应力辅助氢扩散对API 5L X52钢三角形缺口处氢浓度影响的数值模拟研究

《Results in Engineering》：A Comparative Finite Element Study of Stress-Assisted and Non-Stress-Assisted Hydrogen Diffusion at a Triangular Notch in API 5L X52 Steel

为评估氢脆风险，研究人员对含三角形缺口的API 5L X52管线钢开展了应力辅助与非应力辅助氢扩散的耦合数值模拟研究。结果表明，机械应力是氢在缺口尖端显著积聚（浓度可达12.613 mol/m3）的主要驱动力，而忽略应力效应会严重低估氢积累。该研究为氢能管道缺陷容限评估和安全设计提供了关键理论依据。

　　

随着全球能源转型的加速，氢能作为一种清洁能源载体，其运输基础设施的安全性和可靠性日益受到关注。然而，氢气在高压输送过程中会渗透进入管线钢材，引发氢脆（Hydrogen Embrittlement, HE），导致材料塑性下降和突发性失效，严重威胁管道的完整性和运行安全。API 5L X52钢作为一种广泛用于天然气和未来氢能输送的管道材料，其抗氢脆能力至关重要。在实际服役中，管道表面不可避免会存在各种几何不连续处，如腐蚀坑、划痕或焊接缺陷等，这些缺陷会形成应力集中，成为氢原子聚集和裂纹萌生的敏感区域。特别是尖锐的三角形缺口，由于其几何形状会引发极高的局部应力，对氢脆的敏感性更高。目前，虽然已有研究关注氢在钢材中的扩散行为，但对于特定几何缺陷（如三角形缺口）在机械载荷耦合作用下，氢的局部分布和积累规律的定量表征仍显不足。传统评估方法往往忽略应力场对氢扩散的驱动作用，可能导致对实际氢积累水平和材料失效风险的低估。因此，精确模拟应力与氢扩散的耦合效应，对于科学评估含缺陷管道的氢脆敏感性、制定合理的检测维护策略以及保障氢能管道的长期安全运行具有重大的工程意义。

为了深入探究这一问题，研究人员在《Results in Engineering》上发表了一项研究，通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics 6.2，建立了包含三角形缺口的API 5L X52钢的二维平面应变模型，系统地研究了应力辅助氢扩散行为。研究团队采用了完全耦合的数值方法，同时求解固体力学和氢在固体中的扩散方程，对比分析了应力辅助模型与非应力辅助模型下氢浓度的差异。研究的关键在于量化几何参数（缺口角度θ、深宽比ar）和力学载荷（规定位移P_d）对缺口尖端应力场（冯·米塞斯应力σ_von、静水应力σ_H）和氢浓度（C_H）分布的协同影响。

本研究主要应用了几项关键技术方法：首先是基于有限元法的多物理场耦合模拟技术，将固体力学模块与物质扩散模块进行双向耦合。其次，采用了参数化研究方法，系统改变了三角形缺口的几何角度（10°、30°、45°、60°、90°）、缺口深度与试样高度的比例（深宽比ar为0.1, 0.2, 0.3, 0.4）以及边界上施加的位移载荷（0.025 mm, 0.05 mm, 0.1 mm）。此外，研究引入了基于Oriani平衡理论的氢陷阱模型，以考虑微观结构缺陷对氢的捕获作用。模型的有效性通过与前人发表的实验和模拟数据进行比较得到了验证。

Von Mises Stress along the Fracture Length（沿断裂长度的冯·米塞斯应力）

研究分析了缺口长度方向的冯·米塞斯应力分布。结果表明，应力峰值始终出现在三角形缺口的尖端。随着施加的位移从0.025 mm增加到0.1 mm，缺口尖端的峰值冯·米塞斯应力显著增加，例如在缺口角度θ=10°、深宽比ar=0.1时，应力从约200 MPa急剧上升至超过800 MPa，增幅达300%。研究还发现，缺口几何形状对应力集中有显著影响。较尖锐的缺口（如θ=10°）比钝化缺口（如θ=90°）产生更高的应力集中。此外，较小的深宽比（ar=0.1）通常导致比更大深宽比（ar=0.4）时更高的峰值冯·米塞斯应力。参数分析表明，在θ=45°、ar=0.1、P_d=0.1 mm的条件下，获得了最大的冯·米塞斯应力965.56 MPa。

Hydrostatic Stress along the Fracture（沿断裂的静水应力）

静水应力（即平均正应力）的分布是驱动氢扩散的关键因素。表面图显示，拉伸静水应力高度集中在缺口尖端。与冯·米塞斯应力类似，静水应力的大小也强烈依赖于施加的位移和缺口几何形状。当规定位移增大时，缺口尖端的静水应力大幅增加，例如在θ=10°、ar=0.1条件下，P_d从0.025 mm增至0.1 mm时，峰值静水应力从约150 MPa升至超过700 MPa。比较不同缺口角度发现，在相同位移下，θ=60°的缺口比θ=10°的缺口产生了更高的静水应力（峰值达659.62 MPa），表明特定角度的几何形状对静水应力场有重要影响。此外，对于固定的缺口角度（θ=10°），改变深宽比（ar从0.1到0.4）对峰值静水应力的数值影响相对较小，但应力的峰值位置会随着缺口深度的增加而向材料内部移动。

Time-Dependent Hydrogen Concentration under Stress and Non-Stress Conditions（应力和非应力条件下的时间依赖性氢浓度）

本研究的核心是比较应力辅助和非应力辅助扩散模型下的氢积累行为。在应力辅助扩散模型中，氢浓度在120分钟的模拟时间内随时间增加而上升，初期增长迅速，后期逐渐趋于饱和。更重要的是，氢浓度显著受机械载荷和几何形状的影响。在固定缺口角度（θ=10°）和深宽比（ar=0.1）下，将规定位移从0.025 mm提高到0.1 mm，导致缺口尖端的稳态氢浓度从约11.0 mol/m3增加至12.5 mol/m3以上，增幅超过13%。尖锐的缺口角度（如10°）和较小的深宽比（如0.1）组合，在大的规定位移（0.1 mm）下，产生了最高的氢浓度12.613 mol/m3。相比之下，在非应力辅助扩散模型中，氢浓度在短时间内迅速达到饱和（约10.531 mol/m3），并且此饱和值完全不受规定位移、深宽比或缺口角度变化的影响。这一鲜明对比证实，机械应力产生的静水应力梯度是导致氢在缺口尖端严重富集的主要驱动力，忽略应力耦合效应会严重低估（低估近20%）实际的氢积累风险。

Coupling of Stress-Hydrogen Mechanism（应力-氢机制耦合）

结果表明，氢在应力集中区域（缺口尖端）的显著积累是应力驱动扩散机制的直接体现。本质上，拉伸静水应力降低了间隙氢原子的化学势，产生热力学驱动力，促使氢原子从低应力区向高静水应力区迁移。因此，高的冯·米塞斯应力和静水应力区域（如缺口尖端）会以加速的方式积累氢。这种局部的氢富集，加上高的拉伸应力，创造了氢致脆性断裂（如氢致脱聚，HEDE）的理想条件。应力与氢扩散的强耦合关系表明，在评估暴露于氢环境的管线钢的结构完整性时，必须考虑机械效应。

Comparative Analysis of X52 with X65 and X70 from Literature（与文献中X65和X70的对比分析）

为更好地理解X52钢的氢脆响应，研究将其与更高级别的管线钢（如X65和X70）进行了对比。文献表明，X65钢的氢致失效更多地受位错陷阱和局部塑性应变控制，而对静水应力的敏感性相对较低。X70钢则在低应变速率下对氢非常敏感，表现出强烈的韧性下降。与本研究的X52钢相比，X52的行为更明显地由静水应力驱动的氢扩散主导，而非塑性应变控制的输运。这表明较低强度的X52钢可能对静水应力驱动的氢迁移更敏感，而较高强度的钢级则表现出与局部应变局部化机制更强的耦合。

综上所述，本研究通过系统的数值模拟，定量揭示了机械应力、缺口几何形状与氢扩散在API 5L X52钢中的强耦合作用。研究明确得出结论：三角形缺口的尖锐程度（小角度）、相对深度（小深宽比）以及较高的机械载荷共同导致缺口尖端产生极高的静水应力，从而极大地促进了氢在该区域的聚集。忽略应力辅助扩散效应会严重低估氢积累水平，导致对管道氢脆风险的不准确评估。该研究强调了在含缺陷氢能管道的适用性评估和完整性管理中，必须采用完全耦合的应力-扩散模型的重要性。研究提供的定量参数关系（如导致最大氢浓度的几何和载荷组合）可直接用于指导管道缺陷的检测优先级排序和维修决策，为未来氢能基础设施的安全设计和寿命预测提供了关键的理论基础和工程指导。