评估改进的弯曲宽板试验方法，以研究氢对存在缺陷的管道环焊缝应变承载能力的影响

《Engineering Failure Analysis》：Evaluation of adapted curved wide plate testing to assess hydrogen effects on strain capacity of flawed pipeline girth welds

　　

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  提出了一种新的氢预充方法，适用于弧形宽板（CWP）试样。
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  吸氢会导致带有缺陷的CWP试样的应变承载能力下降。
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  欠匹配焊缝会增加局部应变率并限制氢的作用。
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  断口分析证实了预充试试样中存在氢。

引言

天然气输送管道的结构完整性在很大程度上取决于其环焊缝的性能，而环焊缝中可能存在工艺缺陷。在能源转型中，利用现有天然气管网进行氢输送是一个值得考虑的选项[1]，因此，了解氢如何与焊缝缺陷以及热影响区（HAZ）中不均匀的微观结构相互作用至关重要。

全尺寸环焊缝试验能为管道在真实运行条件下的完整性提供有价值的见解。由于数值方法需要实验验证，且工程指南的制定需要实证支持，全尺寸试验仍然十分必要。根据加载工况的不同，全尺寸试验可能涉及拉伸[2]、[3]、弯曲[4]、[5]、[6]、[7]、爆破[8]、[9]、[10]、疲劳[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、坍塌压力[17]或土-管道相互作用[18]、[19]、[20]等配置，每种配置会引发不同的失效机制。

全尺寸拉伸试验可评估拉伸应变承载能力，常用于缺陷评估。由于拉伸载荷在试样圆周方向和长度方向上分布均匀，全尺寸拉伸试验可在一次实验中集成多个环焊缝和缺陷配置[2]、[3]。作为替代方案，全尺寸弯曲试验可同时探究拉伸和压缩应变极限，但仅限制在一个可以引入缺陷的关键弧段内[4]、[5]、[6]、[7]。拉伸区对侧施加的压缩应力有助于分析管道的屈曲承载能力。爆破试验对于理解不稳定断裂以及高压爆破过程中（取决于试样长度的）裂纹止裂行为至关重要[8]、[9]、[10]。全尺寸疲劳试验可捕捉与循环机械载荷相关的退化机制。施加动态载荷的一种方法是通过施加内部循环压力来模拟气体压力变化[11]、[12]。第二种方法是共振弯曲，这是一种利用管道自然共振的动态试验方法，适用于与波浪和洋流相互作用的海洋管道[13]、[14]、[15]。对全尺寸试样施加动态载荷的另一种替代方法是四点弯曲[16]。特别是对于地震区域埋地管道，全尺寸试验用于研究土-管道相互作用[18]、[19]、[20]。此外，深水管道的特殊环境和载荷条件也需要全尺寸坍塌试验来产生数据并减少设计不确定性[17]。近年来，一些项目已将全尺寸试验纳入其氢相关试验计划中。这些项目主要关注循环内压与裂纹或凹坑的组合效应[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。尽管所有类型的试验都提供了无与伦比的真实性，但其规模、成本、复杂性和专业需求限制了其在系统性研究中的应用，尤其是那些需要大量试验矩阵或重复条件的研究[6]。此外，全尺寸试验还缺乏标准和详细指南，这增加了试验结果解释的复杂性，也妨碍了连贯数据库的构建。

为降低上述门槛，同时尽可能公平地模拟全尺寸实验，弧形宽板（CWP）试验作为一种有价值的构件级试样应运而生[27]。CWP试样在性能与可行性之间取得了有趣的平衡，既密切模拟了全尺寸环焊缝的拉伸应变承载能力，又保持了适合实验室环境的可管理试样尺寸[28]、[29]。缺乏内压的问题可以通过压力修正系数来补偿[30]。此外，可以从同一根环焊缝焊接管中截取多个CWP试样以及额外的较小尺寸试样以支持结果解释。因此，CWP试样已被广泛用于研究拉伸应变承载能力以及焊肉强度不匹配[31]、材料不均匀性[32]、[33]、屈服-抗拉比率和应变硬化能力、允许缺陷尺寸、缺陷相互作用[34]以及韧性要求[35]、[36]等方面的影响。此外，数值工作已被用于预测带压环焊缝管的拉伸应变承载能力[30]。包含大量CWP试验结果的大型数据库已支持了欧洲管道研究组（EPRG）指南中允许缺陷极限的确定[37]、[38]、[39]，以确保含有此类尺寸缺陷的管道在失效前仍能够承受远场塑性变形。

鉴于管网的复杂多样性[40]以及重复试验的重要性，探索氢预充CWP试验作为全尺寸或小尺寸氢机械试验的替代方案具有重要意义。与传统的实验室规模试验相比，构件级试验的尺寸和加载条件在缺口尖端前方提供了更真实的三轴应力状态，这进而影响材料的表观断裂韧性。已知这种尺寸效应在焊接连接中更为显著[41]，且氢脆受应力状态强烈影响[42]，因此在CWP试验中引入氢充注的科学意义不言而喻。这种方法在受控的实验室环境中解决了氢与环焊缝管复杂性的相互作用问题，弥合了传统实验室规模试验与昂贵的全尺寸试验之间的差距。

本研究提出并评估了一种针对CWP试样的新型氢预充方法。三个环焊缝（包括两个取自服役老化输送管道的开挖焊缝）在试验前进行了氢预充。根据EPRG建议，在环焊缝的热影响区内引入了一个尖锐缺口。通过与未充氢试样的CWP试验进行对比，分析了氢对拉伸应变承载能力、裂纹尖端张开位移（CTOD）和断口特征的影响。本工作展示了氢预充CWP试验在管道完整性评估中的潜力，并为进一步改进试验方法提供了一些建议。

章节摘要

材料表征

选取了三个焊接接头，由Fluxys提供：一个管场管，根据其相关管道项目的焊接工艺规程再现了一条环焊缝（称为A管），以及两根开挖的环焊缝焊接管（称为B管和C管）。管道的基本规格列于表1，焊缝通过光学显微（LOM）图像展示于图1。相应的基体金属（BM）和焊肉（WM）使用相同的标注方式标识。

氢预充弧形宽板试验方法

从每种环焊缝接头中提取了六个CWP试样，总计18个试样。CWP试样以相邻两个一组的形式截取，其中一组中一个作为参考试验（即不进行氢预充），另一个在试验前进行氢预充。为了增强解释力并评估与EPRG要求的对应关系，还按照前一节的讨论进行了额外的较小尺寸辅助试验。对于B管和C管

结果与讨论

表9列出了CWP试样的试验结果概览，包括初始缺口尖端与熔合线之间的距离、最大归一化载荷下的裂纹尖端张开位移（CTOD_m）以及失效模式。由于C管在充氢过程中发生氧化，其对应的CTOD_m值被视为无效，并用星号（*）标注。该问题将在4.2节中详细讨论。图13展示了远程应力和CTOD随

结论

构件级弧形宽板（CWP）试验是一种确定天然气输送管道带缺陷环焊缝应变承载能力的成熟试验方法。本研究在此基础上增加了电化学氢预充技术，以评估氢对带缺陷环焊缝失效模式和应变承载能力影响评估的可行性。根据EPRG[39]的规定，在三根不同焊接管的HAZ中加工了一个代表最大允许缺陷尺寸的缺口。

CRediT作者贡献声明

Laura De Pue：原创草稿撰写、可视化、方法论、调查研究。Lisa Claeys：审阅与编辑、方法论、调查研究。Kim Verbeken：审阅与编辑、指导、资金获取、概念构思。Stijn Hertelé：审阅与编辑、指导、资金获取、概念构思。Tom Depover：审阅与编辑、指导、资金获取、概念构思。Wim De Waele：审阅与编辑、指导、资金

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢Fluxys和Vin?otte在研究过程中提供的讨论支持，特别是关于结构完整性法规历史的讨论。我们还想感谢Sam Demeester在机械试验执行方面的帮助，Vitor Soares Rabelo Adriano在充氢电池设计方面的协助，以及Elias De Ketelaere在动电位测试方面的经验分享。本研究由经济部通过能源

Laura De Pue|Lisa Claeys|Kim Verbeken|Stijn Hertelé|Tom Depover|Wim De Waele