用于预测海底管线钢中氢致疲劳裂纹萌生的循环内聚力模型

《Engineering Fracture Mechanics》：A cyclic cohesive zone model for predicting hydrogen-assisted fatigue crack initiation in subsea pipeline steels

　　

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  提出了一种循环内聚力区域模型，用于预测氢辅助裂纹萌生。
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  该模型同时考虑了氢诱导的化学膨胀和材料退化。
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  模型预测结果与实验数据吻合良好。
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  研究了初始微缺陷对疲劳裂纹萌生的影响。

引言

海底管线钢中的氢脆（HE）特征在于原子氢渗入金属晶格并发生扩散，通过局部塑性变形导致宏观脆化[1]。在循环载荷条件下，该现象表现为氢辅助疲劳（HAF），其中氢可能同时影响裂纹萌生和裂纹扩展。氢对裂纹萌生的影响并非总是加速性的。在某些材料和载荷制度下，氢辅助硬化或位错钉扎可以延缓位错形核并推迟疲劳微裂纹的形成[2]。相反，在含有缺口、夹杂物或其他应力集中器的氢敏感管线钢中，局部氢积聚可促进局部塑性变形、内聚退化以及缺陷辅助裂纹萌生[1]、[3]。这种加速作用通常导致载荷远低于设计极限时发生灾难性失效，对氢输送基础设施的完整性构成严重威胁[4]、[5]。这些环境中的氢来源多种多样，从阴极保护系统到高压气体混合物和硫化氢（H₂S）均有涉及，所有这些均在API X80等高强度管线钢中引发局部脆化。此类失效的后果极为严重，包括管线破裂、大量气体或石油泄漏以及威胁人类安全的爆炸，造成的经济损失超过数十亿美元。

传统上，富含氢环境中的结构完整性研究主要集中于裂纹扩展。Cheng和Chen [6]、[7]利用传统断裂力学对氢辅助疲劳裂纹扩展（HAFCG）和腐蚀疲劳（CF）进行了广泛研究。例如，基于Forman方程的经验模型已被用于预测HAFCG速率，其中整合了受氢分压影响的应力强度因子阈值[8]。在此基础上，Cheng和Chen [9]、[10]开发了统一框架，通过将阳极溶解与氢脆效应相结合来评估腐蚀疲劳。这些机制随后被纳入扩展工程临界评估中以评估结构寿命。最近，Zheng和Chen [11]、[12]提出了先进的弹塑性本构模型，以考虑氢诱导的位错钉扎和脱钉效应，显著提高了裂纹扩展预测的准确性以及管线钢四阶段变形行为的模拟能力。

尽管在裂纹扩展建模方面取得了上述进展，但最新研究结果表明，疲劳的早期阶段亟需关注。Zhuo等人的实验观察[3]表明，在管线钢中，裂纹萌生可占HAF总寿命的70%以上。这些结果表明，对于暴露于含氢气体环境中的带缺口管线钢而言，裂纹萌生并非可忽略的早期事件，而是总疲劳寿命的重要组成部分。此外，一旦显著裂纹进入稳定扩展阶段，就需要进行无损检测、适用性评估、修复或运行缓解措施，而不能将其视为正常服役条件[13]。因此，在海洋结构的疲劳评估中，在显著裂纹出现之前进行预防性完整性管理至关重要。因此，以萌生为导向的模型通过评估从微缺陷控制损伤到工程裂纹的过渡过程，在稳定裂纹扩展成为主要完整性问题之前提供了补充价值。

为预测海底管线钢的疲劳裂纹萌生，循环内聚力区域模型（CCZM）已成为一种强有力的模拟工具。与传统的连续介质力学不同，CCZM将断裂表示为跨越牵引-分离区域的渐进过程，从而允许显式模拟疲劳裂纹萌生[14]。该方法特别具有优势，因为它能够容纳氢导致的内聚强度退化。Song和Chen [15]、[16]提出了一种改进的CCZM，用于预测海底管线和系泊链钢的低周疲劳萌生，利用累积分离长度和幂律退化函数来追踪损伤演化。材料的微观结构被认为是影响氢辅助疲劳的重要因素。Fernández-Sousa等人[17]证明了微观结构陷阱可显著影响循环载荷下晶格氢和陷阱氢的重新分布。Koyama等人[18]将夹杂物、晶界和位错识别为可逆或不可逆陷阱。结合能决定了这些位点上氢的保留及其后续的脆化行为。Fernández-Sousa等人[19]进一步表明，陷阱密度可通过晶格-陷阱氢分配影响氢辅助疲劳。Traidia等人[20]指出氢陷阱密度是微缺陷的关键参数。然而，现有公式往往忽视了在易缺陷区域显式耦合应力辅助氢扩散和化学膨胀[21]。这一疏忽限制了其在缺陷起关键作用的异质微观结构中的适用性。此外，几何因素对氢辅助疲劳裂纹萌生影响的研究仍然缺乏。

本文开发了一种CCZM，用于预测海底管线钢中的氢辅助疲劳裂纹萌生，其中应力驱动的氢传输通过氢相关的材料退化律进行耦合。该模型将晶格氢和陷阱氢的体积贡献显式纳入化学膨胀张量，为微观结构不均匀性附近的内部应力场提供了更具物理真实性的描述。体材料的弹塑性响应采用四阶段本构模型进行描述，以捕捉氢与可动位错之间的动态相互作用。所提出的模型通过API X80钢的实验疲劳裂纹萌生数据进行了验证。此外，还进行了参数研究，考察初始累积内聚长度、饱和效应参数、缺陷区域陷阱密度、初始缺陷尺寸和膨胀缩放因子对疲劳裂纹萌生寿命的影响。

章节摘要

方法论

所提出的模型集成了应力驱动的氢扩散、氢相关的弹塑性本构行为以及循环内聚力区域模型（CCZM），用于预测氢辅助疲劳裂纹萌生。通过氢陷阱密度的局部变化显式考虑了内聚参数和初始微缺陷的影响。

模型验证

为验证所提出模型在预测氢辅助疲劳裂纹萌生方面的性能，将数值预测结果与已发表工作中报告的实验结果进行了对比。本部分详细介绍了数值实现细节和有限元（FE）离散策略。

结果与讨论

基于所提出的模型，模拟了氢环境中X80管线钢的氢辅助疲劳裂纹萌生。首先通过与实验数据进行对比验证了模型的有效性。随后，考察了初始累积内聚长度 ${\delta }_{\mathrm{\Sigma },0}$、材料参数 $s$、陷阱密度 $N_{T,\mathrm{d}}$、初始缺陷尺寸 $a_d$以及膨胀缩放因子 $\alpha$对氢辅助疲劳裂纹萌生寿命的影响，以评估模型的敏感性和可行性。

结论

本文提出了一种用于预测海底管线钢中氢辅助疲劳裂纹萌生的CCZM，该模型考虑了应力驱动的氢传输与氢诱导的材料退化之间的耦合效应。评估了模型对关键参数（包括初始累积内聚长度、退化饱和参数、缺陷区域陷阱密度、初始缺陷尺寸和膨胀缩放因子）的敏感性，以阐明其机理。

CRediT作者贡献声明

陈念忠（Nian-Zhong Chen）：写作–审阅与编辑，写作–原始稿，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式化分析，概念化。郑廷森（Tingsen Zheng）：写作–审阅与编辑，写作–原始稿，调查，形式化分析。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（批准号：52311530091）的资助。衷心感谢其提供的经费支持。

陈念忠 | 郑廷森