模拟金属材质在工况条件下的应力腐蚀实验方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材质应力腐蚀的模拟技术领域，具体涉及一种模拟金属材质在实 际工况条件下的应力腐蚀实验方法。
【背景技术】
[0002] 在石油化工行业中，大多数管道及设备处于一定温度、压力、应力和腐蚀性介质环 境中，同时还受到液相腐蚀介质冲刷的影响，而对管道及设备所用金属材质进行实际工况 环境中的应力腐蚀实验，可对金属材质在特定工况环境中的适用性进行评价并推测其使用 寿命。目前，国内外应力腐蚀实验方法通常是利用应力环在常温常压下进行应力腐蚀实验， 此外，对于少数可以模拟高温高压下环境的实验装置的现有技术，然而其试件夹具通常是 固定的，固定的试件夹具不能真实模拟工况环境中溶液冲刷的影响。如CN102706750A公开 了一种高温高压恒载荷应力腐蚀实验方法及装置，其实现金属材料在一定应力状态下，处 于高温高压气相、液相腐蚀介质综合作用下的恒载荷应力腐蚀实验，其中的试验夹具是固 定在实验装置内部，其不能真实模拟工况环境中溶液冲刷的影响。
[0003] 因此，现有技术中的评价结果均与现场结果相差较大，不能为实际工况下金属材 质的适用性及使用寿命预测提供可靠依据，目前，常规应力腐蚀实验方法存在以下不足：
[0004] (1)利用应力环或拉伸试验机进行加载，无法保证对小试件加载应力的精确度；
[0005] (2)在高温高压环境下不考虑溶液流动影响的实验结果与实际工况环境中的结果 存在较大差异，不能为实际工况下金属材质的适用性及使用寿命预测提供可靠依据。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种模拟金属材质在实际工况条件下的应力腐蚀实验方 法，该方法既可在高温高压环境下模拟金属材质的腐蚀速率及力学性能损伤，并且试件在 装置内部可转动，更加趋近模拟金属材质在实际工况条件下的腐蚀速率，本发明可测定金 属材质在一定大小的应力状态下，处于高温高压环境中的抗拉伸、抗弯曲等力学性能损伤， 可模拟金属材质在工况环境中，腐蚀速率及力学性能损伤随加载应力的变化规律。
[0007] 其技术解决方案包括：
[0008] 一种模拟金属试件在实际工况条件下的应力腐蚀实验方法，所采用的应力腐蚀实 验装置包括测试机构、加载机构和旋转机构，所述测试机构包括用于放置金属试件的釜体 和用于密封所述釜体的盖体，所述釜体内上半部分为气体，下半部分为腐蚀液；所述旋转机 构包括搅拌器和驱动所述搅拌器旋转的电机，所述搅拌器的搅拌轴穿过盖体伸入反应釜内 的腐蚀液液面以下，所述搅拌轴上安设有圆形托盘，所述圆形托盘沿圆周方向上间隔均匀 的分布有四个小孔；所述加载机构包括加载夹具、位于加载夹具的上加载部和位于加载夹 具的下加载部，所述金属试件位于所述加载夹具的腔室内，所述金属试件的两端通过销钉 分别与上加载部和下加载部连接；所述金属试件的中部贴有应变片，所述应变片通过导线 连接有应变仪，通过对上加载端和下加载端施加压力进行加载；所述加载机构设置有四个， 每个加载机构均通过耐高温棉线挂设在相应的小孔上；
[0009] 所述应力腐蚀实验方法包括以下步骤：
[0010] 第一步，根据实际工况环境设计实验相关参数，即温度、压力、流速、腐蚀介质以及 试件加载载荷大小；
[0011] 第二步，将试件通过销钉分别与上加载部和下加载部连接，并且，安设各自对应的 螺母，将应变片粘附于试件中心处，并通过导线与应变仪相连，通过上加载部和下加载部给 试件加载载荷；
[0012] 第三步，加载一定应力后，去下应变片，并将加载机构通过耐高温棉线悬挂于所述 圆形托盘上，放入釜体内，按常规方法开始实验，并记录相关数据即可展开研宄分析。
[0013] 通过向釜体内通入气体如氮气保持高温高压环境，高温高压环境与实际工况条件 相近，可实现对实际工况条件进行模拟，并且上述加载机构是通过耐高温棉线挂设在相应 的小孔上。当旋转机构旋转时，可带动搅拌轴旋转，进而带动位于搅拌轴下方的圆形托盘旋 转，加载结构可随之旋转，从而模拟液体流动的影响。与现有技术固定在釜体底部的加载机 构相比，可选择的加载机构更接近实际工况的模拟。
[0014] 优选的，上述上加载部和下加载部均包括螺钉和螺母，上加载部的螺钉从加载夹 具的顶部插入腔室内，顶端安设上述螺母，底端与上述金属试件通过销钉连接；下加载部的 螺钉从加载夹具的底部插入腔室内，顶端与上述金属试件通过销钉连接，底端安设螺母。
[0015] 上加载部通过拧动其顶部的螺母给试件加载载荷，下加载部通过拧动其底部的螺 母给试件加载载荷。
[0016] 优选的，上述加载夹具为方形。
[0017] 上述盖体的顶部开设有进气口，上述进气口连接输气管，通过上述输气管向釜体 内通入气体。
[0018] 优选的，上述搅拌轴上设置有呈环形状的螺纹，上述环形托盘与搅拌轴之间通过 螺钉形成可拆卸连接。
[0019] 优选的，上述加载夹具的腔室外围为夹具视窗，上述夹具视窗用于方便试件加载。
[0020] 优选的，上述试件为标准哑铃型拉伸试件。
[0021] 优选的，上述加载夹具、螺钉、螺母和销钉均是由耐腐蚀性能优良的哈氏合金加工 而成的，螺钉、销钉与试件为同种材质，可避免电偶腐蚀。
[0022] 本发明所带来的有益技术效果：
[0023] 与CN102706750A相比，本发明采用的装置中的加载机构结构以及加载方式与其 不同，本发明加载机构包括加载夹具、位于加载夹具的上加载部和位于加载夹具的下加载 部，将金属试件放置于加载夹具的腔室内，通过上下加载部对金属试件加载载荷，并且该加 载机构通过耐高温棉线悬挂于旋转机构的圆形托盘上，圆形托盘在电机与搅拌轴的作用下 可发生旋转，即可带动加载机构旋转，通过改变电机的转速即加载机构的转速来模拟不同 环境下腐蚀介质对试件的冲刷腐蚀。
[0024] 与现有技术相比，本发明试件可通过应变片利用应变仪进行加载，加载载荷应变 值精度较高，试样受力稳定性较好；本发明还可测试金属试件在高温高压下腐蚀后的相关 性能，如腐蚀速率、抗拉伸性能等。
[0025] 本发明方法获得的结果能够更加真实地反应金属材质对工况环境的适应性，从而 对材质优选及其使用寿命预测提供更加真实可靠的依据。
【附图说明】
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：
[0027] 图1为本发明实验装置的结构示意图；
[0028] 图2为本发明加载机构部分的结构示意图（主要示出了加载夹具和试件的连接关 系）；
[0029] 图3为本发明加载机构部分的剖面图；
[0030] 图4为本发明加载机构部分的俯视图；
[0031] 图5为本发明试件结构示意图；
[0032] 图6为本发明试件加载应力稳定性测试曲线图；
[0033] 图7为本发明试件腐蚀速率柱状图；
[0034] 图8为本发明试件抗拉强度损失率柱状图；
[0035] 图9为本发明试件腐蚀后的形貌图；
[0036] 图中，1、釜体，2、输气管，3、搅拌轴，4、圆形托盘，5、阀门，6、耐高温棉线，7、加载夹 具，8、腐蚀液，9、气体，10、气液界面，11、电机，12、传送带，13、方形夹具，14、螺钉，15、螺母， 16、销钉，17、金属试件，18、夹具视窗，19、应变片，20、导线。
【具体实施方式】
[0037] 本发明提出了一种模拟金属材质在实际工况条件下的应力腐蚀实验方法，为了使 本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步清楚、完 整的说明。
[0038] 如图1-图4所示，本发明所采用的应力腐蚀实验装置，主要包括：测试机构、加载 机构和旋转机构，其中，测试机构包括釜体1、用于密封该釜体1的盖体，为保证釜体1的气 密性良好，可在盖体下方铺设密封垫，釜体1内部下半部分为腐蚀液8,腐蚀液8在盖盖体之 前加入，上半部分为气体9,中间为气液界面10,在盖体的顶部设置有进气口，进气口与输 气管2连接，输气管2可伸入至釜体1底部，气体从进气口进入釜体1内，本发明优选气体 为氮气，阀门5位于输气管2上，用于控制进气流量，本发明实验介质为含11 25、0)2等强腐蚀 性气体以及高cr浓度溶液，可根据现场环境进行调节；
[0039] 旋转机构包括电机11、传送带12、搅拌轴3和圆形托盘4,电机通过传送带带动搅 拌轴3旋转，搅拌轴3从盖体的顶部伸入釜体1内，并且其底端伸入腐蚀液液面以下，在接 近搅拌轴底端处设置圆形托盘4,圆形托盘4通过可拆卸式设置在搅拌轴上，本发明优选通 过螺钉将圆形托盘固定在搅拌轴上，圆形托盘4沿圆周方向间隔均匀的分布有4个小孔，用 于固定加载机构；
[0040] 加载机构