Modeling of hydrogen-induced fracture toughness degradation of pipe steel

Abstract

У роботі запропоновано уточнення до існуючої моделі деградації тріщиностійкості трубної сталі під впливом водню шляхом введення додаткового коефіцієнта матеріалу. Сформульовано нову модель деградації, яка дозволяє значно спростити процес прогнозування без втрати точності. Запропонована модель оперує відносними концентраціями водню та тріщиностійкістю, що дало змогу знизити середню абсолютну похибку більш ніж у 60 разів. Показано фундаментальну різницю між деградованою сталлю після експлуатації та її вихідним станом, для кожного з яких розроблено окремі моделі. Для обох моделей використано метод найменших квадратів для визначення коефіцієнтів на основі експериментальних даних. Виведено рівняння дифузії водню з урахуванням механічного навантаження, що діє на стінку труби. Доведено, що різниця між використанням сталого значення напруження та розв’язком рівняння Ламе становить лише 2%, що дозволяє спростити рівняння дифузії до класичної форми. Наведено приклад застосування нової моделі разом із розв’язком рівняння дифузії для реальних параметрів труб. Розроблені моделі апробовано на експериментальних даних і показано високу точність прогнозування деградації тріщиностійкості сталі. Моделі враховують вплив концентрації водню по товщині стінки труби. Встановлено, що деградація тріщиностійкості у сталі після тривалої експлуатації відбувається значно інтенсивніше, ніж у сталі у вихідному стані. Для резервної сталі деградація добре описується лінійною моделлю, а для деградованої – оберненою функцією. Моделі можуть бути використані для оцінювання технічного стану трубопроводів, що транспортують водень чи водневмісні середовища. Обґрунтовано можливість подальшої інтеграції розроблених моделей у фізично-інформовані нейронні мережі для підвищення точності прогнозування. Отримані результати можна використати для оцінювання залишкового ресурсу водневих трубопроводів та оптимізації планування їхнього обслуговування, що сприятиме підвищенню безпеки їхньої експлуатації.

A correction to the existing hydrogen-induced fracture toughness degradation model was introduced. We formulated a new degradation model that simplifies predictions without compromising accuracy, effectively reducing the mean absolute error from 93 N/mm to 1.4 N/mm on experimental data – a reduction of more than 60 times. The fundamental difference between degraded steel and its as-delivered (reserve) state was demonstrated, and two separate models were proposed for each case. It was shown that the difference between using a constant stress value and the solution to the Lamé equation is only 2%, which justified simplifying the chosen diffusion equation to a classical form. An example application of the new model, together with the solution to the diffusion equation, was presented. The developed models were applied to the parameters of real pipes and validated against experimental data.