CN115683824B - 一种腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，属于材料性能测试领域，具体包括反应釜单元和测试单元，其中：反应釜单元中反应釜主体的一侧开口，并且该开口通过与引伸计套筒和弹性薄膜连接以实现密封，同时该反应釜主体上设置有通液孔和进气孔；引伸计套筒伸入反应釜主体的内部，并且与弹性薄膜连接；测试单元包括固定刀口和引伸计，固定刀口设置在反应釜主体的外侧，穿过弹性薄膜固定在待测试件上；引伸计与该固定刀口连接，用于监测固定刀口的变形量。本发明利用弹性薄膜将引伸计与反应釜主体中的腐蚀溶液隔开，从而在保证反应釜主体密封性的同时使得引伸计能够直接测量待测试件的缺口位移，有效提高测量准确性。
Description
技术领域
本发明属于材料性能测试领域，更具体地，涉及一种腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置。
背景技术
油气资源在工业制造和社会生活中起着重要作用，是当今社会应用最广泛的能源。油气资源的长距离运输通常需要依靠管道输送的方式实现，然而油气资源富含腐蚀介质，在运输油气资源时管道面临着较大的波动载荷，在应力和腐蚀的双重作用下，油气资源运输管道特别是焊接接头处极易快速断裂失效，使其在服役期间发生严重事故。
因此，为定量分析管线钢的腐蚀环境断裂韧性及失效模式，必须对管线钢焊接接头进行腐蚀环境断裂韧性测试及评价。目前用于评价管线钢焊接接头断裂韧性的方法较多，且相对完善，其中采用单边缺口弯曲试样是最常用的，但它有其自身的局限性，即不能够较好地模拟管线钢焊接接头实际服役环境中裂纹尖端的约束情况，此外其只能够在空气环境中或者预腐蚀处理后进行断裂韧性测试，不能够真实模拟在腐蚀环境中的管线钢焊接接头断裂韧性变化，评价效果与现场石油腐蚀环境结果相差较大。因此，目前在腐蚀环境管线钢焊接接头的断裂韧性便无合适的方法进行准确评价。
CN103954512B公开了一种利用低温环境下紧凑拉伸试样的断裂韧性测试装置进行断裂韧性测试的方法，其利用引伸计测量紧凑拉伸试样的加载线位移，以此实现断裂韧性测试，但是该方法无法直接测量缺口的位移，需要进行换算，存在准确度低的问题，同时该装置是开口系统，不能进行腐蚀气体环境中的断裂韧性测试。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，旨在解决现有的断裂韧性测试装置无法直接测量缺口位移、无法还原实际应用环境的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，该断裂韧性测试装置包括反应釜单元和测试单元，其中：
所述反应釜单元包括反应釜主体、引伸计套筒和弹性薄膜，所述反应釜主体的一侧开口，并且该开口通过与引伸计套筒和弹性薄膜连接以实现密封；该反应釜主体上设置有通液孔和进气孔，所述通液孔用于向反应釜主体的内部注入腐蚀液，所述进气孔用于向反应釜主体的内部通入反应气，进而模拟实际应用环境；所述引伸计套筒伸入反应釜主体的内部，并且与弹性薄膜连接，以保证弹性薄膜靠近待测试件；
所述测试单元包括固定刀口和引伸计，所述固定刀口设置在反应釜主体的外侧，并且穿过弹性薄膜固定在待测试件上，以随待测试件的变形而变形；所述引伸计与该固定刀口连接，用于监测所述固定刀口的变形量，进而检测待测试件的裂纹尖端变化，以此实现试件的断裂韧性测试。
作为进一步优选的，所述反应釜主体上设置有试样连接杆，所述试样连接杆通过锁紧螺母固定在反应釜主体上，并且该试样连接杆与待测试件的两端连接，以将待测试件固定在反应釜主体的内部，工作时所述试样连接杆与拉伸试验机连接。
作为进一步优选的，所述反应釜主体包括筒体、釜盖、釜底和丝杆，所述筒体的上下两端分别与釜盖和釜底连接，并通过丝杠进行紧固，所述引伸计套筒与筒体的开口处连接。
作为进一步优选的，所述固定刀口的数量为两个，并通过三角形外推法测出待测试件裂纹尖端的张开位移。
作为进一步优选的，所述反应釜单元还包括导气杆，所述导气杆与进气孔连接，以将反应气通入腐蚀液中。
作为进一步优选的，所述待测试件采用单边缺口拉伸试样。
作为进一步优选的，所述筒体、釜盖和釜底采用有机玻璃材质，所述试样连接杆采用C276哈氏合金。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
有益效果：
1.本发明考虑到现有的腐蚀环境断裂韧性测试普遍存在无法直接测量缺口位移的问题，提出了一种新型的测试装置，其利用弹性薄膜对反应釜主体进行密封，并将固定刀口穿过弹性薄膜固定在待测试件上，利用弹性薄膜将引伸计与反应釜主体中的腐蚀溶液隔开，从而在保证反应釜主体密封性的同时使得引伸计能够直接测量待测试件的缺口位移，有效提高测量准确性，并且反应釜主体上设置有通液孔、进气孔和出气孔，能够模拟各种实际工况尤其是油气资源实际腐蚀环境，解决了现有技术不能在实际腐蚀环境下准确评价管线刚断裂韧性的问题，具有结构简单、可模拟实际腐蚀环境、操作方便、安全可靠等特点；
2.本发明通过对待测试件的连接方式进行优化，利用试样连接杆将待测试件固定在反应釜主体内部，使其完全处于腐蚀溶液和特定气氛中，完全还原真实工作环境，同时利用锁紧螺母将试样连接杆固定在反应釜主体上，保证拉伸试验过程中仅有竖直方向的移动，从而保证测试结果的准确性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置的结构示意图；
图2是本发明优选实施例使用的尺寸为M16的单边缺口拉伸试样的三视图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为左视图；
图3是本发明优选实施例使用的尺寸为M10的单边缺口拉伸试样的三视图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为左视图；
图4是本发明优选实施例中双固定刀口的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为左视图；
图5是本发明优选实施例中M10的单边缺口拉伸试样在纯水腐蚀环境下双引伸计载荷-裂纹张开位移图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-釜盖，2-通液孔，3-试样连接杆，4-锁紧螺母，5-第一密封圈，6.1-进气孔，6.2-出气孔，7-第二密封圈，8-丝杆，9-套筒，10-弹性薄膜，11-釜底，12-排液孔，13-待测试件，14-导气杆，15-筒体，16-固定刀口，17-引伸计。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，该断裂韧性测试装置包括反应釜单元和测试单元，其中：
反应釜单元包括反应釜主体、引伸计套筒9和弹性薄膜10，反应釜主体包括筒体15、釜盖1、釜底11和丝杆8，筒体15的上下两端分别与釜盖1和釜底11连接，并通过丝杠8进行紧固，反应釜主体的一侧开口，并且该开口通过与引伸计套筒9和弹性薄膜10连接以实现密封；该反应釜主体上设置有通液孔2、排液孔12、进气孔6.1和出气孔6.2，通液孔2与供液单元连接，用于向反应釜主体的内部注入腐蚀液，排液孔12与排液导管连接，用于在测试完成后将腐蚀液排出，进气孔6.1和出气孔6.2分别用于向反应釜主体的内部通入和排出反应气，调节反应釜主体的内部压力并模拟实际应用环境，反应气可以为保护气体及试验气体，比如氮气、惰性气体、二氧化硫、硫化氢等，进气孔6.1与导气杆14连接以深入反应釜主体的内部，从而将反应气通入腐蚀液中，并且进气孔6.1和出气孔6.2设置有通气带阀快接，便于与管路直接连接；引伸计套筒9伸入反应釜主体的内部，其一端与反应釜主体通过螺丝连接，并利用第二密封圈7进行密封，其另一端与弹性薄膜10连接，以保证弹性薄膜10靠近待测试件；弹性薄膜10能够将测试单元与腐蚀环境隔绝，避免腐蚀环境对测试单元的精确度产生影响，并且弹性薄膜10随着待测试件的变形而变形，进而保证反应釜主体内部的气密性；
测试单元包括固定刀口16和引伸计17，固定刀口16设置在反应釜主体的外侧，并且穿过弹性薄膜10固定在待测试件13上，以随待测试件13的变形而变形；引伸计17与该固定刀口16连接，用于监测固定刀口16的变形量，进而检测待测试件的裂纹尖端变化，以此实现试件的断裂韧性测试，。
进一步，反应釜主体上设置有试样连接杆3，试样连接杆3通过锁紧螺母4固定在反应釜主体上，并且该试样连接杆3与待测试件的两端连接，以将待测试件固定在反应釜主体的内部，工作时试样连接杆3与拉伸试验机连接；锁紧螺母4用于固定反应釜主体与试样连接杆2之间的连接，限制其他方向的偏动，保证在试验过程中仅有竖直方向的移动，同时第一密封圈5设置在锁紧螺母4和反应釜主体之间，用于保证腐蚀溶液和气体不外泄。
进一步，如图2、3所示，待测试件采用单边缺口拉伸试样，断裂韧性测试采用单边缺口拉伸试样方法。如图4所示，固定刀口16的数量为两个，双固定刀口的结构示意图如图4所示，采用双引伸计测试单元可以通过三角形外推法测出待测试件13裂纹尖端的张开位移，计算相应的断裂韧性，而采用单引伸计测试单元需要通过计算弹性分量和塑性分量得到待测试件13裂纹尖端的张开位移。
进一步，筒体15、釜盖1和釜底11采用有机玻璃材质，试样连接杆3采用C276哈氏合金，第一密封圈5和第二密封圈7采用四氟垫圈材质，弹性薄膜10采用PE材质，保证本发明提供的断裂韧性测试装置能模拟多种腐蚀介质(酸、碱、盐)下的断裂韧性，同时大大降低了生产此类耐酸、耐碱、耐盐反应釜的制造成本，本装置可达到的压力范围为0～50MPa。
利用本发明提供的腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置进行测试的方法具体为：
S1对单边缺口拉伸试样预制疲劳裂纹，然后将其与试样连接杆3相连并安装在反应釜主体的内部，将固定刀口16隔着弹性薄膜10与待测试件相连，通过丝杆8将反应釜主体连接，将试样连接杆3与拉伸试验机连接，以实现反应釜主体与拉伸试验机的连接；
S2配制腐蚀溶液，利用供液单元将腐蚀溶液通过通液孔2注入反应釜主体的内部，并在其达到内部指定刻度后将供液系统移除，盖上通液孔2的盖子，记录试验温度；
S3向反应釜主体的内部通入1h氮气以排除腐蚀溶液中的空气，将引伸计固定于固定刀口处，再向反应釜主体的内部通入试验气体，并保证试验过程中一直处于通气状态；
S4打开拉伸试验机，设置相应参数，开始腐蚀环境下的断裂韧性测试试验，观察试验过程中试样的变形，记录引伸计17与拉伸载荷的变化，知道试验力达到最大值则结束试验；
S5停止供气，打开排液孔12的排液阀排出废液，按照与安装相反的顺序拆开反应釜主体并取出待测试件，敲断后清洗端口，观察裂纹扩展形貌与裂纹平均深度，分析腐蚀环境断裂失效机理；
S6按照上述步骤重复试验，每种工艺的单边缺口拉伸试样至少进行三组平行试验，分别记录相应的裂纹张开位移和拉伸载荷的结果。
处理试验数据时，对于单引伸计法确定材料的断裂韧性，按下列公式计算材料断裂韧性CTOD值δ：
式中K为材料的应力强度因子，σYS为材料在断裂试验温度下0.2％的屈服强度，E′为弹性模量其中E′＝E/(1-v2),γp为塑性转动因子，取1.2，W为试样宽度，a0为断裂试样目测观察到的平均初始裂纹深度，vp为单引伸计测量的裂纹口张开位移塑性部分，z为使用单引伸计法时引伸计刃口距试样表面距离。
对于采用双引伸计法确定材料的断裂韧性，按下列公式计算材料断裂韧性CTOD值δ：
式中v1为拉伸载荷最大时低引伸计测量的裂纹口张开位移，v2为拉伸载荷最大时高引伸计测量的裂纹口张开位移，h1为低引伸计高度，h2为高引伸计高度，a0为断裂试样目测观察到的平均初始裂纹深度。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。
实施例1
加工X80管线钢母材尺寸为M10的单边缺口拉伸试样，选择适配的试样连接杆，按照安装顺序将待测试件与反应釜主体装配好并与拉伸试验机连接，在室温下向反应釜主体中注入纯水，记录腐蚀溶液的温度，向反应釜主体内部通入1h氮气排除腐蚀溶液中的空气，安装双引伸计，使用0.5mm/s的恒位移拉伸速率启动拉伸试验机直到拉伸载荷达最大值，则停止试验，记录双引伸计的裂纹张开位移随拉伸载荷的变化，详细结果如图5所示，拆卸反应釜主体与待测试件，清洗并观察断口，按照双引伸计方法计算X80管线钢的断裂韧性，与非腐蚀环境相比，纯水腐蚀环境下X80管线钢的断裂韧性下降明显。
实施例2
加工X65管线钢焊接接头尺寸为M16的单边缺口拉伸试样，选择适配的试样连接杆，按照安装顺序将待测试件与反应釜主体装配好并与拉伸试验机连接，配置0.001MNa2S2O3+NACE A(5％NaCl+0.5％CH3COOH)溶液模拟饱和湿硫化氢环境，在室温下向反应釜主体中注入已经配置好的腐蚀溶液，向反应釜主体内部通入1h氮气排除腐蚀溶液中的空气，安装双引伸计，使用0.5mm/s的恒位移拉伸速率启动拉伸试验机直到拉伸载荷达最大值，则停止试验，记录双引伸计的裂纹张开位移随拉伸载荷的变化，清洗并观察断口，按照双引伸计方法计算管线钢焊接接头的断裂韧性，与非腐蚀环境相比，湿硫化氢腐蚀环境下X65管线钢焊接接头的断裂韧性下降迅速，脆性断裂特征明显。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，其特征在于，该断裂韧性测试装置包括反应釜单元和测试单元，其中：
所述反应釜单元包括反应釜主体、引伸计套筒(9)和弹性薄膜(10)，所述反应釜主体的一侧开口，并且该开口通过与引伸计套筒(9)和弹性薄膜(10)连接以实现密封；该反应釜主体上设置有通液孔(2)和进气孔(6.1)，所述通液孔(2)用于向反应釜主体的内部注入腐蚀液，所述进气孔(6.1)用于向反应釜主体的内部通入反应气，进而模拟实际应用环境；所述引伸计套筒(9)伸入反应釜主体的内部，并且与弹性薄膜(10)连接，以保证弹性薄膜(10)靠近待测试件，弹性薄膜(10)能够将测试单元与腐蚀环境隔绝，避免腐蚀环境对测试单元的精确度产生影响，并且弹性薄膜(10)随着待测试件的变形而变形，进而保证反应釜主体内部的气密性；
所述测试单元包括固定刀口(16)和引伸计(17)，所述固定刀口(16)设置在反应釜主体的外侧，并且穿过弹性薄膜(10)固定在待测试件(13)上，以随待测试件(13)的变形而变形；所述引伸计(17)与该固定刀口(16)连接，用于监测所述固定刀口(16)的变形量，进而检测待测试件的裂纹尖端变化，以此实现试件的断裂韧性测试。
2.如权利要求1所述的腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，其特征在于，所述反应釜主体上设置有试样连接杆(3)，所述试样连接杆(3)通过锁紧螺母(4)固定在反应釜主体上，并且该试样连接杆(3)与待测试件的两端连接，以将待测试件固定在反应釜主体的内部，工作时所述试样连接杆(3)与拉伸试验机连接。
3.如权利要求1所述的腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，其特征在于，所述反应釜主体包括筒体(15)、釜盖(1)、釜底(11)和丝杆(8)，所述筒体(15)的上下两端分别与釜盖(1)和釜底(11)连接，并通过丝杠(8)进行紧固，所述引伸计套筒(9)与筒体(15)的开口处连接。
4.如权利要求1所述的腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，其特征在于，所述固定刀口(16)的数量为两个，并通过三角形外推法测出待测试件(13)裂纹尖端的张开位移。
5.如权利要求1所述的腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，其特征在于，所述反应釜单元还包括导气杆(14)，所述导气杆(14)与进气孔(6.1)连接，以将反应气通入腐蚀液中。
6.如权利要求1所述的腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，其特征在于，所述待测试件采用单边缺口拉伸试样。
7.如权利要求1～6任一项所述的腐蚀环境下试件的断裂韧性测试装置，其特征在于，筒体(15)、釜盖(1)和釜底(11)采用有机玻璃材质，试样连接杆(3)采用C276哈氏合金。
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