CN108982346A - 一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置及方法，包括能够进行四点弯曲加载的弧形试样和用于对弧形试样进行加载的应力加载系统，将加载好的弧形试样放置在模拟腐蚀试验设备内；通过从钢管外表面取样，试样保留钢管外表面的加工特征或在其表面预制缺陷，然后对试样进行四点弯曲加载至试验载荷后，将加载好的试样置于腐蚀介质中进行应力腐蚀开裂模拟试验，以评价钢管表面状态对应力腐蚀开裂行为的影响。本发明结构简单、易于取样、造价低廉、适用性强，实现了评价钢管在精确控制的环向受力条件下、不同表面状态条件下的应力腐蚀开裂行为，试验条件更加贴近现场实际工况，保障了石油专用管应力腐蚀开裂评价试验的准确性与有效性。

Description

一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置及方法
技术领域
本发明属于腐蚀评价试验领域，具体为一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置及方法。
背景技术
油套管、输送管等石油专用管道在油气资源的勘探开发和输送过程中，钢管外壁常接触井筒工作液、地层水或土壤等环境，当环境中存在Cl-、CO2、H2S以及溶解氧等腐蚀性介质时会造成钢管腐蚀破坏，特别是当工作载荷、制造或焊接残余应力等导致的拉应力与腐蚀因素叠加可能引起管道应力腐蚀开裂失效。若钢管外表面存在折叠、擦伤等缺陷/缺欠时，这些表面缺陷/缺欠容易成为开裂源区，增加钢管应力腐蚀开裂风险，严重威胁管道服役安全。
应力腐蚀开裂试验是一种有效测定金属材料应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，通过对试样加载并将其置于模拟环境中以判定材料在特定工况环境下的应力腐蚀开裂风险，对于管线选材具有重要的指导意义。目前，国内外现有的应力腐蚀开裂试验装置主要分为全尺寸试验装置和小尺寸试验装置两类，现有试验方法在评价钢管表面状态对应力腐蚀开裂影响方面存在以下问题：
(1)全尺寸试验装置通过内部加载系统对一段完整管道进行加载，尽管能够保留完整的钢管表面特征，但由于试样尺寸大，难以置于腐蚀容器中，因此多采用内部填充腐蚀介质方式进行试验，仅能够实现对钢管内表面应力腐蚀开裂敏感性的测定，且试验成本较高。
(2)小尺寸试验装置通过应力加载夹具对机加工小试样进行加载，试验装置可置于高温高压釜等腐蚀容器中，试验成本较低，常用于选材评价及对比试验。目前，国内外均有针对小尺寸试验装置的统一标准，其对试样规格及其适用条件已作出明确说明，其中GB/T 15970.5-1998所规定的C型环试样能够保留钢管原始表面，但C型环试样通常需要保留钢管的3/4圆周，仅适用于小管径钢管，除非腐蚀容器容量足够大，否则较难对大管径钢管进行取样及试验。
基于上述问题的限制，当前对于钢管表面状态对应力腐蚀开裂行为影响的研究尚未全面展开，急需设计一种满足不同管径需求且保留管道原始表面状态的试验装置，并建立合理的实验室评价方法，保障管道安全高效构建及运行。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明专利提供了一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置及方法，通过从钢管外表面取样，试样保留钢管外表面的加工特征或在其表面预制缺陷，然后对试样进行四点弯曲加载至试验载荷后，将加载好的试样置于特定条件的腐蚀介质中进行应力腐蚀开裂模拟试验，以评价钢管表面状态对应力腐蚀开裂行为的影响。
为实现本发明的目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置，包括能够进行四点弯曲加载的弧形试样和用于对弧形试样进行加载的应力加载系统，应力加载系统对弧形试样加载后，放置在模拟腐蚀试验设备内；所述弧形试样包括弧形面和加载面，所述应力加载系统包括四点弯曲夹具以及应力测量设备；其中，四点弯曲夹具下部安装有位移调节螺栓，四点弯曲夹具的四个加载支点包括第一外支点、第二外支点、第一内支点以及第二内支点，其中，第一外支点和第二外支点分别与弧形面的两端边缘接触，第一内支点和第二内支点分别与加载面的两端边缘接触。
本发明进一步的改进在于，弧形面为钢管沿环向的原始外表面。
本发明进一步的改进在于，加载面的一端设置第一延伸段，另一端设置第二延伸段，加载面与第一延伸段、第二延伸段所在平面存在间距以减小施加位移的阻力。
本发明进一步的改进在于，第一延伸段通过第一倒角平滑过渡至加载面，第二延伸段通过第二倒角平滑过渡至加载面。
本发明进一步的改进在于，弧形试样的第二最大应力区处粘贴应变片，应变片与电阻应变仪相连。
本发明进一步的改进在于，弧形试样长度为115mm，试样宽度为15mm，加载面长度为65mm，加载面深度为5mm，第一倒角和第二倒角半径为40mm，延伸段厚度为3mm。
本发明进一步的改进在于，弧形试样长度为57.5mm，试样宽度为7.5mm，加载面长度为32.5mm，加载面深度为2mm，第一倒角和第二倒角半径为20mm，延伸段厚度为1.5mm。
一种基于评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤一，沿钢管环向取弧形试样，弧形试样的弧形面为钢管沿环向的外表面；
步骤二，除弧形试样的弧形面外，弧形试样的所有机械加工面采用240#、400#、600#、800#砂纸逐级打磨，然后将弧形试样置于丙酮试剂中超声清洗、吹干；
步骤三，采用有限元分析法，建立试样加载模型，并计算试样加载后的第一最大应力区和第二最大应力区位置；
步骤四，将弧形试样安装于四点弯曲夹具中，打磨试样弧形面的第二最大应力区，在该处粘贴应变片，并将应变片连接至电阻应变仪；
步骤五，旋转四点弯曲夹具的位移调节螺栓以对试样弧形面施加载荷，通过应变片记录第二最大应力区的应变数据，计算出对应的第一最大应力区的应力水平，直至加载至试验所需应力后，去除应变片；
步骤六，将已加载的弧形试样连同对其加载的四点弯曲夹具置于模拟腐蚀试验设备中，根据试验要求配制试验溶液及测试气体，并控制应力腐蚀试验参数，然后进行应力腐蚀试验；
步骤七，试验结束后，取出试样并清理其表面，对所有弧形试样的弧形面进行宏观观察，并在弧形试样第一最大应力区取环向截面试样进行金相观察，试样断裂或弧形面萌生深度超过25μm的裂纹即视为未通过试验。
本发明进一步的改进在于，根据试验需求在弧形面的第一最大应力区预制缺陷。
本发明进一步的改进在于，取多个弧形试样时，在钢管表面连续取样。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种小尺寸试验装置，可满足不同管径钢管的试验要求，方便置于常规腐蚀容器中，打破了传统应力腐蚀开裂试验装置取样的尺寸限制。可模拟钢管环向受力特点，且试样加载后存在两处最大应力区，一处粘贴应变片精确测量加载应力水平，另一处则保留钢管表面状态进行试验检测，打破了传统C型环试样因粘贴应变片而破坏最大应力区表面状态的局限性。本发明的弧形试样可满足不同规格钢管要求，并可保留钢管原始表面状态或根据试验要求在弧形面预制各种类型缺陷；试样弧形面受力呈对称分布，加载时通过试样一侧应变片精确控制另一侧的应力水平，从而不破坏试样另一侧的表面状态。
进一步的，加载面两端的第一延伸段和第二延伸段的作用是增大试样边缘壁厚，以提高局部承载能力，避免加载过程中试样两侧因应力集中而变形。
本发明通过从钢管外表面取样，试样保留钢管外表面的加工特征或在其表面预制缺陷，然后对试样进行四点弯曲加载至试验载荷后，将加载好的弧形试样置于特定条件的腐蚀介质中进行应力腐蚀开裂模拟试验，以评价钢管表面状态对应力腐蚀开裂行为的影响。本发明结构简单、易于取样、造价低廉、适用性强，实现了评价钢管在精确控制的环向受力条件下、不同表面状态条件下的应力腐蚀开裂行为，试验条件更加贴近现场实际工况，保障了石油专用管应力腐蚀开裂评价试验的准确性与有效性。
附图说明
图1为本发明试样的俯视图；
图2为本发明试样的侧视图；
图3为本发明试样的加载俯视图；
图4为本发明试样的加载侧视图；
图5为本发明试样加载后有限元分析的应力等值线分布云图。
图中：1—弧形面，2—加载面，3—第一延伸段，4—第二延伸段，5—第一倒角，6—第二倒角，7—试样长度，8—试样宽度，9—加载面长度，10—加载面深度，11—延伸段厚度，12—四点弯曲夹具，13—位移调节螺栓，14—应变片，15—第一外支点，16—第二外支点，17—第一内支点，18—第二内支点，19—第一最大应力区，20—第二最大应力区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。
参见图1～图5，本发明的一种评价钢管表面状态对应力腐蚀开裂行为影响的试验装置，包括能够进行四点弯曲加载的弧形试样和用于对弧形试样进行加载的应力加载系统，应力加载系统对弧形试样加载后，将加载好的弧形试样放置在模拟腐蚀试验设备内。参见图1和图2，所述弧形试样包括弧形面1、加载面2、第一延伸段3以及第二延伸段4，其中，弧形面1为钢管沿环向的原始外表面，弧形试样的加载面2为机械加工的平面。加载面2为应力加载系统施加位移的接触面，加载面2的一端设置第一延伸段3，另一端设置第二延伸段4，加载面2与第一延伸段3、第二延伸段4所在平面存在一定间距(即加载面深度10)以减小施加位移的阻力，弧形试样两端的第一延伸段3和第二延伸段4的作用是增大试样边缘壁厚，以提高局部承载能力，避免加载过程中试样两侧因应力集中而变形，第一延伸段3通过第一倒角5平滑过渡至加载面2，第二延伸段4通过第二倒角6平滑过渡至加载面2。
所述试样根据钢管规格可选用两种尺寸；对于常规试样，试样长度7为115mm，试样宽度8为15mm，加载面长度9为65mm，加载面深度10为5mm，第一倒角5和第二倒角6半径为40mm，延伸段厚度11为3mm；若受钢管外径及壁厚限制无法取常规试样，可取小尺寸试样；对于小尺寸试样，试样长度7为57.5mm，试样宽度8为7.5mm，加载面长度9为32.5mm，加载面深度10为2mm，第一倒角5和第二倒角6半径为20mm，延伸段厚度11为1.5mm。
参见图3和图4，所述应力加载系统包括四点弯曲夹具12以及通过应变片14测量数据的应力测量设备(即电阻应变仪)。通过调节四点弯曲夹具加载点的位移量使弧形试样的弧形面受到不同应力水平的表面张力，试样表面张力相对于弧顶轴线呈轴对称分布，最大应力区位于试样两侧，并通过应变片测量其中一侧的应力水平。四点弯曲夹具12下部安装有位移调节螺栓13，四点弯曲夹具12的四个加载支点包括第一外支点15、第二外支点16、第一内支点17以及第二内支点18，其中，第一外支点15和第二外支点16分别与弧形试样的弧形面1的两端边缘接触，第一内支点17和第二内支点18分别与弧形试样的加载面2的两端边缘接触。
弧形试样加载后，弧形面1表面拉应力沿其轴线呈对称分布，存在第一最大应力区19和第二最大应力区20。参见图5，经有限元分析可知弧形试样加载后弧形面1两侧受力状态完全相同，记录加载后左第一最大应力区19和右第二最大应力区20的位置，并在弧形试样的右第二最大应力区20处粘贴应变片14。应变片14粘贴在弧形试样第二最大应力区20进行精确加载，控制应力水平至试验要求值加载时，通过旋转位移调节螺栓13使左第一内支点17和右第二内支点18上移，加载面2随即产生向上的位移量，弧形面1因左第一外支点15和右第二外支点16的固定而拱起，并将承受沿试样长度方向的拉应力，而左第一最大应力区19的应力大小可通过粘贴在右第二最大应力区20的应变片14的读数计算出来。
本发明一种评价钢管表面状态对应力腐蚀开裂行为影响的试验方法，具体如下：
步骤一，沿钢管环向取弧形试样(即试样长度7方向平行于管体环向)，弧形试样的弧形面1为钢管沿环向的外表面，可根据试验需求在弧形试样的弧形面1的第一最大应力区预制凹陷、V型槽等缺陷，以评价不同表面缺陷对其应力腐蚀开裂行为的影响。弧形试样优选常规尺寸，若钢管外径和壁厚无法满足取样要求，则取小尺寸试样。取多个弧形试样时，应在钢管表面连续取样。
步骤二，除弧形试样的弧形面1外，弧形试样的所有机械加工面应采用240#、400#、600#、800#砂纸逐级打磨，然后将弧形试样置于丙酮试剂中超声清洗、吹干。
步骤三，采用有限元分析法，建立试样加载模型，并计算试样加载后的第一最大应力区19和第二最大应力区20位置。
步骤四，将弧形试样安装于四点弯曲夹具12中，轻微打磨试样弧形面1的第二最大应力区20，在该处粘贴应变片14，并将应变片14连接至电阻应变仪。
步骤五，旋转四点弯曲夹具12的位移调节螺栓13以对试样弧形面1施加载荷，通过应变片14记录第二最大应力区20的应变数据，计算出对应的第一最大应力区19的应力水平，直至加载至试验所需应力后，去除应变片14，并使用丙酮试剂清洗应变片14的粘贴区域。
步骤六，将已加载的弧形试样连同对其加载的四点弯曲夹具12置于模拟腐蚀试验设备(模拟腐蚀试验设备为本领域进行腐蚀试验的常规设备)中，根据试验要求配制试验溶液及测试气体，并控制温度以及压力等各项应力腐蚀试验参数，然后进行应力腐蚀试验，试验时间一般为15天、30天、60天或更长。
步骤七，试验结束后，取出试样并清理其表面，对所有弧形试样的弧形面1进行宏观观察，并在弧形试样第一最大应力区19取环向截面试样进行金相观察，试样断裂或弧形面1萌生深度超过25μm的裂纹即视为未通过试验。(萌生深度超过25μm的裂纹为美国石油学会API要求)
以上所述的具体实施方式仅是对本发明的进一步详细说明，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置，其特征在于，包括能够进行四点弯曲加载的弧形试样和用于对弧形试样进行加载的应力加载系统，应力加载系统对弧形试样加载后，放置在模拟腐蚀试验设备内；所述弧形试样包括弧形面(1)和加载面(2)，所述应力加载系统包括四点弯曲夹具(12)以及应力测量设备；其中，四点弯曲夹具(12)下部安装有位移调节螺栓(13)，四点弯曲夹具(12)的四个加载支点包括第一外支点(15)、第二外支点(16)、第一内支点(17)以及第二内支点(18)，其中，第一外支点(15)和第二外支点(16)分别与弧形面(1)的两端边缘接触，第一内支点(17)和第二内支点(18)分别与加载面(2)的两端边缘接触。
2.根据权利要求1所述的一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置，其特征在于，弧形面(1)为钢管沿环向的原始外表面。
3.根据权利要求1所述的一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置，其特征在于，加载面(2)的一端设置第一延伸段(3)，另一端设置第二延伸段(4)，加载面(2)与第一延伸段(3)、第二延伸段(4)所在平面存在间距以减小施加位移的阻力。
4.根据权利要求1所述的一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置，其特征在于，第一延伸段(3)通过第一倒角(5)平滑过渡至加载面(2)，第二延伸段(4)通过第二倒角(6)平滑过渡至加载面(2)。
5.根据权利要求1所述的一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置，其特征在于，弧形试样的第二最大应力区(20)处粘贴应变片(14)，应变片(14)与电阻应变仪相连。
6.根据权利要求1所述的一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置，其特征在于，弧形试样长度(7)为115mm，试样宽度(8)为15mm，加载面长度(9)为65mm，加载面深度(10)为5mm，第一倒角(5)和第二倒角(6)半径为40mm，延伸段厚度(11)为3mm。
7.根据权利要求1所述的一种评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置，其特征在于，弧形试样长度(7)为57.5mm，试样宽度(8)为7.5mm，加载面长度(9)为32.5mm，加载面深度(10)为2mm，第一倒角(5)和第二倒角(6)半径为20mm，延伸段厚度(11)为1.5mm。
8.一种基于权利要求1所述评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，沿钢管环向取弧形试样，弧形试样的弧形面(1)为钢管沿环向的外表面；
步骤二，除弧形试样的弧形面(1)外，弧形试样的所有机械加工面采用240#、400#、600#、800#砂纸逐级打磨，然后将弧形试样置于丙酮试剂中超声清洗、吹干；
步骤三，采用有限元分析法，建立试样加载模型，并计算试样加载后的第一最大应力区(19)和第二最大应力区(20)位置；
步骤四，将弧形试样安装于四点弯曲夹具(12)中，打磨试样弧形面(1)的第二最大应力区(20)，在该处粘贴应变片(14)，并将应变片(14)连接至电阻应变仪；
步骤五，旋转四点弯曲夹具(12)的位移调节螺栓(13)以对试样弧形面(1)施加载荷，通过应变片(14)记录第二最大应力区(20)的应变数据，计算出对应的第一最大应力区(19)的应力水平，直至加载至试验所需应力后，去除应变片(14)；
步骤六，将已加载的弧形试样连同对其加载的四点弯曲夹具(12)置于模拟腐蚀试验设备中，根据试验要求配制试验溶液及测试气体，并控制应力腐蚀试验参数，然后进行应力腐蚀试验；
步骤七，试验结束后，取出试样并清理其表面，对所有弧形试样的弧形面(1)进行宏观观察，并在弧形试样第一最大应力区(19)取环向截面试样进行金相观察，试样断裂或弧形面(1)萌生深度超过25μm的裂纹即视为未通过试验。
9.根据权利要求8所述评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验方法，其特征在于，根据试验需求在弧形面(1)的第一最大应力区预制缺陷。
10.根据权利要求8所述评价钢管表面状态对开裂行为影响的试验方法，其特征在于，取多个弧形试样时，在钢管表面连续取样。
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