氢在金属中扩散的有限元模拟.doc

  氢在金属中扩散的有限元模拟 陈立强，苏渊* （中国石油大学（北京）理学院，北京 102249） 5 摘要：油气生产、运输、炼化过程中由于硫化氢腐蚀所产生的氢原子向金属中扩散，将导致 金属发生氢损伤。本文针对氢在金属中扩散问题建立了二维有限元模型，并根据扩散方程和 传热方程的相似性，采用 ANSYS 有限元软件的热分析模块对氢扩散模型进行求解，分析讨论 了温度、氧化膜和夹杂物对氢在金属中扩散行为的影响规律。 关键词：氢损伤；氢扩散；氧化膜；夹杂物；有限元模拟；扩散系数 10 The Simulation Of Hydrogen Diffusion In Metal By FEM Chen Liqiang, Su Yuan (College of Science,China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249) Abstract: Hydrogen sulfide corrosion in Oil and gas production, transportation, refining process 15 20 25 30 35 40 produces diffusion of hydrogen atoms in metal, which cause the hydrogen damage of metal. In this paper, the two-dimensional finite element model had been established to research the problem of hydrogen diffusion in metals. Based on the similarity of diffusion equation and the heat transfer equation, the ANSYS finite element softwares thermal analysis module was applied to carry on the solution to the hydrogen diffusion model. Influence of temperature, surface film and inclusions on the hydrogen diffusion in metals were investigated. Keywords: Hydrogen damage; Hydrogen diffusion; surface film; inclusions; Finite element simulation; Diffusion coefficient 0 引言 在原油形成、运移、聚集过程中，因含硫有机物的存在，加上高温高压的环境作用，能 够分解形成较稳定的 H2S，而油气开采过程中滋生的硫酸盐还原菌和某些化学添加剂也会释 放出 H2S。H2S 在水中的溶解度比较高，对金属材料具有强烈的腐蚀性。H2S 环境下金属 腐蚀的电化学机理如下所示： 硫化氢电离：H2S→HS-+H+ HS-→S2-+H+ 阳极反应： Fe - 2e → Fe2+ 阴极反应： 2H+ + 2e → Had + Had → 2H → H2↑ ↓ [H]→ 钢中扩散 其中：Had - 钢表面吸附的氢原子 [H] - 钢中的扩散氢 总反应为：Fe + H2S → FeS↓+ H2↑ 在 H2S 腐蚀过程中，氢原子会在金属表面生成，而硫化物离子将会减慢金属表面氢原 子复合成氢分子的速率，这样会造成金属表面氢原子的积累，促进了氢原子向金属内部扩散。 氢原子进入金属后在金属内部缺陷等部位结合成氢分子，在氢气聚集区，材料内部产生氢压， 与材料的服役外力叠加协同作用下，会导致金属产生硫化物应力腐蚀开裂（SSC）、氢鼓泡 （HB）、氢致开裂（HIC）和应力定向氢致开裂（SOHIC）等不同类型的开裂损伤[1]。H2S 环境下金属的氢损伤与氢在金属中的扩散行为密切相关，本文尝试采用有限元数值模拟方法 作者简介：陈立强，男，（1971-），男，讲师，主要研究方向是热障涂层性能表征、材料性能计算模拟、 石油装备材料腐蚀评价. E-mail: chenlq@cup.edu.cn -1-   研究温度、表面膜和夹杂物对氢在金属中扩散行为的影响规律，为进一步理解 H2S 环境下 金属氢损伤演变过程和机制提供有价值参考。  45  1 有限元计算方法  1.1  基本理论 菲克第一定律指出在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称 为扩散通量 Diffusion flux，用 J 表示）与该截面处