[논문 리뷰] Coupled thermo-chemo-mechanical phase field-based modelling of hydrogen-assisted cracking in girth welds

L. Castro, Y. Navidtehrani. C. Betegón외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 01.

Hydrogen embrittlement and corrosion behaviors in metals인용 수 0

한 줄 요약

논문은 수소 노출 하에서 X80 파이프라인의 용접 무결성을 예측하기 위해 열-기계 융합 시뮬레이션과 다중 포획 수소 확산 및 수소 민감한 위상장 파손 모델을 결합하는 새로운 계산 프레임워크를 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• X80 강재의 다회 패스 게이트 용접에서 잔류 응력 및 열 영향부(Hazel) 특성 평가.
• 소성 변형, 수소 포획 및 위상장 파손을 포함하는 결합된 변형-확산-파손 모델 개발.
• 수소 환경 하에서 용접 무결성 평가 및 일반적인 용접 결함의 영향 식별.
• 용접 미세구조 및 결함이 전반 용접부의 수소 보조 균열에 미치는 영향 평가.

제안 방법

• 온도 의존적 재료 특성을 가진 순차 열-기계 문제로 용접 공정 모델링.
• 다패 SMAW 용접 중 탄성-소성 열-기계 반응을 시뮬레이션하기 위해 UMAT를 갖춘 Abaqus 사용.
• BM(BM), WM(WM), HAZ의 서로 다른 특성을 갖는 세 용접 영역 정의 및 이후 파손 해석과의 연계.
• 다중 트랩 유형과 소성 변형에 의해 유도되는 트랩 생성을 갖는 2단계(격자-트랩) 수소 수송 모델 구현.
• crack의 성장을 과거 이력 필드에 의해 주도하고 격자 수소에 의존하는 재료 인성으로 구성된 수소 민감 소성-위상장 파손 모델 적용.
• 재료 강도와 연결된 길이 스케일 매개변수를 갖는 AT2 위상장 포뮬레이션을 사용하여 균열 시작 및 전파를 캡처.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서비스 온도에서 BM, WM, HAZ의 서로 다른 용접 영역에서 다중 패스 게이트 용접으로 인한 잔류 응력이 수소 확산 및 포획에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다중 트랩 수소 확산 및 위상장 파손과 결합된 열-기계 용접 시뮬레이션이 X80 게이트 용접에서 수소 보조 균열을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ3 용접 파이프라인에서 일반적으로 나타나는 결함(공극, 융합 부재 부족, 하단 절단, 루트 수축, 절개 등)이 수소 취성 및 파손 위험에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 소성 변형 동안 증가하는 소선치 포획 밀도가 수소 수송 및 파손 저항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 모델이 수소가 풍부한 환경에서 BM, WM, HAZ 시편의 실험적 파손 거동을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 열-기계 용접 시뮬레이션은 BM, HAZ 및 WM 영역을 식별하고 용접 근방에서 잔류 인장 응력이 약 730 MPa에 이르는 것으로 나타났다.
• HAZ 폭은 약 3 mm로 실험 관찰과 일치하며 잔류 응력 필드는 두께 의존적 변화를 보인다.
• 결합된 변형-확산-파손 프레임워크가 수소 포획 및 확산 효과를 포착하여 수소 노출 하의 균열 시작 및 성장 예측을 가능하게 한다.
• 천연 가스 파이프라인에서 흔히 나타나는 용접 결함(공극, 침투 부족, 융합 부족, 루트 수축, 절개 등)은 수소 환경에서 구조적 무결성에 상당한 악영향을 미친다.
• 모델은 BM, WM, HAZ에 걸친 실험실 파손 실험과 잘 일치하며, 결함이 있는 파이프라인의 임계 파손 압력을 추정할 수 있다.