多种油气运输方式中,管道运输具有其独特的优势且受到广泛应用。随着油气建设的快速发展,对管道运输要求的日益增高,管线钢材料向着高钢级发展,作为新一代高强高韧性管线钢,X80管线钢越来越多地被投入使用。由于服役条件复杂、运行环境多样,管线钢在运行中易于遭受各类腐蚀问题。相较于单一氢扩散或应力作用下的腐蚀开裂,当在役管线钢受到两者的双重耦合作用时,其断裂失效的可能性大大增加。管线钢发生腐蚀开裂易导致油气泄漏,有引发火灾、爆炸等事故的可能性,影响管道的安全运行。因此,有必要研究针对X80管线钢研究其氢致应力腐蚀开裂行为。本文的主要研究内容和取得的研究成果如下:(1)基于有限元软件ABAQUS,建立了单边缺口拉伸模型,对X80管线钢中载荷作用下氢扩散行为进行了模拟。模拟过程以菲克第二定律为基础,采取应力场-扩散场顺序耦合的方式导入应力对氢扩散的作用,从模拟结果中提取裂纹尖端路径中氢浓度值大小,分析氢原子的分布规律。结果显示,氢原子呈现出与静水应力相一致的分布规律,并富集于最大应力处,氢浓度峰值出现在距离裂纹尖端一定距离处,与已有类似试验结论相符。提取尖端路径等效塑性应变值并处理,总结出不同载荷作用下晶间氢浓度与总氢浓度的分布规律。(2)针对扩散时间、初始氢浓度和初始尖端长度等影响因素展开氢扩散规律研究。结果显示:扩散初期,氢原子浓度迅速提高,随着扩散时间的推移,氢原子扩散速率减缓且含量趋于稳定;初始氢浓度与初始尖端长度主要影响稳态氢浓度数值大小,呈现出正向相关的变化规律,两个因素对氢原子的分布规律作用微小,氢浓度峰值位置在尖端路径的移动显微。(3)采用内聚力模型(Cohesive Zone Model,CZM)模拟氢扩散在应力腐蚀裂纹形核扩展中的作用,总结多种形式的CZM张力位移关系,考虑氢扩散对张力位移准则(Traction-Separation Law,TSL)参数的影响关系,考察氢浓度与最大拉伸应力、断裂能的函数曲线,建立受氢扩散影响的多项式CZM本构方程,编写有限元子程序VUMAT并嵌入模型中计算。建立X80管线钢三点弯曲有限元模型,在ABAQUS内开展基于CZM的裂纹扩展数值模拟,将模拟结果值与已有的试验数据进行拟合,获取相关的内聚参数值,得到未腐蚀材料内聚能值为氢腐蚀后内聚能值的2.29倍,材料抵抗损伤的能力受到氢扩散的影响而减弱,同时裂尖单元损伤加速。(4)针对管线钢氢致应力腐蚀开裂行为开展多因素影响模拟分析,根据X80管线钢断裂韧性实验结果设置基础数据,选取施加载荷大小和缺口尺寸作为主要影响因素,从不同条件下的模拟结果中提取氢浓度分布规律、内聚力单元相关参数,根据获得的Δa-δ曲线,总结裂纹开裂参数值的变化。同时,建立不同厚度的氢致应力腐蚀开裂模型,分析厚度方向氢扩散情况,得到不同厚度对X80管线钢中氢扩散及管线钢开裂的影响。本文的研究成果将氢扩散与受其影响的裂纹开裂紧密联系起来,不仅分析了X80管线钢在氢环境下的应力腐蚀开裂规律,并且总结了各相关参数对其产生的影响,为管道运行中腐蚀开裂的防范提供了一定的理论依据。