[发明专利]基于氢扩散动力学的管道氢脆温度阈值预测方法和应用

说明书

本发明属于管道氢脆温度影响预测技术领域，本发明涉及基于氢扩散动力学的管道氢脆温度阈值预测方法和应用。具体步骤为：采用渗氢电流密度实验确定管线钢中的基体氢浓度与温度的关系，从而最终确定使缺陷力场饱和所需的氢原子数量N；通过分子动力学模拟确定氢原子扩散率与温度的关系，从而最终确定氢原子富集运动速度V；确定管道氢脆温度阈值，使N/V比值达到最小值的温度为氢脆最剧烈的温度。解决了温度对于管道寿命影响的不可预测性，对于管道完整性管理和风险评价意义重大。

技术领域

本发明属于管道氢脆温度影响预测技术领域，具体涉及基于氢扩散动力学的管道氢脆温度阈值预测方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

管线钢氢脆是由腐蚀过程中阴极析氢反应引起的，随着温度的升高，腐蚀反应更加剧烈，则析出且进入管线钢基体的氢原子也会随之增加。可推断，上升的基体氢浓度c_o有利于氢原子在缺陷周围的聚集，从而增强管线钢的氢脆，使得断裂更容易发生。

然而，温度升高对于缺陷周围平衡氢浓度影响遵循阿伦尼乌斯方程形式，如下所示：

其中σ^hyd是裂纹周围的静水压力，Ω_H是氢原子在管线钢中的组分体积，k_B是波尔兹曼常数，T是温度，而c_eq是缺陷周围的平衡氢浓度。只有填充饱和了由拉应力造成的应力集中区域，氢原子才可以继续向裂纹尖端聚集，并造成开裂。然而c_eq的数值受到c_o和exp()项中T的影响。可知随着温度上升，c_o会增大，然而exp()项会减小，因此温度对c_eq的影响是非线性的。

另外温度对于氢原子运移速率的影响也难以界定。氢原子向裂纹尖端的运移速率可由牛顿定律得到：

其中D是氢原子的扩散率，Ω_H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。其中随着温度的增加，扩散率D增大，然而1/T项会随之减小。因此温度对于氢原子向裂纹尖端的运动速度V的影响也是非线性的。

综上所述，发明人发现，现有的研究不仅无法确定，裂纹周边氢浓度与温度的关系，也无法确定氢原子向裂纹尖端聚集速率与温度的关系，因此，无法量化温度对于氢脆的影响。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于氢扩散动力学的管道氢脆温度阈值预测方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种基于氢扩散动力学的管道氢脆温度阈值预测方法，具体步骤为：

采用渗氢电流密度实验确定管线钢中的基体氢浓度与温度的关系，从而最终确定使缺陷力场饱和所需的氢原子数量N；

通过分子动力学模拟确定氢原子扩散率与温度的关系，从而最终确定氢原子富集运动速度V；

通过量化N/V比值的最小值，确定管道氢脆温度阈值。

通过预测方法，进行量化温度对氢脆的影响，确定管道氢脆温度阈值，N/V比值的最小值为氢脆最剧烈的温度。当氢原子填充饱和裂纹尖端的应力集中区后，即氢原子数量超过N时，剩余的氢原子可以继续向裂纹尖端自由表面运动，进而促进裂纹的生长。因此N/V的数值越小，代表氢原子填充裂纹前端应力集中区越快，即氢脆越剧烈。