CN105334122A - 一种腐蚀环境下金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验方法及装置 - Google Patents

一种腐蚀环境下金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了腐蚀环境下的金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验方法及装置，其要点在于实现金属材料在对称反复交变的弯曲应力状态下，处于腐蚀介质环境作用下的恒载荷旋转弯曲疲劳实验，实验过程中金属材料受腐蚀介质、对称反复交变的弯曲应力的综合作用，根据实验结果对金属材料、金属材料表面涂层在腐蚀介质环境以及对称交变弯曲应力状态下的适用性及其作用机理进行评价研究。利用该实验方法和装置可测定金属材料在任意大小的载荷作用下腐蚀介质环境中疲劳强度的损伤和涂层的疲劳性能，根据测试结果得出金属材料在一定对称交变弯曲应力状态和特定腐蚀介质环境中的疲劳性能损伤程度，从而进行金属材料、材料表面涂层的优选及其适用性评价。

Description

一种腐蚀环境下金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验方法及装置
技术领域
本发明涉及一种腐蚀环境下金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验方法及装置，更具体地说，它涉及一种用于油气田金属材料腐蚀环境恒定弯曲应力的实验方法，本发明还涉及金属材料表面涂层耐弯曲疲劳的试验方法，并提出了一种在腐蚀环境下进行弯曲疲劳实验的装置。
背景技术
在金属材料化学实验中，需要对钻井作业过程中经常用于旋转弯曲作业的设备、管道、装置所用金属材料及其表面涂层进行腐蚀环境下的弯曲疲劳实验，从而对金属材料及其表面涂层在对称反复交变的弯曲应力、腐蚀环境工况下进行优选和适用性评价。目前国内外弯曲应力腐蚀实验方法一般是在室内环境下利用弯曲疲劳试样机进行旋转弯曲疲劳实验，不能模拟实际钻井作业中腐蚀环境下，金属材料在弯曲应力作用下所引起的力学性能损伤，也无法实现涂层在实际作业过程中的弯曲疲劳破坏，从而使得评价结果与现场结果相差较大，无法提供可靠依据来对金属材料进行优选和评价。
在钻井过程中，大多设备、装置所用金属材料都是在一定腐蚀环境、一定应力状态下服役的。目前这类实验评价在学术上和工程技术上具有极其重要的价值，由于缺乏相应的实验方法和装置，导致相应的评价实验不能进行。常规的旋转弯曲疲劳实验是在室内环境下进行的，无法模拟腐蚀环境下的弯曲疲劳实验，因而评价结果与实际工况相差甚远，这不仅无法达到对金属材料进行合理优选和评价的目的，还会给现场施工带来巨大经济损失甚至伤亡事故。
目前，常规的弯曲疲劳实验方法主要存在3点不足：
(A)无法保证试样在腐蚀环境下实现弯曲疲劳；
(B)对于金属材料的表面涂层来说，实际作业环境和室内环境的差距较大，试验结果不能充分说明涂层的耐腐蚀耐疲劳特性；
(C)只能观察试样本身是否发生断裂，现用试验仪器无法检测金属材料表面涂层是否发生损坏。
为解决常规弯曲疲劳试验不能模拟现场实际工况的问题，本发明借助弯曲疲劳试样机，提出了腐蚀环境下的弯曲疲劳实验方法，并设计了模拟腐蚀环境的装置，形成了适用于腐蚀环境下的弯曲疲劳实验方法，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，提供一种能够较真实反映实际作业现场、用于模拟腐蚀环境下弯曲疲劳实验的方法。
本发明要解决的另一个问题是提供一种能够检测材料涂层的抗弯曲疲劳性能的装置，实现在腐蚀环境在中进行实验。
一种腐蚀环境下金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验方法主要包括：(A)测定金属材料在一定大小的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于有机盐泥浆中弯曲疲劳强度大小及其损伤幅度；(B)测定金属材料在一定大小的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于含H2S溶液中弯曲疲劳强度大小及其损伤幅度；(C)测定金属材料在一定大小的应力状态下，处于有机盐泥浆、含H2S溶液腐蚀环境中力学性能损伤程度及其变化幅度；(D)检测金属材料表面涂层在较低的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于腐蚀介质环境中的疲劳性能；根据实验结果得出材料在不同腐蚀环境中疲劳性能损伤程度和涂层的破裂时间及程度，对表面损伤、断口形貌特征进行分析，从而对金属材料和表面涂层在对称反复交变的弯曲应力腐蚀条件下的适用性进行综合评价。
一种腐蚀环境下的金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验装置，其特征在于包括弯曲疲劳试样机轴座(1)、带涂层试样(2)、普通试样(3)、腐蚀介质(4)、腐蚀介质存储装置(5)、电刷(6)、计时器(7)、螺母(8)、弹簧夹(9)、绝缘橡胶圈(10)、封口阀(11)、腐蚀介质注入口(12)、腐蚀介质容器(13)；所述的弯曲疲劳试样机轴座(1)之间的距离要足够大，保证腐蚀介质存储装置(5)和电刷(6)顺利安装并进行平行实验；所述的腐蚀介质存储装置(5)是由螺母(8)、弹簧夹(9)、绝缘橡胶圈(10)、腐蚀介质容器(13)组成，其中腐蚀介质容器(13)上设置有腐蚀介质注入口(12)；所述的带涂层试样(2)或普通试样(3)通过螺母(8)、弹簧夹(9)、绝缘橡胶圈(10)与腐蚀介质容器(13)连接；所述的腐蚀介质容器(13)两端通过螺纹与弹簧夹(9)连接；所述的封口阀(11)通过螺纹与腐蚀介质容器(13)连接，堵住腐蚀介质注入口(12)；所述的电刷(6)与计时器(7)通过导线连接，电刷(6)分别轻搭在带涂层试样(2)或普通试样(3)上和腐蚀介质容器(13)上；将安装好腐蚀介质存储装置(5)的试样加载在弯曲疲劳试样机上进行实验。
上述的一种腐蚀环境下的弯曲疲劳实验方法，其具体操作步骤是：将绝缘橡胶圈(10)套在普通试样(3)试验部位的两端，然后将普通试样(3)居中放入腐蚀介质容器(13)中，将弹簧夹(9)带缺口的一段朝外沿普通试样(3)套入，与腐蚀介质容器(13)螺纹连接，将螺母(8)装在弹簧夹(9)上，轻轻拧紧，然后从腐蚀介质容器(13)上的腐蚀介质注入口(12)注入腐蚀介质，注满后用封口阀(11)拧紧密封，安装在弯曲疲劳是样机上进行实验。
上述的一种腐蚀环境下材料涂层检测实验方法，其具体操作步骤是：将绝缘橡胶圈(10)套在带涂层试样(2)试验部位的两端，然后将带涂层试样(2)居中放入腐蚀介质容器(13)中，将弹簧夹(9)带缺口的一段朝外沿带涂层试样(2)套入，与腐蚀介质容器(13)螺纹连接，将螺母(8)装在弹簧夹(9)上，轻轻拧紧，然后从腐蚀介质容器(13)上的腐蚀介质注入口(12)注入腐蚀介质，注满后用封口阀(11)拧紧密封，安装固定在弯曲疲劳试样机轴座(1)上，将一个电刷(6)与带涂层试样(2)的裸露部分连接，另一个电刷(6)与腐蚀介质容器(13)连接，然后在较低弯曲应力载荷下进行实验并记录试验结果。
本发明与现有技术相比，主要包括2个优点：
(A)实现了试样的疲劳试验可以在腐蚀环境中进行，使得试验结果进一步接近金属材料的实际作业环境；
(C)虽然有时试样不会发生断裂，但其表面涂层可以已经被破坏，利用破裂后导电的特性实现了对材料涂层的检测。
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是实现金属材料疲劳强度测试的主要装置结构示意图。
图2是实现材料涂层抗弯曲疲劳性能的主要装置结构示意图。
图3是实现两种试验所用试样的示意图。
图4是实现材料涂层抗弯曲疲劳性能测试的具体零件示意图。
图5是弹簧夹结构示意图。
图6是在有、无腐蚀环境下实验所得的金属材料的弯曲疲劳强度对比图。
具体实施方式
参阅图1、图2所示，本发明中一种腐蚀环境下的弯曲疲劳实验装置，主要包括弯曲疲劳试样机轴座(1)、带涂层试样(2)、普通试样(3)、腐蚀介质(4)、腐蚀介质存储装置(5)、电刷(6)、计时器(7)、螺母(8)、弹簧夹(9)、绝缘橡胶圈(10)、封口阀(11)、腐蚀介质注入口(12)、腐蚀介质容器(13)；所述的弯曲疲劳试样机轴座(1)之间的距离要足够大，保证腐蚀介质存储装置(5)和电刷(6)顺利安装并进行平行实验；所述的试样(2)是带有涂层的弯曲疲劳试样；所述的腐蚀介质存储装置(5)是由螺母(8)、弹簧夹(9)、绝缘橡胶圈(10)、腐蚀介质容器(13)组成，其中腐蚀介质容器(13)上设置有腐蚀介质注入口(12)；将安装好腐蚀介质存储装置(5)的试样加载在弯曲疲劳试样机上进行实验。
本发明中一种腐蚀环境下的弯曲疲劳实验方法如下。
(A)模拟实际作业环境，具体方法如下：
(a)根据所用设备、钻具的实际工作环境，确定影响疲劳断裂的主要因素，如有机盐泥浆、H2S等，在实验室内模拟相似的腐蚀环境；
(b)按照现场获得的数据，初步确定金属材料的疲劳强度，以此为基础设定弯曲应力的试验范围。
(B)仪器安装过程的具体方法如下：
(a)将绝缘橡胶圈(10)套在普通试样(3)试验部位的两端，然后将普通试样(3)居中放入腐蚀介质容器(13)中；
(b)弹簧夹(9)、螺母(8)依次安装，将普通试样(3)固定在腐蚀介质容器(13)上；
(c)从腐蚀介质注入口(12)注入腐蚀介质，注满后用封口阀(11)拧紧密封，安装在弯曲疲劳试样机上进行实验并记录结果。
(C)对金属材料的弯曲疲劳试验数据进行处理，并对金属材料在腐蚀环境中的疲劳强度的适用性进行评价。
本发明中一种腐蚀环境下涂层检测实验方法如下。
(A)模拟实际作业环境，具体方法如下：
(a)根据所用设备、钻具的实际工作环境，确定影响疲劳断裂的主要因素，如有机盐泥浆、H2S等，在实验室内模拟相似的腐蚀环境；
(b)根据试验数据，在确定试样不会断裂的前提下，选择合适的弯曲应力为试验标准应力。
(B)仪器安装过程的具体方法如下：
(a)将绝缘橡胶圈(10)套在带涂层试样(2)试验部位的两端，然后将带涂层试样(2)居中放入腐蚀介质容器(13)中；
(b)弹簧夹(9)、螺母(8)依次安装，将普通试样(3)固定在腐蚀介质容器(13)上；
(c)从腐蚀介质注入口(12)注入腐蚀介质，注满后用封口阀(11)拧紧密封；
(d)将试样安装固定在弯曲疲劳试样机轴座(1)上，将一个电刷(6)与带涂层试样(2)的裸露部分连接，另一个电刷(6)与腐蚀介质容器(13)连接，进行实验并记录结果，如图(6)。
(C)对试验数据进行处理，并对在腐蚀环境中金属材料表面涂层的的适用性进行评价。

Claims (8)

1.一种腐蚀环境下金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验方法及装置，其特征在于能够实现金属材料在对称反复交变的弯曲应力状态下，处于腐蚀介质环境的作用下，通过实验测定金属材料在对称反复交变的弯曲应力状态下，有机盐泥浆、含H2S溶液等腐蚀环境对金属材料弯曲疲劳强度的影响及其作用机理研究，从而对金属材料进行优选及适用性评价；实现金属材料表面涂层在腐蚀环境中，在对称反复交变的弯曲应力状态下，疲劳性能的检测，从而对金属材料表面涂层进行优选及适用性评价。
2.根据权利要求1所述的一种腐蚀环境下金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验方法，其特征在于实验内容包括：(A)测定金属材料在一定大小的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于有机盐泥浆中弯曲疲劳强度大小及其损伤幅度；(B)测定金属材料在一定大小的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于含H2S溶液中弯曲疲劳强度大小及其损伤幅度；(C)测定金属材料在一定大小的应力状态下，处于有机盐泥浆、含H2S溶液腐蚀环境中力学性能损伤程度及其变化幅度；(D)检测金属材料表面涂层在较低的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于腐蚀介质环境中的疲劳性能；根据实验结果得出材料在不同腐蚀环境中疲劳性能损伤程度和涂层的破裂时间及程度，对表面损伤、断口形貌特征进行分析，从而对金属材料和表面涂层在对称反复交变的弯曲应力腐蚀条件下的适用性进行综合评价。
3.一种腐蚀环境下的金属材料弯曲疲劳及涂层检测实验装置，其特征在于包括弯曲疲劳试样机轴座(1)、带涂层试样(2)、普通试样(3)、腐蚀介质(4)、腐蚀介质存储装置(5)、电刷(6)、计时器(7)、螺母(8)、弹簧夹(9)、绝缘橡胶圈(10)、封口阀(11)、腐蚀介质注入口(12)、腐蚀介质容器(13)；所述的弯曲疲劳试样机轴座(1)之间的距离要足够大，保证腐蚀介质存储装置(5)和电刷(6)顺利安装并进行平行实验；所述的腐蚀介质存储装置(5)是由螺母(8)、弹簧夹(9)、绝缘橡胶圈(10)、腐蚀介质容器(13)组成，其中腐蚀介质容器(13)上设置有腐蚀介质注入口(12)；所述的带涂层试样(2)或普通试样(3)通过螺母(8)、弹簧夹(9)、绝缘橡胶圈(10)与腐蚀介质容器(13)连接；所述的腐蚀介质容器(13)两端通过螺纹与弹簧夹(9)连接；所述的封口阀(11)通过螺纹与腐蚀介质容器(13)连接，堵住腐蚀介质注入口(12)；所述的电刷(6)与计时器(7)通过导线连接，电刷(6)分别轻搭在带涂层试样(2)或普通试样(3)上和腐蚀介质容器(13)上；将安装好腐蚀介质存储装置(5)的试样加载在弯曲疲劳试样机上进行实验。
4.根据权利要求3所述的一种腐蚀环境下的弯曲疲劳实验装置，其特征在于绝缘橡胶圈(10)具有耐硫化氢腐蚀性，螺母(8)、弹簧夹(9)、封口阀(11)、腐蚀介质容器(13)是由耐硫化氢腐蚀的耐腐蚀材料加工成型，且腐蚀介质容器(13)所用材料应具有导电性能。
5.根据权利要求3所述的一种腐蚀环境下的弯曲疲劳实验装置，其特征在于，所述的腐蚀介质存储装置(5)的装配过程是将绝缘橡胶圈(10)套在普通试样(3)试验部位的两端，然后将普通试样(3)居中放入腐蚀介质容器(13)中，将弹簧夹(9)带缺口的一段朝外沿普通试样(3)套入，与腐蚀介质容器(13)螺纹连接，将螺母(8)装在弹簧夹(9)上，轻轻拧紧，然后从腐蚀介质容器(13)上的腐蚀介质注入口(12)注入腐蚀介质，注满后用封口阀(11)拧紧密封，安装在弯曲疲劳是样机上进行实验。
6.根据权利要求3所述的一种涂层检测实验装置，其特征在于，所述的腐蚀介质存储装置(5)的装配过程是将绝缘橡胶圈(10)套在带涂层试样(2)试验部位的两端，然后将带涂层试样(2)居中放入腐蚀介质容器(13)中，将弹簧夹(9)带缺口的一段朝外沿带涂层试样(2)套入，与腐蚀介质容器(13)螺纹连接，将螺母(8)装在弹簧夹(9)上，轻轻拧紧，然后从腐蚀介质容器(13)上的腐蚀介质注入口(12)注入腐蚀介质，注满后用封口阀(11)拧紧密封，安装固定在弯曲疲劳试样机轴座(1)上，将一个电刷(6)与带涂层试样(2)的裸露部分连接，另一个电刷(6)与腐蚀介质容器(13)连接，然后在较低弯曲应力载荷下进行实验并记录试验结果。
7.根据权利要求3所述的一种腐蚀环境下的弯曲疲劳实验装置，其特征在于，所述的普通试样(3)在实验过程中一直处于腐蚀介质环境中，保证普通试样(3)每次裂纹扩展过程都有腐蚀介质的参与和影响。
8.根据权利要求3所述的一种涂层检测实验装置，其特征在于，所述的带涂层试样(2)在实验过程中一直处于较低的弯曲应力载荷下，保证试样不会断裂，利用计时器(7)和金属的导电性可对金属材料表面涂层在腐蚀介质中的疲劳破裂性能进行检测和评价。
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