[发明专利]基于氢扩散动力学的管道剩余寿命预测方法及系统

说明书

本公开公开了基于氢扩散动力学的管道剩余寿命预测方法及系统，包括：获取待寿命预测的管道基本数据；将待寿命预测的管道基本数据，输入到筛选出的管道裂纹生长速率计算模型中，输出管道裂纹生长速率；根据初始裂纹尺寸和管道裂纹生长速率，预测出管道剩余寿命。

技术领域

本公开涉及管道寿命预测技术领域，特别是涉及基于氢扩散动力学的管道剩余寿命预测方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

传统的氢脆研究往往只能定性地探讨氢原子对材料的脆化机理，主要有HELP(Hydrogen Enhanced Local Plasticity)，HEDE(Hydrogen Enhanced Decohesion)和hydrogen bubble theory(缺陷中氢原子聚集产生氢气所引起的局部应力提高)这些理论。

HELP理论强调氢原子能促进裂纹尖端的位错移动，从而极大地提高局部塑性。这种观点乍看之下是与氢导致脆性变形的理论相悖的，然而，当裂纹尖端发射出的位错遇到晶界，会极大提高晶界附近的应变能，从而使沿晶断裂更容易发生，这显然会极大地促进脆性断裂的形成。

另一种观点与HELP相反，氢原子会富集到应力集中区，也就是裂纹尖端的塑性区，从而阻碍位错的生成，使得断裂成为卸载应变能的唯一方式。

HEDE理论认为氢原子会更多地被囚禁到晶界和相界面附近。氢原子不仅降低了表面能，使得自由表面更容易形成，也增加了界面附近的应变能，使得晶界处更容易发生断裂。

氢原子聚集区域更容易产生小的裂纹，而氢原子在裂纹或者孔洞中会结合产生氢气，在这种情况下局部应力也相应提高，这就是氢气泡理论的由来。

在裂纹生长之前，即裂纹尖端自由表面形成之前，氢原子引起的破坏作用并非不可逆转。适当地提高材料温度，可以使氢原子从自由表面渗出，从而有效抑制氢脆作用。

温度对于氢脆作用的影响并不是线性的：温度过低，氢原子扩散速率过慢，使得氢原子很难集聚到缺陷周围发挥作用；温度太高，氢原子的运动过快，也会发生渗氢现象，从而使氢脆作用弱化。

应力强度和应力变化速率对于氢原子的运动也影响巨大，裂纹尖端的氢原子富集速率如公式(1)所示：

其中，F_r是与势能有关的轴向应力，k_B是波尔兹曼常数，D是氢原子的扩散率，Ω是氢原子的组分体积，v是铁的泊松比，K_I代表裂纹尖端的应力强度。

当应力强度变大，氢原子向裂纹尖端移动速率快，将更加容易引起裂纹生长。这种氢富集与应力强度的定量关系为应力强度和裂纹生长速率的定量关系提供了理论依据。除此之外，应力强度的变化速率也十分重要，当存在过于频繁的卸载和加载操作时，即便应力强度很大，氢原子也无法得到足够的富集时间，氢脆对裂纹生长影响也不明显。

基于以上理论，初始的氢扩散裂纹扩展模型，尝试定量描述氢原子浓度以及扩散速率对裂纹生长的影响。

通过计算氢原子扩散到裂纹尖端以原子比为1填充自由表面的速率来得到裂纹生长的速率，并推导力学模型如下：

其中，是裂纹生长速率，Δa是裂纹长度变化，t是时间，c_o是氢原子浓度。然而，由于纯力学模型过于理想化的应用条件(忽略了塑性区和疲劳的影响)，该模型无法应用于实际管道断裂预测。实际操作中，裂纹生长预测往往用经验模型解决，例如Paris模型：