CN206369665U - 评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，包括：用于模拟掩埋管线的介质环境的介质环境模拟模块，用于对拉伸试样施力的慢应变速率加载模块，以及用于对拉伸试样施加模拟的负向电位的负向电位模拟模块，介质环境模拟模块包括：用于容纳介质的介质槽，温度控制器，拉伸试样的一端穿过介质槽的一侧预留孔，露出的部分由慢应变速率加载模块的拉伸机的第一夹具夹持；拉伸试样的另一端穿过介质槽的另一侧预留孔，露出的部分由慢应变速率加载模块的拉伸机的第二夹具夹持，介质槽的预留孔在装入拉伸试样后被密封，温度控制器控制介质槽内介质的温度。该试验装置能够在实际土壤中进行测试，并保证土壤介质的湿度温度恒定。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于评价埋地管线性能的试验装置，具体而言，涉及一种评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置。
背景技术
随着我国油气能源需求的快速增长，能源管道在我国大规模建设并投入使用，为降低工程成本，增加经济效益，采用高钢级、大口径、高压力管道成为油气行业的生产趋势。同时，随着我国高压直流输电(HVDC)技术的兴起，因其技术上的优势成为西部电能向东部远距离输送的重要手段。两个能源通道的靠近，导致了新的严重安全隐患的出现。在接地极大电流放电条件下，管道电位大幅负向偏移，导致管道极化电位过负，金属表面发生析氢反应，管线容易发生氢脆失效。
另外，我国油气管道沿途跨越的西北地区的盐渍土壤，东南部地区的酸性土壤以及黄河以及海河入海口的海滨盐碱土壤等多种土壤环境，均具有较强的腐蚀性。为保障埋地管道的服役安全，管壁外普遍采用防腐层加阴极保护的联合措施进行腐蚀控制，但对于高钢级钢材而言，由于其强度的提高，使得氢脆敏感性增加，一旦防腐层发生破损或存在漏点，过负阴极保护电位下管线容易发生氢脆失效。
因此，评价不同土壤环境中由于高压直流干扰或阴极保护等因素引起的负向电位下管线钢的氢脆敏感性，可以为不同土壤环境中的氢脆风险及安全范围研究提供理论依据，具有重要的实际意义。
目前对金属材料在不同含氢环境下的氢脆敏感性评价是当前研究的热点之一。例如，在公开号为CN201410401253X的中国专利申请中公开的“高压氢脆试验装置及实验方法”，其采用的是在试验容器中以一定速率充入高压氢气，进行耐压试验或升压直至试样爆破测定爆破压力，该装置可测试气态含氢环境下材料的氢脆敏感性，但无法实现对外加阴极保护条件下阴极析氢环境的模拟。
又例如，公开号为CN201520125704.1的中国专利申请中公开了的“海洋环境中阴极保护下的钢材氢脆试验装置”，提供了一种在模拟海洋环境中外加阴极保护条件下对试样施加拉伸应力的测试装置，但该装置不适用与土壤环境下负向电位条件的模拟，且未提供针对不同介质环境中氢脆敏感性的快速评价方法，同时试验装置中拉伸夹具需要穿透介质槽与试样相连，拉伸夹具接触溶液，试样与拉伸夹具间还需要绝缘连接件连接，拉伸夹具存在一定的腐蚀风险，也增加了设计加工成本。
实用新型内容
为了解决上述技术问题之一，根据本实用新型的一方面，提供了一种评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，其包括：用于模拟掩埋管线的介质环境的介质环境模拟模块，用于对拉伸试样施力的慢应变速率加载模块，以及用于对拉伸试样施加模拟的负向电位的负向电位模拟模块，其中，介质环境模拟模块包括：用于容纳介质的介质槽，温度控制器，拉伸试样的一端穿过介质槽的一侧预留孔，露出的部分由慢应变速率加载模块的拉伸机的第一夹具夹持；拉伸试样的另一端穿过介质槽的另一侧预留孔，露出的部分由慢应变速率加载模块的拉伸机的第二夹具夹持，介质槽的预留孔在装入拉伸试样后被密封，温度控制器控制介质槽内介质的温度。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在阴极保护下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，介质槽的外部缠有加热带，热电偶通过介质槽的预留孔插入介质中，通过温度控制器对加热带和热电偶进行控制。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，通过O型密封圈来密封预留孔。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，进一步用硅胶来密封预留孔。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，介质槽由玻璃材料制成。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，拉伸试样为片状或棒状：片状试样为两头宽、中间窄的金属物，两端分别加工有与夹具配合的小孔；棒状试样为两头粗中间细的金属物，两端加工有与夹具配合的螺纹。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，用硅胶对拉伸试样进行密封，中间部分露出1cm2的暴露面积。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，拉伸试样未被密封的部分作为工作电极，参比电极及辅助电极的测试端分别通过介质槽的预留孔进入该介质槽内部，与被测介质接触，负向电位模拟模块的恒电位仪通过工作电极、参比电极和辅助电极对拉伸试样施加阴极保护。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，慢应变速率加载模块对拉伸试样施加拉力并通过传感器实时监测该拉伸试样的状态。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，负向电位模拟模块模拟高压直流干扰和阴极保护所引起的负向电位。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可选地，对拉伸试样施加拉力的同时对其施加阴极保护。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，通过设计土壤介质槽，能够在实际土壤中进行测试，并保证土壤介质的湿度温度恒定。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。
图1是根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置的原理结构示意图；
图2示意性地示出了根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置所使用的一种拉伸试样。
附图标记
1 慢应变速率拉伸机
2 拉伸机上夹具
3 O型密封圈
4 辅助电极
5 拉伸试样
6 拉伸机下夹具
7 介质槽
8 加热带
9 介质槽上盖
10 热电偶
11 盐桥
12 参比电极
13 温度控制器
14 恒电位仪
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
根据本实用新型的实施例，提供了模拟不同土壤环境中高压直流干扰或其他因素引起的负向电位下的管线钢氢脆试验装置和氢脆敏感性评价方法，通过设计可控温土壤介质槽来模拟管线钢的实际服役环境，并通过拉伸应力加载装置来对试样施加缓慢的拉伸应力直至试样断裂，以及通过测试试样的断面收缩率和断后伸长率来计算材料的氢脆敏感性系数。从而可快速评价材料在不同土壤环境和不同阴极保护电位下的氢脆敏感性。
评价材料的氢脆敏感性的原理在于，将试样暴露在土壤介质中，一边施加负向电位，同时施加一定应变速率的拉伸载荷直至试样断裂，通过测试试样断裂前后的标距及截面尺寸，计算获得氢脆敏感性系数。
图1是根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置的原理结构示意图。
如图1所示，根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置包括：介质环境模拟模块，慢应变速率加载模块和负向电位模拟模块。
具体而言，介质环境模拟模块包括土壤介质槽7、介质槽上盖9、密封圈3、加热带8、热电偶10和温度控制器13；慢应变速率加载模块包括：慢应变速率拉伸机1，应力应变施加单元(即载荷位移施加单元)及传感器、拉伸机上夹具2、拉伸机下夹具6、拉伸试样5；负向电位模拟模块包括：恒电位仪14、电源输出检测器、辅助电极4、盐桥11和参比电极12。
介质槽7是介质环境模拟模块的主体部分，在介质槽7中容纳有介质，该介质可以是实际埋管线位置的土壤，以保证更好的模拟效果。例如，介质槽7由玻璃材料制成，其上盖9与介质槽容器部分通过磨口连接，所有预留孔均可采用O型密封圈与连接件密封，防止内部土壤介质水分蒸发流失，保证实验过程中湿度的可控性。
慢应变速率加载模块的作用在于通过对试样施加力并通过传感器实时监测拉伸试样的状态。
拉伸试样5是被测物，用于模拟埋于土壤中的金属管线。拉伸试样5一般有片状和棒状两种：其中，片状试样为两头宽、中间窄的金属物，两边分别加工有与夹具配合的小孔；棒状试样为两头粗中间细的金属物，两端加工有与夹具配合的螺纹。进行测试实验时，对拉伸试样5的中间部分记录标长，并控制暴露面积，非暴露面积可用硅橡胶密封。图2示出了一种棒状试样。拉伸试样5可以随试验装置一起生产、销售，也可以作为单独的产品进行生产、销售。
如图1所示，拉伸试样5的一端穿过介质槽7的底部预留孔，露出螺纹部分，并采用密封件(例如O型橡胶圈)及704硅胶进行密封，另一端穿过介质槽7的上盖9的预留孔，露出螺纹部分，也可采用O型橡胶圈等进行密封，拉伸试样5的上下端分别与拉伸机上夹具2及下夹具6相连。图1所示的试验装置方案中，拉伸试样5是上下放置的，在不同拉伸机的配合下，也可以采用其它的放置方式，例如左右放置。
慢应变速率拉伸机1的上应力应变施加单元与拉伸机的下夹具6相连，对应传感器的信号输出到计算机。
介质槽7的外部可缠有加热带8，加热带8与温度控制器13相连，热电偶10的测温端穿过介质槽7的上盖9的预留孔，进入到介质槽7内部，热电偶10的另一端向温度控制器13反馈被测介质的温度信号。
在进行试验时，预先用硅橡胶将拉伸试样5的拉伸段进行密封，只暴露一定的表面积作为工作电极，参比电极12及辅助电极4的测试端分别通过介质槽上盖9的预留孔进入介质槽7内部，与被测介质接触，并通过O型圈密封，工作电极、参比电极12和辅助电极4的分别通过导线与恒电位仪14相连，从而通过恒电位仪施加负向电位。
例如，具体实验时，用硅胶对拉伸试样5进行涂封，露出1cm2的暴露面积，例如图2所示试样5的中间部分所示。待硅胶自然固化后，按照图1所示，将拉伸试样5穿过土壤介质槽7的底部预留孔，通过螺纹与拉伸机下夹具6连接，拉伸试样5与土壤介质槽7的底部预留孔用O型圈固定，并采用硅胶进一步密封；将实验土壤介质倒入土壤介质槽7中，并将土壤介质压实，使其与拉伸试样5紧密接触，将辅助电极4、盐桥11、热电偶10穿过介质槽上盖9插入土壤介质中，并保证盐桥11的尖端对准拉伸试样5的暴露区(图2的拉伸试样5的中间白色标识部分)；在介质槽上盖9与介质槽7中间的磨头接头上涂膜硅脂，使二者密封，防止土壤中水分的蒸发，并将上盖上的各预留孔采用O型密封圈3密封。
土壤介质槽7的外部缠上加热带8，将热电偶10与加热带8的信号线一起接入温度控制器13，设置需要模拟的环境温度，通过温度控制器13控制介质槽7内介质的实际温度；从拉伸机上夹具2引出导线，作为工作电极引线，与盐桥11中的参比电极12的引线以及辅助电极4的引线一起接入恒电位仪14，设置恒电位仪14的输出电位值，给拉伸试样5加上所要模拟的负向电位值。
拉伸机1与计算机系统相连，通过软件设置拉伸的加载参数，开始拉伸前，需对试样预先加负向电位24小时，达到设定时间后，再边加电位边进行慢拉伸试验。待试样拉断后，采用游标卡尺测试试样断后的最小截面积及标距，结合实验前试样的原始截面积和标距，计算断面收缩率和延伸率，评价材料的氢脆敏感性系数。
根据本实用新型实施例的评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，可以获得以下一方面或者多方面的技术效果：通过设计土壤介质槽，能够在实际土壤中进行测试，并保证土壤介质的湿度温度恒定；能够对材料在高压直流干扰或特高压直流干扰或阴极保护或其他因素引起的负向电位下进行慢应变速率拉伸性能的原位测试，具有试样尺寸可调，拉伸样与拉伸机夹具间连接方式简单、设计及加工成本降低；可以定量评定材料的氢脆敏感性系数。
以上所述仅是本实用新型的示范性实施方式，而非用于限制本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围由所附的权利要求确定。
Claims (12)
1.一种评价埋地管线钢在负向电位下的氢脆敏感性的试验装置，
其特征在于，
该试验装置包括：
用于模拟掩埋管线的介质环境的介质环境模拟模块，
用于对拉伸试样(5)施力的慢应变速率加载模块，以及
用于对所述拉伸试样(5)施加模拟的负向电位的负向电位模拟模块，
其中，
所述介质环境模拟模块包括：
用于容纳介质的介质槽(7)，
以及用于控制所述介质槽(7)内介质的温度的温度控制器(13)。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述拉伸试样(5)的一端穿过所述介质槽(7)的一侧预留孔，露出的部分由所述慢应变速率加载模块的拉伸机(1)的第一夹具(2)夹持；所述拉伸试样(5)的另一端穿过所述介质槽(7)的另一侧预留孔，露出的部分由所述慢应变速率加载模块的拉伸机(1)的第二夹具(6)夹持，
所述介质槽(7)的预留孔在装入所述拉伸试样(5)后被密封。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述介质槽(7)的外部缠有加热带(8)，热电偶(10)通过所述介质槽(7)的预留孔插入所述介质中，通过所述温度控制器(13)对所述加热带(8)和所述热电偶(10)进行控制。
4.根据权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于，通过O型密封圈(3)来密封所述预留孔。
5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，进一步用硅胶来密封所述预留孔。
6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述介质槽(7)由玻璃材料制成。
7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述拉伸试样(5)为片状或棒状：
所述片状试样为两头宽、中间窄的金属物，两端分别加工有与夹具配合的小孔；
所述棒状试样为两头粗中间细的金属物，两端加工有与夹具配合的螺纹。
8.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，用硅胶对所述拉伸试样(5)进行密封，中间部分露出1cm2的暴露面积。
9.根据权利要求1或8所述的试验装置，其特征在于，所述拉伸试样(5)未被密封的部分作为工作电极，参比电极(12)及辅助电极(4)的测试端分别通过所述介质槽(7)的预留孔进入该介质槽(7)内部，与所述被测介质接触，所述负向电位模拟模块的恒电位仪(14)通过所述工作电极、所述参比电极(12)和所述辅助电极(4)对所述拉伸试样(5)施加负向电位。
10.根据权利要求9所述的试验装置，其特征在于，所述负向电位模拟模块模拟高压直流干扰和阴极保护所引起的负向电位。
11.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述慢应变速率加载模块对所述拉伸试样(5)施加拉力并通过传感器实时监测该拉伸试样(5) 的状态。
12.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，对所述拉伸试样(5)施加拉力的同时对其施加负向电位。
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