Моделирование водородной деградации металлической трубы под давлением
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.19, 2026 года.
Бесплатный доступ
Моделирование влияния водорода на прочность металлической конструкции - актуальная проблема. Опасность воздействия водорода заключается в том, что зачастую процесс происходит без видимых внешних признаков, а последствия проявляются только в момент разрушения. Взаимодействие водорода с металлом приводит к изменению механических свойств последнего и, как следствие, к перераспределению напряжений внутри изготовленной из него конструкции. Вследствие модификации внутренних напряжений, в свою очередь, создаются другие условия для диффузии водорода. В результате возникает сложная взаимосвязь, которую необходимо учитывать при расчетах прочности реальных конструкций. В работе предлагается математическая модель процесса деградации материала трубы под воздействием внутреннего давления водородосодержащей среды. Рассматриваются два континуума: твердое деформируемое тело и свободно диффундирующий водород, который при определенных условиях присоединяется к атомам металла и становится связанным. При этом водород поглощает энергию из кристаллической решетки, что и является причиной ухудшения механических свойств металла. Поскольку процесс взаимодействия водорода и металла протекает очень медленно, полагается, что он квазистационарен. Осуществлено моделирование взаимного влияния диффузии водорода и напряженно-деформированного состояния трубы на внедрение водорода в металл и ухудшение его механических свойств. Разработан итерационный алгоритм расчета эволюции состояния во времени трубы, ослабляемой водородом. Проведены численные расчеты механических напряжений, концентраций свободного и связанного водорода в трубе, а также изменения модуля упругости металла в результате накопления поврежденности. Расчеты показали, что некоторые сочетания концентрации водорода и давления на стенку трубы могут привести к образованию в ней пор и окружных трещин.
Короткий адрес: https://sciup.org/143186124
IDS: 143186124 | УДК: 539.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2026.19.2.13
Modeling of hydrogen degradation of a metal pipe under pressure
Modeling of hydrogen effect on the strength of a metal structure is an urgent problem. The hazard of detrimental action of hydrogen lies in the fact that it often has no visible external signs and reveals itself only at the instant of structure failure. The effect of hydrogen on the metal changes its mechanical properties and, as a result, leads to a redistribution of stresses inside the structure. This, in turn, affects the diffusion of hydrogen, creating a complex interrelation that must be taken into account when calculating the strength of real structures. The paper presents a mathematical model for computing the process of degradation of pipe material under pressure of hydrogen-containing medium. Two continuums are considered: a deformable body and freely diffusing hydrogen, which, under certain conditions, attaches to metal atoms and becomes bound hydrogen. In this case, hydrogen absorbs energy from the crystal lattice, which causes deterioration of mechanical properties of the metal. Since the process of interaction between hydrogen and metal proceeds very slowly, it is considered as quasi-stationary. The mutual influence of hydrogen diffusion and stress-strain state of the pipe on the penetration of hydrogen into the metal and degradation of its mechanical properties is modeled numerically. An iterative algorithm has been developed to calculate the change in the stress-strain state of the pipe weakened by hydrogen. Numerical calculations have been carried out to evaluate mechanical stresses, concentrations of free and bound hydrogen in the pipe, as well as changes in the modulus of elasticity of the metal as a result of damage accumulation.. The calculations show that some combinations of hydrogen concentration and pressure on the pipe wall can lead to the formation of pores and circumferential cracks in the pipe.
