CN105021455A - 模拟金属材质在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，属于金属腐蚀的模拟技术领域，其解决了现有技术中试样装置不能真实模拟工况环境中溶液冲刷的问题，本发明试验装置包括测试机构、加载机构和旋转机构，其中，在旋转机构的搅拌轴上安设有圆形托盘，并且圆形托盘沿圆周方向上间隔均匀的分布有四个小孔，加载机构的金属试件位于加载夹具的腔室内。在金属试件的中部贴有应变片，应变片通过导线连接有应变仪，通过对加载机构的上加载端和下加载端施加压力进行加载，并且加载机构均通过耐高温棉线挂设在小孔上。本发明可测试金属试件在高温高压下腐蚀后的相关性能，如腐蚀速率、抗拉伸性能等。

Description

模拟金属材质在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置

技术领域

本发明属于金属材质应力腐蚀的模拟技术领域，具体涉及一种模拟金属材质在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置及方法。

背景技术

在石油化工行业中，大多数管道及设备处于一定温度、压力、应力和腐蚀性介质环境中，同时还受到液相腐蚀介质冲刷的影响，而对管道及设备所用金属材质进行实际工况环境中的应力腐蚀实验，可对金属材质在特定工况环境中的适用性进行评价并推测其使用寿命。目前，国内外应力腐蚀实验方法通常是利用应力环在常温常压下进行应力腐蚀实验，此外，对于少数可以模拟高温高压下环境的实验装置的现有技术，然而其试件夹具通常是固定的，固定的试件夹具不能真实模拟工况环境中溶液冲刷的影响。如CN102706750 A公开了一种高温高压恒载荷应力腐蚀实验方法及装置，其实现金属材料在一定应力状态下，处于高温高压气相、液相腐蚀介质综合作用下的恒载荷应力腐蚀实验，其中的试验夹具是固定在实验装置内部，其不能真实模拟工况环境中溶液冲刷的影响。

因此，现有技术中的评价结果均与现场结果相差较大，不能为实际工况下金属材质的适用性及使用寿命预测提供可靠依据，目前，常规应力腐蚀实验方法存在以下不足：

(1)利用应力环或拉伸试验机进行加载，无法保证对小试件加载应力的精确度；

(2)在高温高压环境下不考虑溶液流动影响的实验结果与实际工况环境中的结果存在较大差异，不能为实际工况下金属材质的适用性及使用寿命预测提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟金属材质在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，该装置既可在高温高压环境下模拟金属材质的腐蚀速率及力学性能损伤，并且试件在装置内部可转动，更加趋近模拟金属材质在实际工况条件下的腐蚀速率，本发明可测定金属材质在一定大小的应力状态下，处于高温高压环境中的抗拉伸、抗弯曲等力学性能损伤，可模拟金属材质在工况环境中，腐蚀速率及力学性能损伤随加载应力的变化规律。

其技术解决方案包括：

一种模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其包括测试机构、加载机构和旋转机构，所述测试机构包括用于放置金属试件的釜体和用于密封所述釜体的盖体，所述釜体内上半部分为气体，下半部分为腐蚀液；所述旋转机构包括搅拌器和驱动所述搅拌器旋转的电机，所述搅拌器的搅拌轴穿过盖体伸入反应釜内的腐蚀液液面以下，所述搅拌轴上安设有圆形托盘，所述圆形托盘沿圆周方向上间隔均匀的分布有四个小孔；所述加载机构包括加载夹具、位于加载夹具的上加载部和位于加载夹具的下加载部，所述金属试件位于所述加载夹具的腔室内，所述金属试件的两端通过销钉分别与上加载部和下加载部连接；所述金属试件的中部贴有应变片，所述应变片通过导线连接有应变仪，通过对上加载端和下加载端施加压力进行加载；所述加载机构设置有四个，每个加载机构均通过耐高温棉线挂设在相应的小孔上。

通过向釜体内通入气体如氮气保持高温高压环境，高温高压环境与实际工况条件相近，可实现对实际工况条件进行模拟，并且上述加载机构是通过耐高温棉线挂设在相应的小孔上。当旋转机构旋转时，可带动搅拌轴旋转，进而带动位于搅拌轴下方的圆形托盘旋转，加载结构可随之旋转，从而模拟液体流动的影响。与现有技术固定在釜体底部的加载机构相比，可选择的加载机构更接近实际工况的模拟。

优选的，上述上加载部和下加载部均包括螺钉和螺母，上加载部的螺钉从加载夹具的顶部插入腔室内，顶端安设上述螺母，底端与上述金属试件通过销钉连接；下加载部的螺钉从加载夹具的底部插入腔室内，顶端与上述金属试件通过销钉连接，底端安设螺母。

上加载部通过拧动其顶部的螺母给试件加载载荷，下加载部通过拧动其底部的螺母给试件加载载荷。

优选的，上述加载夹具为方形。

上述盖体的顶部开设有进气口，上述进气口连接输气管，通过上述输气管向釜体内通入气体。

优选的，上述搅拌轴上设置有呈环形状的螺纹，上述环形托盘与搅拌轴之间通过螺钉形成可拆卸连接。

优选的，上述加载夹具的腔室外围为夹具视窗，上述夹具视窗用于方便试件加载。

优选的，上述试件为标准哑铃型拉伸试件。

优选的，上述加载夹具、螺钉、螺母和销钉均是由耐腐蚀性能优良的哈氏合金加工而成的，螺钉、销钉与试件为同种材质，可避免电偶腐蚀。

本发明所带来的有益技术效果：

与CN102706750 A相比，本发明装置中的加载机构结构以及加载方式与其不同，本发明加载机构包括加载夹具、位于加载夹具的上加载部和位于加载夹具的下加载部，将金属试件放置于加载夹具的腔室内，通过上下加载部对金属试件加载载荷，并且该加载机构通过耐高温棉线悬挂于旋转机构的圆形托盘上，圆形托盘在电机与搅拌轴的作用下可发生旋转，即可带动加载机构旋转，通过改变电机的转速即加载机构的转速来模拟不同环境下腐蚀介质对试件的冲刷腐蚀。

与现有技术相比，本发明试件可通过应变片利用应变仪进行加载，加载载荷应变值精度较高，试样受力稳定性较好；本发明还可测试金属试件在高温高压下腐蚀后的相关性能，如腐蚀速率、抗拉伸性能等。

本发明结果能够更加真实地反应金属材质对工况环境的适应性，从而对材质优选及其使用寿命预测提供更加真实可靠的依据。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明实验装置的结构示意图；

图2为本发明加载机构部分的结构示意图(主要示出了加载夹具和试件的连接关系)；

图3为本发明加载机构部分的剖面图；

图4为本发明加载机构部分的俯视图；

图5为本发明试件结构示意图；

图6为本发明试件加载应力稳定性测试曲线图；

图7为本发明试件腐蚀速率柱状图；

图8为本发明试件抗拉强度损失率柱状图；

图9为本发明试件腐蚀后的形貌图；

图中，1、釜体，2、输气管，3、搅拌轴，4、圆形托盘，5、阀门，6、耐高温棉线，7、加载夹具，8、腐蚀液，9、气体，10、气液界面，11、电机，12、传送带，13、方形夹具，14、螺钉，15、螺母，16、销钉，17、金属试件，18、夹具视窗，19、应变片，20、导线。

具体实施方式

本发明提出了一种模拟金属材质在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置及方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步清楚、完整的说明。

如图1-图4所示，本发明中一种模拟金属材质在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，主要包括：测试机构、加载机构和旋转机构，其中，测试机构包括釜体1、用于密封该釜体1的盖体，为保证釜体1的气密性良好，可在盖体下方铺设密封垫，釜体1内部下半部分为腐蚀液8，腐蚀液8在盖盖体之前加入，上半部分为气体9，中间为气液界面10，在盖体的顶部设置有进气口，进气口与输气管2连接，输气管2可伸入至釜体1底部，气体从进气口进入釜体1内，本发明优选气体为氮气，阀门5位于输气管2上，用于控制进气流量，本发明实验介质为含H₂S、CO₂等强腐蚀性气体以及高Cl^-浓度溶液，可根据现场环境进行调节；

旋转机构包括电机11、传送带12、搅拌轴3和圆形托盘4，电机通过传送带带动搅拌轴3旋转，搅拌轴3从盖体的顶部伸入釜体1内，并且其底端伸入腐蚀液液面以下，在接近搅拌轴底端处设置圆形托盘4，圆形托盘4通过可拆卸式设置在搅拌轴上，本发明优选通过螺钉将圆形托盘固定在搅拌轴上，圆形托盘4沿圆周方向间隔均匀的分布有4个小孔，用于固定加载机构；

加载机构包括方形夹具13、螺钉14、螺母15、销钉16、金属试件17、夹具视窗18、应变片19和导线20；位于加载夹具的上加载部和位于加载夹具的下加载部，金属试件位于加载夹具的腔室内，金属试件的两端通过销钉分别与上加载部和下加载部连接；所述金属试件的中部粘贴应变片19，应变片通过导线连接应变仪，通过对上加载端和下加载端施加压力进行加载，该釜体内可放置四组加载机构，每组加载机构均通过耐高温棉线6悬挂在小孔上，加载夹具7是由方形夹具13主体、上下两个螺钉14、四个螺母15、两个销钉16以及试件17组成，优选在上加载部和下加载部各布设两个螺母，其中方形夹具13主体中间部位为夹具视窗18；试件是标准哑铃型拉伸试件。

本发明中上述实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：

步骤1、模拟实际工况环境，具体方法如下：

a.调研现场工况环境，确定气相、液相组分，根据釜体容积计算气体分压、溶液成分含量；

b.按照现场试件(金属材质)受力条件，计算其所受应变大小，进行加载；

步骤2、试件加载过程，具体方法如下：

c、将试件与螺钉14通过销钉16连接在一起，再通过螺母15固定于方形加载夹具13主体上；

d、将应变片19粘附于试件17中心处，并通过导线20与应变仪相连，轻轻拧动夹具两端的螺母15给试件17加载相应载荷；

e、取下应变片；

步骤3、向釜体1内加入腐蚀液，清洗夹具及试件，将夹具与试件整体通过耐高温棉线6悬挂于圆形托盘上，并放入釜体内，充分除氧后，通入腐蚀性气体，按常规方法开始实验；

步骤4、实验结束后，将加载夹具7取出，并卸下试件，进行观察、计算，具体方法如下：

f、若试件断裂，清洗断口，进行断口形貌观察及作用机理分析，并得出实验报告；

g、若试件没有断裂，首先进行试件表面腐蚀形貌及腐蚀产物分析，然后清洗腐蚀产物，计算腐蚀速率，如图7所示，之后将试件安装于拉伸试验机和弯曲试验机上，进行拉伸实验和弯曲实验，测试并计算金属材质力学性能损失率，如图8所示；

步骤5、对试件高温高压应力腐蚀实验数据进行整理分析，优选适合所处环境金属材质并对其使用寿命进行预测。

实施例1：

对某金属复合管抗应力腐蚀性能进行测试，首先加工A金属试件4件，具体尺寸如表1所示。根据实际工况推算试件受力大小，利用应变仪进行加载，同时根据工况条件设置温度、压力、流速等参数，具体参数如表2所示。

为验证金属试件受拉伸应的力稳定性和可靠性，对试件受力情况进行测定，并实时记录测试数据，结果如图6所示，测的试件受力在设定值附近波动，在误差范围内，验证了试件受力的稳定性以及加载夹具设计的合理性。

按照本发明将各试件安装于加载夹具上，并将应变片贴于测定试件平行段，通过应变仪对试件进行加载。进行应力腐蚀实验，经过72小时腐蚀实验后，观察试件表面形貌，如图9所示，清洗试件表面腐蚀产物并计算各试件的腐蚀速率，求得平均值如图7所示，计算金属材质腐蚀后抗拉伸强度，并与腐蚀前进行对比，计算抗拉伸强度损失率如图8所示，根据腐蚀速率及力学性能损失结果可推测金属材质在该环境条件下的使用寿命。

表1

表2

应力(KN)	温度(℃)	压力(MPa)	流速(m/s)
				1.5	120	20	0.5

实施例2：

与实施例1不同之处在于：环境参数中流速为1.0m/s。重新加工4件A金属材质试件，尺寸如表3所示，环境参数如表4所示，所得腐蚀速率平均值如图7所示，抗拉伸强度损失率如图8所示，与实施例1相比可知，流速增加，金属材质腐蚀速率增加，其抗拉伸性能也损失较多。

表3

表4

应力(KN)	温度(℃)	压力(MPa)	流速(m/s)
				1.5	120	20	1.0

实施例3：

与实例一不同之处在于：选用B金属材质进行实验，试件尺寸如图5和表5所示，所得腐蚀速率平均值如图7所示，抗拉伸强度损失率如图8所示，与实施例1相比可知，在相同腐蚀环境中B金属更加耐蚀，并且抗拉伸性能损失较少。

表5

本发明腐蚀实验装置，可测定金属材质在特定温度(30℃-300℃)、压力(0MPa-30MPa)、流速(0m/s-4.0m/s)以及载荷(0KN-3KN)作用下的腐蚀速率和力学性能损伤程度，根据实验结果可评价金属材质在特定工况环境中的适用性并推测其使用寿命。

Claims (8)

1.一种模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其包括测试机构、加载机构和旋转机构，所述测试机构包括用于放置金属试件的釜体和用于密封所述釜体的盖体，所述釜体内上半部分为气体，下半部分为腐蚀液；所述旋转机构包括搅拌器和驱动所述搅拌器旋转的电机，所述搅拌器的搅拌轴穿过盖体伸入反应釜内的腐蚀液液面以下，其特征在于：所述搅拌轴上安设有圆形托盘，所述圆形托盘沿圆周方向上间隔均匀的分布有四个小孔；所述加载机构包括加载夹具、位于加载夹具的上加载部和位于加载夹具的下加载部，所述金属试件位于所述加载夹具的腔室内，所述金属试件的两端通过销钉分别与上加载部和下加载部连接；所述金属试件的中部贴有应变片，所述应变片通过导线连接有应变仪，通过对上加载端和下加载端施加压力进行加载；所述加载机构设置有四个，每个加载机构均通过耐高温棉线挂设在相应的小孔上。

2.根据权利要求1所述的模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述上加载部和下加载部均包括螺钉和螺母，上加载部的螺钉从加载夹具的顶部插入腔室内，顶端安设所述螺母，底端与所述金属试件通过销钉连接；下加载部的螺钉从加载夹具的底部插入腔室内，顶端与所述金属试件通过销钉连接，底端安设螺母。

3.根据权利要求1所述的模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述加载夹具为方形。

4.根据权利要求1所述的模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述盖体的顶部开设有进气口，所述进气口连接输气管，通过所述输气管向釜体内通入气体。

5.根据权利要求1所述的模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述搅拌轴上设置有呈环形状的螺纹，所述环形托盘与搅拌轴之间通过螺钉形成可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述加载夹具的腔室外围为夹具视窗，所述夹具视窗用于方便试件加载。

7.根据权利要求1所述的模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述试件为标准哑铃型拉伸试件。

8.根据权利要求2所述的模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验装置，其特征在于：所述加载夹具、螺钉、螺母和销钉均是由耐腐蚀性能优良的哈氏合金加工而成的，所述螺钉、销钉与试件为同种材质。