发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种模拟在干扰电流和阴极保护下埋地管道氢脆试验方法,为研究阴极保护电位和直流输电线路干扰对承受恒弯曲载荷的埋地油气输送管道的氢脆性能的影响规律,提供一种针对性的有效试验方法。
本发明提供一种模拟在干扰电流和阴极保护下埋地管道氢脆试验方法,所述方法包括:
对使用目标管道材质制作的标准弯梁试样进行涂封处理,仅暴露所述标准弯梁试样的中间区域;
在模拟目标管道周围环境土壤的土壤模拟溶液中,分别在同时不施加阴极保护电位和干扰电流情况下、在仅施加阴极保护电位情况下或同时施加阴极保护电位和干扰电流情况下对经上述涂封处理的所述标准弯梁试样进行弯曲试验,分别获取同时不施加阴极保护电位和干扰电流情况下的试样的裂纹萌生时间T0、仅施加阴极保护电位或同时施加阴极保护电位和干扰电流情况下的试样的裂纹萌生时间T1;
根据裂纹萌生时间T0和T1,计算试样的氢脆敏感系数H,评价阴极保护电位或干扰电流对管道氢脆敏感性的影响;
根据预设氢脆敏感系数h和氢脆敏感系数H,评价目标管道的安全风险,确定阴极保护电位或干扰电流安全范围。
优选地,所述方法还包括:
在施加阴极保护电位和干扰电流情况下对经所述涂封处理的所述标准弯梁试样进行弯曲试验时,分别改变试样受到的干扰电流的电流密度、电流类型和电流频率;在仅施加阴极保护电位情况下对经所述涂封处理的所述标准弯梁试样进行弯曲试验时,改变试样受到的阴极保护电位,分别获取不同干扰电流密度、电流频率、电流类型和不同阴极保护电位下的试样的裂纹萌生时间T1 n;
根据裂纹萌生时间T0和T1 n,分别计算不同干扰电流密度下的试样的氢脆敏感系数不同干扰电流频率下的试样的氢脆敏感系数不同干扰电流类型下的试样的氢脆敏感系数和不同阴极保护电位下的试样的氢脆敏感系数
根据预设氢脆敏感系数h和氢脆敏感系数分别评价目标管道的氢脆敏感性,并分别得到目标管道的干扰电流密度安全区间、干扰电流频率安全区间、安全干扰电流类型和阴极保护电位安全区间。
优选地,氢脆敏感系数H=(T0-T1)/T0。
进一步优选地,进行所述涂封处理后,所述标准弯梁试样暴露的中间区域面积为0.5~2cm2。
更进一步优选地,所述干扰电流的电流密度范围为0-200mA/cm2。
进一步优选地,所述弯曲试验为将试样固定在弯曲载荷加载工装上,根据三点加载方法进行,试样凸形表面中点的应力为:
σ=6Ety/H2,
其中,σ为最大张应力,Pa;E为弹性模量,Pa;t为试样厚度,m;y为最大挠度,m;H为外支点间的距离,m。
更进一步优选地,所述试样凸形表面中点的应力在试样材料屈服强度的50%-90%范围内。
优选地,所述标准弯梁试样在进行所述涂封处理前需进行抛光处理。
优选地,在施加阴极保护电位和干扰电流情况下对经所述涂封处理的所述标准弯梁试样进行弯曲试验时,所述阴极保护电位和所述干扰电流交替施加。
优选地,根据预设氢脆敏感系数h和氢脆敏感系数H,评价目标管道的氢脆敏感性,包括:
当试样的氢脆敏感系数H大于预设氢脆敏感系数h时,确定所述目标管道的氢脆敏感性为高,表示会因氢脆而发生安全风险;
当试样的氢脆敏感系数H小于等于预设氢脆敏感系数h时,确定所述目标管道的氢脆敏感性为低,表示不会因氢脆而发生安全风险。
从以上技术方案可以看出,本发明具有以下优点:
本发明提供了一种模拟在干扰电流和阴极保护下埋地管道氢脆试验方法,本发明试验方法通过在土壤模拟溶液中向使用目标管道材质制作的标准弯梁试样施加阴极保护电位和干扰电流的方式,准确模拟了承受恒弯曲载荷的埋地管道在阴极保护电位和直流输电线路干扰下发生氢脆的现场工况条件,提出以裂纹萌生时间为影响参数的氢脆敏感系数来评价埋地管道的氢脆性能,为研究阴极保护电位和直流输电线路干扰对承受恒弯曲载荷埋地油气输送管道的氢脆性能的影响规律,评价目标管道在模拟干扰工况下的安全风险,确定阴极保护电位和干扰电流安全范围,提供了一种针对性的有效试验方法。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂,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,下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而非全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本申请的描述中,需要说明的是,术语“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”、“设置”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个部件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本发明实施例提供了一种模拟在干扰电流和阴极保护下埋地管道氢脆试验方法,请参阅图1和图2。
请参阅图1,是本发明实施例提供的一种模拟在干扰电流和阴极保护下埋地管道氢脆试验方法的流程示意图,包括:
对使用目标管道材质制作的标准弯梁试样进行涂封处理,仅暴露所述标准弯梁试样的中间区域;
在模拟目标管道周围环境土壤的土壤模拟溶液中,分别在同时不施加阴极保护电位和干扰电流情况下、在仅施加阴极保护电位情况下或同时施加阴极保护电位和干扰电流情况下对经上述涂封处理的所述标准弯梁试样进行弯曲试验,分别获取同时不施加阴极保护电位和干扰电流情况下的试样的裂纹萌生时间T0、仅施加阴极保护电位或同时施加阴极保护电位和干扰电流情况下的试样的裂纹萌生时间T1;
根据裂纹萌生时间T0和T1,计算试样的氢脆敏感系数H,评价阴极保护电位或干扰电流对管道氢脆敏感性的影响;
根据预设氢脆敏感系数h和氢脆敏感系数H,评价目标管道的安全风险,确定阴极保护电位或干扰电流安全范围。
对标准弯梁试样涂封处理,以减小所述标准弯梁试样在模拟溶液中的暴露面积,这样使用较小输入电流,即可实现对试样表面电流密度的较大范围的调整,有利于试验的充分开展。在一具体的实施方式中,对标准弯梁试样进行涂封处理时,采用绝缘密封层材料将试样挠度较大的中间部分露出一定的暴露区域,具体可用硅胶、环氧树脂、石蜡等,该暴露区域为裂纹观测区,将上述暴露区域浸没在模拟目标管道周围土壤的土壤模拟溶液中。
具体地,可在目标埋地管道现场获取土壤样本,在测试土壤样本含水率后将土壤样本烘干,然后研磨成细粉状,按照测试结果的含水率加入去离子水配制溶液即可。
具体地,建立阴极保护电位系统和干扰电流系统时,将所述标准弯梁试样暴露区域、对电极(也叫辅助电极)和参比电极浸没在配置好的土壤模拟溶液中,并将标准弯梁试样、对电极和参比电极分别通过导线连接到恒电位仪输出端组成三电极体系,根据试验需要调节所述恒电位仪控制面板的电位参数,即可向标准弯梁试样施加阴极保护电位,同时在标准弯梁试样和恒电位仪之间串连一个时间控制器,可实现电路的定时切断与闭合,通过调节所述时间控制器即可调整阴极保护电位施加频率,需要说明的是,在进行仅施加阴极保护情况下的弯曲试验时,试样所受到的阴极保护电位可处于连续施加状态,无需切断电路;将上述标准弯梁试样通过导线连接到恒电流源负极,并将上述对电极通过导线连接到恒电流源正极,使标准弯梁试样、恒电流源、对电极和土壤模拟溶液串联形成完整闭合电路,所述恒电流源可以提供恒定电流,调节所述恒电流源即可调节干扰电流的大小,同时在标准弯梁试样和所述恒电流源之间也串联一个时间控制器,通过调节该所述时间控制器即可实现干扰电路的定时切断与闭合,从而控制干扰电流施加的频率。
具体地,因为在弯曲试验过程中,标准弯梁试样浸没在土壤模拟溶液中,不可能连续观察试样的裂纹萌生情况,所以可在预定的时间间隔检查裂纹的出现,该时间间隔视试验条件和可能应力腐蚀寿命的经验来选择,通常随试验进行而逐渐缩短时间间隔。在一具体的实施方式中,可通过调节干扰电路中的时间控制器,设置干扰电流施加频率为每隔3h施加1次,每次施加干扰时间为1h,通过调节阴极保护电路中的时间控制器,设置阴极保护电位施加频率为每隔1h施加1次,每次施加阴保时间为3h,且阴极保护电位和干扰电流交替施加,调节恒电流源使标准弯梁试样暴露区域的电流密度为5mA/cm2,然后向标准弯梁试样施加弯曲应力,并在试验过程中每隔24h切断阴极保护电位或干扰电流,这样再同时施加阴极保护电位和干扰电流时可使阴极保护电位和干扰电流进行整数次交替,然后将标准弯梁试样从土壤模拟溶液中取出,并用去离子水清洗和吹风机干燥后,放在放大镜或显微镜下观察试样表面是否有裂纹产生。若试样表面有裂纹产生,记录从开始试验到被取出的时间,即测试时间,为裂纹萌生时间;若没有裂纹产生,则放回土壤模拟溶液中继续进行同时施加阴极保护电位和干扰电流下的弯曲试验,直至观察到试样表面有裂纹萌生。
本发明实施例提供的一种模拟在干扰电流和阴极保护下埋地管道氢脆试验方法,通过在模拟目标管道周围环境土壤的土壤模拟溶液中,分别在同时不施加阴极保护电位和干扰电流情况下、在仅施加阴极保护电位情况下或同时施加阴极保护电位和干扰电流情况下对经涂封处理的标准弯梁试样进行弯曲试验,分别获取同时不施加阴极保护电位和干扰电流情况下的试样的裂纹萌生时间T0、仅施加阴极保护电位情况下或同时施加阴极保护电位和干扰电流情况下的试样的裂纹萌生时间T1;根据裂纹萌生时间T0和T1,计算试样的氢脆敏感系数H;根据预设氢脆敏感系数h和氢脆敏感系数H,评价目标管道的氢脆敏感性和安全风险,即评估阴极保护电位或干扰电流对目标管材氢脆性能的影响程度及目标管道在所模拟的特定工况下的安全性和可靠性。本发明试验方法通过在土壤模拟溶液中向使用目标管道材质制作的标准弯梁试样施加阴极保护电位和干扰电流的方式,准确模拟了承受恒弯曲载荷的埋地管道在阴极保护电位和直流输电线路干扰下发生氢脆的现场工况条件,提出以裂纹萌生时间为影响参数的氢脆敏感系数来评价埋地管道的氢脆性能,为研究阴极保护电位和直流输电线路干扰对承受恒弯曲载荷埋地油气输送管道的氢脆性能的影响规律,提供了一种针对性的有效试验方法,可以用来评价目标管道在模拟干扰工况下的安全风险,并确定阴极保护电位和干扰电流安全范围。
优选地,所述方法还包括:
在施加阴极保护电位和干扰电流情况下对经所述涂封处理的所述标准弯梁试样进行弯曲试验时,分别改变试样受到的干扰电流的电流密度、电流类型、电流频率;在仅施加阴极保护电位情况下对经所述涂封处理的所述标准弯梁试样进行弯曲试验时,改变试样受到的阴极保护电位,分别获取不同干扰电流密度、电流频率、电流类型和不同阴极保护电位下的试样的裂纹萌生时间T1 n;
根据裂纹萌生时间T0和T1 n,分别计算不同干扰电流密度下的试样的氢脆敏感系数不同干扰电流频率下的试样的氢脆敏感系数不同干扰电流类型下的试样的氢脆敏感系数和不同阴极保护电位下的试样的氢脆敏感系数
根据预设氢脆敏感系数h和氢脆敏感系数分别评价目标管道的氢脆敏感性,并分别得到目标管道的干扰电流密度安全区间、干扰电流频率安全区间、安全干扰电流类型和阴极保护电位安全区间。
需要说明的是,干扰电流类型有恒定电流、脉冲电流、交变电流(正弦波、锯齿波等),具体可通过使用不同型号电流源装置而获得。在试样暴露面积一定的情况下,改变恒电流源输出电流,即可改变试样表面的电流密度。阴极保护电位和干扰电流的频率的改变通过调节各自电路中的时间控制器的通电时宽和断电时宽来实现。通过调节恒电位仪电位值来控制试样受到的阴极保护电位,按照标准阴极保护电位取值区间为-0.85V~-1.2V(相对于铜/硫酸铜电极)。
在一具体的实施方式中,以在施加阴极保护电位和干扰电流情况下对试样进行弯曲试验时仅改变干扰电流密度为例,通过恒电流源输出脉冲方波电流,并通过设置时间控制器使干扰电流施加频率为每隔3h施加1次,每次施加干扰时间为1h,然后调节恒电流源输出电流,分别以干扰电流密度为5mA/cm2、10mA/cm2、20mA/cm2、50mA/cm2、100mA/cm2……进行试验,分别获取到试样相应的裂纹萌生时间为T1 1,T1 2,T1 3,T1 4,T1 5,T1 n+5,根据裂纹萌生时间T0和T1 1,T1 2,T1 3,T1 4,T1 5,T1 n+5,分别计算氢脆敏感系数为 直至获取到与预设氢脆敏感系数h相同的氢脆敏感系数所对应的干扰电流密度,各氢脆敏感系数值的大小表明管道材料性能降低的程度,根据各氢脆敏感系数值分别评价相应干扰电流密度下目标管道的氢脆敏感性,从而分析电流密度对埋地管道氢脆敏感性的影响,然后基于预设氢脆敏感系数h和各氢脆敏感系数值,评价目标管道在相应模拟干扰工况下的氢脆安全风险。根据目标管道实际服役现场工况和设计要求而设定的预设氢脆敏感系数h,通常是目标管道许用性能临界值所对应的氢脆敏感系数,这样根据试验确定对应预设氢脆敏感系数h的干扰电流密度,进而小于对应预设氢脆敏感系数h的干扰电流的密度区间即为目标管道的干扰电流密度安全区间。
优选地,氢脆敏感系数H=(T0-T1)/T0。
进一步优选地,进行所述涂封处理后,所述标准弯梁试样暴露的中间区域面积为0.5~2cm2。将试样的暴露面积缩小有利于在使用较小输入电流的情况下,即可实现对试样表面电流密度的较大范围的调整,有利于试验的充分开展。
更进一步优选地,所述干扰电流的电流密度范围为0-200mA/cm2。
进一步优选地,如图2所示,标准弯梁试样3为使用目标管道材质制备成的具有一定厚度的平直条带试样,使用支架1支柱标准弯梁试样3两端,拧紧固定在试样中间的装有球状顶尖的螺栓2,根据三点加载方法在中点把试样顶弯来加载弯曲应力,试样3凸形表面中点的应力为:
σ=6Ety/H2,
其中,σ为最大张应力,Pa;E为弹性模量,Pa;t为试样厚度,m;y为最大挠度,m;H为外支点间的距离,m。
由上式可知,通过调节螺栓2改变挠度值,即可控制标准弯梁试样3内部的应力状态,便于研究不同应力作用下的材料的氢脆敏感性。
更进一步优选地,所述试样凸形表面中点的应力在试样材料屈服强度的50%-90%范围内,可通过设计不同载荷大小,获得不同载荷条件下干扰电流对埋地管道氢脆性能的影响。
优选地,所述标准弯梁试样在进行所述涂封处理前需进行抛光处理,以便于观察试样产生的裂纹,并排除试样原始表面材料条件变化对裂纹萌生状态的影响,提高获取裂纹萌生时间的准确性。
优选地,在施加阴极保护电位和干扰电流情况下对经所述涂封处理的所述标准弯梁试样进行弯曲试验时,所述阴极保护电位和所述干扰电流交替施加。
优选地,根据预设氢脆敏感系数h和氢脆敏感系数H,评价目标管道的氢脆敏感性,包括:
当试样的氢脆敏感系数H大于预设氢脆敏感系数h时,确定所述目标管道的氢脆敏感性为高,表明所述目标管道材料性能降低幅度大,表示会因氢脆而发生安全风险;
当试样的氢脆敏感系数H小于等于预设氢脆敏感系数h时,确定所述目标管道的氢脆敏感性为低,表明所述目标管道材料性能降低幅度小,表示不会因氢脆而发生安全风险。
以上所述,以上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精神和范围。