氢浓度可达平均值的2倍，而氢富集又使局部屈服应力降低50%。特别在t/T₀>15后，钢衬退化面积呈指数增长，且主要集中于与混凝土损伤区对应的位置(θ≈120°和240°)，表明外层混凝土损伤会加速内层钢衬失效。

对比分析(HE vs 无HE)
无HE模型仅在前10个循环出现局部屈服，而HE模型在整个30个循环周期持续退化。在θ=120°区域，HE使钢衬失效时间提前60%，退化面积扩大3倍，证实氢脆是LRC长期性能的关键制约因素。

该研究首次系统阐明了裂隙岩体中LRC的多场耦合失效机制：1) 岩体裂隙控制损伤空间分布；2) 混凝土损伤与钢衬退化存在位置关联性；3) HE通过应力-氢浓度正反馈加速材料疲劳。这些发现为LRC选址(避开优势裂隙方向)、衬砌设计(增强拉伸区保护)和运行压力控制提供了量化依据。研究建议未来应结合水力耦合模型和更精确的氢陷阱模型，以进一步优化地下储氢设施的全生命周期性能预测。论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》，为可再生能源储运系统的安全设计树立了新标准。