CN105388101B - 一种复合加载应力腐蚀试验装置及方法 - Google Patents

一种复合加载应力腐蚀试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种复合加载应力腐蚀试验装置，包括拉力环，密闭设置的环境容器，从上方伸入环境容器设置的进气管、出气管、热电偶和压力传感器，分别设置在环境容器上下端的上下夹具，螺纹连接在下夹具自由端的加载螺栓，连接在上夹具自由端上的旋转电机，以及设置在环境容器下部的电磁搅拌器和设置在环境容器中的磁子；拉力环沿径向一端与上夹具固定连接，另一端连接在加载螺栓远离下夹具的一端；拉力环通过加载螺栓旋转经上下夹具对试件施加拉应力。所述基于装置的方法用以进行钻杆、油套管材料等在油气井下高温高压多相流腐蚀性介质及承受拉伸、扭转、液体流动冲击的复杂受力工况下的耐腐蚀性能研究。

Description

一种复合加载应力腐蚀试验装置及方法
技术领域
本发明涉及石油勘探器材研究，具体为一种复合加载应力腐蚀试验装置及方法。
背景技术
近年来，油气田由于硫化氢等腐蚀性介质的存在导致钻杆、油套管等材料应力腐蚀开裂频发。应力腐蚀开裂是材料在低于其屈服强度时过早的失效，具有突发性和不可预见性，存在着很大的安全隐患。现有的应力腐蚀试验装置多为单纯的受拉或受弯曲应力的恒载荷试验装置，而油田现场钻杆、油套管材料在承受拉应力的同时，还承受着一定的扭矩、弯矩、振动，以及流体冲击，单一受力工况下的模拟试验不能很好的与实际工况相匹配，这也是为何经实验室检测合格的材料在现场仍然出现开裂的原因。因此，迫切需要开发可以实现复合加载功能的应力腐蚀试验装置，使得真实工况下的应力腐蚀研究得以开展。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种复合加载应力腐蚀试验装置及方法，能够同时施加拉伸、扭转、液体流动冲击三种力的复合加载应力，更加接近实际工况，适用于各工程领域金属材料在承受拉伸、扭转、流体流动复合作用下的应力腐蚀试验研究。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种复合加载应力腐蚀试验装置，包括拉力环，密闭设置的环境容器，从上方伸入环境容器设置的进气管、出气管、热电偶和压力传感器，分别设置在环境容器上下端的上下夹具，螺纹连接在下夹具自由端的加载螺栓，连接在上夹具自由端上的旋转电机，以及设置在环境容器下部的电磁搅拌器和设置在环境容器中的磁子；拉力环沿径向一端与上夹具固定连接，另一端连接在加载螺栓远离下夹具的一端；拉力环通过加载螺栓旋转经上下夹具对试件施加拉应力。
优选的，加载螺栓一端与下夹具自由端螺纹连接，另一端通过螺纹连接有支柱，拉力环与支柱固定连接。
进一步，还包括固定设置的支座，支柱的自由端固定在支座上，旋转电机与支座固定连接。
优选的，环境容器外部套设有加热套。
优选的，拉力环采用弹性金属或弹性体制成。
优选的，上下夹具分别通过密封圈与环境容器密封连接。
优选的，还包括设置控制面板的控制电路，控制电路的输出端连接热电偶的控制端和旋转电机的控制端，输入端连接压力传感器的输出端。
一种复合加载应力腐蚀试验方法，基于本发明所述的一种复合加载应力腐蚀试验装置，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，试验样品的准备，将样品制备成哑铃状拉伸试样；
步骤二，将试样通过上下夹具装夹在环境容器上，通过拉力环施加80％最小名义屈服强度的拉应力；
步骤三，导入所需的试验溶液，通过进气口导入N2除氧1小时，随后关闭出气口，导入腐蚀介质气体到所需的分压；
步骤四，开启热电偶加热至所需温度；
步骤五，开启旋转电机，给试样施加所需的扭力；
步骤六，开启电磁搅拌器，使介质产生流动，形成样品一定流速下的相对运动；
步骤七，记录试验时间，持续720小时，试验结束；
步骤八，观察试验后样品工作段的变化，是否断裂或产生裂纹。
优选的，制备成哑铃状拉伸试样后，采用砂纸打磨和抛光。
优选的，拉力环施加的拉应力控制由千分表测量拉力环的变形来实现。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明设计了一种复合加载应力腐蚀试验装置，通过拉力环的设置，实现了精确的加载力控制；通过旋转电机的设置，实现了样品的扭应力加载；通过电磁搅拌器的设置，实现了试验介质的流动，从而实现了样品的相对运动；通过压力传感器的设置，实现了高压条件下的试验；通过热电偶和加热套的设置，实现了高温条件下的试验。用以进行钻杆、油套管材料等在油气井下高温高压多相流腐蚀性介质及承受拉伸、扭转、液体流动冲击的复杂受力工况下的耐腐蚀性能研究，也可用于其它金属材料在高温高压多相流腐蚀介质及承受复合载荷工况下的耐蚀性及腐蚀规律研究。综合实现了油气田苛刻腐蚀工况高温高压、拉应力、扭应力和流体流动冲刷腐蚀作用的集成作用，也可以单独实现高温或高压、拉伸应力、扭转应力、冲刷作用下的腐蚀模拟工况试验研究。
进一步的，样品加载时，先固定下部螺栓起固定作用，通过上部螺栓加载使得拉力环产生压缩变形，给样品施加一个反作用的拉应力，通过拉力环的变形量计算样品上承受的载荷，从而得到精确的加载应力。
进一步的，通过加热套给环境容器加热，实现高温试验，并起到保温的作用。
进一步的，通过采用砂纸打磨，从而避免机加工刀痕造成应力集中对试验产生影响，提高了试验的准确性。
附图说明
图1为本发明实例中所述装置的结构示意图。
图中：1-拉力环，2-电磁搅拌器，3-环境容器，4-进气管，5-热电偶，6-旋转电机，7-出气管，8-压力传感器，9-试样，10-加热套，11-磁子，12-密封圈，13-加载螺栓，14-支座。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所设计的试验装置可以实现同时承受拉伸、扭转和流体流动冲击三种力的复合加载工况下的应力腐蚀试验，原理简单、操作方便，更加接近油田现场实际工况，有利于促进对油气田钻杆、油套管材料在真实受力情况下的应力腐蚀的研究。
如图1所示，本发明所述的试验装置包括，环境容器3、拉力环1、电磁搅拌器2、旋转电机6、加热套10、进气管4、出气管7、热电偶5、压力传感器8，以及支座14。环境容器3用来盛放腐蚀介质，环境容器3上设计有四个接口，一个安装进气管4，一个安装出气管7，一个安装热电偶5，一个安装压力传感器8；进出气管4、7用来导入惰性气体排除环境容器及腐蚀介质中的氧气，以及导入试验所需气体；热电偶5用来探测和控制实验温度，压力传感器8用来探测和控制实验压力；拉力环1用来提供恒载荷的拉应力；环境容器3下部配有电磁搅拌器2，通过电磁振动实现试验介质的流动，对试样形成相对运动及一定的剪切应力；试样上端接旋转电机6，通过微旋转给样品施加所需的扭力。温度、压力、拉力、扭力的数据通过控制面板来读取和操作，振动的频率通过电磁搅拌器2单独控制。
本优选实例以P110S油管在饱和H2S腐蚀介质中的应力腐蚀试验为例。
1)试验样品的准备。将样品制备成哑铃状拉伸试样，试样用砂纸打磨、抛光，避免机加工刀痕造成应力集中对试验产生影响。
2)将试样装夹在环境容器上，采用密封圈密封，通过拉力环施加80％最小名义屈服强度的拉应力。应力的控制由千分表测量拉力环的变形来实现。
3)导入所需的试验溶液，通过进气口导入N2除氧1小时，随后关闭出气口，导入硫化氢气体到所需的分压。
4)开启电加热至所需温度。
5)开启旋转电机，给试样施加所需的微扭力。
6)开启电磁搅拌器，通过磁子11的转动使介质产生流动。
7)记录试验时间，持续720小时，试验结束。
8)观察试验后样品工作段的变化，是否断裂或产生裂纹。

Claims (7)

1.一种复合加载应力腐蚀试验装置，其特征在于，包括拉力环(1)，密闭设置的环境容器(3)，从上方伸入环境容器(3)设置的进气管(4)、出气管(7)、热电偶(5)和压力传感器(8)，分别设置在环境容器(3)上下端的上下夹具，螺纹连接在下夹具自由端的加载螺栓(13)，连接在上夹具自由端上的旋转电机(6)，以及设置在环境容器(3)下部的电磁搅拌器(2)和设置在环境容器(3)中的磁子(11)；拉力环(1)沿径向一端与上夹具固定连接，另一端连接在加载螺栓(13)远离下夹具的一端；拉力环(1)通过加载螺栓(13)旋转经上下夹具对试件(9)施加拉应力；所述环境容器(3)内填充试验溶液，所述热电偶(5)用于加热试验溶液至所需温度，所述旋转电机(6)用于给试样施加所需的扭力，所述电磁搅拌器(2)用于使介质产生流动，形成样品一定流速下的相对运动；
加载螺栓(13)一端与下夹具自由端螺纹连接，另一端通过螺纹连接有支柱，拉力环(1)与支柱固定连接；
上下夹具分别通过密封圈(12)与环境容器(3)密封连接。
2.根据权利要求1所述的一种复合加载应力腐蚀试验装置，其特征在于，还包括固定设置的支座(14)，支柱的自由端固定在支座(14)上，旋转电机(6)与支座(14)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种复合加载应力腐蚀试验装置，其特征在于，环境容器(3)外部套设有加热套(10)。
4.根据权利要求1所述的一种复合加载应力腐蚀试验装置，其特征在于，拉力环采用弹性金属或弹性体制成。
5.根据权利要求1所述的一种复合加载应力腐蚀试验装置，其特征在于，还包括设置控制面板的控制电路，控制电路的输出端连接热电偶(5)的控制端和旋转电机(6)的控制端，输入端连接压力传感器(8)的输出端。
6.一种复合加载应力腐蚀试验方法，基于权利要求1所述的一种复合加载应力腐蚀试验装置，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，试验样品的准备，将样品制备成哑铃状拉伸试样；
步骤二，将试样通过上下夹具装夹在环境容器上，通过拉力环施加80％最小名义屈服强度的拉应力；拉力环施加的拉应力控制由千分表测量拉力环的变形来实现；
步骤三，导入所需的试验溶液，通过进气口导入N2除氧1小时，随后关闭出气口，导入腐蚀介质气体到所需的分压；
步骤四，开启热电偶加热至所需温度；
步骤五，开启旋转电机，给试样施加所需的扭力；
步骤六，开启电磁搅拌器，使介质产生流动，形成样品一定流速下的相对运动；
步骤七，记录试验时间，持续720小时，试验结束；
步骤八，观察试验后样品工作段的变化，是否断裂或产生裂纹。
7.根据权利要求6所述的一种复合加载应力腐蚀试验方法，其特征在于，制备成哑铃状拉伸试样后，采用砂纸打磨和抛光。
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