CN103226091A - 能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置 - Google Patents

能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置 Download PDF

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孙文勇
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赵永涛
胡家顺
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梁爽
马红玉
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Abstract

本发明提出一种能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，所述能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置包括：压力釜，压力釜具有内腔，内腔中设有试件；拉伸测试***，安装在所述试件的两端，拉伸所述试件，测试和获取试件的拉力和应变信号；溶液循环充气***，与所述压力釜的内腔连接，向所述压力釜提供实验所需的溶液；声发射探头，设置在所述试件两端，测试所述试件的声学信号；电化学测试***，与试件和所述压力釜连接，对所述试件施加极化电流进行极化并测试和获得电化学信号；数据采集器，采集同时测量的拉力和应变信号、电化学信号和声发射信号。本发明能进行可控增压、可控加热、可控充气，较好模拟了现场材料实际工作状态。

Description

能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置。
背景技术
石油、石化、核工业、电力等工业领域的设备管线长期应用于高温、高压、多腐蚀介质环境，设备管线的电化学腐蚀和应力腐蚀开裂(SCC)是引发损伤的主要原因，所导致的减薄、穿孔、裂纹、破裂等可能造成有毒、高温、易燃、易爆、辐射介质的泄漏，进而引起火灾***、环境污染、人员伤亡、财产损失等事故，严重的威胁到企业的安全生产。
电化学技术作为腐蚀研究的主要手段，经过两百多年的发展，已经在腐蚀、裂纹的形成机理、监测检测、控制防护等方面形成比较完备的体系。而声发射(AE)检测是根据腐蚀、裂纹的声发射特征进行缺陷定位和定量的一种无损检测技术，由于其可以实现连续、在线、原位、无损和快速检测，近年来在设备管线腐蚀和裂纹检测方面取得了广泛应用。但是由于目前在实际工况下声发射信号与电化学腐蚀速率的关系及声发射信号与电化学信号的关系研究尚不透彻，加之声发射特征参数众多，在表征信号特征时缺少统一标准，严重的限制了声发射在腐蚀和裂纹监测中的应用。在实际高温、高压、应力下研究声发射信号与电化学腐蚀过程的对应关系是声发射能够监测电化学腐蚀和应力腐蚀开裂过程的应用基础，然而，目前还没有高温、高压、应力下研究声发射信号与电化学腐蚀过程的对应关系的***研究。
公知的电化学中的电极电位测试、电化学噪声、电化学阻抗、极化曲线等技术在监测与解释均匀腐蚀、点蚀、钝化膜破坏、裂纹萌发、裂纹生长等腐蚀裂纹现象具有比较成熟的理论。但是目前在实际生产工况(高温、高压、应力)环境下的声发射信号与电化学腐蚀速率的关系及声发射信号与电化学信号的关系研究方面较为匮乏，严重限制了声发射在腐蚀和裂纹监测中的应用，究其原因是目前缺少能模拟实际工况下材料所受高温、高压、应力腐蚀环境并同时进行声发射检测和电化学测试的实验装置。
发明内容
本发明提供一种能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，以解决实际生产工况(高温、高压、应力)下，不能得到的声发射信号与电化学腐蚀速之间的关系的问题。
为此，本发明提出一种能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，所述能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置包括：
压力釜，所述压力釜具有内腔，所述内腔中设有试件；
拉伸测试***，安装在所述试件的两端，拉伸所述试件，测试和获取所述试件的拉力和应变信号；
溶液循环充气***，与所述压力釜的内腔连接，向所述压力釜提供实验所需的溶液；
声发射探头，设置在所述试件两端，测试所述试件的声学信号；
电化学测试***，与试件和所述压力釜连接，对所述试件施加极化电流进行极化并测试和获得电化学信号；
数据采集器，采集同时测量的拉力和应变信号、电化学信号和声发射信号。
进一步地，所述能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置还包括：电脑，与数据采集器连接，并且所述电脑与所述拉伸测试***连接，所述电脑根据获取的拉力和应变信号，控制所述拉伸测试***对所述试件的拉伸。
进一步地，所述压力釜包括：釜体、和设置在所述釜体上的釜盖，所述釜盖上设有安装所述试件的安装孔，所述安装孔上设有密封所述釜盖的试件密封圈以及抵压在试件密封圈上的压盖，所述拉伸测试***包括：夹持所述试件两端的夹头，所述夹头通过内衬与所述试件接触，所述釜体、所述釜盖、所述压盖、所述试件密封圈、以及所述夹头的内衬全部采用玻璃钢。
进一步地，所述声发射探头通过耦合剂与试件的端面接触。
进一步地，所述拉伸测试***还包括：电机，与所述夹头连接；伺服控制器，连接所述电机和所述电脑，所述电脑根据获取的拉力和应变信号，控制所述伺服控制器，从而控制控制电机的启停和转速，控制对所述试件的拉伸。
进一步地，所述电化学测试***包括：连接在所述压力釜上的工作电极、辅助电极和银/氯化银参比电极，所述工作电极为所述试件。
进一步地，所述试件的两端分别设有与所述试件螺纹连接的试件头，所述试件头套设在所述试件的两端，所述夹头通过夹持所述试件头夹持所述试件。
进一步地，所述声发射探头套设在塑料螺纹圈中并安装在所述拉伸测试***上。
进一步地，所述溶液循环充气***向所述压力釜提供实验所需的溶液的温度为20～150℃，压力为1～16MPa。
进一步地，所述拉伸测试***还包括：与所述电机连接的齿轮副，所述拉伸测试***通过所述电机控制齿轮副的运动，实现对所述试件的恒载荷、恒应变或者动载荷加载，以获得实验所需的应力条件。
本发明的有益效果是：
1、本发明可以同时测量声发射信号和电化学信号，当腐蚀和裂纹现象出现时，同步采集的声发射信号和电化学信号可以进行比较研究，提取出声发射信号中与腐蚀速度、腐蚀类型、裂纹生长等对应相关特征参数，可以推进声发射技术的研究。
2、本发明中所有与试件可能发生接触的部位均采用玻璃钢制品，在保证所需耐压强度的前提下，利用玻璃钢的良好绝缘性，避免试件和其它金属部件电导通影响电化学测试数据的准确性。
3、本发明能进行可控增压、可控加热、可控充气，较好模拟了现场材料实际工作状态，同时通过电机带动可对试件进行拉伸，模拟现场材料实际应力状况，且装置具有防爆裂功能，并能有效实现液体回收和气体的无害排放。
4、试件和夹持机构设计实用，更换试件只需松开夹头拧紧机构，提起上部夹具即可方便的更换试样，通过加工的标准试件，可保证实验结果的再现性。同时试件两端通过耦合剂与高温声发射探头直接接触，避免了声发射信号通过界面(螺纹或波导杆)的衰减，并可利用时差线定位技术定位腐蚀和裂纹发生部位。
5、本发明还可以在同时测量声发射信号和电化学信号的过程中，能够加载应力，得到与应力加载的关系。此外，本发明还可以在同时测量声发射信号和电化学信号以及加载的情况下，进行高温高压环境下的测试，同时获得各种全面测试的参数，与炼油厂的工作环境十分接近。
附图说明
图1a为根据本发明实施例的压力釜的主视结构示意图；
图1b为根据本发明实施例的压力釜的剖视结构示意图，其中去除了参比电极和压力表；
图1c为根据本发明实施例的压力釜的釜盖的俯视结构示意图；
图2为根据本发明实施例的试件的主视结构；
图3a为根据本发明实施例的夹持机构的主视结构示意图；
图3b为根据本发明实施例的夹持机构的侧视结构示意图；
图3c为根据本发明实施例的夹持机构的俯视结构示意图；
图3d为图3c中的夹持机构的A-A剖视结构示意图，其中，为了便于对比，试件以及试件头没有画剖面线；
图4a为根据本发明实施例的第二夹具连接板的俯视结构示意图；
图4b为根据本发明实施例的拉伸测试***的主视结构；
图5示出了根据本发明实施例的加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置的整体结构和工作原理。
附图标号说明：
1.釜体、2.釜盖、3.玻璃钢压盖、4.试件密封圈、5.试件、6.釜盖密封圈、7.辅助电极、8.Ag/AgCl参比电极、9.压力表、10.进液口、11.安全阀接口、12.出液口、201.试件头、301.探头塑料螺纹圈、302.夹头、303.夹头内衬、304.夹头拧紧机构、305.夹头挂具、306.第一夹具连接板、307.声发射探头、401.第二夹具连接板、402.连接螺杆、403.位移指示物、404.拉力传感器、405.激光位移传感器、501.储液罐、502.抽液泵、503.加热器、504.温度计、505.增压泵、506.冷却器、507.碱洗罐、508.齿轮副、509.电机、510.伺服控制器、511.数据采集器、40.拉伸测试***、408.拉杆、600.电脑
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图5所示，根据本发明实施例的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置包括：
压力釜，所述压力釜具有内腔，所述内腔中设有试件5，压力釜使用强度高、耐腐蚀、质量轻、电绝缘、热导率低的耐高温玻璃钢，可在150℃以下长期使用，既可以达到耐高压的强度要求，同时也可实现试件与周围连接件的电绝缘，保障电化学测试的准确性。釜体1与釜盖2使用法兰连接，通过釜盖密封圈6进行密封，方便室内安装与拆卸。釜底和釜盖开有安装孔，将测试试件5安装在该孔位置，两端设置玻璃钢压盖3和试件密封圈4实现密封，试件两端攻外螺纹与试件头201连接。釜盖2上装有辅助电极7、Ag/AgCl参比电极8、压力表9、安全阀接口11，出液口12，釜体1上装有进液口10；釜底设置有进液管路，釜盖有回流管路，可以实现打压；
拉伸测试***40，如图4a和4b，安装在所述试件5的两端，拉伸杆状试件5，测试和获取所述试件的拉力和应变信号，拉伸测试***可以包括起拉伸作用的拉伸部件以及反映拉力和应变信号的传感器；
溶液循环充气***，与所述压力釜的内腔连接，向所述压力釜提供实验所需的溶液，以模拟各种现场环境，例如模拟炼油厂的腐蚀环境；
声发射探头307，如图3a、3b、3c和3d，也称为声发射传感器，设置在所述试件5两端，测试所述试件的声学信号；
电化学测试***，与所述压力釜连接，对所述试件施加极化电流进行极化并测试和获得电化学信号，可开展电极电位、电化学噪声、电化学阻抗、极化曲线等测试，检测均匀腐蚀、点蚀、钝化膜破坏、裂纹萌发、裂纹生长等腐蚀裂纹现象的电化学信号；
数据采集器511，与拉伸测试***、声发射探头307和电化学测试***连接，采集同时测量的拉力和应变信号、电化学信号和声发射信号。
本发明可以同时测量声发射信号和电化学信号，当腐蚀和裂纹现象出现时，同步采集的声发射信号和电化学信号可以进行比较研究，提取出声发射信号中与腐蚀速度、腐蚀类型、裂纹生长等对应相关特征参数，可以推进声发射技术的研究。另外，还可以在同时测量声发射信号和电化学信号的过程中，能够加载应力，得到与应力加载的关系。
进一步地，如图5，所述能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置还包括：电脑600，与数据采集器511连接，并且所述电脑600与所述拉伸测试***连接，所述电脑600根据数据采集器511获取的拉力和应变信号，控制所述拉伸测试***对所述试件的拉伸。可以在声发射测试和电化学测试的同时，根据现场环境灵活对试件进行加载试验，以获得更多的试验参数。
进一步地，如图1a、图1b和图1c，所述压力釜包括：釜体1、和设置在所述釜体1上的釜盖2，釜体1具有开口状的内腔，所述釜盖2盖在开口上，釜盖2上设有安装所述试件的安装孔(图中未示出)，所述安装孔上设有密封所述釜盖的试件密封圈4，以及抵压在试件密封圈4上的压盖3，以实现安装了试件5后，压力釜能够保持密封。所述拉伸测试***包括：夹持所述试件两端的夹头302，所述夹头通过内衬303与所述试件5接触，所述釜体1、所述釜盖2、所述压盖3、所述试件密封圈4、以及所述夹头302的内衬全部采用玻璃钢。在保证所需耐压强度的前提下，利用玻璃钢的良好绝缘性，避免试件和其它金属部件电导通影响电化学测试数据的准确性。
进一步地，所述声发射探头通过耦合剂与试件的端面接触，耦合剂例如为凡士林膏，避免了声发射信号通过界面(螺纹或波导杆)的衰减，并可利用时差线定位技术定位腐蚀和裂纹发生部位。
进一步地，如图5，所述拉伸测试***还包括：电机509，通过传动装置与所述夹头连接；伺服控制器510，连接所述电机509和所述电脑600，所述电脑根据获取的拉力和应变信号，控制所述伺服控制器510，从而控制控制电机509的启停和转速，控制对所述试件的拉伸或加载，可以实现加载的灵活方便。
进一步地，如图1a、图1b和图1c所示，所述电化学测试***包括：连接在所述压力釜的釜盖2上的工作电极、辅助电极7和银/氯化银参比电极8(Ag/AgCl参比电极，适合高温高压)，所述工作电极为所述试件5。这样可有效的开展电极电位、电化学噪声、电化学阻抗、极化曲线等测试，检测均匀腐蚀、点蚀、钝化膜破坏、裂纹萌发、裂纹生长等腐蚀裂纹现象的电化学信号。
进一步地，如图2，所述试件5的两端分别设有与所述试件螺纹连接的试件头201，试件头201例如为螺母，所述试件头201套设在所述试件的两端，如图3d，所述夹头302通过夹持所述试件头201夹持所述试件。试件5可以为标准件，可保证实验结果的再现性。更换试件只需松开夹头拧紧机构，提起上部夹具即可方便的更换。
进一步地，如图3d，所述声发射探头307(声发射传感器)套设在塑料螺纹圈301中并安装在所述拉伸测试***上，例如，如图3a和图3b，塑料螺纹圈301安装在第一夹具连接板306上。声发射探头307可测试腐蚀裂纹的声学信号提取特征参数，并可利用时差线定位技术定位腐蚀和裂纹发生部位。第一夹具连接板306通过夹头挂具305连接夹头302，夹头挂具305可以为螺栓，起到转接的作用。
进一步地，所述溶液循环充气***向所述压力釜提供实验所需的溶液的温度为常温～150℃，压力为常压～16MPa。溶液循环充气***由抽液泵502将储液罐501内液体泵送至高压釜或压力釜1内，中间经过具有温度计504测温与温控的加热器503加热以模拟实际工况介质温度。当压力釜1充满液体后，可通过回流管线回流到储液罐501，关闭储液罐阀门和回流阀门，由增压泵505进行打压，根据压力表9显示并控制压力釜内压力水平，达到所需压力就自动停增压泵，以获得所需温度、压力条件。实验溶液(实验所需的溶液)经冷却器506冷却后，回流到储液罐501，实现液体回收。气体(如：氮气、氧气、硫化氢、二氧化碳等)在钢瓶气压下，经过自力式压力调节阀减压，对储液罐501内溶液实现除氧或充气后，经过碱洗罐507洗去硫化氢、二氧化碳后直接放空。溶液循环充气***中储液罐、高压釜、碱洗罐均设安全阀，实现超压保护。溶液循环充气***中设温度计自动测量和控制加热器的加热温度，确保实验温度准确，高压釜设压力表自动测量压力和控制增压泵启停，确保实验压力准确。
进一步地，如图5，所述拉伸测试***还包括：与所述电机509连接的齿轮副508(也称为齿轮组)，所述拉伸测试***通过所述电机509控制齿轮副508的运动，实现对所述试件的恒载荷、恒应变或者动载荷加载，以获得实验所需的应力条件。
拉伸测试***通过上下两个夹头302夹持试件5。夹头302内部有夹头内衬(玻璃钢材质)303以实现和试件与其它金属的绝缘，夹头302夹持试件头201，再通过夹头拧紧机构304(夹头拧紧机构304可以包括拧紧螺栓和套设在螺栓上的弹簧)锁紧后，夹头302通过夹头挂具305连接第一夹具连接板306。外部装有塑料螺纹圈301的声发射传感器307旋入第一夹具连接板306并通过耦合剂与试件两端接触，第二夹具连接板401通过连接螺杆402与第一夹具连接板306连接，形成快速更换夹具。第二夹具连接板401与第一夹具连接板306可以连接到拉伸试验机上或拉杆408。
第二夹具连接板401上部装有拉力传感器404和位移指示物403(例如为指针或其他指示物)。拉力传感器404设置在第二夹具连接板401上，测量试件所受拉伸力的大小，激光位移传感器405和位移目标物403可以同时测量试件发生的应变大小，并通过数据采集器511与电脑连接进行记录。通过试件夹持机构即可进行拉伸实验，更换试件只需松开夹头拧紧机构304，卸下试件头201即可方便的更换试件。
本发明能实现材料使用工况环境和应力条件的模拟，并便于对各种声发射信号和电化学信号的进行同步观察，满足室内实验教学需求和可控、可重复实验要求，为声发射电化学检测理论和方法研究提供实验平台。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置包括：
压力釜，所述压力釜具有内腔，所述内腔中设有试件；
拉伸测试***，安装在所述试件的两端，拉伸所述试件，测试和获取所述试件的拉力和应变信号；
溶液循环充气***，与所述压力釜的内腔连接，向所述压力釜提供实验所需的溶液；
声发射探头，设置在所述试件两端，测试所述试件的声学信号；
电化学测试***，与试件和所述压力釜连接，对所述试件施加极化电流进行极化并测试和获得电化学信号；
数据采集器，采集同时测量的拉力和应变信号、电化学信号和声发射信号。
2.如权利要求1所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置还包括：电脑，与数据采集器连接，并且所述电脑与所述拉伸测试***连接，所述电脑根据获取的拉力和应变信号，控制所述拉伸测试***对所述试件的拉伸。
3.如权利要求1所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述压力釜包括：釜体、和设置在所述釜体上的釜盖，所述釜盖上设有安装所述试件的安装孔，所述安装孔上设有密封所述釜盖的试件密封圈以及抵压在试件密封圈上的压盖，所述拉伸测试***包括：夹持所述试件两端的夹头，所述夹头通过内衬与所述试件接触，所述釜体、所述釜盖、所述压盖、所述试件密封圈、以及所述夹头的内衬全部采用玻璃钢。
4.如权利要求1所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述声发射探头通过耦合剂与试件的端面接触。
5.如权利要求2所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述拉伸测试***还包括：电机，与所述夹头连接；伺服控制器，连接所述电机和所述电脑，所述电脑根据获取的拉力和应变信号，控制所述伺服控制器，从而控制控制电机的启停和转速，控制对所述试件的拉伸。
6.如权利要求1所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述电化学测试***包括：连接在所述压力釜上的工作电极、辅助电极和银/氯化银参比电极，所述工作电极为所述试件。
7.如权利要求3所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述试件的两端分别设有与所述试件螺纹连接的试件头，所述试件头套设在所述试件的两端，所述夹头通过夹持所述试件头夹持所述试件。
8.如权利要求1所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述声发射探头套设在塑料螺纹圈中并安装在所述拉伸测试***上。
9.如权利要求1所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述溶液循环充气***向所述压力釜提供实验所需的溶液的温度为20～150℃，压力为1～16MPa。
10.如权利要求5所述的能加载应力的高温高压声发射电化学模拟实验装置，其特征在于，所述拉伸测试***还包括：与所述电机连接的齿轮副，所述拉伸测试***通过所述电机控制齿轮副的运动，实现对所述试件的恒载荷、恒应变或者动载荷加载，以获得实验所需的应力条件。
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