CN116577266A - 一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置及方法，包括高温高压釜；高温高压釜包括釜体和釜盖；釜体外设有加热套、保温层；釜体设有气体进出口；釜体的气体进出口连接增压系统的增压泵；釜体内底部设有釜体稳定器壳体，内部设有楔子和环形固定器、釜体旋转稳定器；釜体和釜盖通过密封螺栓、密封螺母连接；釜盖上设有组合式密封圈；釜盖上通过釜盖密封组合和主轴拼帽安装扭矩传动轴；扭矩传动轴依次连接扭矩施加轴、轴向径向加载组件。本发明精细模拟高温高压高含H₂S‑CO₂腐蚀环境，准确测试管材承受拉伸、压缩、弯曲及扭转等复杂交变载荷状态下腐蚀疲劳断裂的极限应力，为管材质量检验和优化设计提供技术支撑。

Description

一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置及方法

技术领域

本发明提供一种高温高压多相流和复杂交变载荷工况管材腐蚀疲劳极限测试装置及方法，属于矿业开采技术领域，用于评定金属管材在高温高压高含H₂S-CO₂腐蚀环境、拉压弯扭复杂交变载荷状态下，服役特定周期或长时间不发生腐蚀疲劳断裂的极限应力测试。

背景技术

油气井管材服役期间，面临高温高压、高含H₂S-CO₂腐蚀介质，井下生产作业期间承受拉压弯扭复杂交变载荷，管材在长时间服役过程中，因腐蚀以及疲劳耦合作用，极易导致管材在低于屈服强度的应力状态下发生断裂现象。

专利201410008876.0，提出了一种基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，该方法仅考虑拉伸载荷，不能模拟油气井管柱服役期间所承受的拉、压、弯、扭转等复杂载荷状态，试验所得腐蚀疲劳数据与现场工况存在一定差距，预测结果准确性不满足工程要求。

专利201510234278.X，提供了一种模拟油田实际工况条件下油井管材旋转弯曲腐蚀疲劳测试装置，该技术未考虑油气井管柱服役期间所承受的拉、压、弯、扭转等复杂载荷状态。

专利201911150010.6，提出了一种通过拉伸试验预测金属材料疲劳强度的方法，该方法不能模拟油气井管柱服役期间所承受的拉、压、弯、扭转等复杂载荷状态；同时因小尺寸试样尺寸效应显著，所得结果对工程实际可借鉴性不强。

专利202210835317.1，提出了一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置，该设备不能模拟油气井管柱服役期间所承受的拉、压、弯、扭转等复杂载荷状态。

综上所述，相关测试装置和方法远不能满足现场高温高压高含H₂S-CO₂腐蚀环境、拉压弯扭复杂交变载荷状态下，管材腐蚀疲劳断裂极限应力的测试需求，极大限制了管材生产商制造高腐蚀疲劳极限的检验手段，极大制约了油气田优化设计管材的评价方法。

发明内容

本发明建立了一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置，同时形成了使用该装置评定管材腐蚀疲劳断裂极限应力的测试方法。目的在于精细模拟高温高压高含H₂S-CO₂腐蚀环境，准确测试管材承受拉伸、压缩、弯曲及扭转等复杂交变载荷状态下腐蚀疲劳断裂的极限应力，为管材质量检验和优化设计提供技术支撑。

本发明装置要解决的问题：

1、提供了一套高温高压含H₂S-CO₂工况、复杂载荷条件下管材腐蚀疲劳极限应力室内测试装置；

2、可模拟极端工况：温度为室温～350℃、压力为常压～150MPa、含H₂S/CO₂腐蚀性介质的气-液-固多相流腐蚀环境；

3、可模拟管材服役期间承受的拉伸、压缩、剪切、扭转复杂交变载荷状态。

具体的技术方案为，一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置，包括高温高压釜；

高温高压釜包括釜体和釜盖；釜体外设有加热套、保温层；

釜体设有气体进出口；釜体的气体进出口连接增压系统的增压泵；

釜体内底部设有釜体稳定器壳体，内部设有楔子和环形固定器、釜体旋转稳定器；

釜体和釜盖通过密封螺栓、密封螺母连接；釜盖上设有组合式密封圈；釜盖上通过釜盖密封组合和主轴拼帽安装扭矩传动轴；

扭矩传动轴依次连接扭矩施加轴、轴向径向加载组件。

轴向径向加载组件包括轴向加载组件和径向加载组件；

轴向加载组件，自上到下包括依次连接的上部稳定器、上部固定器、上部试样接头、径向加载上悬臂、腐蚀疲劳试样、径向加载下悬臂、下部试样接头、下部固定器和下部稳定器组成。可实现腐蚀疲劳试样轴向拉伸、压缩应力的加载和卸载。

径向加载组件，包括上悬臂稳定器，下悬臂稳定器；上悬臂稳定器、下悬臂稳定器分别连接在腐蚀疲劳试样上下两端；

上悬臂稳定器通过上悬臂转接头销钉与上悬臂转接头连接；

下悬臂稳定器通过下悬臂转接头销钉与下悬臂转接头连接；

上悬臂转接头、下悬臂转接头均与弯曲应力加载轴连接，弯曲应力加载轴上设有弯曲应力加载螺母；

釜体内设有高温高压釜温压传感器；

扭矩传动轴上设有载荷传感器、第一应变传感器、第二应变传感器以及旋转动力装置，第一应变传感器、第二应变传感器分别通过第一应变传感器上部固定法兰、第二应变传感器上部固定法兰安装在应变传感器固定板上，应变传感器固定板通过应变传感器底座、应变传感器底座固定法兰安装在釜盖密封法兰上。

高温高压釜温压传感器、载荷传感器、第一应变传感器、第二应变传感器分别连接高温高压釜温压数据处理器、载荷数据处理器、第一应变数据处理器和第二应变数据处理器；

增压系统包括气体混合装置和增压泵，气体混合装置包括气体混合缸和液压缸，气体混合缸与液压缸之间设有调配活塞；

增压泵连接气体混合缸；气体混合缸还分别连接H₂S气瓶、CO₂气瓶、N₂气瓶(312)、CH₄气瓶；

液压缸与充液罐、液箱、液压泵连接；

气体混合装置安装在气体混合装置底座上；

液压泵上设有液压泵压力传感器；增压泵上设有增压泵压力传感器；液压缸内设有液压缸压力传感器；气体混合缸内设有气体混合缸压力传感器；

液压泵压力传感器、增压泵压力传感器、液压缸压力传感器和气体混合缸压力传感器分别与液压泵压力数据处理器、增压泵压力数据处理器、液压缸压力数据处理器和气体混合缸压力数据处理器连接；

高温高压釜温压数据处理器、载荷数据处理器、第一应变数据处理器和第二应变数据处理器、液压泵压力数据处理器、增压泵压力数据处理器、液压缸压力数据处理器和气体混合缸压力数据处理器分别与计算机控制器连接，动态监测实验全过程温度、压力、载荷、应变等腐蚀疲劳实验参数的监测控制，记录数据并绘制曲线。

本发明装置克服的缺陷：

1、解决现场对于室内模拟测试井筒极端工况、复杂载荷条件下管材腐蚀疲劳极限测试装置的需求问题；

2、克服管材腐蚀疲劳强度模拟测试与现场工况相距甚远，无法精细模拟深井超深井和万米深井极端工况、复杂载荷、动态多相流工况条件；

3、克服当前测试方法和装置结构设计不足，仅考虑拉伸和旋转载荷，与实际现场工况管材承受拉-压-弯-扭复杂交变载荷存在显著差异。

本发明方法要解决的问题：

1、形成一种极端工况、复杂载荷条件下管材腐蚀疲劳强度测试方法；

2、建立油气井高温高压高含H₂S-CO₂腐蚀环境、拉压弯扭复杂交变载荷状态下，管材特定周期或长时间不发生腐蚀疲劳断裂的极限应力确定方法，为制造高腐蚀疲劳极限的管材提供检验手段。

3、动态监测施加载荷、试样变形及腐蚀疲劳断裂数据，有效支撑深井超深井和万米深井管材优化设计技术的发展。

具体技术方案为：

一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试方法，可分为实验准备、试样加载、参数设置、数据监控、实验后处理、腐蚀疲劳极限计算六个方面。

S1.实验准备：

S1.1、确定开展腐蚀疲劳极限室内模拟测试的实验条件。腐蚀参数方面需根据现场工况确定温度、压力、气体组分和分压、液相和固相组分及离子含量，实验所用管材牌号和钢级、服役期间所受载荷类型及拉-压-弯-扭载荷大小；

S1.2、加工腐蚀疲劳极限室内模拟测试试样。将实验所用管材加工为棒状拉伸试样，其平行段长度、过渡段倒角、试样外径和长度等尺寸均需满足腐蚀疲劳极限室内模拟测试装置的安装要求；

S1.3、配制相应气体含量的腐蚀性气体。将气体混合缸抽至真空；连接实验所需气体与H₂S气瓶、CO₂气瓶、N₂气瓶、CH₄气瓶；按照实验所需含量，依次打开H₂S/CO₂/N₂/CH₄气瓶阀门使气体进入气体混合缸，配制相应气体组分比例的混合气体。

S1.4、配制相应液-固含量及离子比例的腐蚀性液体介质。按照液相和固相组分及离子含量，配制相应液-固组分及含量的腐蚀性液体介质，持续通入相应的气体组分直至饱和。

S1.5、使用液压缸压力传感器监测液压缸压力，使用气体混合缸压力传感器监测气体混合缸压力。

S2.试样加载：

S2.1、安装径向加载组件。将上悬臂稳定器组装在径向加载上悬臂内部，由腐蚀疲劳试样上部夹持端套入至接近平行段处并固定；将下悬臂稳定器组装在径向加载上悬臂内部，由腐蚀疲劳试样下部夹持端套入至接近平行段处并固定；分别连接上悬臂转接头、下悬臂转接头及弯曲应力加载轴；

S2.2、安装轴向加载组件。将下部试样接头组装在腐蚀疲劳试样下端；将下部固定器安装在扭矩施加轴上并与下部试样接头连接，整体放入径向加载组件并使用下部稳定器固定；将上部试样接头组装在腐蚀疲劳试样上端；将上部固定器安装在扭矩施加轴上并与上部试样接头连接，使用上部稳定器将其整体固定在径向加载组件上；

S2.3、施加轴向拉伸或压缩载荷。通过调整上部固定器和下部固定器对腐蚀疲劳试样施加拉伸或压缩载荷，施加载荷与挠度之间的计算关系可直接使用σ＝E·ε，其中σ为拉伸/压缩应力，E为拉伸弹性模量或压缩弹性模量，ε为拉伸/压缩应变。

S2.4、施加径向弯曲载荷。通过拧紧弯曲应力加载螺母增大腐蚀疲劳试样平行段挠度，对腐蚀疲劳试样施加径向弯曲载荷，施加载荷与挠度之间的关系可采用四点弯曲标准计算公式，也可采用尝试实验进行校正。

S3.参数设置：

S3.1、设定模拟腐蚀环境参数。将所配制的腐蚀性液体介质加入釜体中，液面需浸没径向加载组件，使用密封螺栓、密封螺母将釜盖与釜体密封；使用应变传感器底座固定法兰将应变传感器底座固定在釜盖密封组合上；使用应变传感器上部固定法兰和应变传感器上部固定法兰将应变传感器固定板固定在扭矩传动轴上，并将第一应变传感器、第二应变传感器安装在应变传感器固定板上；依次将载荷传感器、旋转动力装置与扭矩传动轴连接。

S3.2、釜体升温增压。将计算机控制器中温压数据处理器设定为实验对应温度压力，通过高温高压釜温压传感器控制加热套对釜体进行加热，直至达到实验设定温度；通过高温高压釜温压传感)控制增压泵对釜体进行增压，直至达到实验设定压力。

S4.数据监控：

S4.1、将第一应变数据处理器和第二应变数据处理器分别于第一应变传感器、第二应变传感器连接，监测实验期间腐蚀疲劳试样的轴向变形量；

S4.2、将高温高压釜温压数据处理器与高温高压釜温压传感器连接，监测实验期间釜体内部温度压力数值变化量；

S4.3、将载荷数据处理器与载荷传感器连接，监测实验期间腐蚀疲劳试样轴向拉伸载荷、扭矩的变化量；

S4.4、将液压泵压力数据处理器、增压泵压力数据处理器分别与液压泵压力传感器、增压泵压力传感器连接，监测液压泵、增压泵泵压，将液压缸压力数据处理器、气体混合缸压力数据处理器分别与液压缸压力传感器和气体混合缸压力传感器连接，监测液压缸和气体混合缸内部压力，以保障实验安全。

S5.实验后处理：

S5.1、取出腐蚀疲劳试样。到达实验预定周期后，降温、泄压，打开腐蚀疲劳极限测试装置，取出腐蚀疲劳试样。

S5.2、观察腐蚀开裂特征。运用宏观、微观手段分析观察腐蚀疲劳试样表面腐蚀产物膜形貌、组分及保护特性；观察判断腐蚀疲劳试样平行段裂纹形核、扩展特征及裂纹尺寸。

S5.3、试样疲劳强度分析。若腐蚀疲劳试样断裂，则继续开展小于该应力条件下的腐蚀疲劳极限测试实验；若腐蚀疲劳试样未断，则进行室温拉伸实验，测定经历腐蚀疲劳极限测试实验后该管材剩余强度，同时继续开展大于该应力条件下的腐蚀疲劳极限测试实验；

S6.腐蚀疲劳极限的评定：

S6.1、弯曲应力不变、拉/压应力变化时的腐蚀疲劳极限评定方法。

保持所施加的径向弯曲载荷不变，分别在不同拉伸/压缩应力状态下设计系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该弯曲应力下，管材承受拉伸/压缩应力时的腐蚀疲劳极限应力。

S6.2、拉/压应力不变，弯曲应力变化时的腐蚀疲劳极限评定方法。

保持所施加的轴向拉伸/压缩载荷不变，分别在不同弯曲应力状态下设计系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该拉伸/压缩应力下，管材承受弯曲应力时的腐蚀疲劳极限应力。

S6.3、拉/压/弯/扭交变状态时的腐蚀疲劳极限评定方法。

采用因素分子法或正交实验法，分别设计不同拉伸、压缩、弯曲以及扭矩状态下系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该管材在该腐蚀环境中的腐蚀疲劳极限应力。

本发明方法克服的缺陷：

1、明确了高温高压高含H₂S-CO₂腐蚀环境中，管材特定周期或长时间不发生腐蚀疲劳断裂的极限应力测试技术方案。

2、解决了当前无适用于深井超深井和万米深井极端工况、复杂载荷、动态多相流条件的管材腐蚀疲劳极限应力测试方法的问题；

3、有效改变当前腐蚀疲劳断裂极限应力测试数据不足、难以支撑深井超深井和万米深井管材设计技术的问题。

本发明所达到的效果和优点：

1、腐蚀疲劳室内实验装置具备开展室温～350℃、常压～150MPa、含H₂S/CO₂腐蚀性介质的气-液-固多相流腐蚀环境中，管材承受拉应力-剪应力，或拉应力-扭矩，或拉应力-剪应力-扭矩载荷共同作用下的腐蚀疲劳室内模拟实验。

2、可动态监测腐蚀疲劳实验过程中的温度压力，施加载荷、试样变形及腐蚀疲劳断裂数据。

3、可测试350℃、150MPa、含H₂S/CO₂多相流腐蚀环境中，承受拉-压-弯-扭复杂交变载荷状态下管材裂纹形核、扩展特征。

4、可测试350℃、150MPa、含H₂S/CO₂多相流腐蚀环境中，管材承受拉-压-弯-扭复杂交变载荷状态下的腐蚀疲劳极限应力。

5、测得管材在服役环境中特定周期或长时间不发生腐蚀疲劳断裂的极限应力值，为管材生产商研发高腐蚀疲劳极限的管材提供质量检验手段，为油气田进行管材优化设计提供实验装置和可靠评价方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图之一；

图2是本发明的结构示意图之二

图3是本发明腐蚀疲劳极限测试系统的俯视图；

图4是本发明轴向径向加载组件结构示意图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置，包括控制系统1、腐蚀疲劳极限测试系统2和增压系统3三个部分组成。

如图1，控制系统1，由计算机控制器101、高温高压釜温压数据处理器1A、载荷数据处理器1B、第一应变数据处理器1C-1和第二应变数据处理器1C-2，以及液压泵压力数据处理器1D、增压泵压力数据处理器1E、液压缸压力数据处理器1F和气体混合缸压力数据处理器1G组成。可动态监测实验全过程温度、压力、载荷、应变等腐蚀疲劳实验参数的监测控制，记录数据并绘制曲线；

如图2和图3，腐蚀疲劳极限测试系统2，由控制组件、高温高压釜、辅助组件、轴向加载组件、径向加载组件组成。

控制组件由高温高压釜温压传感器2A、载荷传感器2B、第一应变传感器2C-1、第二应变传感器2C-2以及旋转动力装置210，应变传感器上部固定法兰211、应变传感器上部固定法兰212、应变传感器固定板213，应变传感器底座214、应变传感器底座固定法兰215、釜盖密封法兰216组成。可实时测试腐蚀疲劳实验全过程中的温度、压力、载荷、应变等参数，将数据传输至控制系统。

高温高压釜由密封螺栓220、密封螺母221、釜盖222、釜体223、加热套224、保温层225、釜盖密封组合226、扭矩传动轴227、组合式密封圈228、主轴拼帽229、轴向径向加载组件240组成。可实现室温～350℃、常压～150MPa、含H₂S/CO₂腐蚀性气体的气-液-固多相流腐蚀环境模拟。

辅助组件由扭矩施加轴230、气体进出口231、釜体稳定器壳体232、楔子233、环形固定器234、釜体旋转稳定器235组成。配合高温高压釜、和加载组件辅助实现腐蚀疲劳实验的安全稳定进行。

轴向加载组件由上部稳定器241、上部固定器242、上部试样接头243、径向加载上悬臂244、腐蚀疲劳试样245、径向加载下悬臂246、下部试样接头247、下部固定器248和下部稳定器249组成。可实现腐蚀疲劳试样轴向拉伸、压缩应力的加载和卸载。

径向加载组件由上悬臂稳定器250、上悬臂转接头251、上悬臂转接头销钉252，弯曲应力加载螺母253、弯曲应力加载轴254，下悬臂转接头销钉255、下悬臂转接头256、下悬臂稳定器257组成。可实现腐蚀疲劳试样弯曲应力的加载和卸载。

图3腐蚀疲劳极限测试系统2的俯视图，该图展示了腐蚀疲劳极限测试系统高温高压釜俯视特征。其中包括：

第一应变传感器2C-1、第二应变传感器2C-2可测得腐蚀疲劳实验过程中试样所发生的应变量；旋转动力装置210可外接多级减速控制系统，为腐蚀疲劳时实验提供满足条件的扭矩；应变传感器固定板213用于固定第一应变传感器2C-1和第二应变传感器2C-2，确保准确测得应变量大小；釜盖密封法兰216、密封螺栓220、密封螺母221、釜盖222、釜盖密封组合226用于确保高温高压釜的超高温超高压密封效果；加热套224和保温层225分别用于加热和保温。

如图4，轴向径向加载组件240放大图，该图放大展示了轴向径向加载组件零部件安装情况。其中：

轴向加载组件由上部稳定器241、上部固定器242、上部试样接头243、径向加载上悬臂244、腐蚀疲劳试样245、径向加载下悬臂246、下部试样接头247、下部固定器248和下部稳定器249组成。可实现腐蚀疲劳试样轴向拉伸、压缩应力的加载和卸载。

径向加载组件由上悬臂稳定器250、上悬臂转接头251、上悬臂转接头销钉252，弯曲应力加载螺母253、弯曲应力加载轴254，下悬臂转接头销钉255、下悬臂转接头256、下悬臂稳定器257组成。可实现腐蚀疲劳试样弯曲应力的加载和卸载。

增压系统3，由液压泵压力传感器3D、增压泵压力传感器3E、液压缸压力传感器3F和气体混合缸压力传感器3G，H₂S气瓶310、CO₂气瓶311、N₂气瓶312、CH₄气瓶313、增压泵314，气体混合缸320、调配活塞321、液压缸322、气体混合装置底座323、充液罐324、液箱325、液压泵326组成。可实现H₂S/CO₂/N₂/CH₄等气体组分的混合配制，增压并根据腐蚀疲劳实验所需压力动态调整高温高压釜内部压力。

上述部分之间的连接关系为：

高温高压釜包括釜体223和釜盖222；釜体223外设有加热套224、保温层225；

釜体223设有气体进出口231；

釜体223内底部设有釜体稳定器壳体232，内部设有楔子233和环形固定器234、釜体旋转稳定器235；

釜体223和釜盖222通过密封螺栓220、密封螺母221连接；釜盖222上设有组合式密封圈228；釜盖222上通过釜盖密封组合226和主轴拼帽229安装扭矩传动轴227；

扭矩传动轴227依次连接扭矩施加轴230、轴向径向加载组件240；

轴向径向加载组件240包括轴向加载组件和径向加载组件；

轴向加载组件，自上到下包括依次连接的上部稳定器241、上部固定器242、上部试样接头243、径向加载上悬臂244、腐蚀疲劳试样245、径向加载下悬臂246、下部试样接头247、下部固定器248和下部稳定器249组成。可实现腐蚀疲劳试样轴向拉伸、压缩应力的加载和卸载。

径向加载组件，包括上悬臂稳定器250，下悬臂稳定器257；上悬臂稳定器250、下悬臂稳定器257分别连接在腐蚀疲劳试样245上下两端；

上悬臂稳定器250通过上悬臂转接头销钉252与上悬臂转接头251连接；

下悬臂稳定器257通过下悬臂转接头销钉255与下悬臂转接头256连接；

上悬臂转接头251、下悬臂转接头256均与弯曲应力加载轴254连接，弯曲应力加载轴254上设有弯曲应力加载螺母253；

釜体223内设有高温高压釜温压传感器2A；

扭矩传动轴227上设有载荷传感器2B、第一应变传感器2C-1、第二应变传感器2C-2以及旋转动力装置210，第一应变传感器2C-1、第二应变传感器2C-2分别通过第一应变传感器上部固定法兰211、第二应变传感器上部固定法兰212安装在应变传感器固定板213上，应变传感器固定板213通过应变传感器底座214、应变传感器底座固定法兰215安装在釜盖密封法兰216上。

高温高压釜温压传感器2A、载荷传感器2B、第一应变传感器2C-1、第二应变传感器2C-2分别连接高温高压釜温压数据处理器1A、载荷数据处理器1B、第一应变数据处理器1C-1和第二应变数据处理器1C-2；

釜体223的气体进出口231连接增压系统的增压泵314。

增压系统包括气体混合装置和增压泵314，气体混合装置包括气体混合缸320和液压缸322，气体混合缸320与液压缸322之间设有调配活塞321；

增压泵314连接气体混合缸320；气体混合缸320还分别连接H₂S气瓶310、CO₂气瓶311、N₂气瓶312、CH₄气瓶313；

液压缸322与充液罐324、液箱325、液压泵326连接；

气体混合装置安装在气体混合装置底座323上；

液压泵326上设有液压泵压力传感器3D；增压泵314上设有增压泵压力传感器3E；液压缸322内设有液压缸压力传感器3F；气体混合缸320内设有气体混合缸压力传感器3G；

液压泵压力传感器3D、增压泵压力传感器3E、液压缸压力传感器3F和气体混合缸压力传感器3G分别与液压泵压力数据处理器1D、增压泵压力数据处理器1E、液压缸压力数据处理器1F和气体混合缸压力数据处理器1G连接；

高温高压釜温压数据处理器1A、载荷数据处理器1B、第一应变数据处理器1C-1和第二应变数据处理器1C-2、液压泵压力数据处理器1D、增压泵压力数据处理器1E、液压缸压力数据处理器1F和气体混合缸压力数据处理器1G分别与计算机控制器101连接，动态监测实验全过程温度、压力、载荷、应变等腐蚀疲劳实验参数的监测控制，记录数据并绘制曲线。

极端腐蚀和交变载荷工况管材腐蚀疲劳极限测试方法，可分为实验准备、试样加载、参数设置、数据监控、实验后处理、腐蚀疲劳极限计算六个方面。

S1.实验准备：

S1.1、确定开展腐蚀疲劳极限室内模拟测试的实验条件。腐蚀参数方面需根据现场工况确定温度、压力、气体组分和分压、液相和固相组分及离子含量，实验所用管材牌号和钢级、服役期间所受载荷类型及拉-压-弯-扭载荷大小；

S1.2、加工腐蚀疲劳极限室内模拟测试试样。将实验所用管材加工为棒状拉伸试样，其平行段长度、过渡段倒角、试样外径和长度等尺寸均需满足腐蚀疲劳极限室内模拟测试装置的安装要求；

S1.3、配制相应气体含量的腐蚀性气体。将气体混合缸320抽至真空；连接实验所需气体与H₂S气瓶310、CO₂气瓶311、N₂气瓶312、CH₄气瓶313；按照实验所需含量，依次打开H₂S/CO₂/N₂/CH₄气瓶阀门使气体进入气体混合缸320，配制相应气体组分比例的混合气体。

S1.4、配制相应液-固含量及离子比例的腐蚀性液体介质。按照液相和固相组分及离子含量，配制相应液-固组分及含量的腐蚀性液体介质，持续通入相应的气体组分直至饱和。

S1.5、使用液压缸压力传感器3F监测液压缸压力，使用气体混合缸压力传感器3G监测气体混合缸压力。

S2.试样加载：

S2.1、安装径向加载组件。将上悬臂稳定器250组装在径向加载上悬臂244内部，由腐蚀疲劳试样245上部夹持端套入至接近平行段处并固定；将下悬臂稳定器257组装在径向加载上悬臂244内部，由腐蚀疲劳试样245下部夹持端套入至接近平行段处并固定；分别连接上悬臂转接头251、下悬臂转接头256及弯曲应力加载轴254；

S2.2、安装轴向加载组件。将下部试样接头247组装在腐蚀疲劳试样245下端；将下部固定器248安装在扭矩施加轴230上并与下部试样接头247连接，整体放入径向加载组件240并使用下部稳定器249固定；将上部试样接头243组装在腐蚀疲劳试样245上端；将上部固定器241安装在扭矩施加轴230上并与上部试样接头243连接，使用上部稳定器241将其整体固定在径向加载组件240上；

S2.3、施加轴向拉伸或压缩载荷。通过调整上部固定器241和下部固定器248对腐蚀疲劳试样245施加拉伸或压缩载荷，施加载荷与挠度之间的计算关系可直接使用σ＝E·ε，其中σ为拉伸/压缩应力，E为拉伸弹性模量或压缩弹性模量，ε为拉伸/压缩应变。

S2.4、施加径向弯曲载荷。通过拧紧弯曲应力加载螺母253增大腐蚀疲劳试样245平行段挠度，对腐蚀疲劳试样245施加径向弯曲载荷，施加载荷与挠度之间的关系可采用四点弯曲标准计算公式，也可采用尝试实验进行校正。

S3.参数设置：

S3.1、设定模拟腐蚀环境参数。将所配制的腐蚀性液体介质加入釜体223中，液面需浸没径向加载组件240，使用密封螺栓220、密封螺母221将釜盖222与釜体223密封；使用应变传感器底座固定法兰215将应变传感器底座214固定在釜盖密封组合226上；使用应变传感器上部固定法兰211和应变传感器上部固定法兰212将应变传感器固定板213固定在扭矩传动轴227上，并将第一应变传感器2C-1、第二应变传感器2C-2安装在应变传感器固定板213上；依次将载荷传感器2B、旋转动力装置210与扭矩传动轴227连接。

S3.2、釜体升温增压。将计算机控制器101中温压数据处理器1A设定为实验对应温度压力，通过高温高压釜温压传感器2A控制加热套224对釜体223进行加热，直至达到实验设定温度；通过高温高压釜温压传感器2A控制增压泵314对釜体223进行增压，直至达到实验设定压力。

S4.数据监控：

S4.1、将第一应变数据处理器1C-1和第二应变数据处理器1C-2分别于第一应变传感器2C-1、第二应变传感器2C-2连接，监测实验期间腐蚀疲劳试样245的轴向变形量；

S4.2、将高温高压釜温压数据处理器1A与高温高压釜温压传感器2A连接，监测实验期间釜体223内部温度压力数值变化量；

S4.3、将载荷数据处理器1B与载荷传感器2B连接，监测实验期间腐蚀疲劳试样245轴向拉伸载荷、扭矩的变化量；

S4.4、将液压泵压力数据处理器1D、增压泵压力数据处理器1E分别与液压泵压力传感器3D、增压泵压力传感器3E连接，监测液压泵326、增压泵314泵压，将液压缸压力数据处理器1F、气体混合缸压力数据处理器1G分别与液压缸压力传感器3F和气体混合缸压力传感器3G连接，监测液压缸322和气体混合缸320内部压力，以保障实验安全。

S5.实验后处理：

S5.1、取出腐蚀疲劳试样。到达实验预定周期后，降温、泄压，打开腐蚀疲劳极限测试装置，取出腐蚀疲劳试样245。

S5.2、观察腐蚀开裂特征。运用宏观、微观手段分析观察腐蚀疲劳试样245表面腐蚀产物膜形貌、组分及保护特性；观察判断腐蚀疲劳试样245平行段裂纹形核、扩展特征及裂纹尺寸。

S5.3、试样疲劳强度分析。若腐蚀疲劳试样245断裂，则继续开展小于该应力条件下的腐蚀疲劳极限测试实验；若腐蚀疲劳试样245未断，则进行室温拉伸实验，测定经历腐蚀疲劳极限测试实验后该管材剩余强度，同时继续开展大于该应力条件下的腐蚀疲劳极限测试实验；

S6.腐蚀疲劳极限的评定：

S6.1、弯曲应力不变、拉/压应力变化时的腐蚀疲劳极限评定方法。

保持所施加的径向弯曲载荷不变，分别在不同拉伸/压缩应力状态下设计系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该弯曲应力下，管材承受拉伸/压缩应力时的腐蚀疲劳极限应力。

S6.2、拉/压应力不变，弯曲应力变化时的腐蚀疲劳极限评定方法。

保持所施加的轴向拉伸/压缩载荷不变，分别在不同弯曲应力状态下设计系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该拉伸/压缩应力下，管材承受弯曲应力时的腐蚀疲劳极限应力。

S6.3、拉/压/弯/扭交变状态时的腐蚀疲劳极限评定方法。

采用因素分子法或正交实验法，分别设计不同拉伸、压缩、弯曲以及扭矩状态下系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该管材在该腐蚀环境中的腐蚀疲劳极限应力。

Claims (5)

1.一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置，其特征在于，包括高温高压釜；

高温高压釜包括釜体(223)和釜盖(222)；釜体(223)外设有加热套(224)、保温层(225)；

釜体(223)设有气体进出口(231)；釜体(223)的气体进出口(231)连接增压系统的增压泵(314)；

釜体(223)内底部设有釜体稳定器壳体(232)，内部设有楔子(233)和环形固定器(234)、釜体旋转稳定器(235)；

釜体(223)和釜盖(222)通过密封螺栓(220)、密封螺母(221)连接；釜盖(222)上设有组合式密封圈(228)；釜盖(222)上通过釜盖密封组合(226)和主轴拼帽(229)安装扭矩传动轴(227)；

扭矩传动轴(227)依次连接扭矩施加轴(230)、轴向径向加载组件(240)。

2.根据权利要求1所述的一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置，其特征在于，所述的轴向径向加载组件(240)包括轴向加载组件和径向加载组件；

所述的轴向加载组件，自上到下包括依次连接的上部稳定器(241)、上部固定器(242)、上部试样接头(243)、径向加载上悬臂(244)、腐蚀疲劳试样(245)、径向加载下悬臂(246)、下部试样接头(247)、下部固定器(248)和下部稳定器(249)组成；可实现腐蚀疲劳试样轴向拉伸、压缩应力的加载和卸载；

所述的径向加载组件，包括上悬臂稳定器(250)，下悬臂稳定器(257)；上悬臂稳定器(250)、下悬臂稳定器(257)分别连接在腐蚀疲劳试样(245)上下两端；

上悬臂稳定器(250)通过上悬臂转接头销钉(252)与上悬臂转接头(251)连接；

下悬臂稳定器(257)通过下悬臂转接头销钉(255)与下悬臂转接头(256)连接；

上悬臂转接头(251)、下悬臂转接头(256)均与弯曲应力加载轴(254)连接，弯曲应力加载轴(254)上设有弯曲应力加载螺母(253)。

3.根据权利要求1所述的一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置，其特征在于，所述的增压系统包括气体混合装置和增压泵(314)，气体混合装置包括气体混合缸(320)和液压缸(322)，气体混合缸(320)与液压缸(322)之间设有调配活塞(321)；

增压泵(314)连接气体混合缸(320)；气体混合缸(320)还分别连接H₂S气瓶(310)、CO₂气瓶(311)、N₂气瓶(312)、CH₄气瓶(313)；

液压缸(322)与充液罐(324)、液箱(325)、液压泵(326)连接；

气体混合装置安装在气体混合装置底座(323)上。

4.根据权利要求3所述的一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置，其特征在于，所述的釜体(223)内设有高温高压釜温压传感器(2A)；

所述的扭矩传动轴(227)上设有载荷传感器(2B)、第一应变传感器(2C-1)、第二应变传感器(2C-2)以及旋转动力装置(210)，第一应变传感器(2C-1)、第二应变传感器(2C-2)分别通过第一应变传感器上部固定法兰(211)、第二应变传感器上部固定法兰(212)安装在应变传感器固定板(213)上，应变传感器固定板(213)通过应变传感器底座(214)、应变传感器底座固定法兰(215)安装在釜盖密封法兰(216)上；

高温高压釜温压传感器(2A)、载荷传感器(2B)、第一应变传感器(2C-1)、第二应变传感器(2C-2)分别连接高温高压釜温压数据处理器(1A)、载荷数据处理器(1B)、第一应变数据处理器(1C-1)和第二应变数据处理器(1C-2)；

液压泵(326)上设有液压泵压力传感器(3D)；增压泵(314)上设有增压泵压力传感器(3E)；液压缸(322)内设有液压缸压力传感器(3F)；气体混合缸(320)内设有气体混合缸压力传感器(3G)；

液压泵压力传感器(3D)、增压泵压力传感器(3E)、液压缸压力传感器(3F)和气体混合缸压力传感器(3G)分别与液压泵压力数据处理器(1D)、增压泵压力数据处理器(1E)、液压缸压力数据处理器(1F)和气体混合缸压力数据处理器(1G)连接；

高温高压釜温压数据处理器(1A)、载荷数据处理器(1B)、第一应变数据处理器(1C-1)和第二应变数据处理器(1C-2)、液压泵压力数据处理器(1D)、增压泵压力数据处理器(1E)、液压缸压力数据处理器(1F)和气体混合缸压力数据处理器(1G)分别与计算机控制器(101)连接，动态监测实验全过程腐蚀疲劳实验参数的监测控制，记录数据并绘制曲线。

5.一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试方法，采用权利要求1-4中任意一项所述的一种腐蚀和交变载荷下管材腐蚀疲劳极限测试装置进行测试，包括以下步骤：

S1.实验准备：

S1.1、确定开展腐蚀疲劳极限室内模拟测试的实验条件；腐蚀参数方面需根据现场工况确定温度、压力、气体组分和分压、液相和固相组分及离子含量，实验所用管材牌号和钢级、服役期间所受载荷类型及拉-压-弯-扭载荷大小；

S1.2、加工腐蚀疲劳极限室内模拟测试试样；将实验所用管材加工为棒状拉伸试样；

S1.3、配制相应气体含量的腐蚀性气体；将气体混合缸(320)抽至真空；连接实验所需气体与H₂S气瓶(310)、CO₂气瓶(311)、N₂气瓶(312)、CH₄气瓶(313)；按照实验所需含量，依次打开H₂S/CO₂/N₂/CH₄气瓶阀门使气体进入气体混合缸(320)，配制相应气体组分比例的混合气体；

S1.4、配制相应液-固含量及离子比例的腐蚀性液体介质；按照液相和固相组分及离子含量，配制相应液-固组分及含量的腐蚀性液体介质，持续通入相应的气体组分直至饱和；

S1.5、使用液压缸压力传感器(3F)监测液压缸压力，使用气体混合缸压力传感器(3G)监测气体混合缸压力；

S2.试样加载：

S2.1、安装径向加载组件；将上悬臂稳定器(250)组装在径向加载上悬臂(244)内部，由腐蚀疲劳试样(245)上部夹持端套入至接近平行段处并固定；将下悬臂稳定器(257)组装在径向加载上悬臂(244)内部，由腐蚀疲劳试样(245)下部夹持端套入至接近平行段处并固定；分别连接上悬臂转接头(251)、下悬臂转接头(256)及弯曲应力加载轴(254)；

S2.2、安装轴向加载组件；将下部试样接头(247)组装在腐蚀疲劳试样(245)下端；将下部固定器(248)安装在扭矩施加轴(230)上并与下部试样接头(247)连接，整体放入径向加载组件(240)并使用下部稳定器(249)固定；将上部试样接头(243)组装在腐蚀疲劳试样(245)上端；将上部固定器(241)安装在扭矩施加轴(230)上并与上部试样接头(243)连接，使用上部稳定器(241)将其整体固定在径向加载组件(240)上；

S2.3、施加轴向拉伸或压缩载荷；通过调整上部固定器(241)和下部固定器(248)对腐蚀疲劳试样(245)施加拉伸或压缩载荷，施加载荷与挠度之间的计算关系可直接使用σ＝E·ε，其中σ为拉伸/压缩应力，E为拉伸弹性模量或压缩弹性模量，ε为拉伸/压缩应变；

S2.4、施加径向弯曲载荷；通过拧紧弯曲应力加载螺母(253)增大腐蚀疲劳试样(245)平行段挠度，对腐蚀疲劳试样(245)施加径向弯曲载荷，施加载荷与挠度之间的关系可采用四点弯曲标准计算公式，也可采用尝试实验进行校正；

S3.参数设置：

S3.1、设定模拟腐蚀环境参数；将所配制的腐蚀性液体介质加入釜体(223)中，液面需浸没径向加载组件(240)，使用密封螺栓(220)、密封螺母(221)将釜盖(222)与釜体(223)密封；使用应变传感器底座固定法兰(215)将应变传感器底座(214)固定在釜盖密封组合(226)上；使用应变传感器上部固定法兰(211)和应变传感器上部固定法兰(212)将应变传感器固定板(213)固定在扭矩传动轴(227)上，并将第一应变传感器(2C-1)、第二应变传感器(2C-2)安装在应变传感器固定板(213)上；依次将载荷传感器(2B)、旋转动力装置(210)与扭矩传动轴(227)连接；

S3.2、釜体升温增压；将计算机控制器(101)中温压数据处理器(1A)设定为实验对应温度压力，通过高温高压釜温压传感器(2A)控制加热套(224)对釜体(223)进行加热，直至达到实验设定温度；通过高温高压釜温压传感器(2A)控制增压泵(314)对釜体(223)进行增压，直至达到实验设定压力；

S4.数据监控：

S4.1、将第一应变数据处理器(1C-1)和第二应变数据处理器(1C-2)分别于第一应变传感器(2C-1)、第二应变传感器(2C-2)连接，监测实验期间腐蚀疲劳试样(245)的轴向变形量；

S4.2、将高温高压釜温压数据处理器(1A)与高温高压釜温压传感器(2A)连接，监测实验期间釜体(223)内部温度压力数值变化量；

S4.3、将载荷数据处理器(1B)与载荷传感器(2B)连接，监测实验期间腐蚀疲劳试样(245)轴向拉伸载荷、扭矩的变化量；

S4.4、将液压泵压力数据处理器(1D)、增压泵压力数据处理器(1E)分别与液压泵压力传感器(3D)、增压泵压力传感器(3E)连接，监测液压泵(326)、增压泵(314)泵压，将液压缸压力数据处理器(1F)、气体混合缸压力数据处理器(1G)分别与液压缸压力传感器(3F)和气体混合缸压力传感器(3G)连接，监测液压缸(322)和气体混合缸(320)内部压力，以保障实验安全；

S5.实验后处理：

S5.1、取出腐蚀疲劳试样；到达实验预定周期后，降温、泄压，打开腐蚀疲劳极限测试装置，取出腐蚀疲劳试样(245)；

S5.2、观察腐蚀开裂特征；运用宏观、微观手段分析观察腐蚀疲劳试样(245)表面腐蚀产物膜形貌、组分及保护特性；观察判断腐蚀疲劳试样(245)平行段裂纹形核、扩展特征及裂纹尺寸；

S5.3、试样疲劳强度分析；若腐蚀疲劳试样(245)断裂，则继续开展小于该应力条件下的腐蚀疲劳极限测试实验；若腐蚀疲劳试样(245)未断，则进行室温拉伸实验，测定经历腐蚀疲劳极限测试实验后该管材剩余强度，同时继续开展大于该应力条件下的腐蚀疲劳极限测试实验；

S6.腐蚀疲劳极限的评定：

S6.1、弯曲应力不变、拉/压应力变化时的腐蚀疲劳极限评定方法；

保持所施加的径向弯曲载荷不变，分别在不同拉伸/压缩应力状态下设计系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该弯曲应力下，管材承受拉伸/压缩应力时的腐蚀疲劳极限应力；

S6.2、拉/压应力不变，弯曲应力变化时的腐蚀疲劳极限评定方法；

保持所施加的轴向拉伸/压缩载荷不变，分别在不同弯曲应力状态下设计系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该拉伸/压缩应力下，管材承受弯曲应力时的腐蚀疲劳极限应力；

S6.3、拉/压/弯/扭交变状态时的腐蚀疲劳极限评定方法；

采用因素分子法或正交实验法，分别设计不同拉伸、压缩、弯曲以及扭矩状态下系列组数的腐蚀疲劳极限室内模拟实验，测得腐蚀疲劳S-N曲线，评定在该管材在该腐蚀环境中的腐蚀疲劳极限应力。