[論文レビュー] Coupled thermo-chemo-mechanical phase field-based modelling of hydrogen-assisted cracking in girth welds

L. Castro, Y. Navidtehrani. C. Betegón+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2026

Hydrogen embrittlement and corrosion behaviors in metals被引用数 0

ひとこと要約

要旨の直訳: 本論文は、水素曝露下での溶接部の健全性を予測するために、熱機械溶接シミュレーションと多重トラップ水素拡散および水素感応相場場破壊モデルを結合した新しい計算フレームワークを提示する。

ABSTRACT

A new computational framework is presented to predict the structural integrity of welds in hydrogen transmission pipelines. The framework combines: (i) a thermo-mechanical weld process model, and (ii) a coupled deformation-diffusion-fracture phase field-based model that accounts for plasticity and hydrogen trapping, considering multiple trap types, with stationary and evolving trap densities. This enables capturing, for the first time, the interplay between residual stresses, trap creation, hydrogen transport, and fracture. The computational framework is particularised and applied to the study of weld integrity in X80 pipeline steel. The focus is on girth welds, as they are more complex due to their multi-pass nature. The weld process model enables identifying the dimensions and characteristics of the three weld regions: base metal, heat-affected zone, and weld metal, and these are treated distinctively. This is followed by virtual fracture experiments, which reveal a very good agreement with laboratory studies. Then, weld pipeline integrity is assessed, estimating critical failure pressures for a wide range of scenarios. Of particular interest is to assess the structural integrity implications of welding defects present in existing natural gas pipelines under consideration for hydrogen transport: pores, lack of penetration, imperfections, lack of fusion, root contraction, and undercutting. The results obtained in hydrogen-containing environments reveal an important role of the weld microstructure and the detrimental effect of weld defects that are likely to be present in existing natural gas pipelines, as they are considered safe in gas pipeline standards.

研究の動機と目的

• X80鋼の多パスジース溶接からの残留応力と熱影響部位（HAZ）特性を特徴づける。
• 塑性変形、水素トラップ、および相場場破壊を含む結合変形-拡散-破壊モデルを開発する。
• 水素環境下での溶接健全性を評価し、一般的な溶接欠陥の影響を特定する。
• 溶接の微細構造と欠陥がジース溶接部の水素支援割れに与える影響を評価する。

提案手法

• 温度依存性材料特性を持つ逐次熱機械問題として溶接プロセスをモデル化する。
• Abaqusを用いUMATで多重パスSMAW溶接中の弾性-塑性熱機械応答をシミュレートする。
• 3つの溶接領域（ BM, WM, HAZ）を明確な特性で定義し、溶接結果を後続の破壊解析に結合する。
• 複数のトラップタイプと塑性変形によって駆動されるトラップ生成を持つ2レベル（格子トラップ）水素輸送モデルを実装する。
• 水素感応性の弾性-塑性相場場破壊モデルを適用し、亀裂成長はヒストリーフィールドによって駆動され、格子水素によって材料の靭性が変化する。
• 長さスケールパラメータを材料強度に関連付けたAT2相場場形式を用いて亀裂の initiationと進展を捕捉する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サービス温度下での多パスジース溶接による残留応力が異なる溶接領域（BM, WM, HAZ）での水素拡散とトラップにどのように影響するか。
• RQ2 耦合熱機械溶接シミュレーションと多重トラップ水素拡散および相場場破壊を組み合わせた手法は、X80ジース溶接部の水素支援割れを正確に予測できるか。
• RQ3 天然ガスパイプラインで一般的に見られる欠陥（ポーリティ、浸透不足、過小溶着、根部収縮、しゃくれ etc.）が水素脆化と破壊リスクに及ぼす影響は。
• RQ4 塑性変形中のディスロケーショントラップ密度の進化が水素輸送と破壊抵抗にどのように影響するか。
• RQ5 水素豊富環境下でBM, WM, HAZ試料の実験破壊挙動をモデルがどれだけ再現できるか。

主な発見

• 熱機械溶接シミュレーションはBM, HAZ, WM領域を同定し、溶接根元近傍で約730 MPaの残留引張応力を明らかにする。
• HAZの幅は約3 mmと推定され、実験観察と一致し、残留応力場は厚さ依存的変動を示す。
• 結合した変形-拡散-破壊フレームワークは水素トラッピングと拡散効果を捉え、水素曝露下での亀裂initiationと成長を予測可能にする。
• 天然ガスパイプラインで一般的に見られる溶接欠陥（ポロシティ、貫通不足、融合不足、根部収縮、しゃくれ）が水素環境下で構造健全性に大きな悪影響を与える。
• モデルはBM, WM, HAZにわたる実験室破壊実験と良好な一致を示し、欠陥を有するパイプラインの臨界故障圧力を推定できる。