含雙腐蝕缺陷管道的氫濃度分布模擬

郭詩雯^1,2, 吳浩志^1,2, 董紹華^1,2, 陳林^1,2, 程玉峰³

1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院 北京 102249

2.中國石油大學(北京) 應急管理部油氣生產安全與應急技術重點實驗室 北京 102249

中國腐蝕與防護學報  2024, Vol. 44  Issue (2): 335-344

CSTR: 32134.14.1005.4537.2023.333

DOI: 10.11902/1005.4537.2023.333

摘要: 

為了研究含雙腐蝕缺陷管道上的氫濃度分布規律，本文建立了應力場和氫擴散場耦合的有限元模型，針對雙腐蝕缺陷間的應力耦合行為，探究了腐蝕缺陷長度、缺陷間距以及管道所受拉伸應變對管材中氫擴散富集行為的影響機制。結果表明，腐蝕缺陷的存在導致氫原子在管道內發生局部富集，富集區最大氫濃度數值隨拉伸應變的增大和缺陷長度的減小而升高，同時，最大氫濃度位置發生改變。而雙缺陷在間距足夠大時不再對氫擴散和富集產生疊加影響，可看作兩個獨立的缺陷。研究成果為含雙腐蝕缺陷管道在輸氫環境中的安全評價提供了理論支撐。

關鍵詞：雙腐蝕缺陷,  氫分布,  有限元模擬,  X52管線鋼

結論：

本文建立了含雙腐蝕缺陷管道模型，耦合應力場和氫擴散場，探究了雙腐蝕缺陷處的氫富集情況，發現拉伸應變大小、缺陷間距、缺陷長度均會顯著影響氫原子在缺陷處的擴散和富集行為，導致富集區最大氫濃度隨拉伸應變、缺陷間距和長度不斷變化，意味著不同條件下氫致裂紋起始位置將隨之變化。主要結論如下：

(1) 無拉伸應變作用時，氫原子在管道上均勻分布，最大氫濃度是初始邊界氫濃度；施加拉伸應變后，氫原子在腐蝕缺陷處發生局部富集，最大氫濃度超過邊界濃度，并隨拉伸應變的增大而升高。不同拉伸應變下，最大氫濃度會在一個缺陷下方、管道外壁和兩缺陷中間上部3個位置變化，但不會接觸到缺陷邊界，始終保持一定的距離。

(2) 較小的拉伸應變(0.1%)下，不同間距的最大氫濃度相差很??；拉伸應變增大后(0.2%和0.5%)，間距較小(0、5和10 mm)的最大氫濃度位置改變的同時數值升高明顯，間距較大(15和20 mm)的最大氫濃度相對較小且位置不變。

(3) 雙缺陷間距不變時，缺陷長度的增大使最大氫濃度減小，且最大氫濃度會在較小拉伸應變下從一個缺陷下方上移至兩個缺陷的中間上部。

(4) 兩個間距0 mm、長度均為10 mm的缺陷與一個長度20 mm的缺陷處氫濃度分布不同，而間距15 mm以上時可以看作兩個獨立的缺陷考慮其對氫分布的影響。

圖2 在0.5%的拉伸應變下，長度10、20 mm單缺陷和相距0、5、10 mm雙缺陷處的靜水應力分布

Fig.2 Distributions of hydrostatic stress at single defect with length of 10 and 20 mm, double defects with spacing of 0, 5 and 10 mm under tensile strain of 0.5%

圖3 在0%，0.1%，0.2%和3%的拉伸應變下，長度20 mm單缺陷與相距0 mm的雙缺陷處的氫濃度分布

Fig.3 Distributions of hydrogen concentrations at single defect with a length of 20 mm and double defects with a spacing of 0 mm under tensile strains of 0% (a), 0.1% (b), 0.2% (c) and 3% (d)

圖6 不同間距的雙腐蝕缺陷模型底邊氫濃度分布

Fig.6 Linear distributions of hydrogen concentrations along the model bottom of double corrosion defects with a spacing of 0 mm (a), 5 mm (b), 10 mm (c) and 15 mm (d)

圖10 長度為10和20 mm單缺陷模型底邊氫濃度分布

Fig.10 Linear distributions of hydrogen concentrations along the model bottom of single corrosion defect with a length of 10 mm (a) and 20 mm (b)

本文引用格式:

郭詩雯, 吳浩志, 董紹華, 陳林, 程玉峰. 含雙腐蝕缺陷管道的氫濃度分布模擬. 中國腐蝕與防護學報[J], 2024, 44(2): 335-344

DOI:10.11902/1005.4537.2023.333

GUO Shiwen, WU Haozhi, DONG Shaohua, CHEN Lin, CHENG Frank. Simulation of Hydrogen Distribution in Pipeline with Double Corrosion Defects. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2024, 44(2): 335-344

DOI:10.11902/1005.4537.2023.333

通訊作者: 董紹華，研究方向為管道完整性管理

E-mail: shdong@cup.edu.cn

作者簡介: 郭詩雯，女，1995年生，博士生