油气管道主要依靠焊接工艺实现管段连接,然而焊接过程中不仅会引发局部应力集中,而且易导致裂纹萌生。管道混合输氢是未来长距离输氢的主要途径,而氢原子可通过渗透作用进入焊缝区域,使管线钢力学性能降低,甚至失效。因此,本文通过建立焊接残余应力和氢扩散协同作用下的含裂纹X80管道模型,探究焊接-氢扩散-裂纹多因素耦合作用下疲劳裂纹扩展速率及管道疲劳寿命。主要研究内容如下: (1)有限元模型建立与验证。基于ABAQUS软件建立X80管道焊接模型,通过双椭球热源模型与生死单元技术实现了温度场-应力场的动态模拟,并与管道焊接实验得到的应力进行比较,验证了管道焊接模型的可靠性。通过FRANC3D软件建立包含焊接残余应力场的X80管道裂纹扩展模型,对管道内表面裂纹进行疲劳扩展仿真,并对裂纹扩展实验得到的扩展速率进行比较,验证了裂纹扩展模型的可靠性。在含有裂纹模型数据的文件中添加关键字后导入ABAQUS软件中进行应力诱导氢扩散耦合。 (2)分析了热处理前后焊接残余应力分布规律、焊接残余应力对疲劳裂纹扩展速率及管道疲劳寿命的影响。研究表明:焊接残余应力主要集中于焊缝及热影响区附近,热处理工艺可降低焊接残余应力峰值。相较于无焊接残余应力管道,存在焊接残余应力管道的疲劳裂纹扩展速率更快,疲劳寿命更短。 (3)分析了焊接残余应力和氢扩散协同作用下疲劳裂纹扩展速率、裂纹前缘应力强度因子分布和管道疲劳寿命。研究表明:在应力梯度场中,静水应力通过降低氢的化学势能,驱动氢原子向裂纹前缘扩散并富集。当X80管道处于含氢环境时,管道的疲劳寿命比不含氢环境显著降低。轴向裂纹的扩展速率和裂纹前缘氢浓度峰值最大,斜裂纹次之,环向裂纹最小。 (4)根据X80管线钢不同规范评估标准,分析了不同类型裂纹的临界尺寸。研究表明:提高掺氢比可使裂纹的临界尺寸降低。当管道失效时,环向裂纹的临界尺寸最大,斜裂纹次之,轴向裂纹最小。在评估管道内表面裂纹时,相较于GB/T19624-2019规范,SY/T 6477-2017规范评估标准偏保守。