[發明專利]基于氫擴散動力學的管道氫脆溫度閾值預測方法和應用

有效

• 申請號: 202011473914.1
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112666066B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 邢瀟;李鳳英;劉建國;崔淦;李自力;羅小明;茍金鑫;于鑫;張瑞宇
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01N17/00
• 分類號: G01N17/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張曉鵬

本發明屬于管道氫脆溫度影響預測技術領域，本發明涉及基于氫擴散動力學的管道氫脆溫度閾值預測方法和應用。具體步驟為：采用滲氫電流密度實驗確定管線鋼中的基體氫濃度與溫度的關系，從而最終確定使缺陷力場飽和所需的氫原子數量N；通過分子動力學模擬確定氫原子擴散率與溫度的關系，從而最終確定氫原子富集運動速度V；確定管道氫脆溫度閾值，使N/V比值達到最小值的溫度為氫脆最劇烈的溫度。解決了溫度對于管道壽命影響的不可預測性，對于管道完整性管理和風險評價意義重大。

技術領域

本發明屬于管道氫脆溫度影響預測技術領域，具體涉及基于氫擴散動力學的管道氫脆溫度閾值預測方法和應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

管線鋼氫脆是由腐蝕過程中陰極析氫反應引起的，隨著溫度的升高，腐蝕反應更加劇烈，則析出且進入管線鋼基體的氫原子也會隨之增加。可推斷，上升的基體氫濃度c_o有利于氫原子在缺陷周圍的聚集，從而增強管線鋼的氫脆，使得斷裂更容易發生。

然而，溫度升高對于缺陷周圍平衡氫濃度影響遵循阿倫尼烏斯方程形式，如下所示：

其中σ^hyd是裂紋周圍的靜水壓力，Ω_H是氫原子在管線鋼中的組分體積，k_B是波爾茲曼常數，T是溫度，而c_eq是缺陷周圍的平衡氫濃度。只有填充飽和了由拉應力造成的應力集中區域，氫原子才可以繼續向裂紋尖端聚集，并造成開裂。然而c_eq的數值受到c_o和exp()項中T的影響。可知隨著溫度上升，c_o會增大，然而exp()項會減小，因此溫度對c_eq的影響是非線性的。

另外溫度對于氫原子運移速率的影響也難以界定。氫原子向裂紋尖端的運移速率可由牛頓定律得到：

其中D是氫原子的擴散率，Ω_H是氫原子的組分體積，v是鐵的泊松比，K_I代表裂紋尖端的應力強度。其中隨著溫度的增加，擴散率D增大，然而1/T項會隨之減小。因此溫度對于氫原子向裂紋尖端的運動速度V的影響也是非線性的。

綜上所述，發明人發現，現有的研究不僅無法確定，裂紋周邊氫濃度與溫度的關系，也無法確定氫原子向裂紋尖端聚集速率與溫度的關系，因此，無法量化溫度對于氫脆的影響。

發明內容

針對上述現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種基于氫擴散動力學的管道氫脆溫度閾值預測方法。

為了解決以上技術問題，本發明的技術方案為：

第一方面，一種基于氫擴散動力學的管道氫脆溫度閾值預測方法，具體步驟為：

采用滲氫電流密度實驗確定管線鋼中的基體氫濃度與溫度的關系，從而最終確定使缺陷力場飽和所需的氫原子數量N；

通過分子動力學模擬確定氫原子擴散率與溫度的關系，從而最終確定氫原子富集運動速度V；

通過量化N/V比值的最小值，確定管道氫脆溫度閾值。

通過預測方法，進行量化溫度對氫脆的影響，確定管道氫脆溫度閾值，N/V比值的最小值為氫脆最劇烈的溫度。當氫原子填充飽和裂紋尖端的應力集中區后，即氫原子數量超過N時，剩余的氫原子可以繼續向裂紋尖端自由表面運動，進而促進裂紋的生長。因此N/V的數值越小，代表氫原子填充裂紋前端應力集中區越快，即氫脆越劇烈。