CN108240959A - 高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，包括弯曲疲劳试样机，所述弯曲疲劳试样机上设置有弯曲疲劳试样机轴座，用于安装疲劳试样，该试验装置还包括腐蚀介质存储装置，所述腐蚀介质存储装置居中套设于所述疲劳试样上。本发明实施例提供的高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，在现有旋转弯曲疲劳试样机的基础上，设计出一种能够对腐蚀环境中高强度钢的交变弯曲疲劳进行测试的旋转弯曲腐蚀疲劳试验装置。利用该试验装置可在不同腐蚀介质环境下对高强度钢进行疲劳性能测试，评价油气井中钻杆和油管用高强度钢在腐蚀介质环境及一定弯曲应力水平下的疲劳寿命。

Description

高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及材料疲劳试验技术，更具体地说，它涉及一种高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置。

背景技术

油气田钻井作业过程中钻杆经常处于旋转弯曲和流体腐蚀状态，钻杆材料在该状态下产生应力腐蚀疲劳断裂；在高产气井中的下部井段油管也处于流体腐蚀和振动交变应力状态；此外，连续油管也存在弯曲应力及腐蚀疲劳问题。如何评价钢材的应力腐蚀疲劳寿命或应力腐蚀疲劳强度，或工作介质对上述二者影响具有极其重要的应用价值。

常规的旋转弯曲疲劳试验是在室内空气环境下进行的，无法模拟腐蚀环境下的应力腐蚀疲劳行为，然而在有流体腐蚀工况下和无流体腐蚀工况下的疲劳寿命可相差10-100倍。

目前国内外弯曲应力腐蚀试验装置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试验，不能模拟实际钻井作业中腐蚀环境下，高强度钢在弯曲应力作用下所引起的力学性能损伤，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高强度钢进行优选和评价。

发明内容

本发明实施例提供一种高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，目的是在现有旋转弯曲疲劳试样机的基础上，设计出一种能够对腐蚀环境中高强度钢的交变弯曲疲劳进行测试的旋转弯曲腐蚀疲劳试验装置。利用该装置可在不同腐蚀介质环境下对高强度钢进行疲劳性能测试，评价油气井中钻杆和油管用高强度钢在腐蚀介质环境及一定弯曲应力水平下的疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

提供一种高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，该试验装置包括弯曲疲劳试样机，所述弯曲疲劳试样机上设置有弯曲疲劳试样机轴座，用于安装疲劳试样；该试验装置还包括腐蚀介质存储装置，所述腐蚀介质存储装置居中套设于所述疲劳试样上，与所述疲劳试样之间形成用于存储腐蚀介质的空腔。

在本发明的一实施例中，上述腐蚀介质存储装置包括腐蚀介质容器和设置于所述腐蚀介质容器两端的密封件，所述密封件用于密封所述腐蚀介质容器与所述疲劳试样的连接处。

在本发明的一实施例中，上述密封件包括橡胶圈、弹簧夹和螺母，所述橡胶圈套设于所述疲劳试样上，所述弹簧夹带缺口的一端背向所述腐蚀介质容器套设于所述橡胶圈上，所述弹簧夹与所述腐蚀介质容器连接，所述螺母安装于所述弹簧夹上用于紧固所述弹簧夹。

在本发明的一实施例中，上述弹簧夹通过螺纹与所述腐蚀介质容器连接。

在本发明的一实施例中，上述腐蚀介质容器上设置有腐蚀介质注入口。

在本发明的一实施例中，上述腐蚀介质存储装置还包括用于密封所述腐蚀介质注入口的封口阀。

在本发明的一实施例中，上述封口阀与所述腐蚀介质注入口螺纹配合。

在本发明的一实施例中，上述封口阀与所述腐蚀介质注入口间隙配合。

在本发明的一实施例中，上述腐蚀介质存储装置由耐腐蚀材料制成。

本发明实施例提供的高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，在试验过程中疲劳试样一直处于腐蚀介质环境中，保证疲劳试样每次裂纹扩展过程都有腐蚀介质的参与和影响。可以用于测定高强度钢在一定大小的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于含不同腐蚀介质溶液中弯曲疲劳强度大小及其损伤幅度；测定高强度钢在一定大小的应力状态下，处于含不同腐蚀介质溶液腐蚀环境中力学性能损伤程度及其变化幅度。

根据试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，从而对高强度钢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。

通过本发明实施例提供的试验装置所得到的试验结果更接近高强度钢的实际作业环境，对高强度钢进行优选和评价时提供可靠依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的试验装置结构示意图；

图2为本发明又一实施例提供的试验装置结构示意图；

图3为本发明图2所示实施例中腐蚀介质存储装置的具体零件示意图；

图4a为本发明实施例提供的试验装置中弹簧夹侧视结构示意图；

图4b为本发明实施例提供的试验装置中弹簧夹俯视结构示意图；

图5为本发明再一实施例提供的试验装置结构示意图；

图6为高强度钢的弯曲疲劳强度对比图。

附图标记说明：

1：弯曲疲劳试样机；

11：弯曲疲劳试样机轴座；

2：疲劳试样；

3：腐蚀介质；

4：腐蚀介质存储装置；

41：腐蚀介质容器；

42：橡胶圈；

43：弹簧夹；

431：缺口；

432：螺纹；

44：螺母；

45：腐蚀介质注入口；

46：封口阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的试验装置结构示意图，如图1所示，本实施例提供的高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置包括：弯曲疲劳试样机1和腐蚀介质存储装置4。其中，所述弯曲疲劳试样机上设置有弯曲疲劳试样机轴座11，用于安装疲劳试样2。腐蚀介质存储装置4套设于所述疲劳试样2上，腐蚀介质存储装置4与疲劳试样2之间的密闭空腔内充满腐蚀介质3。

本实施例提供的高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置可以用于：测定高强度钢在一定大小的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于含不同腐蚀介质溶液中弯曲疲劳强度大小及其损伤幅度；测定高强度钢在一定大小的应力状态下，处于含不同腐蚀介质溶液腐蚀环境中力学性能损伤程度及其变化幅度。

其中，本发明实施例中的弯曲疲劳试样机可以采用现有的常规旋转弯曲疲劳试验仪器。可以理解的是，弯曲疲劳试样机轴座11之间的距离应该足够大，保证腐蚀介质存储装置4顺利安装并进行试验。

图2为本发明又一实施例提供的试验装置结构示意图，如图2所示，本实施例提供的试验装置在图1所示实施例的基础上，腐蚀介质存储装置4具体可以包括腐蚀介质容器41和设置于所述腐蚀介质容器两端的密封件。显然，密封件是用于密封所述腐蚀介质容器41与所述疲劳试样2的连接处，使得腐蚀介质存储装置4与疲劳试样2之间形成密闭空腔。

图3为本发明图2所示实施例中腐蚀介质存储装置的具体零件示意图。如图3所示，具体的，作为一种可选的实施方式，上述的密封件包括橡胶圈42、弹簧夹43和螺母44。所述橡胶圈42套设于所述疲劳试样2上，所述弹簧夹43带缺口一端背向所述腐蚀介质容器41套设于所述橡胶圈42上，所述弹簧夹43与所述腐蚀介质容器41连接，所述螺母44安装于所述弹簧夹43上用于紧固所述弹簧夹43。

为了便于理解，本实施例还给出了本发明实施例提供的试验装置中弹簧夹的构示意图，其中，图4a为本发明实施例提供的试验装置中弹簧夹侧视结构示意图，图4b为本发明实施例提供的试验装置中弹簧夹俯视结构示意图，即图4a和图4b分别为弹簧夹不同方向的投影视图。

示例性的，如图4a所示，弹簧夹带缺口431一端背向腐蚀介质容器，弹簧夹与腐蚀介质容器连接的一端设置有与腐蚀介质容器相配合的螺纹432，以使弹簧夹通过螺纹与腐蚀介质容器连接。

在实际应用中，试验器材的安装过程可以通过如下操作完成：

(1)将橡胶圈42套在疲劳试样2试验部位的两端，然后将疲劳试样2试验部位居中放入腐蚀介质容器41中，显而易见的是，两个橡胶圈之间的距离小于或等于腐蚀介质容器41的长度；

(2)在腐蚀介质容器41的一侧依次安装弹簧夹43和螺母44，并拧紧螺母，将疲劳试样2与腐蚀介质容器41的一侧密封，同时固定疲劳试样2与腐蚀介质容器41的相对位置；

(3)从腐蚀介质容器41的另一侧向腐蚀介质容器41与疲劳试样2之间的空腔内注满腐蚀介质；

(4)在腐蚀介质容器41的另一侧依次安装弹簧夹43和螺母44，并拧紧螺母，将腐蚀介质容器41与疲劳试样2之间的空腔密封。

(5)将安装好腐蚀介质存储装置的疲劳试样通过弯曲疲劳试样机轴座11加载在弯曲疲劳试样机上进行应力腐蚀疲劳试验。

图5为本发明再一实施例提供的试验装置结构示意图，如图5所示，本实施例提供的试验装置在图1或图2所示实施例的基础上，还可以在腐蚀介质容器41上设置腐蚀介质注入口45。

在实际应用中，试验器材的安装过程可以通过如下操作完成：

(1)将橡胶圈42套在疲劳试样2试验部位的两端，然后将疲劳试样2试验部位居中放入腐蚀介质容器41中，显而易见的是，两个橡胶圈之间的距离小于或等于腐蚀介质容器41的长度；

(2)在腐蚀介质容器41的两侧依次安装弹簧夹43和螺母44，并拧紧螺母，将疲劳试样2与腐蚀介质容器41的两侧密封，同时固定疲劳试样2与腐蚀介质容器41的相对位置；

(3)从腐蚀介质注入口45向腐蚀介质容器41与疲劳试样2之间的空腔内注满腐蚀介质；

(4)将安装好腐蚀介质存储装置的疲劳试样通过弯曲疲劳试样机轴座11加载在弯曲疲劳试样机上进行应力腐蚀疲劳试验。

值得一提的是，在实际应用中，腐蚀介质具有破坏性，还可能具有挥发性，考虑到为了保障试验操作人员的安全，防止腐蚀介质的溢出或挥发，作为一种优选的实施方式，还可以设置用于密封所述腐蚀介质注入口45的封口阀46。

作为一种可选的实施方式，上述封口阀46与腐蚀介质注入口45螺纹配合。

作为另一种可选的实施方式，上述封口阀46与腐蚀介质注入口45间隙配合。

同样可以理解的是，由于腐蚀介质具有破坏性，在本发明实施例中，上述腐蚀介质存储装置，即包括腐蚀介质容器、橡胶圈、弹簧夹、螺母以及封口阀，均由耐腐蚀材料制成。

本发明实施例提供的高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，在试验过程中疲劳试样一直处于腐蚀介质环境中，保证疲劳试样每次裂纹扩展过程都有腐蚀介质的参与和影响。可以用于：测定高强度钢在一定大小的对称反复交变的弯曲应力状态下，处于含不同腐蚀介质溶液中弯曲疲劳强度大小及其损伤幅度；测定高强度钢在一定大小的应力状态下，处于含不同腐蚀介质溶液腐蚀环境中力学性能损伤程度及其变化幅度。

根据试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，从而对高强度钢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。

图6为高强度钢的弯曲疲劳强度对比图，由图6可以明显看出，通过本发明实施例提供的试验装置所得到的试验结果更接近高强度钢的实际作业环境，对高强度钢进行优选和评价时提供可靠依据。

本发明实施例提供的高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，在现有旋转弯曲疲劳试样机的基础上，设计出一种能够对腐蚀环境中高强度钢的交变弯曲疲劳进行测试的旋转弯曲腐蚀疲劳试验装置。利用该试验装置可在不同腐蚀介质环境下对高强度钢进行疲劳性能测试，评价油气井中钻杆和油管用高强度钢在腐蚀介质环境及一定弯曲应力水平下的疲劳寿命。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高强度钢应力腐蚀疲劳试验装置，包括弯曲疲劳试样机，所述弯曲疲劳试样机上设置有弯曲疲劳试样机轴座，用于安装疲劳试样；其特征在于，还包括腐蚀介质存储装置，所述腐蚀介质存储装置套设于所述疲劳试样上，与所述疲劳试样之间形成用于存储腐蚀介质的空腔。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述腐蚀介质存储装置包括腐蚀介质容器和设置于所述腐蚀介质容器两端的密封件，所述密封件用于密封所述腐蚀介质容器与所述疲劳试样的连接处。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述密封件包括橡胶圈、弹簧夹和螺母，所述橡胶圈套设于所述疲劳试样上，所述弹簧夹带缺口的一端背向所述腐蚀介质容器套设于所述橡胶圈上，所述弹簧夹与所述腐蚀介质容器连接，所述螺母安装于所述弹簧夹上用于紧固所述弹簧夹。

4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述弹簧夹通过螺纹与所述腐蚀介质容器连接。

5.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述腐蚀介质容器上设置有腐蚀介质注入口。

6.根据权利要求5所述的试验装置，其特征在于，所述腐蚀介质存储装置还包括用于密封所述腐蚀介质注入口的封口阀。

7.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述封口阀与所述腐蚀介质注入口螺纹配合。

8.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述封口阀与所述腐蚀介质注入口间隙配合。

9.根据权利要求1～8任一项所述的试验装置，其特征在于，所述腐蚀介质存储装置由耐腐蚀材料制成。