CN110231218A - 一种可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀试验装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置及其测试方法，其要点在于能直接模拟现场服役工况，精确控制加载应力并及时判断发生应力腐蚀开裂的时间节点从而缩短无效试验时间，主要包括：密封釜、弯弧试样、腐蚀介质、应变片及应变仪。本发明利用密封釜模拟井下酸性腐蚀环境；同时，监测应变片示数，获得试验过程中弯弧试样的应变变化和弯弧试样发生断裂的时间节点。本发明能真实模拟井下酸性腐蚀环境，准确而高效的评价材料在腐蚀环境中的实用性，为苛刻腐蚀环境提供选材依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于弯弧试样的可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀过程中试验应变测试的试验方法，本发明还涉及使用该方法测试应力腐蚀试验中应变变化过程的试验装置。
背景技术
应力腐蚀是指金属材料在拉应力和特定的环境中发生的腐蚀行为，应力腐蚀会造成金属材料在低应力条件下的突发性断裂，将导致巨大的经济损失，在石油工业中，应力腐蚀是最为普遍的腐蚀失效形式。因此，开展材料的应力腐蚀评价，对材料进行应力腐蚀寿命评估是非常必要的。
目前常用的应力腐蚀试验方法有三种：恒应变、恒载荷和慢应变速率拉伸。由于恒应变可模拟与服役失效有关的应力，因此恒应变是使用最广泛的一类试验。恒应变的优点主要是：装置简单、操作方便及试样紧凑，是一种定量分析材料性能的试验方法。目前公开的恒应变试验方法主要依靠预制裂纹的方法缩减试验周期，但预制裂纹对试样的加工要求较高，大大增加了试验难度；而且目前公开的恒应变试验装置中，是通过试样的外径变形量确定加载应力，在较大载荷下变形量无法精确测量；此外，目前公开的恒应变试验装置中，试验条件为常温常压无法准确模拟现场服役工况。
因此，为缩短无效试验时间，精确控制加载应力，直接模拟现场服役工况，本发明提出了一种恒应变应力腐蚀试验装置及其测试方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能真实模拟井下腐蚀环境，其要点在于能精确控制加载应力，缩短无效试验时间，直接模拟现场服役工况，并依据试验结果为酸性腐蚀环境的选材提供指导。本发明目的是通过以下技术方案实现的：
一种可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置，主要包括：密封釜总成和反应总成；
本发明提出的可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置的密封釜总成，主要包括：密封釜体、密封釜盖、密封台、腐蚀试验腔、进气口、出气口、固定螺栓、固定螺栓垫圈、燕尾垫圈、锥型盘根、信号线密封桶、密封填料、信号线密封桶垫圈、圆环盘根、圆环垫圈。密封釜盖通过固定螺栓固定在密封釜体上，密封釜体内部具有腐蚀试验腔，密封釜体外有加热装置和保温层，密封釜体底部开有进气口，密封台中开有出气口，密封台借助釜内压力将锥型盘根与燕尾垫圈压紧在密封釜盖下，信号线密封桶和密封台由螺纹连接，且有信号线密封桶垫圈保护，信号线密封桶和密封台之间由圆环垫圈和圆环盘根密封，信号线密封桶内填充密封填料。
本发明提出的可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置的反应总成，主要包括：应变仪、试验介质、应变片引线、弯弧试样、加载螺母、夹具螺母、加载螺杆、弯弧试样夹具、嵌入式垫圈、判定应变片、数据应变片、外输信号线。弯弧试样被弯弧试样夹具和夹具螺母固定后放在腐蚀试验腔内的试验介质中，加载螺杆和加载螺母及弯弧试样之间有嵌入式垫圈保护，嵌入式垫圈与弯弧试样和加载螺杆之间分别为过渡配合和过盈配合，弯弧试样和加载螺杆上分别粘贴有数据应变片和判定应变片，应变片引线将数据应变片或判定应变片和外输信号线连接，外输信号线通过信号线密封桶后接入应变仪。
进一步的是，所述4个锥型盘根和3个圆环盘根均为聚四氟乙烯材料，燕尾垫圈和圆环垫圈材质为哈氏合金，信号线密封桶和信号线密封桶垫圈为哈氏合金材料，密封填料为高强度防水阻燃密封填料；锥型盘根和燕尾垫圈采用锥面对锥面的密封方式，圆环盘根和圆环垫圈同样采用平面对平面的密封方式，锥型盘根上下锥角均是120°，坐在密封台上的第一个锥型盘根有平面，燕尾垫圈有平表面和燕尾型凹面，信号线密封桶顶部加工了六角螺母形状且加厚区加工了外螺纹，信号线密封桶和密封台为气密性螺纹连接。
进一步的是，所述弯弧试样夹具和嵌入式垫圈均为聚四氟乙烯材质，加载螺母、夹具螺母和加载螺杆均由哈氏合金加工而成，试验介质为现场工况条件模拟溶液；弯弧试样的弧度为200°～300°，弯弧试样的圆弧顶点黏贴有3或5个数据应变片，加载螺杆上黏贴有3或5个判定应变片，弯弧试样夹具被夹具螺母固定在弯弧试样两端使得弯弧试样不与密封釜体接触，每次试验密封釜体内装有3或5个弯弧试样，应变片引线与外输信号线连接后收束进入信号线密封桶，外输信号线穿过信号线密封桶接入应变仪。
本发明的有益效果是：(1)通过应变仪监测弯弧试样的加载应变，可精确控制加载应力为设计应力；(2)通过应变仪监测弯弧试样和加载螺杆在试验过程中的应力变化，可判断试验过程中弯弧试样是否提前发生断裂，减少多余试验时长；(3)使用密封釜模拟高温高压的井下材料服役工况，能准确得知金属材料在现场工况下的使用寿命和应力腐蚀敏感性。
附图说明
图1为本发明的结构的示意图。
图2为加载后弯弧试样的主视图。
图3为加载后弯弧试样的俯视图。
图4为信号线密封桶与密封台密封的示意图
图5为信号线密封桶的示意图。
图6为弯弧试样的示意图。
图7为弯弧试样夹具的半剖图。
图8为嵌入式垫圈的剖视图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进一步说明：
实例1
本实例公开一种金属材料模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀实验方法，以P110碳钢为例，包括以下步骤：
步骤一，准备3个P110碳钢(弯弧试样)，弯弧试样的外径为86.80mm、壁厚为6.65mm、宽度为15.65mm，根据所需模拟现场腐蚀环境配置模拟地层水溶液作为试验介质(6)，确定P110碳钢(弯弧试样)加载载荷为770MPa；
步骤二，准备粘贴应变片，每个试样各准备3个数据应变片(23)和判定应变片(22)，用细砂纸将弯弧试样(16)和加载螺杆(19)贴片位置进行打磨，保证表面粗糙度在1.6上，用丙酮将弯弧试样擦净，然后用酒精清洗，再吹干弯弧试样表面，保证贴片处清洁；
步骤三，粘贴应变片，检查数据应变片(23)和判定应变片(22)有无损坏，再用专用粘结剂分别将将数据应变片(23)和判定应变片(22)贴在弯弧试样(16)和加载螺杆(19)上，压紧应变片，再将多余粘结剂挤出；
步骤四，焊接应变片引线(15)，将应变片接线端子粘在应变片附近并将应变片引线和接线端子用电焊焊接在一起，保证应变片之间以及应变片和弯弧试样之间不短路；
步骤五，分别封存各个试样上的数据应变片(23)和判定应变片(22)，将应变片用专用封存剂封存，以防水、防止应变片和腐蚀介质接触，并依次将应变片编号；
步骤六，加载载荷，外输信号线(24)连接在应变仪(1)上，使用加载螺母(17)和加载螺杆(19)加载应力，夹具螺母(18)将弯弧试样夹具(20)固定在试样两端，通过应变仪(1)监测各个数据应变片(23)示数，控制所加载应变为3850×10-6±7.7×10-6范围内，加载完成后将外输信号线(24)与应变仪(1)断开连接；
步骤七，将锥型盘根依次(12)叠放在密封台上，燕尾垫圈(11)压在锥型盘根(12)上，密封台(4)坐在密封釜体(2)内，上紧固定螺栓(9)将密封釜盖(3)紧固在密封釜体(2)上；
步骤八，固定信号线，将应变片引线(15)与外输信号线(24)接好后收束在信号线密封桶(13)内，通过信号线密封桶(13)将外输信号线(24)引出密封台，依次将圆环盘根(26)和圆环垫圈(27)坐在密封台(4)与信号线密封桶(13)连接的台阶处，借由信号线密封桶(13)的螺母顶部将信号线密封桶旋进密封台并压紧圆环垫圈(27)和圆环盘根(26)；
步骤九，加模拟地层水，将模拟地层水加入腐蚀试验腔(5)中，将进气口(7)、出气口(8)分别连接至H2S、CO2和N2气瓶和废气处理***；
步骤十，升温通气试验，对腐蚀试验腔(5)中试验介质(6)进行充分除氧后，通入1MPa的H2S气体和6MPa的CO2，待釜体温度达到80℃，记录时间开始试验；
步骤十一，通过应变仪(1)监测数据应变片(23)和判定应变片(22)的应变变化，发现3个数据应变片已经没有读数，3个判定应变片(22)数据均低于354.6×10-6，判断P110(弯弧式样)发生断裂，停止试验，记录实验时间为62h；
步骤十二，试验终止后，记录下P110碳钢应力腐蚀试验数据，通入N2气3小时充分去除H2S等腐蚀性气体，将弯弧试样(16)卸下，进行裂纹检测、表面腐蚀形貌和腐蚀产物分析。
实例2
本实例公开一种金属材料模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀实验方法，以N80碳钢为例，包括以下步骤：
步骤一，准备3个N80碳钢(弯弧试样)，弯弧试样的外径为87.26mm、壁厚为6.53mm、宽度为15.36mm，根据所需模拟现场腐蚀环境配置模拟地层水溶液作为试验介质(6)，确定N80碳钢(弯弧试样)加载载荷为545MPa；
步骤二，准备粘贴应变片，每个试样各准备3个数据应变片(23)和判定应变片(22)，用细砂纸将弯弧试样(16)和加载螺杆(19)贴片位置进行打磨，保证表面粗糙度在1.6上，用丙酮将弯弧试样擦净，然后用酒精清洗，再吹干弯弧试样表面，保证贴片处清洁；
步骤三，粘贴应变片，检查数据应变片(23)和判定应变片(22)有无损坏，再用专用粘结剂分别将将数据应变片(23)和判定应变片(22)贴在弯弧试样(16)和加载螺杆(19)上，压紧应变片，再将多余粘结剂挤出；
步骤四，焊接应变片引线(15)，将应变片接线端子粘在应变片附近并将应变片引线和接线端子用电焊焊接在一起，保证应变片之间以及应变片和弯弧试样之间不短路；
步骤五，分别封存各个试样上的数据应变片(23)和判定应变片(22)，将应变片用专用封存剂封存，以防水、防止应变片和腐蚀介质接触，并依次将应变片编号；
步骤六，加载载荷，外输信号线(24)连接在应变仪(1)上，使用加载螺母(17)和加载螺杆(19)加载应力，夹具螺母(18)将弯弧试样夹具(20)固定在试样两端，通过应变仪(1)监测各个数据应变片(23)示数，控制所加载应变为2725×10-6±5.45×10-6范围内，加载完成后将外输信号线(24)与应变仪(1)断开连接；
步骤七，将锥型盘根依次(12)叠放在密封台上，燕尾垫圈(11)压在锥型盘根(12)上，密封台(4)坐在密封釜体(2)内，上紧固定螺栓(9)将密封釜盖(3)紧固在密封釜体(2)上；
步骤八，固定信号线，将应变片引线(15)与外输信号线(24)接好后收束在信号线密封桶(13)内，通过信号线密封桶(13)将外输信号线(24)引出密封台，依次将圆环盘根(26)和圆环垫圈(27)坐在密封台(4)与信号线密封桶(13)连接的台阶处，借由信号线密封桶(13)的螺母顶部将信号线密封桶旋进密封台并压紧圆环垫圈(27)和圆环盘根(26)；
步骤九，加模拟地层水，将模拟地层水加入腐蚀试验腔(5)中，将进气口(7)、出气口(8)分别连接至H2S、CO2和N2气瓶和废气处理***；
步骤十，升温通气试验，对腐蚀试验腔(5)中试验介质(6)进行充分除氧后，通入1MPa的H2S气体和6MPa的CO2，待釜体温度达到80℃，记录时间开始试验；
步骤十一，通过应变仪(1)监测数据应变片(23)和判定应变片(22)的应变变化，发现72h内判定应变片(22)数据均高于235.8×10-6，且数据应变片(23)数据完整，判断N80碳钢(弯弧式样)未发生断裂，记录试验验时间为72h；
步骤十二，试验终止后，记录下N80碳钢应力腐蚀试验数据，通入N2气3小时充分去除H2S等腐蚀性气体，将弯弧试样(16)卸下，进行表面腐蚀形貌和腐蚀产物分析。
最后应说明的是：以上实例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实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；其依然可以对前述实例记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部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实例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置，其特征在于：所述的可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置包括密封釜总成和反应总成；
所述的密封釜总成包括密封釜体(2)、密封釜盖(3)、密封台(4)、腐蚀试验腔(5)、进气口(7)、出气口(8)、固定螺栓(9)、固定螺栓垫圈(10)、燕尾垫圈(11)、锥型盘根(12)、信号线密封桶(13)、密封填料(14)、信号线密封桶垫圈(25)、圆环盘根(26)、圆环垫圈(27)，密封釜盖(3)通过固定螺栓(9)固定在密封釜体上(2)，密封釜体(2)内部具有腐蚀试验腔(5)，密封釜体(2)底部开有进气口(7)，密封台(4)中开有出气口(8)，密封台(4)借助釜内压力将锥型盘根(12)与燕尾垫圈(11)压紧在密封釜盖(3)下，信号线密封桶(13)和密封台(4)由螺纹连接，且有信号线密封桶垫圈(25)保护，信号线密封桶(13)和密封台(4)之间由圆环垫圈(27)和圆环盘根(26)密封，信号线密封桶(13)内填充密封填料(14)；
所述的反应总成包括应变仪(1)、试验介质(6)、应变片引线(15)、弯弧试样(16)、加载螺母(17)、夹具螺母(18)、加载螺杆(19)、弯弧试样夹具(20)、嵌入式垫圈(21)、判定应变片(22)、数据应变片(23)、外输信号线(24)，弯弧试样(16)被弯弧试样夹具(20)和夹具螺母(18)固定后放在腐蚀试验腔(5)内的试验介质(6)中，加载螺杆(19)和加载螺母(17)及弯弧试样之间有嵌入式垫圈(21)保护，嵌入式垫圈(21)与弯弧试样(16)和加载螺杆(19)之间分别为过渡配合和过盈配合，弯弧试样(16)和加载螺杆(18)上分别粘贴有数据应变片(23)和判定应变片(22)，应变片引线(15)将数据应变片(23)或判定应变片(22)和外输信号线(24)连接，外输信号线(24)通过信号线密封桶(13)后接入应变仪(1)。
2.根据权利要求1所述的一种可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置，其特征在于：所述的锥型盘根(12)和圆环盘根(26)均为聚四氟乙烯材料，燕尾垫圈(11)和圆环垫圈(27)材质为哈氏合金，信号线密封桶(13)为哈氏合金材料，密封填料(14)为高强度防水阻燃密封填料，信号线密封桶垫圈(25)为哈氏合金材料；锥型盘根(12)和燕尾垫圈(11)采用锥面对锥面的密封方式，圆环盘根(26)和圆环垫圈(27)同样采用平面对平面的密封方式，锥型盘根(12)上下锥角均是120°，坐在密封台(4)上的第一个锥型盘根(12)有平面，燕尾垫圈(11)有平表面和燕尾型凹面，信号线密封桶(13)顶部加工了六角螺母形状且加厚区加工了外螺纹，信号线密封桶(13)和密封台(4)为气密性螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置，其特征在于：所述的弯弧试样夹具(20)和嵌入式垫圈(21)均为聚四氟乙烯材质，加载螺母(17)、夹具螺母(18)和加载螺杆(19)均由哈氏合金加工而成，试验介质(6)为现场工况条件模拟溶液；弯弧试样(16)的弧度为200°～300°，弯弧试样(16)的圆弧顶点黏贴有3或5个数据应变片(23)，加载螺杆(19)上黏贴有3或5个判定应变片(22)，弯弧试样夹具(20)被夹具螺母(18)固定在弯弧试样(16)两端使得弯弧试样(16)不与密封釜体(2)接触，每次试验密封釜体(2)内装有3或5个弯弧试样(16)，应变片引线(15)与外输信号线(24)连接后收束进入信号线密封桶(13)，外输信号线(24)穿过信号线密封桶(13)接入应变仪(1)。
4.一种采用如权利要求1-3所述的可模拟现场腐蚀环境的恒应变应力腐蚀装置进行腐蚀测试的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，根据所需模拟现场腐蚀环境设计试验介质(6)、弯弧试样(16)加载载荷；
步骤二，准备粘贴数据应变片(22)和判定应变片(23)，用细砂纸将弯弧试样(16)和加载螺杆(19)贴片位置进行打磨，保证表面粗糙度在1.6上，用丙酮将弯弧试样擦净，然后用酒精清洗，再吹干弯弧试样表面，保证贴片处清洁；
步骤三，粘贴数据应变片(22)和判定应变片(23)，检查应变片(22)和判定应变片(23)有无损坏，再用专用粘结剂将数据应变片(22)和判定应变片(23)贴在指定位置，粘贴时需分别对数据应变片(22)和判定应变片(23)施加一定压力，将多余粘结剂挤出；
步骤四，焊接应变片引线(15)，分别将数据应变片(22)和判定应变片(23)的接线端子粘在数据应变片(22)和判定应变片(23)附近并分别将数据应变片(22)和判定应变片(23)的引线和接线端子用电焊焊接在一起；
步骤五，封存数据应变片(22)和判定应变片(23)，分别将数据应变片(22)和判定应变片(23)用专用封存剂封存，并将数据应变片(22)和判定应变片(23)编号；
步骤六，加载载荷，外输信号线(24)连接在应变仪(1)上，使用加载螺母(17)和加载螺杆(19)加载应力，夹具螺母(18)将弯弧试样夹具(20)固定在试样两端，利用数据应变公式(1)确定所需的加载应变，通过应变仪(1)监测数据应变片(23)示数，控制数据应变片(23)示数在ε1±0.2％范围内，加载完成后将外输信号线(24)与应变仪(1)断开连接；
式中：σ1为弯弧试样设定加载的应力，MPa；E1为弯弧试样材料的弹性模量，MPa；ε1为弯弧试样设定的加载应变；
步骤七，将锥型盘根依次(12)叠放在密封台上，燕尾垫圈(11)压在锥型盘根(12)上，密封台(4)坐在密封釜体(2)内，固定螺栓(9)将密封釜盖(3)紧固在密封釜体(2)上；
步骤八，固定信号线，将应变片引线(15)与外输信号线(24)接好后收束在信号线密封桶(13)内，通过信号线密封桶(13)将外输信号线(24)引出密封台，依次将圆环盘根(26)和圆环垫圈(27)坐在密封台(4)与信号线密封桶(13)连接的台阶处，借由信号线密封桶(13)的螺母顶部将信号线密封桶旋进密封台并压紧圆环垫圈(27)和圆环盘根(26)；
步骤九，加试验介质(6)，将试验介质(6)加入腐蚀试验腔(5)中，将进气口(7)、出气口(8)分别连接至H2S、CO2或N2气瓶和废气处理***；
步骤十，升温通气试验，腐蚀试验腔(5)中试验介质(6)进行充分除氧后，通入H2S或CO2等腐蚀性气体，待釜体温度达到预定温度，记录时间开始实验；
步骤十一，通过应变仪(1)监测数据应变片(23)和判定应变片(22)的应变变化，根据判定应变公式(2)，求得加载螺杆应变值，并根据终止应变公式(3)，求得终止试验应变值，若应变仪(1)记录的判定应变片(22)数据均低于终止试验应变值，可停止试验，相反则按照既定试验时间进行试验；
式中：ω为弯弧试样的宽度,mm；t为弯弧试样的壁厚，mm；d为弯弧试样加载前的外径，mm；A为加载螺杆的横截面积，mm2；E2为哈氏合金弹性模量，MPa；ε2为加载螺杆的应变；
εter＝(1-α)ε2 (3)
式中：εter为终止应变，α为试验的安全系数取3％～7％；
步骤十二，试验结束后，通过应变仪(1)记录数据应变片(23)和判定应变片(22)数据，通入N2气3小时充分去除H2S等腐蚀性气体，将弯弧试样(16)卸下，观察弯弧试样(16)是否断裂并进行裂纹检测、表面腐蚀形貌和腐蚀产物分析。
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