电化学环境下氢管道腐蚀缺陷区氢渗透行为的多物理场耦合模拟研究

本研究针对老化管道在电化学环境中氢脆(HE)风险加剧的问题，通过建立融合Volmer-Heyrovsky动力学的多物理场耦合模型，首次定量揭示了腐蚀缺陷区氢浓度随电位(-0.7V至-1.0V)、pH(6-9)及内压变化的分布规律，为优化阴极保护策略提供理论依据。

　　

随着氢能作为清洁能源载体的战略地位日益凸显，利用现有天然气管道改建输氢管道成为经济高效的选择。然而，这些服役多年的管道普遍存在腐蚀、凹痕等缺陷，在电化学与机械载荷耦合作用下极易发生氢脆失效(Hydrogen Embrittlement, HE)。特别是海底管道，其腐蚀缺陷区域会因电化学反应加速氢渗透，导致局部氢浓度激增，严重威胁管道结构安全。传统研究多采用恒定浓度边界条件，难以反映真实工况下电位、pH值等电化学参数对氢渗透行为的动态影响，这使得氢脆风险评估存在显著偏差。

针对这一难题，中国某高校（根据国内惯例应补充具体机构名称）的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表最新成果，创新性地建立了融合电化学反应动力学的多物理场耦合模型。该研究通过COMSOL Multiphysics平台，将Volmer-Heyrovsky电极动力学方程与应力场耦合，首次实现了对腐蚀缺陷区氢扩散-捕获行为的动态量化表征。关键技术包括：基于"Transport in Solids"模块构建应力驱动扩散模型，引入结合能(W_b)区分可逆/不可逆氢陷阱，并通过边界通量精确描述金属-电解质界面的氢吸收过程。

【氢原子扩散模型】
研究采用间隙位点与陷阱位点双重扩散机制，定义总氢浓度C=C_L+∑C_T⁽ⁱ⁾。通过引入β参数（每个溶剂原子可用的间隙位点数）和θ_LN_L（间隙位点占据率），建立了氢在晶格间隙中的浓度定量关系。

【数值模拟】
利用COMSOL 6.2的"Transport in Solids"功能，团队开发了应力辅助氢扩散耦合框架。创新性地引入外部通量项Γ_ext，该参数源自静水压力梯度，成功实现了应力场与氢扩散的交互作用建模。

【负电位对氢渗透的影响】
模拟结果显示：当电位从-0.7V降至-1.0V时，腐蚀缺陷区氢浓度从0.443 mol/m³剧增至20 mol/m³以上。值得注意的是，氢原子优先在缺陷圆周边缘富集，形成典型的"边缘聚集效应"。

【pH环境的作用】
酸性环境显著促进氢吸收，pH 6时氢浓度峰值达4.63 mol/m³，较pH 9环境(0.766 mol/m³)提升6倍。结合W_b分析发现，高强钢中结合能超过40 kJ/mol的陷阱即可视为不可逆陷阱，这对传统60 kJ/mol的判定标准提出修正。

【内压与应力场耦合】
随着内压增加，腐蚀缺陷中心区域的局部应力水平显著升高，驱动氢原子向缺陷中心迁移。这种应力-氢浓度协同效应使缺陷中心成为氢致裂纹的优先萌发区。

该研究通过建立电化学-力学耦合的氢扩散模型，首次定量揭示了电位、pH和应力场对腐蚀缺陷区氢分布的协同调控机制。不仅证实了阴极保护电位过负会加剧氢脆风险，还发现酸性环境会使氢浓度产生数量级变化。这些结论为老化管道的氢脆风险评估提供了新范式，特别是提出的"边缘聚集效应"和修正的陷阱结合能阈值，对优化阴极保护参数、制定差异化的防腐策略具有重要指导意义。研究团队建议在实际工程中需严格控制保护电位不低于-0.9V，并对高酸性环境管道实施氢渗透实时监测，这些措施可显著降低氢脆失效概率，保障氢能基础设施的长周期安全运行。