Моделирование водородной деградации металлической трубы под давлением

Аннотация

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.