天然气管道对现代能源传输至关重要，在全球能源系统中发挥着重要作用[[1], [2], [3]]。然而，在运行过程中，这些管道可能会因外部作用而遭受机械损伤。凹痕是这种损伤的常见形式[[4], [5], [6]]。它们发生在运输、安装或服役期间外力使管道变形时。凹痕通过引入局部应力集中而损害结构完整性[7,8]，从而增加裂纹起始、泄漏甚至灾难性故障的风险，对安全输气和周围环境构成威胁。因此，进行凹痕完整性评估至关重要。此类评估不仅提高了运行可靠性和效率，还有助于实现能源系统向低碳路径转型的安全、环境保护和高效运行目标[9]。
现有的凹痕评估标准主要分为基于深度的标准（CSA Z662, 2019 [10]; ASME B31.4, 2016 [11]; 49 CFR 192, 2017 [12]）和基于应变的标准（ASME B31.8, 2020 [13]）。虽然前者易于应用，但往往过于保守。后者旨在更准确地量化机械响应，但由于复杂的应力状态和几何非线性，在实际应用中面临挑战。此外，基于深度的准则背后的简化假设可能导致对凹痕引起的损伤高估[14]，这可能会引发不必要的维修甚至管道更换，从而导致不必要的材料消耗、额外的建筑相关能源使用以及增加的运行和维护成本[15]。
随着金属行业加速向资源高效利用和循环经济的转型，通过科学评估减少初级钢铁消耗和避免冗余维护已被广泛认为是关键途径[16]。在这方面，数字孪生（DT）技术在航空航天、制造和能源工程领域取得了迅速进展。这一进步得益于数字孪生能够动态映射结构状态并预测未来系统响应。因此，DT逐渐成为结构健康监测和预测性维护的关键框架[[17], [18], [19], [20], [21]]。在管道完整性管理[22]中，数字孪生为精细评估凹痕等缺陷提供了新途径。通过利用数据和模型之间的双向耦合，它们实现了持续的风险预测和适应性决策。凭借可量化和可重复的评估指标，这些方法可以提高评估的透明度和一致性。它们还有助于平衡安全性、经济成本和环境影响，从而促进更可持续的资产管理[[23], [24], [25]]。因此，开发更准确的凹痕损伤评估方法可以减少不必要的资源浪费，并延长资产的安全使用寿命。这些改进也为未来的基于数字孪生的预测性维护提供了必要的建模基础和方法论支持。
为了提高凹痕评估的准确性，研究人员开发了多种方法，包括理论分析[26,27]、实验研究[[28], [29], [30]]和有限元模拟[[31], [32], [33]]。Lukasiewicz等人[34]将分析模型与针对管道圆柱几何形状的壳型有限元公式相结合。这种方法能够捕捉非线性材料行为，但在涉及大变形时计算量较大。Adrian等人[35]通过跟踪压痕过程中管壁颗粒的位移来估算应变，但假设了纯径向变形，这种简化假设削弱了计算应变分布的可靠性。Husain[36]采用概率统计方法推导出凹痕区域应力-应变场的分析表达式，尽管所得公式复杂且缺乏实际可行性。尽管这些方法提高了凹痕评估的准确性，但它们通常受到限制性假设、有限通用性或计算复杂性的影响。在此背景下，近年来塑性断裂准则越来越多地被引入到管道凹痕的安全评估中。
后续研究表明，塑性断裂准则可以有效评估凹痕管道区域的损伤，提供了更准确的凹痕诱导失效评估方法[37,38]。最初，Allouti等人[39]应用塑性断裂准则来评估凹痕管道。此外，一些研究人员将塑性断裂准则与有限元分析和实验结果相结合，研究凹痕管道的承载能力[[40], [41], [42], [43], [44]]。Zhu等人[45]从载荷-位移曲线的最大载荷点提取断裂参数，以校准塑性断裂准则，预测不同应力状态下X80管道钢的断裂行为。Han等人[46]将载荷下降点视为断裂的起始点，并校准和验证了几种塑性断裂准则，包括Gurson–Tvergaard–Needleman（GTN）和修正莫尔-库仑（MMC）模型，证明这些准则可以准确再现X80管道的断裂响应。Riccardo等人[47], [48], [49], [50]回顾和综合了主流塑性断裂模型，总结了它们的适用性和各自的优势与局限性，并讨论了如相场模拟等先进技术的发展潜力。然而，现有研究通常关注宏观断裂阶段，对宏观裂纹形成前的损伤累积和机械性能退化关注不足。因此，在实际工程应用中，早期损伤演变常常被忽视，降低了早期预警系统和预防性维护的有效性。
作者团队近年来也研究了凹痕管道。具体来说，作者之前提出了一种基于Oyane塑性断裂准则的凹痕管道安全评估方法[51]。这项工作建立在一系列关于凹痕管道力学和行为的研究基础上[4,37,46,51]。该方法考虑了管道凹痕的反弹过程，定义了监测和修复阈值，并改进了传统的凹痕评估方法。然而，Oyane准则在简单应力条件下有效，但在低三轴性条件（如剪切或压缩）下可能会导致较大偏差[52]。此外，该方法没有充分考虑累积损伤效应。因此，所提出的监测阈值存在一定的局限性，降低了其在实际工程应用中的可操作性和有效性。因此，需要进一步的技术改进以提高方法的准确性和适用性。
近年来，修正莫尔-库仑（MMC）模型受到了广泛关注，并被广泛用于表征不同材料和加载条件下的塑性断裂[[53], [54], [55]]。Bai和Wierzbicki[52]提出了一种将基于应力的莫尔-库仑（MC）失效准则转换为基于应变的公式的详细程序，为该模型的工程应用奠定了基础。在此基础上，许多研究人员进一步扩展了修正MMC模型的适用性。这些努力不仅通过集成实验-数值方法验证了该模型对高强度钢的鲁棒性和准确性，还试图通过将其与微观力学损伤机制联系起来来深化其解释[[56], [57], [58], [59]]。例如，[59]之类的研究系统分析了MMC型断裂准则的微观损伤能量和局部化机制，从而明确了其三轴性和Lode参数依赖性的微观力学基础。一项系统综述[60]总结了金属中空洞形成的研究进展，并强调了理解变形材料中发生的微观结构现象的重要性。这些研究为塑性断裂模型中使用的现象学断裂位置提供了更明确的微观力学解释。随后，研究人员[[61], [62], [63], [64]]将修正MMC准则应用于与管道相关的问题，并与其他几种塑性断裂准则进行了比较分析。他们的结果表明，MMC准则在捕捉高强度管道钢的损伤起始和演变方面表现出高度的鲁棒性和灵活性[62]。
本研究提出了一种整合凹痕深度和历史变量的管道凹痕损伤评估方法。该方法基于MMC塑性断裂准则和有限元方法（FEM）。通过拉伸测试和FEM分析，建立了损伤监测和断裂准则。其优势在于显著提高了管道监测响应的准确性。MMC准则用于模拟从变形到断裂的完整过程。优化了网格细化以提高评估准确性。开发了一种考虑历史变量I的累积损伤FEM模型。该模型解决了传统方法常忽视损伤累积效应的问题，能够全面表示损伤演变。引入了两个安全评估指标：损伤监测阈值和断裂阈值，以提高工程适用性。进行了阈值分析，以评估内部压力、直径与厚度比、凹痕类型和凹痕大小的影响。在各种条件下的比较验证确认了该方法的工程适用性和准确性。该方法最小化了评估误差并提高了计算效率。它建立了一个双参数评估框架，将基于深度的评估与损伤演变建模相结合，从而为工程应用提供了稳健实用的解决方案。
