CN111141612A - 一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置及方法，所述装置包括应力环试验装置、激光探测器、探测器移动装置、水平校准装置和控制系统；激光探测器由激光光源和探测器旋转装置组成；水平校准装置由升降座及水平杆组成，水平杆伸入储液罐的对应杆段设探测器移动装置，激光探测器安装在探测器移动装置上并能够随之沿滑道水平移动；激光探测器中的激光光源能够在探测器旋转装置的作用下绕水平轴线上下转动；水平杆能够在升降座的带动下竖直升降。本发明通过对应力环加载试验进行实时观察，测量加载过程中试样的延伸量，实现对未失效试样的进一步分析，不需要增加额外的试验及设备，即可评价试样的应力腐蚀性能。

Description

一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置及方法
技术领域
本发明涉及材料腐蚀性能检测技术领域，尤其涉及一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置及方法。
背景技术
应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking-SCC)是指受拉伸应力作用的金属材料在某些特定的介质中，由于腐蚀介质和应力的协同作用而产生滞后开裂，或滞后断裂的现象。相比其它形式的腐蚀破坏，应力腐蚀开裂裂纹扩展速度快、断裂具有突发性，危险系数最高，容易造成重大事故。
针对上述情况,需要对材料进行抗应力腐蚀性能检测评价，按照NACE StandardTM0177-2005《H2S环境中金属抗硫化物应力腐蚀开裂和应力腐蚀开裂的室内试验》和GB/T4157-2006《金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》，对标准拉伸试验(方法A)中的规定，试验方法包括标准拉伸试验、标准弯曲梁试验、标准C型环试验和标准双悬臂梁试验(DCB)四种常见方法。其中，拉伸、弯曲梁和C型环试验能直接评价油井管的耐硫化氢腐蚀性能，但都存在试验条件苛刻、试样加工精度要求高、且试验结果仅能给出失效与不失效信息，无法量化评价耐硫化氢腐蚀性能等级。
标准双悬臂梁试验，提供了测量金属材料抗EC扩展能力，KISSC用于SSC，KIEC用于更普通情况下的EC，根据断裂机制试验的裂纹止裂类型，表现为临界应力强度因子，此方法可量化裂纹扩展抗力的直接等级，但是模型设计和理论计算复杂，对操作人员素质要求高，理论计算复杂，现场试验困难，无法实现。
应力环试验是常用来评价材料抗应力腐蚀性能的方法，通常采用A法标准溶液，设备简单，对操作人员要求不高，720h未断裂即为合格，对于未断试样，用10倍放大来观察试样表面是否存在裂纹；但试验结果仅给出失效与不失效信息，对于未失效的试样,无法评价试样抗应力腐蚀性能等级；需要结合其它试验结果来综合评价，例如慢应变速率拉伸试验(SSRT)，需要重新加工测试试样，加入标准溶液后，在慢应变速率拉伸试验机上以缓慢而恒定的应变速率对试样进行拉伸直至其断裂，通过拉伸性能数据进行应力腐蚀开裂敏感性评价，应力腐蚀敏感性指数定义为：η＝(Ψ0-Ψ1)/Ψ0，其中Ψ0为在空气中的断面收缩率、屈服强度或者延伸率，Ψ1为在介质中的断面收缩率、屈服强度或者延伸率。采用附加试验完成对未失效试样的抗应力腐蚀性能评价，延长了试验周期，或者需要购买新设备，导致试验的效率低、成本高。
发明内容
本发明提供了一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置及方法，通过对应力环加载试验进行实时观察，测量加载过程中试样的延伸量，实现对未失效试样的进一步分析，不需要增加额外的试验及设备，即可评价试样的应力腐蚀性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置，包括应力环试验装置、激光探测器、探测器移动装置、水平校准装置和控制系统；所述激光探测器由激光光源和探测器旋转装置组成；所述应力环试验装置设有盛装腐蚀溶液用的储液罐，储液罐的一侧设通孔；所述水平校准装置由升降座及水平杆组成，水平杆的一端与升降座相连，另一端穿过通孔伸入储液罐中，水平杆上设有滑道，水平杆与储液罐之间密封连接；水平杆伸入储液罐的对应杆段设探测器移动装置，激光探测器安装在探测器移动装置上并能够随之沿滑道水平移动；激光探测器中的激光光源能够在探测器旋转装置的作用下绕水平轴线上下转动；水平杆能够在升降座的带动下竖直升降；所述控制系统由激光探测器控制单元、探测器移动控制单元、水平校准控制单元和显示屏组成，所述激光光源、探测器旋转装置、升降座的驱动装置、探测器移动装置分别连接控制系统。
所述激光光源为激光束发生装置，具有共聚焦功能。
所述激光光源通过水平轴与探测器移动装置相连，并且能够在探测器旋转装置的带动下绕水平轴的轴线旋转，旋转角度为10°～60°。
所述激光探测器控制单元用于控制激光光源的聚焦、亮度以及旋转角度。
所述探测器移动控制单元用于控制激光探测器的移动、定位，并记录激光探测器的移动距离；激光探测器的位移速率为1×10-6～1×10-4mm/s，探测器移动控制单元的量程为0～20mm。
所述水平校准控制单元用于控制水平校准装置中升降座的高度，以及调节水平杆水平，升降座的升降移动速度为0.1～0.2mm/s。
一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的方法，包括如下步骤：
1)试样预处理；将试样加工成设定的尺寸，对试样表面进行脱脂处理；标记试样测试区域的中间点和边界点，以便于激光探测器识别；
2)试验装置调节；调节储液罐的垂直高度到设定位置，旋转储液罐上方的上部密封螺母及储液罐下方的下部密封螺母，将储液罐的位置固定；手动粗调滑道水平，使激光束对准试样测试区域的中间点；通过水平校准控制单元进行微调，使激光束的束斑为1～1.5μm；继续调整水平校准装置，当激光束垂直照射到试样测试区域的中间点时，向上调整激光束的出射角度，使其对准试样测试区域的上边界点，将该点作为位移初始零点；固定激光束出射角度，记录该角度值为θ；
3)应力加载；向储液罐中加入测试溶液，按照名义屈服强度，对试样进行设定加载比例下的应力加载，开始应力环试验；加载比例为油井管名义屈服强度的50％～90％；
4)计算延伸量；随着试验的进行，应力环加载使试样产生应力松弛，沿着轴向受力方向产生微量的位移，上边界点随之向上移动；激光探测器随着上边界点的移动沿试样径向向远离试样的方向移动；在一个试验周期后，对于未断裂的试样，通过激光探测器记录位移量，通过公式Y＝Y2-Y1＝(X2-X1)tanθ计算试样的延伸量，以此评价材料的抗应力腐蚀性能和抗应力松弛性能；式中：Y是试样测试区域的延伸量；Y2-Y1是激光探测器测量的竖向位移量；X2-X1为与竖向位移量相对应的水平位移量。
所述试验溶液为nace标准A溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过控制系统精准控制激光探测器的移动位置，在试验周期内自动记录位移量，减少人为测量误差；
2)通过测量试样延伸率的变化，在不额外增加试验及设备的前提下，对应力环加载未失效试样进行可量化的评级，进而对材料在特定工况环境中的实用性进行评价，指导选材和设备维护。
附图说明
图1是本发明所述一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置的结构示意图。
图2是本发明实施例所述试样的结构示意图。
图3是本发明所述试样延伸量的计算原理图。
图中：1.应力环试验装置 2.储液罐 3.试样 4.上部密封螺母 5.下部密封螺母6.激光探测器 7.水平杆 8.升降座 9.探测器移动装置
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，本发明所述一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置，包括应力环试验装置1、激光探测器6、探测器移动装置、水平校准装置和控制系统；所述激光探测器6由激光光源和探测器旋转装置组成；所述应力环试验装置1设有盛装腐蚀溶液用的储液罐2，储液罐2的一侧设通孔；所述水平校准装置由升降座8及水平杆7组成，水平杆7的一端与升降座8相连，另一端穿过通孔伸入储液罐2中，水平杆7上设有滑道，水平杆7与储液罐2之间密封连接；水平杆7伸入储液罐2的对应杆段设探测器移动装置9，激光探测器6安装在探测器移动装置9上并能够随之沿滑道水平移动；激光探测器6中的激光光源能够在探测器旋转装置的作用下绕水平轴线上下转动；水平杆7能够在升降座8的带动下竖直升降；所述控制系统由激光探测器控制单元、探测器移动控制单元、水平校准控制单元和显示屏组成，所述激光光源、探测器旋转装置、升降座8的驱动装置、探测器移动装置9分别连接控制系统。
所述激光光源为激光束发生装置，具有共聚焦功能。
所述激光光源通过水平轴与探测器移动装置9相连，并且能够在探测器旋转装置的带动下绕水平轴的轴线旋转，旋转角度为10°～60°。
所述激光探测器控制单元用于控制激光光源的聚焦、亮度以及旋转角度。
所述探测器移动控制单元用于控制激光探测器6的移动、定位，并记录激光探测器6的移动距离；激光探测器6的位移速率为1×10-6～1×10-4mm/s，探测器移动控制单元的量程为0～20mm。
所述水平校准控制单元用于控制水平校准装置中升降座8的高度，以及调节水平杆7水平，升降座8的升降移动速度为0.1～0.2mm/s。
一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的方法，包括如下步骤：
1)试样预处理；将试样3加工成设定的尺寸(如图2所示)，对试样3表面进行脱脂处理；标记试样测试区域的中间点和边界点，以便于激光探测器6识别；
2)试验装置调节；调节储液罐2的垂直高度到设定位置，旋转储液罐2上方的上部密封螺母4及储液罐2下方的下部密封螺母5，将储液罐2的位置固定；手动粗调滑道水平，使激光束对准试样测试区域的中间点；通过水平校准控制单元进行微调，使激光束的束斑为1～1.5μm；继续调整水平校准装置，当激光束垂直照射到试样测试区域的中间点时，向上调整激光束的出射角度，使其对准试样测试区域的上边界点，将该点作为位移初始零点；固定激光束出射角度，记录该角度值为θ；
3)应力加载；向储液罐2中加入测试溶液，按照名义屈服强度，对试样3进行设定加载比例下的应力加载，开始应力环试验；加载比例为油井管名义屈服强度的50％～90％；
4)计算延伸量；随着试验的进行，应力环加载使试样3产生应力松弛，沿着轴向受力方向产生微量的位移，上边界点随之向上移动；激光探测器6随着上边界点的移动沿试样3径向向远离试样3的方向移动；在一个试验周期后，对于未断裂的试样，通过激光探测器6记录位移量，如图3所示，通过公式Y＝Y2-Y1＝(X2-X1)tanθ计算试样3的延伸量，以此评价材料的抗应力腐蚀性能和抗应力松弛性能；式中：Y是试样测试区域的延伸量；Y2-Y1是激光探测器测量的竖向位移量；X2-X1为与竖向位移量相对应的水平位移量。
所述试验溶液为nace标准A溶液。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例1】
本实施例中，试验所用的试样为A、B两种油井管，每种材料制作三个平行试样，试验过程如下：
A)如图2所示，试样3的加工尺寸为测试区域的直径D＝φ6.35±0.13mm，长度G＝25.4±0.2mm，试样测试区域与两端夹持段的过渡圆角为R；加工后试样3的表面光洁度为0.2μm；加工后的试样3表面用丙酮擦洗两遍，再用无水乙醇擦洗一遍，用于清除掉试样3表面的残留物和油脂；
B)对试样测试区域进行标记，主要标记试样测试区域的中间点和上、下边界点，便于激光探测器6识别；
C)将激光探测器6及激光探测器移动装置9固定于滑道上，保持滑道水平，通过激光探测器移动装置9调节激光探测器6的位置，使得激光探测器6发出的激光束垂直照射到试样3被测表面；
D)调整储液罐2的垂直高度到合适位置，分别旋转储液罐2上方的上部密封螺母4和储液罐2下方的下部密封螺母5，对储液罐2的位置进行固定。手动粗调滑道水平，使激光探测器6的激光束对准试样测试区域的中间点，调整激光束的束斑为1μm，继续调整水平校准装置，当激光束精准垂直照射到试样测试区域的中间点时，通过探测器旋转装置向上调整激光束的出射角度，对准试样测试区域的上边界点，固定激光束的出射角度，记录激光束的旋转角度值θ＝30°，此时激光探测器6所处位置即为位移零点；
E)向储液罐2中加入nace标准A溶液，应力环加载根据油井管名义屈服强度的50％来加载，试验周期720h；
F)如图3所示，将激光探测器6的水平位移量带入以下公式求得试样3的延伸量；
延伸量Y＝Y2-Y1＝X2×tanθ-X1×tanθ＝(X2-X1)×tanθ，其中X2-X1为激光探测器6的水平位移量；tanθ通过查表可得。
本实施例中，试样延伸量的测试结果如表1所示:
表1试样延伸量
Figure BDA0002377616550000061
测试结果表明，试样A的延伸量小于试样B的延伸量，试样B的抗硫化氢应力腐蚀性能好于试样A。
【实施例2】
本实施例中，试验所用的试样为A、B两种油井管，每种材料制作三个平行试样，试验过程如下。
A)如图2所示，试样3加工尺寸为：试样测试区域的直径D＝φ6.35±0.13mm，长度G＝25.4±0.2mm，加工后试样3的表面光洁度为0.2μm；加工后的试样3表面用丙酮擦洗两遍，再用无水乙醇擦洗一遍，用于清除掉试样3表面的残留物和油脂；
B)对试样测试区域进行标记，主要标记试样测试区域的中间点和上、下边界点，便于激光探测器6识别；
C)将激光探测器6及激光探测器移动装置固定于滑道上，保持滑道水平，使得激光探测器6发出的激光束垂直照射到试样3被测表面；
D)调整储液罐2的垂直高度到合适位置，分别旋转上部密封螺母4和下部密封螺母5，对储液罐2的位置进行固定；手动粗调滑道水平，使激光探测器6的激光束对准试样测试区域的中间点，调整激光束的束斑为1μm，继续微调水平校准装置，当激光束精准垂直照射到试样测试区域的中间点时，向上调整激光束出射角度，使其对准测试区域的上边界点，固定激光束的出射角度，记录激光束的旋转角度值θ＝45°，此时激光探测器6所处位置即为位移零点；
E)向储液罐2中加入nace标准A溶液，应力环加载是根据油井管的名义屈服强度的80％来加载，试验周期720h；
F)如图3所示，将激光探测器6的水平位移量带入以下公式求得试样3的延伸量；
延伸量Y＝Y2-Y1＝X2×tanθ-X1×tanθ＝(X2-X1)×tanθ，其中X2-X1为激光探测器6的水平位移量；tanθ通过查表可得。
本实施例中，试样延伸量的测试结果如表2所示:
表2试样延伸量
Figure BDA0002377616550000071
测试结果表明，试样A的延伸量小于试样B的延伸量，试样B的抗硫化氢应力腐蚀性能好于试样A。
【实施例3】
本实施例中，试验所用的试样为A、B两种油井管，每种材料制作三个平行试样，试验过程如下：
A)如图2所示，试样3加工尺寸为：试样测试区域的直径D＝φ6.35±0.13mm，长度G＝25.4±0.2mm，加工后试样3的表面光洁度0.2μm；加工后的试样3表面用丙酮擦洗两遍，再用无水乙醇擦洗一遍，用于清除掉试样3表面的残留物和油脂；
B)对试样测试区域进行标记，主要标记试样测试区域的中间点和上、下边界点，便于激光探测器6识别；
C)将激光探测器6及激光探测器移动装置固定于滑道上，保持滑道水平，使得激光探测器6发出的激光束垂直照射到试样3被测表面；
D)调整储液罐2的垂直高度到合适位置，分别旋转上部密封螺母4和下部密封螺母5，对储液罐2的位置进行固定；手动粗调滑道水平，使激光探测器6的激光束对准试样测试区域的中间点，调整激光束的束斑为1μm。继续微调水平校准装置，当激光束精准垂直照射到试样测试区域的中间点时，向上调整激光束出射角度，对准试样测试区域的上边界点，固定激光束的出射角度，记录激光束的旋转角度值θ＝60°，此时激光探测器6所处位置即为位移零点；
E)向储液罐2中加入nace标准A溶液，应力环加载是根据油井管的名义屈服强度的90％来加载，试验周期720h；
F)将激光探测器6的水平位移量带入以下公式求得试样3的延伸量：
延伸量Y＝Y2-Y1＝X2×tanθ-X1×tanθ＝(X2-X1)×tanθ，其中X2-X1为激光探测器6的水平位移量；tanθ通过查表可得。
本实施例中，试样延伸量的测试结果如表2所示:
表3试样延伸量
Figure BDA0002377616550000081
测试结果表明：试样A的延伸量小于试样B的延伸量，试样B的抗硫化氢应力腐蚀性能好于试样A。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置，其特征在于，包括应力环试验装置、激光探测器、探测器移动装置、水平校准装置和控制系统；所述激光探测器由激光光源和探测器旋转装置组成；所述应力环试验装置设有盛装腐蚀溶液用的储液罐，储液罐的一侧设通孔；所述水平校准装置由升降座及水平杆组成，水平杆的一端与升降座相连，另一端穿过通孔伸入储液罐中，水平杆上设有滑道，水平杆与储液罐之间密封连接；水平杆伸入储液罐的对应杆段设探测器移动装置，激光探测器安装在探测器移动装置上并能够随之沿滑道水平移动；激光探测器中的激光光源能够在探测器旋转装置的作用下绕水平轴线上下转动；水平杆能够在升降座的带动下竖直升降；所述控制系统由激光探测器控制单元、探测器移动控制单元、水平校准控制单元和显示屏组成，所述激光光源、探测器旋转装置、升降座的驱动装置、探测器移动装置分别连接控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置，其特征在于，所述激光光源为激光束发生装置，具有共聚焦功能。
3.根据权利要求1所述的一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置，其特征在于，所述激光光源通过水平轴与探测器移动装置相连，并且能够在探测器旋转装置的带动下绕水平轴的轴线旋转，旋转角度为10°～60°。
4.根据权利要求1所述的一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置，其特征在于，所述激光探测器控制单元用于控制激光光源的聚焦、亮度以及旋转角度。
5.根据权利要求1所述的一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置，其特征在于，所述探测器移动控制单元用于控制激光探测器的移动、定位，并记录激光探测器的移动距离；激光探测器的位移速率为1×10-6～1×10-4mm/s，探测器移动控制单元的量程为0～20mm。
6.根据权利要求1所述的一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的装置，其特征在于，所述水平校准控制单元用于控制水平校准装置中升降座的高度，以及调节水平杆水平，升降座的升降移动速度为0.1～0.2mm/s。
7.一种基于权利要求1所述装置的测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)试样预处理；将试样加工成设定的尺寸，对试样表面进行脱脂处理；标记试样测试区域的中间点和边界点，以便于激光探测器识别；
2)试验装置调节；调节储液罐的垂直高度到设定位置，旋转储液罐上方的上部密封螺母及储液罐下方的下部密封螺母，将储液罐的位置固定；手动粗调滑道水平，使激光束对准试样测试区域的中间点；通过水平校准控制单元进行微调，使激光束的束斑为1～1.5μm；继续调整水平校准装置，当激光束垂直照射到试样测试区域的中间点时，向上调整激光束的出射角度，使其对准试样测试区域的上边界点，将该点作为位移初始零点；固定激光束出射角度，记录该角度值为θ；
3)应力加载；向储液罐中加入测试溶液，按照名义屈服强度，对试样进行设定加载比例下的应力加载，开始应力环试验；加载比例为油井管名义屈服强度的50％～90％；
4)计算延伸量；随着试验的进行，应力环加载使试样产生应力松弛，沿着轴向受力方向产生微量的位移，上边界点随之向上移动；激光探测器随着上边界点的移动沿试样径向向远离试样的方向移动；在一个试验周期后，对于未断裂的试样，通过激光探测器记录位移量，通过公式Y＝Y2-Y1＝(X2-X1)tanθ计算试样的延伸量，以此评价材料的抗应力腐蚀性能和抗应力松弛性能；式中：Y是试样测试区域的延伸量；Y2-Y1是激光探测器测量的竖向位移量；X2-X1为与竖向位移量相对应的水平位移量。
8.根据权利要求7所述的一种测试油井管抗硫化氢应力腐蚀的方法，其特征在于，所述试验溶液为nace标准A溶液。
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