CN103913393B - 一种海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，针对海洋环境的特点，利用交变应变下的应力腐蚀变化规律，设计了钢材应力腐蚀开裂的快速推算方法。本方法利用应力形变量作为传递关系，将交变应力与腐蚀开裂相关联，从而建立弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线，通过对待测样品的应力腐蚀实验，能够快速推算出在海洋中的应力腐蚀开裂时间。本发明能够确保推算精度的情况下，极大的缩短了海洋工程用钢寿命检测所需时间，同时为不同批次的样品检测提供了一种快捷的手段。

Description

一种海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法

技术领域

本发明涉及一种海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，属于海洋工程结构与应力腐蚀防护技术领域。

背景技术

应力腐蚀是设备承载的金属构件在特定的介质中一种自发的延迟破坏的现象，是设备失效的主要原因之一。应力腐蚀研究是设备防腐与安全可靠性研究的重要领域。目前应力腐蚀研究主要是针对静态应变下的应力腐蚀，但在实际情况中，工程设备一般都处于动态应变的工作环境中，如海洋工程结构，其长期处于风、浪、流等随机载荷作用下，在腐蚀过程中，应力应变变化相对复杂，因此有必要对动态应变下的工程结构应力腐蚀开展定量研究，确定交变应力应变下的应力腐蚀变化规律，为预判在役设备的服役状况提供参考，增加经济效益，防止重大经济损失和人员伤亡。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，能够确保推算精度的情况下，极大的缩短了海洋工程用钢寿命检测所需时间，同时为不同批次的样品检测提供了一种快捷的手段。

为了达到上述目的，本发明提出的一种海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，包括如下步骤：

第1步、制备试样——切割获得若干标准试样，进行打磨清洗并风干；

第2步、应力测定——将标准试样两端固定在夹具上，并分别对标准试样施加推力使其产生预定量M₁，M₂,,,M_n的应力形变，测定标准试样产生应力形变量为M₁，M₂,,,M_n时的表面应力，获得表面应力-应力形变曲线；

第3步、应力腐蚀——在腐蚀溶液A的浸泡环境下，分别对n个标准试样施加预设频率f的弯曲交变推力，使第i个标准试样在每个周期内的最大应力形变达到预定量M_i，其中i＝1,2，，，n，直至标准试样表现产生应力腐蚀开裂，记录这n个标准试样各自的应力腐蚀开裂时间；

第4步、获取应力腐蚀加速比——根据第2步和第3步中得到的数据，利用形变量M₁，M₂,,,M_n传递对应关系，绘制标准试样表面应力-应力腐蚀开裂时间曲线，将标准试样在海洋中实验环境下的应力腐蚀开裂时间和该试样材料在实验环境下的海洋中应力腐蚀开裂时间相比，获得在腐蚀溶液A浸泡环境下频率为f的弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线；

第5步、应力腐蚀快速推算——将待测样品切割成与标准试样相同的尺寸，两端固定在夹具上，施加预设推力F并测定表面应力，随后浸入腐蚀溶液A，施加预设频率为f的大小为0-F的弯曲交变推力，并记录其腐蚀开裂时间，通过本步骤测定的表面应力，从第4步得到的弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线中获取对应的应力腐蚀加速比值，待测样品的腐蚀开裂时间与所述应力腐蚀加速比值相乘即得到待测样品在海洋环境下的应力腐蚀开裂时间。

本发明进一步的改进在于：

1、所述腐蚀溶液A为人造海水或天然海水。

2、所述腐蚀溶液A的化学成分及配比如下：

Na⁺：10.7g/Kg，Mg²⁺：1.29g/Kg，Ca²⁺：0.41g/Kg，K⁺：0.40g/Kg，Sr²⁺：0.01g/Kg，Cl^-：19.4g/Kg，SO₄ ^2-：2.71g/Kg，HCO₃ ^-：0.14g/Kg，Br^-：0.07g/Kg，F^-:0.01g/Kg,H₃BO₃:0.03g/Kg。

3、所述弯曲交变推力的预设频率f为1/60。

4、所述第4步中，试样材料在海洋中应力腐蚀开裂时间用第1个标准试样的应力腐蚀开裂时间进行替代，所述第1个标准试样表面受到的弯曲交变应力为模拟海洋环境下受到的交变应力。

5、在0-F的弯曲交变推力作用下，所述第1个标准试样受到的弯曲交变应力为0—89.4MPa。

6、第1步中，标准试样用砂纸对标准试样进行打磨，用乙醇清洗并风干。

7、所述标准试样和待测样品的表面应力采用X射线衍射仪测试获得。

8、所述推力、弯曲交变应力通过对称分布在夹具纵向两侧的两对液压推杆施加，驱动所述液压推杆的液压驱动装置受控于计算机。

本发明针对海洋环境的特点，利用交变应变下的应力腐蚀变化规律，设计了钢材应力腐蚀开裂的快速推算方法。本方法利用应力形变量作为传递关系，将交变应力与腐蚀开裂相关联，从而建立弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线。针对该种材料样品进行测试时，只需要将产品切割成标准长度，施加预设的交变推力，通过测量到的表面应力获取在相应交变应力下的应力腐蚀加速比，与测试时的断裂时间相乘即可得到应力腐蚀开裂时间。本发明可以通过插值方法获取应力腐蚀加速比，因此无需将待测样品切割成标准尺寸，检测时的交变推力也可自行调解，没有十分严格的要求，可见本发明方法的使用更灵活，适应性更强。

若需要检测该批次产品的抗应力腐蚀性能，则将上述方法得到待测样品的应力腐蚀开裂时间，与标准样品在海洋环境中的的应力腐蚀开裂时间相比较，差值小于5％，则样品合格。或者在第4步中得到的标准试样表面应力-应力腐蚀开裂时间曲线中，根据测量到的表面应力获取标准的应力腐蚀开裂时间，待测样品的应力腐蚀开裂时间与标准的应力腐蚀开裂时间相比较，差值小于5％，则样品合格。

本发明除了针对全新的钢材进行检测外，还能对已出海的产品进行剩余使用寿命的测量。

综上，本发明实现了腐蚀环境下的试样交变载荷定量加载实验，以及实验的精确有效，通过实验得出应力腐蚀实验的加速比与应力的关系，提高实验效率、缩短设备的设计周期、预判在役设备的服役状况，可增加经济效益，防止重大经济损失和人员伤亡。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明方法使用的实验装置。

图2是本发明实施例表面应力-应力形变曲线。

图3是本发明实施例表面应力-应力腐蚀开裂时间曲线图。

图4是本发明实施例弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示为本发明海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法所使用的实验装置。图中标号示意如下：1-计算机，2-液压驱动装置，3-第一液压泵，4-第二液压泵，5-第一液压推杆，6-第二液压推杆，7-第三液压推杆，8-第四液压推杆，9-第一试样夹头，10-第二试样夹头，11-支架。如图1所示，试样12两端通过第一试样夹头9-、第二试样夹头10固定在实验装置上，第一至第四液压推杆分成两组位于试样12的两侧，分别用于对试样施加推力，通过计算机1控制液压驱动装置2实现对试样12施加交变推力，使试样受到交变应力，同时试样浸没在人造海水(腐蚀溶液)中，因此实验装置能模拟海洋环境，提高检测的准确性。

本实施例选取海洋工程用钢690MPa高强钢为实施对象，材料化学成分和机械性能如表1所示。

表1690MPa高强钢化学成分及机械性能

本实施例所使用的腐蚀溶液化学成分见表2。

表2腐蚀溶液化学成分组成

本实施例海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，包括如下步骤：

第1步、制备试样——切割获得5个尺寸为150mm×40mm×1mm的标准试样，使用400-1200#砂纸依次打磨试样表面，用乙醇清洗并风干。

第2步、应力测定——将标准试样两端被第一第二试样夹头夹持固定，并分别通过计算机驱动液压装置，对标准试样施加推力使其产生预定量1.85mm，3.80mm，5.3mm，7.6mm，9.4mm的应力形变，测定标准试样产生应力形变量为1.85mm，3.80mm，5.3mm，7.6mm，9.4mm时的表面应力，其中表面应力通过X射线衍射仪测试获得，对应的表面应力分别为：89.4Mpa，126.7Mpa，201.3Mpa，223.5Mpa，282.7Mpa，据此绘制表面应力-应力形变曲线，见图2。

第3步、应力腐蚀——在腐蚀溶液的浸泡环境下，分别对5个标准试样施加预设频率f＝1/60的弯曲交变推力，使标准试样在每个周期内的最大应力形变达到预定量，直至标准试样表现产生应力腐蚀开裂，记录这5个标准试样各自的应力腐蚀开裂时间。

本例中，对试样1施加交变推力，使试样受到0—89.4MPa的弯曲交变应力，试样在最大应力时的应变为1.85mm，应力循环周期为60s，试样在经过276天的腐蚀后表面出现裂纹；对试样2施加交变推力，使试样受到0—126.7MPa的弯曲交变应力，试样在最大应力时的应变为3.80mm，应力循环周期为60s，试样在197天的腐蚀后表面出现裂纹；对试样3施加交变推力，使试样受到0—201.3MPa的弯曲交变应力，试样在最大应力时的应变为5.3mm，应力循环周期为60s，试样在经过143天后试样表面出现裂纹；对试样4施加交变推力，使试样受到0—223.5MPa的弯曲交变应力，试样在最大应力时的应变为7.6mm，应力循环周期为60s，试样在经过95天的腐蚀后试样表面出现裂纹；对试样5施加交变推力，使试样受到0—282.7MPa的弯曲交变应力，试样在最大应力时的应变为9.4mm，应力循环周期为60s，试样在经过32天的腐蚀后试样表面出现裂纹。

第4步、获取应力腐蚀加速比——根据第2步和第3步中得到的数据，利用形变量传递对应关系，绘制标准试样表面应力-应力腐蚀开裂时间曲线(见图3)，将标准试样在海洋中实验环境下的应力腐蚀开裂时间和该试样材料在实验环境下的海洋中应力腐蚀开裂时间相比，获得在本实施例腐蚀溶液浸泡环境下频率为1/60的弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线(见图4)。本步骤可以确定试样在应力加大工况下与正常应力工况下的腐蚀时间变化规律。本例中试样材料在海洋中应力腐蚀开裂时间用第1个标准试样的应力腐蚀开裂时间进行替代。

试样在不同弯曲交变应力作用下的腐蚀时间见下表。

表3试样在不同弯曲交变应力作用下的腐蚀时间

第5步、应力腐蚀快速推算——将待测样品切割成与标准试样相同的尺寸，两端固定在夹具上，施加预设推力F＝1.1kn，此时测定表面应力为227.1Mpa，随后浸入腐蚀溶液，施加预设频率为1/60的大小为0-F的弯曲交变推力，使待测样品受到0-227.1Mpa的交变应力，90天后，表面出现开裂，通过本步骤测定的表面应力(227.1Mpa)，从第4步得到的弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线中获取对应的应力腐蚀加速比值为3.0，待测样品的腐蚀开裂时间(90天)与应力腐蚀加速比值(3.0)相乘即得到待测样品在海洋环境下的应力腐蚀开裂时间，最终获得的待测样品应力腐蚀开裂时间为270天。

标准试样的海洋应力腐蚀时间为276天，待测样品为270天，差值小于5％，因此待测样品的抗应力腐蚀性能合格。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，包括如下步骤：

第1步、制备试样——切割获得若干标准试样，进行打磨清洗并风干；

第2步、应力测定——将标准试样两端固定在夹具上，并分别对标准试样施加推力使其产生预定量M₁，M₂,,,M_n的应力形变，测定标准试样产生应力形变量为M₁，M₂,,,M_n时的表面应力，获得表面应力-应力形变曲线；

第3步、应力腐蚀——在腐蚀溶液A的浸泡环境下，分别对n个标准试样施加预设频率f的弯曲交变推力，使第i个标准试样在每个周期内的最大应力形变达到预定量M_i，其中i=1,2，，，n，直至标准试样表现产生应力腐蚀开裂，记录这n个标准试样各自的应力腐蚀开裂时间；

第4步、获取应力腐蚀加速比——根据第2步和第3步中得到的数据，利用形变量M₁，M₂,,,M_n传递对应关系，绘制标准试样表面应力-应力腐蚀开裂时间曲线，将标准试样在海洋中应力腐蚀开裂时间和该试样材料在实验环境下的应力腐蚀开裂时间相比，获得在腐蚀溶液A浸泡环境下频率为f的弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线；

第5步、应力腐蚀快速推算——将待测样品切割成与标准试样相同的尺寸，两端固定在夹具上，施加预设推力F并测定表面应力，随后浸入腐蚀溶液A，施加预设频率为f的大小为0-F的弯曲交变推力，并记录其腐蚀开裂时间，通过本步骤测定的表面应力，从第4步得到的弯曲交变应力-应力腐蚀加速比曲线中获取对应的应力腐蚀加速比值，待测样品的腐蚀开裂时间与所述应力腐蚀加速比值相乘即得到待测样品在海洋环境下的应力腐蚀开裂时间。

2.根据权利要求1所述的海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，其特征在于，所述腐蚀溶液A为人造海水或天然海水。

3.根据权利要求1所述的海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，其特征在于，所述腐蚀溶液A的化学成分及配比如下：

Na⁺：10.7g/Kg，Mg²⁺：1.29g/Kg，Ca²⁺：0.41g/Kg，K⁺：0.40g/Kg，Sr²⁺：0.01g/Kg，Cl^-：19.4g/Kg，SO₄ ^2-：2.71g/Kg，HCO₃ ^-：0.14g/Kg，Br^-：0.07g/Kg，F^-:0.01g/Kg,H₃BO₃:0.03g/Kg。

4.根据权利要求1或2所述的海洋工程用钢应力腐蚀开裂时间的快速推算方法，其特征在于，所述弯曲交变推力的预设频率f为1/60。