CN105987847A - 海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置及试验方法，包括介质槽、恒电位仪、试样、参比电极、辅助电极、加热器、温度测量与调节装置、热电偶、拉伸应力加载装置，通过在介质槽中加入所需介质，模拟钢材实际使用的海洋环境；通过拉伸应力加载装置，能够模拟钢材在实际服役过程中所受的拉力；通过恒电位仪，能够模拟钢材在实际服役过程中的充氢情况；通过温度测量和调节装置可以模拟钢材在不同温度下的氢脆性能测试；操作简单，使用方便。

Description

海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置及试验方法，特别是关于一种海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置及试验方法。

背景技术

随着海洋油气开发、利用的快速发展，钢材在军、民用平台和海底钢管，以及海底挠性管线的铠装保护层方面应用广泛。但是海洋环境对各种功能和结构钢材而言是一个严酷的腐蚀环境，也是高强度钢材的敏感断裂介质，阴极保护技术已成为腐蚀与防护领域研究的热点问题。合适有效的阴极保护不但能抑制钢材的普遍腐蚀，还可以提高钢材的安全使用系数。但是如果阴极保护电位过负，会引起阴极析氢，即使有很少量的氢渗入高强度钢材内部，在残余应力或服役时产生的外部应力作用下会使材料发生断裂。

目前，氢脆敏感性的预测采用的是圆柱高压储罐内充氢，内有试样，从外部加载。然而该方法昂贵且存在安全问题。同时，在海洋环境中，阴极保护下的析氢浓度不易测的，因此不易控制高压储罐的充氢量。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置及试验方法，通过在介质槽中加入所需介质，模拟钢材实际使用的海洋环境；通过拉伸应力加载装置，能够模拟钢材在实际服役过程中所受的拉力；通过恒电位仪，能够模拟钢材在实际服役过程中的充氢情况；通过温度测量和调节装置可以模拟钢材在不同温度下的氢脆性能测试；操作简单，使用方便。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置，包括介质槽、恒电位仪、试样、参比电极、辅助电极、加热器、温度测量与调节装置、热电偶、拉伸应力加载装置，其特征在于所述拉伸应力加载装置包括拉伸应力上夹具、拉伸应力上夹具连接件和拉伸应力下夹具、拉伸应力下夹具连接件，所述拉伸应力下夹具连接件从介质槽下方过所述介质槽中央，所述拉伸应力下夹具连接件下端与拉伸试验机底座连接，所述拉伸应力下夹具连接件的上端与所述拉伸应力下夹具的下端连接，所述拉伸应力下夹具上端通过内螺纹与绝缘材料内衬的外螺纹连接，所述绝缘材料内衬的内螺纹与所述试样下端的外螺纹连接，在所述拉伸应力下夹具连接件垂直方向上，所述拉伸应力上夹具连接件从介质槽上方穿过所述介质槽中央，所述拉伸应力上夹具连接件的上端连接在伸试验机横梁上，所述拉伸应力上夹具连接件下端与所述拉伸应力上夹具上端螺纹连接，所述拉伸应力上夹具下端通过内螺纹与绝缘材料内衬的外螺纹连接，所述试样安装于所述拉伸应力上夹具与所述拉伸应力下夹具之间，所述试样两端均通过外螺纹与所述绝缘材料内衬的内螺纹相连接；

所述加热器和所述热电偶置于所述介质槽内，通过所述介质槽壁上的预留孔分别与位于所述介质槽外的所述温度测量和调节装置连接，用密封材料填充在两个预留孔处；

所述参比电极、所述辅助电极放置于所述介质槽内，所述参比电极、所述辅助电极、所述试样均通过导线分别与位于所述介质槽外部的所述恒电位仪连接。

所述介质槽侧面包括两个气体通道，位于下方的气体通道是惰性气体进气管道，位于上方的气体通道为惰性气体出气管道，用于吹扫介质槽中的介质，在所述介质槽侧面下方设置有介质排放口，用于介质的排放。

利用海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置进行氢脆试验的方法，包括以下步骤：

（1）加工试样：试样中间包括一个V型缺口，试样由数控切割机一次加工完成，试样两端为螺纹，螺纹规格和拉伸应力上下夹具的绝缘材料内衬的内螺纹规格相配合；

（2）安装拉伸加载系统：将拉伸应力下夹具安装到拉应力下夹具连接件上，插上定位销，并用锁密紧螺母将其锁紧，在定位销和锁紧螺母处均用密封材料将其密封；在拉伸应力下夹具上端的螺纹孔内安装绝缘材料内衬；将拉伸应力上夹具与拉伸应力上夹具连接件利用螺纹连接紧固，并将拉伸应力上夹具下端的螺纹孔内安装绝缘材料内衬；

（3）安装试样：将试样安装到拉伸应力上夹具与拉伸应力下夹具之间，使用调节螺母将拉伸应力上夹具连接件调整到合适位置，并背紧调节螺母；

（4）安装电极：将工作电极连接导线连接到试样上，并将参比电极和辅助电极插入介质槽中；

（5）氢脆试验：使用拉伸应力加载系统对试样进行加载直至指定大小；向介质槽中加入试验介质，试验介质的液面高于试样；调节恒电位仪对试样施加保护电位；用惰性气体通过介质槽上侧面进气口和出气口对试验介质进行吹扫并保证介质槽中处于正压状态，通过温度测量和调节装置将试验介质加热到预定温度；

（6）试验结束：当试验时间达到预定时间后，卸载拉伸应力，并将试验介质温度将至室温；通过介质排放口将介质槽中的试验介质放空，并关闭恒电位仪；取出试样，观察试样的裂纹情况。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，通过在介质槽中加入所需介质，模拟钢材实际使用的海洋环境；通过拉伸应力加载装置，能够模拟钢材在实际服役过程中所受的拉力；通过恒电位仪，能够模拟钢材在实际服役过程中的充氢情况；通过温度测量和调节装置可以模拟钢材在不同温度下的氢脆性能测试；操作简单，使用方便。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图说明：

图1为阴极保护和拉应力下的钢材氢脆试验装置示意图；

图2为阴极保护和拉应力下的钢材氢脆试验试样示意图。

图中主要标号说明：

1-介质槽；2-介质槽底座；3-介质排放口；4-进气管道；5-绝缘材料内衬；6-试样；7-出气管道； 8-拉伸应力上夹具；9-拉伸应力上夹具连接件；10-恒电位仪；11-参比电极；12-辅助电极；13-拉伸应力下夹具；14-加热器；15-温度测量和调节装置；16-热电偶；17-密封材料；18-拉伸应力下夹具连接件； 19-V型缺口。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括由介质槽1、恒电位仪10、试样6、参比电极11、辅助电极12、加热器14、温度测量与调节装置15、热电偶16、拉伸应力上夹具8、拉伸应力下夹具13、、拉伸应力上夹具连接件9、拉伸应力下夹具连接件18组成。

介质槽1底部与介质槽底座2相连，用于介质槽1的调平；

拉伸应力下夹具连接件18从下面穿过介质槽1中央，密封材料17填充在介质槽1和拉伸应力下夹具连接件18的连接部位，拉伸应力下夹具连接件18下端与拉伸试验机底座机械连接，拉伸应力下夹具连接件18的上端与拉伸应力下夹具13的下端通过定位销及锁紧螺母连接，拉伸应力下夹具13上端通过内螺纹与绝缘材料内衬5的外螺纹连接，绝缘材料内衬5的内螺纹与试样6下端的外螺纹连接；

拉伸应力上夹具连接件9从上面穿过介质槽1中央，拉伸应力上夹具连接件9的上端通过定位销连接在伸试验机横梁上，拉伸应力上夹具连接件9下端与拉伸应力上夹具8上端通过螺纹连接，拉伸应力上夹具8下端通过内螺纹与绝缘材料内衬5的外螺纹连接；

试样6安装于拉伸应力上夹具8与拉伸应力下夹具13之间，试样6两端均通过外螺纹与绝缘材料内衬5的内螺纹相连接；

加热器14和热电偶16置于介质槽1内，通过介质槽1壁上的预留孔与位于介质槽1外的温度测量和调节装置15连接，用密封材料17填充在两个预留孔处；

参比电极11、辅助电极12放置于介质槽1内，参比电极11、辅助电极12、试样6均通过导线与位于介质槽1外部的恒电位仪10连接；

在介质槽1侧面包括两个气体通道，位于下方的气体通道是惰性气体进气管道4，位于上方的气体通道为惰性气体出气管道7，用于吹扫介质槽中1的介质；

在介质槽1侧面下方设置有介质排放口3，用于介质的排放。

如图1-2所示，本发明利试验方法，包括以下步骤：

（1）加工试样6：试样4中间包括一个V型缺口19，试样由数控切割机一次加工完成，试样6两端为螺纹，螺纹规格和拉伸应力加载装置的绝缘材料内衬5的内螺纹规格相配合；

（2）安装拉伸加载系统：将拉伸应力下夹具13安装到拉应力下夹具连接件18上，插上定位销，并用锁密紧螺母将其锁紧，在定位销和锁紧螺母处均用密封材料17将其密封；在拉伸应力下夹具13上端的螺纹孔内安装绝缘材料内衬5；将拉伸应力上夹具8与拉伸应力上夹具连接件9利用螺纹连接紧固，并将拉伸应力上夹具8下端的螺纹孔内安装绝缘材料内衬5。

（3）安装试样：将试样6安装到拉伸应力上夹具9与拉伸应力下夹具13之间，使用调节螺母将拉伸应力上夹具9连接件调整到合适位置，并背紧调节螺母；

（4）安装电极：将工作电极连接导线连接到试样6上，并将参比电极11和辅助电极12插入介质槽1中；

（5）氢脆试验：使用拉伸应力加载系统对试样6进行加载直至指定大小；向介质槽1中加入试验介质，试验介质的液面高于试样6；调节恒电位仪10对试样施加保护电位；用惰性气体通过介质槽1侧面进气管道4、出气管道7对试验介质进行吹扫并保证介质槽1中处于正压状态，通过温度测量和调节装置15将试验介质加热到预定温度；

（6）试验结束：当试验时间达到预定时间后，卸载拉伸应力，并将试验介质温度将至室温；通过介质排放口3将介质槽1中的试验介质放空，并关闭恒电位仪10；取出试样6，观察试样6的裂纹情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置，包括介质槽、恒电位仪、试样、参比电极、辅助电极、加热器、温度测量与调节装置、热电偶、拉伸应力加载装置，其特征在于所述拉伸应力加载装置包括拉伸应力上夹具、拉伸应力上夹具连接件和拉伸应力下夹具、拉伸应力下夹具连接件，所述拉伸应力下夹具连接件从介质槽下方过所述介质槽中央，所述拉伸应力下夹具连接件下端与拉伸试验机底座连接，所述拉伸应力下夹具连接件的上端与所述拉伸应力下夹具的下端连接，所述拉伸应力下夹具上端通过内螺纹与绝缘材料内衬的外螺纹连接，所述绝缘材料内衬的内螺纹与所述试样下端的外螺纹连接，在所述拉伸应力下夹具连接件垂直方向上，所述拉伸应力上夹具连接件从介质槽上方穿过所述介质槽中央，所述拉伸应力上夹具连接件的上端连接在伸试验机横梁上，所述拉伸应力上夹具连接件下端与所述拉伸应力上夹具上端螺纹连接，所述拉伸应力上夹具下端通过内螺纹与绝缘材料内衬的外螺纹连接，所述试样安装于所述拉伸应力上夹具与所述拉伸应力下夹具之间，所述试样两端均通过外螺纹与所述绝缘材料内衬的内螺纹相连接；

所述加热器和所述热电偶置于所述介质槽内，通过所述介质槽壁上的预留孔分别与位于所述介质槽外的所述温度测量和调节装置连接，用密封材料填充在两个预留孔处；

所述参比电极、所述辅助电极放置于所述介质槽内，所述参比电极、所述辅助电极、所述试样均通过导线分别与位于所述介质槽外部的所述恒电位仪连接。

2.根据权利要求1所述的海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置，其特征在于所述介质槽侧面包括两个气体通道，位于下方的气体通道是惰性气体进气管道，位于上方的气体通道为惰性气体出气管道，用于吹扫介质槽中的介质，在所述介质槽侧面下方设置有介质排放口，用于介质的排放。

3.一种采用如权利要求1-2任意一项所述的海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置试验的方法，包括以下步骤：

（1）加工试样：试样中间包括一个V型缺口，试样由数控切割机一次加工完成，试样两端为螺纹，螺纹规格和拉伸应力上下夹具的绝缘材料内衬的内螺纹规格相配合；

（2）安装拉伸加载系统：将拉伸应力下夹具安装到拉应力下夹具连接件上，插上定位销，并用锁密紧螺母将其锁紧，在定位销和锁紧螺母处均用密封材料将其密封；在拉伸应力下夹具上端的螺纹孔内安装绝缘材料内衬；将拉伸应力上夹具与拉伸应力上夹具连接件利用螺纹连接紧固，并将拉伸应力上夹具下端的螺纹孔内安装绝缘材料内衬；

（3）安装试样：将试样安装到拉伸应力上夹具与拉伸应力下夹具之间，使用调节螺母将拉伸应力上夹具连接件调整到合适位置，并背紧调节螺母；

（4）安装电极：将工作电极连接导线连接到试样上，并将参比电极和辅助电极插入介质槽中；

（5）氢脆试验：使用拉伸应力加载系统对试样进行加载直至指定大小；向介质槽中加入试验介质，试验介质的液面高于试样；调节恒电位仪对试样施加保护电位；用惰性气体通过介质槽上侧面进气口和出气口对试验介质进行吹扫并保证介质槽中处于正压状态，通过温度测量和调节装置将试验介质加热到预定温度；

（6）试验结束：当试验时间达到预定时间后，卸载拉伸应力，并将试验介质温度将至室温；通过介质排放口将介质槽中的试验介质放空，并关闭恒电位仪；取出试样，观察试样的裂纹情况。