CN104020064A - 海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，利用交变应变下的应力腐蚀变化规律，以及不同腐蚀阶段的金属材料在水流冲击下具有特定震动频率和幅度，从而通过应变片获取应变量-时间曲线图，进而构建相应的库文件。在具体检测时，可通过一种流速或多种流速对待测样品进行水流冲击和检测，获取曲线图并在图文件中进行匹配，最终获得可信的剩余使用寿命。依据本发明方法可以对处于任一腐蚀阶段的产品进行在线检测，检测过程简单，且只需短短数秒即可完成，真正实现了海洋工程用金属材料剩余使用寿命的在线检测，经实验证明本发明的检测具有较高精度。

Description

海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法

技术领域

本发明涉及海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，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。 

自20世纪60年代开始，国内外学者就开展了波浪对海洋结构物冲击作用的研究，在物模试验研究方面，过达，王永学和任冰等分别给出了不同试验条件下的冲击力的经验公式,在数模研究方面，王永学和任冰等利用求解含有自由表面的、二维不可压缩粘性流体非定常运动的流体体积法(VOF)，建立了求解波浪冲击压力的数学模型。但由于海洋工程结构的庞大以及波浪冲击过程涉及强非线性、流体效应、湍流等因素，对如何研究波浪冲击海洋工程结构的作用至今仍是海洋工程领域的难题。 

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，快速准确的在线检测海洋工程用金属材料 的使用寿命，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金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，包括如下步骤： 

第1步、建立库文件，所述库文件中记载有不同喷射流速下各应力腐蚀阶段海洋工程用金属材料的应变量-时间曲线图、与曲线图对应的应力腐蚀时间，以及应力应变下的腐蚀开裂时间和腐蚀加速比值； 

第2步、将待测样品切割成标准试样的尺寸，在待测样品的第一指定位置安装应变片，利用喷枪对待测样品的第二指定位置进行水流喷射，喷射流速为Pi，同时通过应变片采集应变数据，生成应变量-时间曲线图，喷射流速Pi与库文件中任一喷射流速尽量接近； 

第3步、将待测样品的应变量-时间曲线图与库文件中相应喷射流速下的应变量-时间曲线图进行匹配，提取库文件中与相匹配的应变量-时间曲线图对应的应力腐蚀时间； 

第4步、将标准试样的腐蚀开裂时间减去第3步中提取的应力腐蚀时间后乘于库文件中的腐蚀加速比值，即获得待测样品的剩余使用寿命时间。 

本发明进一步的改进在于： 

1、第2步中，选用m种喷射流速PX1、PX1，，，PXm分别对待测样品进行喷射和检测，获得m个应变量-时间曲线图；根据第3步，对应的获取库文件中m个与匹配应变量-时间曲线图对应的应力腐蚀时间t_X1，t_X2，，，t_Xm，以及对应的加速比值X1，X2,,,Xm；从而根据第4步获得m个剩余使用寿命时间T_X1，T_X2，，，T_Xm，最终获得待测样品的剩余使用寿命时间 $T=\left(\frac{1}{\frac{1}{X1}+\frac{1}{X2}+\·\·\·+\frac{1}{\mathrm{Xm}}}\right)\×(\frac{T_{X1}}{X1}+\frac{X_{X2}}{X2}+\·\·\·+\frac{T_{\mathrm{Xm}}}{\mathrm{Xm}}),$ m为大于1的自然数。 

2、所述第1步中，库文件的建立方法如下： 

步骤a、切割标准试样并固定在夹具上，浸没于腐蚀溶液A，将频率为f、最大表面应力为N的弯曲交变应力作用于该标准试样，时间T后取出该标准试样并清洁干燥； 

步骤b、在标准试样的第一指定位置安装应变片，利用喷枪对标准试样的第二指定位置进行多次水流喷射，喷射的流速分别为P1，P2，…，Pn，同时通过应变片采集各流速下的应变数据，生成应变量-时间曲线图，附加应力腐蚀时间信息后，存入库文件，所述应力腐蚀时间是指到当前为止该标准试样经受应力腐蚀的时间； 

步骤c、重复步骤a和步骤b，直至标准试样表面产生应力腐蚀开裂，记录该标准试样的腐蚀开裂时间； 

步骤d、将标准试样的腐蚀开裂时间和该试样标准材料在海洋中应力腐蚀开裂时间相比，获得在腐蚀加速比值。 

3、建立库文件时，采用最大表面应力分别为N1，N2，…，Nn的交变应力分别对数块标准试样进行作用，获取不同交变应力下不同喷射流速下各应力腐蚀阶段海洋工程用金属材料的应变量-时间曲线图、与曲线图对应的应力腐蚀时间，以及不同交变应力下的腐蚀开裂时间和腐蚀加速比值。 

4、所述库文件中，喷射流速的范围为6-18m/s。 

5、所述频率f＝1/60，N的取值范围为61.4-125Mpa，时间T的取值范围为6-24小时。 

6、单次水流喷射的持续时间不低于5秒。 

7、所述第二指定位置位于试样中段区域；所述第一指定位置围绕第二指定位置进行布置。 

8、所述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。 

9、应变数据通过与应力片连接的STSS应力检测单元获得。 

此外，本发明还提供了海洋工程用金属材料抗应力腐蚀检测方法，其特征在于:使用前述方法得到待测样品的使用寿命，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％，则待测样品合格。 

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，以及不同腐蚀阶段的金属材料在水流冲击下具有特定震动频率和幅度，从而通过应变片获取应变量-时间曲线图，进而构建相应的库文件。在具体检测时，可通过一种流速或多种流速对待测样品进行水流冲击和检测，获取曲线图并在图文件中进行匹配，最终获得可信的剩余使用寿命。 

依据本发明方法可以对处于任一腐蚀阶段的产品进行在线检测，检测过程简单，且只需短短数秒即可完成，真正实现了海洋工程用金属材料剩余使用寿命的在线检测，经实验证明本发明的检测具有较高精度。 

本发明在建立库文件时，可采用不同交变应力分别对标准试样进行应力腐蚀，利用不同流速对标准试样进行喷射并通过应变片采集曲线图，从而构建数据量更大、更完善的库文件。实际检测的时候更容易进行匹配，并且采用多种流速进行检测后，可通过加权平均的方法来获取剩余使用寿命。考虑到库文件中加速比较低的曲线图具有更高的时间分辨率，因此加权平均公式中的权重采用加速比的倒数(加速比较低则具有较高权重，加速比较高则具有较低权重)，从而确保检测准确度和可信度。 

综上，本发明实现了海洋工程用金属材料使用寿命的在线检测，检测效率高，准确度高，可缩短设备的设计周期、预判在役设备的服役状况，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是本发明实施例使用的应力腐蚀装置结构示意图。 

图2是本发明实施例使用的应变量检测装置结构示意图。 

图3-图6是分别为在流速12m/s冲击下，标准试样在应力腐蚀(加速比为3.0)的前期，中期，中后期、破坏期应变片采集到的应变量-时间曲线图。 

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。 

本实施例以海洋工程用钢690MPa高强钢为研究对象，借助图1、图2所示装置进行试验，对本发明方法进行说明。 

海洋工程用钢690MPa高强钢的材料化学成分和机械性能如表1所示。 

表1 690MPa高强钢化学成分及机械性能 

如图1，为建立本发明库文件所使用的应力腐蚀装置。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。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，同时试样浸没在腐蚀溶液A(人造海水)中，因此应力腐蚀装置能模拟海洋环境。 

如图2所示，为建立库文件及在线检测所使用的应变量检测装置。图中标 号示意如下：13-工控机，15-STSS应力检测模块，12-试样，16-应变片，14-数据采集卡、17-喷枪，19-流量计，20-分流阀，21-调速阀，22-液压泵，23-液压驱动装置，24-伺服电机。图中B为水流冲击区域，即第二指定位置，应变片16所在位置为第一指定位置。本例中有三个应变片围绕第一指定位置而分布。 

本实施例海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，包括如下步骤： 

第1步、建立库文件，库文件中记载有不同喷射流速下各应力腐蚀阶段海洋工程用金属材料的应变量-时间曲线图、与曲线图对应的应力腐蚀时间，以及应力应变下的腐蚀开裂时间和腐蚀加速比值。 

库文件的建立方法如下： 

步骤a、切割标准试样并固定在夹具上，浸没于腐蚀溶液A，将频率为f、最大表面应力为N的弯曲交变应力作用于该标准试样，时间T后取出该标准试样并清洁干燥；其中，频率f＝1/60，N的取值范围为61.4-125Mpa，时间T的取值范围为6-24小时，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。 

步骤b、在标准试样的第一指定位置安装应变片，利用喷枪对标准试样的第二指定位置进行多次水流喷射，单次水流喷射的持续时间不低于5秒，喷射的流速分别为6m/s，9m/s，12m/s，15m/s，18m/s，同时通过应变片采集各流速下的应变数据，生成应变量-时间曲线图，附加应力腐蚀时间信息后，存入库文件，应力腐蚀时间是指到当前为止该标准试样经受应力腐蚀的时间； 

步骤c、重复步骤a和步骤b，直至标准试样表面产生应力腐蚀开裂，记录 该标准试样的腐蚀开裂时间； 

步骤d、将标准试样的腐蚀开裂时间和该试样标准材料在海洋中应力腐蚀开裂时间相比，获得在腐蚀加速比值。 

如图3、图4、图5、图6分别为在流速12m/s冲击下，标准试样在应力腐蚀(加速比为3.0)的前期，中期，中后期、破坏期应变片采集到的应变量-时间曲线图。图3为初始阶段，试样刚开始服役，材料性能完好，在外部水流冲击作用下存在弹性变形和微量的塑性变形，其表面动态应变曲线变化平稳，峰值较小；图4为中期阶段，试样在交变应力长时间作用下，其表面部分区域存在微小的疲劳破坏，在外部水流冲击作用下产生塑性变形，相比前期阶段，最终产生的应变稍有增大；图5是试样在交变应力长期作用下，其表面分布着微小的疲劳破坏，在冲击过程中，其表面动态应变剧烈变化，这表明随着应力腐蚀时间的延长，试样即将发生疲劳断裂；图6是试样在冲击过后产生的大的塑性变形，试样内部已经发生疲劳断裂，进入断裂阶段。 

通道1，通道2.通道3分别为三个应变片采集获得的动态应变信号。 

建立库文件时，采用最大表面应力分别为61.4Mpa，89.4Mpa，101.6Mpa，125Mpa的交变应力分别对数块标准试样进行作用，获取不同交变应力下不同喷射流速下各应力腐蚀阶段海洋工程用金属材料的应变量-时间曲线图、与曲线图对应的应力腐蚀时间，以及不同交变应力下的腐蚀开裂时间和腐蚀加速比值。 

第2步、将待测样品切割成标准试样的尺寸，在待测样品的第一指定位置安装应变片，利用喷枪17对待测样品的第二指定位置B进行水流喷射，喷射流速可自行选择，应当与库文件中的任一流速相等或尽量接近，通过应变片采集应变数据，生成应变量-时间曲线图； 

第3步、将待测样品的应变量-时间曲线图与库文件中相应喷射流速下的应 变量-时间曲线图进行匹配，提取库文件中与相匹配的应变量-时间曲线图对应的应力腐蚀时间； 

第4步、将标准试样的腐蚀开裂时间减去第3步中提取的应力腐蚀时间后乘于库文件中的腐蚀加速比值，即获得待测样品的剩余使用寿命时间。 

为了更准确的进行检测，可对样品进行多种流速的喷射测量。具体来说，在2步中，选用m种喷射流速PX1、PX1，，，PXm分别对待测样品进行喷射和检测，获得m个应变量-时间曲线图；根据第3步，对应的获取库文件中m个与匹配应变量-时间曲线图对应的应力腐蚀时间t_X1，t_X2，，，t_Xm，以及对应的加速比值X1，X2,,,Xm；从而根据第4步获得m个剩余使用寿命时间T_X1，T_X2，，，T_Xm，最终获得待测样品的剩余使用寿命时间  $T=\left(\frac{1}{\frac{1}{X1}+\frac{1}{X2}+\·\·\·+\frac{1}{\mathrm{Xm}}}\right)\×(\frac{T_{X1}}{X1}+\frac{X_{X2}}{X2}+\·\·\·+\frac{T_{\mathrm{Xm}}}{\mathrm{Xm}}),$ m为大于1的自然数。 

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 (10)

1.一种海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，包括如下步骤：

第1步、建立库文件，所述库文件中记载有不同喷射流速下各应力腐蚀阶段海洋工程用金属材料的应变量-时间曲线图、与曲线图对应的应力腐蚀时间，以及应力应变下的腐蚀开裂时间和腐蚀加速比值；

第2步、将待测样品切割成标准试样的尺寸，在待测样品的第一指定位置安装应变片，利用喷枪对待测样品的第二指定位置进行水流喷射，喷射流速为Pi，同时通过应变片采集应变数据，生成应变量-时间曲线图，喷射流速Pi与库文件中任一喷射流速尽量接近；

第3步、将待测样品的应变量-时间曲线图与库文件中相应喷射流速下的应变量-时间曲线图进行匹配，提取库文件中与相匹配的应变量-时间曲线图对应的应力腐蚀时间；

第4步、将标准试样的腐蚀开裂时间减去第3步中提取的应力腐蚀时间后乘于库文件中的腐蚀加速比值，即获得待测样品的剩余使用寿命时间。

2.根据权利要求1所述的海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，其特征在于：所述第2步中，选用m种喷射流速PX1、PX1，，，PXm分别对待测样品进行喷射和检测，获得m个应变量-时间曲线图；根据第3步，对应的获取库文件中m个与匹配应变量-时间曲线图对应的应力腐蚀时间t_X1，t_X2，，，t_Xm，以及对应的加速比值X1，X2,,,Xm；从而根据第4步获得m个剩余使用寿命时间T_X1，T_X2，，，T_Xm，最终获得待测样品的剩余使用寿命时间 $T=\left(\frac{1}{\frac{1}{X1}+\frac{1}{X2}+...+\frac{1}{\mathrm{Xm}}}\right)\×(\frac{T_{X1}}{X1}+\frac{T_{X2}}{X2}+...+\frac{T_{\mathrm{Xm}}}{\mathrm{Xm}}),$ m为大于1的自然数。

3.根据权利要求1所述海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，其特征在于：

所述第1步中，库文件的建立方法如下：

步骤a、切割标准试样并固定在夹具上，浸没于腐蚀溶液A，将频率为f、最大表面应力为N的弯曲交变应力作用于该标准试样，时间T后取出该标准试样并清洁干燥；

步骤b、在标准试样的第一指定位置安装应变片，利用喷枪对标准试样的第二指定位置进行多次水流喷射，喷射的流速分别为P1，P2，…，Pn，同时通过应变片采集各流速下的应变数据，生成应变量-时间曲线图，附加应力腐蚀时间信息后，存入库文件，所述应力腐蚀时间是指到当前为止该标准试样经受应力腐蚀的时间；

步骤c、重复步骤a和步骤b，直至标准试样表面产生应力腐蚀开裂，记录该标准试样的腐蚀开裂时间；

步骤d、将标准试样的腐蚀开裂时间和该试样标准材料在海洋中应力腐蚀开裂时间相比，获得在腐蚀加速比值。

4.根据权利要求3所述的海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法,其特征在于：建立库文件时，采用最大表面应力分别为N1，N2，…，Nn的交变应力分别对数块标准试样进行作用，获取不同交变应力下不同喷射流速下各应力腐蚀阶段海洋工程用金属材料的应变量-时间曲线图、与曲线图对应的应力腐蚀时间，以及不同交变应力下的腐蚀开裂时间和腐蚀加速比值。

5.根据权利要求1或3所述的海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法,其特征在于：所述库文件中，喷射流速的范围为6-18m/s。

6.根据权利要求3所述的海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，其特征在于：所述频率f＝1/60，N的取值范围为61.4-125Mpa，时间T的取值范围为6-24小时。

7.根据权利要求1或3所述的海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法,其特征在于：单次水流喷射的持续时间不低于5秒。

8.根据权利要求1或3所述的海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，其特征在于：所述第二指定位置位于试样中段区域；所述第一指定位置围绕第二指定位置进行布置。

9.根据权利要求3所述的海洋工程用金属材料实际工况下在线检测寿命的方法，其特征在于：所述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。

10.海洋工程用金属材料抗应力腐蚀检测方法，其特征在于:使用权利要求1所述方法得到待测样品的使用寿命，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％，则待测样品合格。