背景简介

随着氢能作为清洁能源的快速发展，氢气在储存与输运过程中的结构安全问题日益受到关注，其中氢致脆化会显著降低金属材料的延性、断裂韧性及抗疲劳性能，成为制约氢能基础设施可靠性的关键因素。焊接接头作为管道结构中的薄弱环节，在多道焊热循环作用下形成复杂的组织非均匀性（如母材(Base Metal , BM)、焊缝金属(Weld Metal , WM)及热影响区(Heat-Affected Zone , HAZ)）以及高水平残余应力场，使其对氢致开裂更加敏感。同时，焊接过程中不可避免的缺陷（如气孔、未熔合等）进一步加剧了局部应力集中与氢富集效应，显著提高失效风险。然而，由于氢扩散、应力演化与裂纹扩展之间存在显著的多物理场耦合特征，传统试验方法难以对其进行系统表征与机理解析。因此，发展能够统一描述热-化学-力学耦合行为的高精度数值模拟方法，对于揭示氢致开裂机理并实现结构完整性预测具有重要意义。

成果介绍

（1）建立焊接热-力过程与结构完整性分析的统一框架。本文首先建立了环焊缝多道焊热-力耦合模型，通过热传导方程（式(1)）与应变分解关系（式(2)）描述温度场与应力场演化。焊缝几何及分区如图1所示，材料温度依赖性见图2，残余应力分布结果如图3所示。结果表明，焊根区域形成显著拉应力集中，是后续氢富集与裂纹萌生的关键位置。

图1 X80 级输氢管道环焊缝 2D 轴对称仿真模型

图2 典型材料参数随温度的变化曲线：(a) 热学性能指标：热膨胀系数、热导率及比热容；(b) 力学性能指标：杨氏模量、初始屈服强度及密度

图3 焊接仿真过程及结果场图：(a) 焊接动态演化；(b) 热影响区测点温度曲线；(c) 残余应力与应变分布

（2）建立多陷阱氢扩散模型并考虑塑性诱导陷阱演化。在氢扩散方面，本文基于晶格-陷阱双层模型，采用扩散控制方程（式(3)）及Oriani平衡关系（式(4)）描述氢在不同陷阱中的分配，并通过位错密度演化关系刻画塑性变形对陷阱密度的影响。相关参数见表1，该模型能够反映焊缝不同区域的氢传输与富集行为。

表1 焊接接头氢陷阱参数

（3）构建氢依赖相场断裂模型并实现三场耦合。基于相场方法建立弹塑性断裂模型，总自由能形式如式(5)所示，退化函数见式(6)–式(7)。通过引入氢浓度相关断裂韧性退化关系（式(8)），实现氢对材料抗裂能力的影响描述，其标定结果如图4所示。同时，力学场、扩散场与断裂场通过式(9)–式(10)和式(3)实现统一耦合。

图4 氢致退化模型与试验数据的对比验证

（4）模型验证结果如图5所示，裂纹扩展抗性(J-R)曲线与试验结果吻合良好；在此基础上，结构完整性分析模型及其边界条件如图6和式(11)–式(12)所示。典型结果如图7所示，裂纹从焊根萌生并沿热影响区（HAZ）扩展，氢环境使结构在25 MPa即发生断裂，低于屈服压力。进一步分析表明，未焊透、气孔等焊接缺陷会显著降低结构承载能力，并改变裂纹扩展路径。

图5 X80 钢焊接接头三区 J-R 曲线：数值模拟与试验验证对比

图6 输氢管道环焊缝边界条件与几何模型示意图

图7 初始无缺陷管道在三种氢气压力下的关键属性云图对比：(a) 5MPa压力水平; (b) 15MPa压力水平; (c) 25MPa压力水平

致谢

作者感谢阿斯图里亚斯区政府（项目号：SV-PA-21-AYUD/2021/50985）、西班牙科学、创新与大学部（项目号：MCINN-23CPP2021-008986）以及西班牙经济与竞争力部（项目号：PID2021-124768OB-C22）的资金支持。此外，L. Castro 感谢 IUTA 的资助（项目号：SV-21GIJÓN-1-18）；E. Martínez-Pañeda 感谢英国研究与创新署（UKRI）“未来领袖学者”计划（项目号：MR/V024124/1）、韩国国家研究基金会（NRF）MSIT 项目（项目号：RS-2024-00397400）以及 UKRI 欧盟地平线保证计划（ERC 启动基金 ResistHfracture，项目号：EP/Y037219/1）的资助。本文第一作者：Lucas Castro（University of Oviedo），本文通讯作者：Emilio Martínez-Pañeda（University of Oxford）。

本期小编 高 欣（整理）

罗凌颖 （校对）

刘昊东 （审核）

董乃健 （发布）