CN103163023A - 一种石油管材环境断裂韧性测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油管材环境断裂韧性测试方法及装置，其要点在于检测石油管材在服役环境下断裂韧性大小，将石油管材加工为试样，根据管材服役工况确定实验温度、压力以及气、液相腐蚀介质，通过石油管材环境断裂韧性测试装置对试样进行加载，实验后根据载荷大小、裂纹扩展长度计算断裂韧性，实验得出金属材料在服役环境中抗应力腐蚀开裂性能、缺口敏感性及其作用机理。利用该实验方法和装置可测定石油管金属材料在任意载荷和腐蚀环境中的断裂韧性大小，并可检测金属材料在服役环境中冲击韧性损伤程度，从而进行石油管材的优选，为石油管材强度设计提供实验依据。

Description

一种石油管材环境断裂韧性测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种石油管材环境断裂韧性测试方法及装置，更具体地说，它涉及一种用于石油管材环境断裂韧性的测试方法，本发明还涉及使用该方法进行断裂韧性测试的实验装置。

背景技术

在石油工业中，为避免由于应力腐蚀导致管材开裂、性能衰减、沿晶断裂等不可预见性事故和灾难，必须对石油管材进行环境断裂评价实验，对石油管材在一定应力状态、高温高压腐蚀环境中的适用性、可靠性进行研究和评价。目前国内外评价金属材料环境断裂的方法主要是恒载荷应力腐蚀实验方法，即在常温常压下利用应力环进行A法实验，不能模拟石油工业和化学工业中高温高压气相、液相腐蚀性环境、恒定载荷作用对金属材料力学性能的损伤程度，现用评价结果与现场结果相差较大，不能为现场工况下金属材料的优选和适用性评价提供可靠依据；平面应变断裂韧性K_IC是在断裂力学的基础上建立起来的表征实际含裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展能力的韧性性能指标，其物理含义为平面应变临界应力强度因子，即平面应变条件下，构件在静载荷作用下裂纹开始失稳扩展时的K_I，采用DCB双悬臂梁方法进行测试。目前这类实验评价方法在学术上和工程技术上具有极其重要的价值，但该实验方法受试样尺寸大小、加工、实验条件等影响因素的限制，实验结果以及数据重现性、可靠性较差。常规的DCB实验受试样尺寸、预制裂纹以及加工因素的影响较大，难于准确、精准检测高温高压服役条件下石油管材的断裂韧性大小，因而实验结果应用性严重受限，这导致石油管材的优选和适用性评价结果往往给现场带来巨大的经济损失，甚至重大伤亡事故。

目前，常规的断裂韧性测试方法存在以下不足：

(A)DCB试样结构复杂，预制裂纹加工难度大、尺寸精度不易控制，试样尺寸效应严重影响实验结果；

(B)实验运用楔子对试样进行加载，加载应力的准确性、平行性差，实验结果离散性大；

(C)双悬臂梁结构的试样在劈开时受金属材料塑性的影响较大，不能准确测定裂纹开始扩展时载荷大小，断裂韧性计算结果存在偏差。

为解决常规断裂韧性测试方法不能准确得到断裂韧性数值大小，本发明借助高温高压釜模拟石油管材服役环境，提出了新型石油管材断裂韧性测试实验方法，并设计断裂韧性测试试样及装置，形成了适用于石油管材断裂韧性测试新型实验方法，能够很好的解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能够模拟石油管材现场服役工况、用于测试和评价石油管材环境断裂韧性的实验方法。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种结构简单、易于操作、实验安全可靠、用于模拟石油管材现场服役工况，评价和测试石油管材环境断裂韧性的实验装置。

本发明的前一技术方案是这样实现的：一种石油管材环境断裂韧性测试方法，其特征在于实验内容包括：(A)测定石油管材在服役环境中形成裂纹的临界载荷大小，研究裂纹萌生和扩展规律；(B)测定石油管材在服役环境中冲击韧性的损伤程度及大小；(C)测定石油管材在服役环境中断裂韧性大小；根据实验结果计算得出材料在服役工况环境中冲击韧性损伤程度，对裂纹萌生、扩展以及开裂机理进行分析，分析石油管材开裂对其显微组织的影响，根据临界载荷以及裂纹扩展长度计算断裂韧性大小，从而对石油管材在服役环境中的适用性进行综合评价。

上述的一种石油管材环境断裂韧性测试方法，具体测定步骤是：(A)根据石油管材现场工况条件确定实验温度、压力、腐蚀介质以及试样加载载荷；(B)根据石油管材壁厚合理选择试样尺寸，高、宽、长分别为10mm×5mm×55mm，试样宽度根据管材壁厚t进行相应调整，即10mm×t×55mm；(C)实验装置装配过程是将夹具(2)通过螺栓固定在底座(13)上，然后将试样(3)和加载块(9)置于夹具(2)空腔中，试样(3)与夹具(2)、加载块(9)接触处使用玻璃棒(10)进行绝缘，将加载螺杆(8)安装在夹具(2)上部螺纹端并预紧，从而确定试样缺口尖端初始位置，将千分表(12)安装在夹具(2)底部螺纹端并通过螺钉固定；(C)通过有限元解析计算裂纹尖端载荷大小并转换为挠度大小；(D)对加载螺杆(8)施加稳定的作用力，加载块(9)下移从而对试样(3)进行加载，观察千分表(12)的刻度值，即将到达目标值时缓慢加载直到设计值；(D)卸掉千分表(12)和固定孔(11)部位的螺钉，取下夹具(2)进行下一组夹具的加载；(E)将夹具(2)放入高温高压釜(1)，并使用绝缘支架(7)使其绝缘，然后按设计温度、压力开始实验。

本发明与现有技术相比，具有下述优点：

(A)根据现场服役条件，通过有限元计算试样预加载荷大小，利用千分表测试挠度从而确定预加载荷，准确度较高；

(B)不仅能够定性检测石油管材是否发生环境开裂，还能够定量检测石油管材在一定应力状态下，处于高温高压气相、液相腐蚀性介质综合作用后冲击韧性和断裂韧性大小。

(C)高温高压实验条件更加贴近油田现场，实验能够真实模拟石油管材在现场高温高压环境中的开裂特性，对石油管材的材料优选和适用性评价提供更稳定、更可靠的实验方法，断裂韧性大小为石油管材强度设计提供依据。

附图说明

下面结合附图和实验方法对本发明作进一步地详细说明，本发明包含所有能够实现该方法的实验装置，不仅限于附图所示结构，该装置不构成对本发明的任何限制。

图1是实现本发明的实验装置示意图。

图2是实现本发明的加载装置示意图。

图3是本发明实验装置的加载曲线。

图4是本发明实验数据对比图。

具体实施方式

参阅图1、图2所示，本发明中一种石油管材环境断裂韧性测试装置，主要包括夹具(2)、试样(3)、液相介质(4)、气相介质(5)、气液相界面(6)、绝缘支架(7)、加载螺杆(8)、加载块(9)、玻璃棒(10)、固定孔(11)、千分表(12)、底座(13)；所述的夹具(2)尺寸足够小，在高温高压釜(1)中能够同时进行三组液相、气相平行实验；所述的夹具(2)由加载螺杆(8)、加载块(9)、玻璃棒(10)、固定孔(11)组成；所述的试样(3)安装在夹具(2)上，通过旋转加载螺杆(8)带动加载块(9)使试样(3)产生一定大小的挠度，通过挠度计算并确定加载在试样(3)上的载荷，考虑缺口尖端存在应力集中，通过有限元解析解计算获得加载应力，并转换为挠度即加载螺杆(8)的移动距离；所述的夹具(2)上设置有固定孔(12)，通过螺栓将夹具(2)牢牢固定在底座(13)上，从而平稳顺利地对试样(3)进行加载；所述的试样(3)与夹具(2)、加载块(9)接触部位设置有玻璃棒(10)，使试样(3)保持绝缘；所述的千分表(12)通过螺纹固定于夹具(2)上，尖端接触试样(3)缺口底部，从而准确获得试样(3)挠度大小以保证加载应力的准确性。

利用本发明对石油管环境断裂韧性进行测试，具体测试方法如下。

(A)现场工况条件模拟化，具体方法如下：

(a)根据现场工况条件确定气相、液相、固相腐蚀组分，通过高温高压釜容积计算得到H₂S、CO₂等腐蚀性气体分压、液相组分和固相组分的加入量；

(b)按照现场石油管材受力条件，通过有限元解析计算得到加载挠度与应力的关系曲线。

(B)安装夹具及加载过程，具体方法如下：

(a)将夹具(2)通过螺栓固定在底座(13)上，然后将试样(3)和加载块(9)置于夹具(2)空腔中，试样(3)与夹具(2)、加载块(9)接触处使用玻璃棒(10)进行绝缘，将加载螺杆(8)安装在夹具(2)上部螺纹端并预紧，从而确定试样缺口尖端初始位置，将千分表(11)安装在夹具(2)底部螺纹端并通过螺钉固定；

(b)对加载螺杆(8)施加稳定的作用力使加载块(9)下移从而对试样(3)进行加载，同时观察千分表(12)的刻度值，即将到达目标值时缓慢加载直到达到设计值；

(c)卸掉千分表(12)和固定孔(11)部位的螺钉，取下夹具(2)进行下一组夹具的加载。

(C)依次将夹具(2)标记并放入高温高压釜(1)，至少进行三组平行实验，使用绝缘支架(7)使夹具(2)之间绝缘，然后按设计温度、压力开始实验。

(D)实验结束后，取出夹具(2)观察并详细记录实验结果，具体方法如下：

(a)若试样(3)断裂，清洗断口进行断口形貌观察，分析裂纹萌生源、裂纹扩展作用机理分析，记录加载载荷、断裂时间，分析开裂原因及其断裂方式；

(b)若试样(3)没有断裂，清洗并将其安装于试验机上进行示波冲击试验，从而计算管材冲击性能的损伤程度，按下式计算断裂韧性K_Q大小。

$K_Q=\frac{P_{Q}S}{\sqrt{{\mathrm{BB}}_N{W}^{3/2}}}f\left(\frac{a}{W}\right)$

式中， $f\left(\frac{a}{W}\right)=3\sqrt{\frac{a}{W}}\frac{1.99-\left(\frac{a}{W}\right)(1-\frac{a}{W})[2.15-3.93\frac{a}{W}+2.7{\left(\frac{a}{W}\right)}^2]}{2(1-2\frac{a}{W}){(1-\frac{a}{W})}^{3/2}}$ ，式中P_Q是作用力，B为试样厚度、B_N为试样厚度与预制裂纹之差，S为试样跨度、W试样高度，a为裂缝长度。当结果符合条件 $(B,W,W-a)\≥2.5{\left(\frac{K_Q}{{\mathrm{\σ}}_y}\right)}^2$ 时，K_Q＝K_ISS。

(c)根据腐蚀实验后试样(3)冲击韧性、断裂韧性的损伤程度及大小，对材料在该腐蚀环境中的适用性作出分析和评价。

实例1

用石油管A按要求加工试样，根据服役工况确定腐蚀介质以及加载应力大小，加载挠度与应力大小关系曲线如图3，详细加载数据如表1。

腐蚀168h后，发现石油管A腐蚀实验后冲击韧性较原始状态明显降低，降低幅度为14.8%，断裂韧性降低48.8%，说明石油管A在温度60℃，总压10MPa，H₂S和CO₂分压分别为1MPa、1.5MPa，加载80%名义屈服应力条件下实验168h后韧性、抗冲击性能存在一定程度的降低，在该腐蚀环境中存在一定风险，详细结果如表2、图4。

实例2

利用本发明对石油管B环境断裂韧性进行测试，实验条件温度60℃，总压10MPa，H₂S和CO₂分压分别为1MPa、1.5MPa，加载80%名义屈服应力条件下实验14d，实验数据结果如表3，腐蚀实验后石油管B冲击性能、断裂韧性较原始状态降低幅度分别为90.5%和93.5%，说明石油管B在该环境中抗应力腐蚀开裂性能较差，裂纹萌生并快速生长，使得石油管B韧性和抗冲击性能大幅衰减，发生环境断裂的可能性极大，不适用于该环境。

Claims (7)

1.一种石油管材环境断裂韧性测试方法，其特征在于实验模拟石油管材的服役温度、压力、腐蚀介质和承载条件，对石油管材裂纹萌生、扩展规律及其应力腐蚀开裂行为进行研究，检测石油管材在服役环境中冲击韧性损伤程度，计算断裂韧性，从而对石油管材进行适用性评价，为石油管材优选和强度设计提供实验依据。

2.根据权利要求1所述的一种石油管材环境断裂韧性测试方法，其特征在于实验内容包括：(A)测定石油管材在模拟现场工况中应力腐蚀裂纹萌生和扩展规律；(B)测定石油管材在模拟现场工况中冲击韧性的损伤程度及大小；(C)测定石油管材在模拟现场工况环境中断裂韧性大小；根据实验结果计算得出材料在服役工况环境中冲击韧性损伤程度，对裂纹萌生、扩展以及开裂机理进行分析，观察开裂对石油管材组织性能的影响，根据载荷以及裂纹扩展长度计算断裂韧性大小，从而对石油管材服役环境适用性进行综合评价。

3.根据权利要求2所述的一种石油管材环境断裂韧性测试方法，其特征在于模拟现场工况包括气相和液相，其中气相主要包括H₂S、CO₂以及CH₄等腐蚀性气体介质以及少量水共存状态下的腐蚀环境；液相主要为溶解有腐蚀性气体的原油、地层水、加入的酸化压裂液以及各种助剂所组成混合液相腐蚀环境。

4.一种石油管材环境断裂韧性测试装置，其特征在于包括夹具(2)、试样(3)、液相介质(4)、气相介质(5)、气液相界面(6)、绝缘支架(7)、加载螺杆(8)、加载块(9)、玻璃棒(10)、固定孔(11)、千分表(12)、底座(13)；所述的夹具(2)尺寸足够小，在高温高压釜(1)中至少能够同时进行三组液相、气相平行实验；所述的夹具(2)由加载螺杆(8)、加载块(9)、玻璃棒(10)、固定孔(11)组成；所述的试样(3)安装在夹具(2)上，通过旋转加载螺杆(8)带动加载块(9)使试样(3)产生一定大小的挠度，通过挠度计算并确定加载在试样(3)上的载荷，考虑缺口尖端存在应力集中，通过理论计算获得加载应力，并转换为挠度即加载螺杆(8)的移动距离；所述的夹具(2)上设置有固定孔(12)，通过螺栓将夹具(2)牢牢固定在底座(13)上，从而平稳顺利地对试样(3)进行加载；所述的试样(3)与夹具(2)、加载块(9)接触部位设置有玻璃棒(10)，使试样(3)保持绝缘；所述的千分表(12)通过螺纹固定于夹具(2)上，尖端接触试样(3)缺口底部，从而准确获得试样(3)挠度大小以保证加载应力的准确性。

4.根据权利要求4所述的一种石油管材环境断裂韧性测试装置，其特征在于夹具(2)、加载螺杆(7)、加载块(10)、底座(12)是由耐腐蚀性能良好的哈氏合金加工成型，绝缘支架(7)采用聚四氟乙烯加工。

5.根据权利要求4所述的一种石油管材环境断裂韧性测试装置，其特征在于试样(3)是在现场石油管材直接取样加工，其高、宽、长尺寸分别为10mm×5mm×55mm，高方向预制V型缺口，缺口深度2mm，宽度可根据管材壁厚t进行相应调整，即10mm×t×55mm。

6.根据权利要求4所述的一种石油管材环境断裂韧性测试装置，其特征在于，所述的夹具(2)由加载螺杆(8)、加载块(9)、玻璃棒(10)、固定孔(11)组成，试样(3)与夹具(2)、加载块(9)接触部位安装玻璃棒(10)，从而避免由于电偶、热膨胀等因素造成实验误差，同时保证试样(3)挠度恒定不变。

7.根据权利要求4所述的一种石油管材环境断裂韧性测试装置，其特征在于试样(3)安装在夹具(2)上，使用螺栓通过固定孔(11)将夹具(2)与底座(13)牢牢固定，通过旋转加载螺杆(8)带动加载块(9)使试样(3)产生一定大小的挠度，通过千分表(12)读出挠度数值，计算得出加载在试样(3)上的实际载荷大小。

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