一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法与流程

1.本发明涉及埋地金属管道材料氢脆敏感性评估的技术领域，尤其涉及一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法。


背景技术：

2.近年来，随着直流输电工程和油气输送管道工程建设的不断增加，直流输电线路与输油气管道接近或交叉的情况时有发生，尤其在人口密集且较为发达的地区，为了减少占用的土地面积，直流输电线路常常与输油气管道共用走廊，这样使得直流输电工程对附近埋地金属管道产生的电磁干扰影响日益突出，特别是当直流输电接地极单极运行时，会在管道上产生高幅值的干扰电位。而高压直流输电接地极放电对输油气管道造成的高电压不但会产生人身和设备安全风险，而且还会导致输油气管道氢脆的重大风险。
3.在接地极大电流放电条件下，输油气管道材料的电位大幅负向偏移，导致管道材料极化电位过负，金属表面发生析氢反应，产生大量吸附氢原子。以往的研究表明，氢原子可以扩散进入材料内部并累积和迁移，当达到特定的浓度后，将会造成材料发生不同程度的损伤，包括钢中的白点、氢鼓泡和氢诱发裂纹、氢致塑性损失、氢致滞后开裂(简称氢致开裂)等。
4.综述，在过负电位或较大负向电流的干扰环境下，输油气管道所用管线钢的塑性、韧性、氢致开裂和氢致疲劳开裂等性能均会受到不同程度的损伤，而使其安全运行受到极大威胁，此外高压直流输电系统对埋地管道的干扰具有环境影响因素复杂、干扰电压高、呈现间歇性和时间不确定性等特点，其对埋地管道氢脆性能的影响规律尚不完全清楚，现有基于管材单一力学性能设计的氢脆试验方法而确定的干扰电流安全区间已然无法确保管道安全运行。因此，亟需开发一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法，系统评价干扰电流对管道氢脆性能的影响，综合给出更加合理可靠的干扰电流安全区间，确保管道安全运行。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法，解决现有氢脆试验方法确定的干扰电流安全区间仍然无法确保埋地管道安全运行的问题。
6.本发明提供一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法，所述方法包括：
7.s1，分别对各所述标准拉伸试样、标准冲击试样、标准弯梁试样和标准疲劳试样进行涂封处理，仅暴露各试样的中间区域；
8.s2，分别获取经上述涂封处理的标准拉伸试样在土壤模拟溶液中拉伸后的断面收缩率标准冲击试样在所述土壤模拟溶液中静置预设时间后取出被打击断裂后的冲击吸收能量k0、标准弯梁试样在所述土壤模拟溶液中受到弯曲载荷的裂纹萌生时间t0、标准疲
劳试样在所述土壤模拟溶液中受到循环载荷下的疲劳裂纹扩展门槛值δk
th0
，上述试样均为使用目标管道材质制作，所述土壤模拟溶液均为模拟所述目标管道周围环境土壤的相同配制溶液；
9.s3，分别获取经上述涂封处理后浸置在所述土壤模拟溶液中被施加干扰电流情况下的，其它拉伸条件与步骤s2中相同的所述标准拉伸试样的断面收缩率其它冲击条件与步骤s2中相同的所述标准冲击试样的冲击吸收能量k、其它弯曲载荷加载条件与步骤s2中相同的所述标准弯梁试样的裂纹萌生时间t和其它循环载荷加载条件与步骤s2中相同的所述标准疲劳试样的疲劳裂纹扩展门槛值δk
th
，记录所述干扰电流的密度j；
10.s4，根据断面收缩率和计算所述标准拉伸试样的氢脆敏感系数计算所述标准拉伸试样的氢脆敏感系数根据冲击吸收能量k0和k，计算所述标准冲击试样的氢脆敏感系数f
hk
；根据疲劳裂纹扩展门槛值t0和t，计算所述标准弯梁试样的氢脆敏感系数f
ht
；根据疲劳裂纹扩展门槛值δk
th0
和δk
th
，计算所述标准疲劳试样的氢脆敏感系数f
hδ
；
11.s5，根据氢脆敏感系数f
hk
，f
ht
，f
hδ
和相应的预设氢脆敏感系数f
hk0
，f
ht0
，f
hδ0
，分别评价所述目标管道的氢脆敏感性和安全风险；
12.若氢脆敏感系数与预设氢脆敏感系数不相等、或氢脆敏感系数f
hk
与预设氢脆敏感系数f
hk0
不相等、或氢脆敏感系数f
ht
与预设氢脆敏感系数f
ht0
不相等、或氢脆敏感系数f
hδ
与预设氢脆敏感系数f
hδ0
不相等，则执行步骤s6；
13.若氢脆敏感系数与预设氢脆敏感系数相等，则获取所述目标管道在所述拉伸情况下的干扰电流密度安全区间或当氢脆敏感系数f
hk
与预设氢脆敏感系数f
hk0
相等，则获取所述目标管道在所述打击断裂后的干扰电流密度安全区间jk；或当氢脆敏感系数f
ht
与预设氢脆敏感系数f
ht0
相等，则获取所述目标管道在所述弯曲载荷下的干扰电流密度安全区间j
t
；或当氢脆敏感系数f
hδ
与预设氢脆敏感系数f
hδ0
相等，则获取所述目标管道在所述循环载荷下的干扰电流密度安全区间j
δ
，当上述干扰电流密度安全区间jk，j
t
，j
δ
均已获取，则执行步骤s7；
14.s6，调节干扰电流密度，重复执行步骤s3～s5中关于获取相应值的操作；
15.s7，根据干扰电流密度安全区间jk，j
t
，j
δ
，获取各干扰电流密度安全区间的重叠区间为j0。
16.优选地，氢脆敏感系数分别通过下式计算：
[0017][0018]fhk
＝(k
0-k)/k0，
[0019]fht
＝(t
0-t)/t0，
[0020]fhδ
＝(δk
th0-δk
th
)/δk
th0
。
[0021]
优选地，进行所述涂封处理后，各试样暴露的中间区域面积为0.5～2cm2。
[0022]
进一步优选地，所述干扰电流的电流密度范围为0-200ma/cm2。
[0023]
更进一步优选地，所述拉伸为慢应变速率拉伸，拉伸时应变速率为10-5
～10-7
s-1
。
[0024]
优选地，在获取试样在所述土壤模拟溶液中的断面收缩率和冲击吸收能量
k0和k、裂纹萌生时间t0和t、疲劳裂纹扩展门槛值δk
th0
和δk
th
时，均进行多组平行试验。
[0025]
优选地，根据各氢脆敏感系数和相应的预设氢脆敏感系数，评价所述目标管道的氢脆敏感性和安全风险，包括：
[0026]
当试样的氢脆敏感系数大于相应的预设氢脆敏感系数时，确定所述目标管道的氢脆敏感性为高，表示会因氢脆而发生安全风险；
[0027]
当试样的氢脆敏感系数小于等于相应的预设氢脆敏感系数时，确定所述目标管道的氢脆敏感性为为低，表示不会因氢脆而发生安全风险。
[0028]
优选地，各试样的材料均在同一管材的相同管段取样，且同类型试样的加工工艺和标准均相同。
[0029]
优选地，所述标准冲击试样为v型缺口，所述缺口深度为2mm；所述标准疲劳试样为紧凑拉伸试样。
[0030]
进一步优选地，所述循环载荷的加载波形为正弦波，加载频率为1hz。
[0031]
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
[0032]
本发明提供了一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法，通过试验分别获取各预设氢脆敏感系数f
hk0
，f
ht0
，f
hδ0
对应的干扰电流密度，根据各干扰电流密度分别确定各预设氢脆敏感系数所对应的干扰电流密度安全区间jk，j
t
，j
δ
，根据各干扰电流密度安全区间，确定各干扰电流密度安全区间的重叠区间为j0，即为目标管道最终的干扰电流密度安全区间。本发明试验方法通过在土壤模拟溶液中向使用所述目标管道材质制作的各标准试样施加干扰电流的方式，准确模拟了埋地管道在干扰电流条件下发生氢脆的现场工况条件；通过讨论不同载荷类型下所对应的干扰电流密度安全区间，较系统的讨论了干扰电流对目标管道材料不同性能的氢脆影响；并通过获取不同干扰电流密度安全区间的重叠区间来确定所述目标管道的干扰电流密度安全区间，较全面的考虑了所述目标管道发生氢脆过程中的现场受力情况，从而保证了所述目标管道的干扰电流密度安全区间的可靠性，保障了所述目标管道的安全可靠运行。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0034]
图1为本发明实施方式提供的一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法的流程示意图。
具体实施方式
[0035]
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护
的范围。
[0036]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0037]
除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0038]
请参阅图1，是本发明实施例提供的一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法的流程示意图，包括：
[0039]
s1，分别对各所述标准拉伸试样、标准冲击试样、标准弯梁试样和标准疲劳试样进行涂封处理，仅暴露各试样的中间区域；
[0040]
s2，分别获取经上述涂封处理的标准拉伸试样在土壤模拟溶液中拉伸后的断面收缩率标准冲击试样在所述土壤模拟溶液中静置预设时间后取出被打击断裂后的冲击吸收能量k0、标准弯梁试样在所述土壤模拟溶液中受到弯曲载荷的裂纹萌生时间t0、标准疲劳试样在所述土壤模拟溶液中受到循环载荷下的疲劳裂纹扩展门槛值δk
th0
，上述试样均为使用目标管道材质制作，所述土壤模拟溶液均为模拟所述目标管道周围环境土壤的相同配制溶液；其中标准冲击试样在所述土壤模拟溶液中静置的预设时间通常以天为单位计算，如24h，28h，72h等。
[0041]
s3，分别获取经上述涂封处理后浸置在所述土壤模拟溶液中被施加干扰电流情况下的，其它拉伸条件与步骤s2中相同的所述标准拉伸试样的断面收缩率其它冲击条件与步骤s2中相同的所述标准冲击试样的冲击吸收能量k、其它弯曲载荷加载条件与步骤s2中相同的所述标准弯梁试样的裂纹萌生时间t和其它循环载荷加载条件与步骤s2中相同的所述标准疲劳试样的疲劳裂纹扩展门槛值δk
th
，记录所述干扰电流的密度j；
[0042]
s4，根据断面收缩率和计算所述标准拉伸试样的氢脆敏感系数计算所述标准拉伸试样的氢脆敏感系数根据冲击吸收能量k0和k，计算所述标准冲击试样的氢脆敏感系数f
hk
；根据疲劳裂纹扩展门槛值t0和t，计算所述标准弯梁试样的氢脆敏感系数f
ht
；根据疲劳裂纹扩展门槛值δk
th0
和δk
th
，计算所述标准疲劳试样的氢脆敏感系数f
hδ
；
[0043]
s5，根据氢脆敏感系数f
hk
，f
ht
，f
hδ
和相应的预设氢脆敏感系数f
hk0
，f
ht0
，f
hδ0
，分别评价所述目标管道的氢脆敏感性和安全风险；
[0044]
若氢脆敏感系数与预设氢脆敏感系数不相等、或氢脆敏感系数f
hk
与预设氢脆敏感系数f
hk0
不相等、或氢脆敏感系数f
ht
与预设氢脆敏感系数f
ht0
不相等、或氢脆敏感系数f
hδ
与预设氢脆敏感系数f
hδ0
不相等，则执行步骤s6；
[0045]
若氢脆敏感系数与预设氢脆敏感系数相等，则获取所述目标管道在所述拉伸情况下的干扰电流密度安全区间或当氢脆敏感系数f
hk
与预设氢脆敏感系数f
hk0
相等，则获取所述目标管道在所述打击断裂后的干扰电流密度安全区间jk；或当氢脆敏感系数f
ht
与预设氢脆敏感系数f
ht0
相等，则获取所述目标管道在所述弯曲载荷下的干扰电流密
度安全区间j
t
；或当氢脆敏感系数f
hδ
与预设氢脆敏感系数f
hδ0
相等，则获取所述目标管道在所述循环载荷下的干扰电流密度安全区间j
δ
，当上述干扰电流密度安全区间jk，j
t
，j
δ
均已获取，则执行步骤s7；
[0046]
s6，调节干扰电流密度，重复执行步骤s3～s5中关于获取相应值的操作；
[0047]
s7，根据干扰电流密度安全区间jk，j
t
，j
δ
，获取各干扰电流密度安全区间的重叠区间为j0。
[0048]
预设氢脆敏感系数是根据目标管道实际服役现场工况和对管材性能的设计要求而设定，通常为目标管道许用性能临界值所对应的氢脆敏感系数，这样根据试验确定对应预设氢脆敏感系数的干扰电流密度，进而小于对应预设氢脆敏感系数的干扰电流的密度区间即为目标管道的干扰电流密度安全区间。
[0049]
对各标准试样涂封处理，可以减小各标准试样在土壤模拟溶液中的暴露面积，这样使用较小输入干扰电流，即可实现对试样表面电流密度的较大范围的调整，有利于试验的充分开展，也有利于保障试验结果的准确性。在一具体的实施方式中，可采用绝缘密封层材料将试样中间部分露出一定的暴露区域，具体可用硅胶、环氧树脂、石蜡等，将上述暴露区域浸没在模拟目标管道周围土壤的土壤模拟溶液中。
[0050]
具体地，可在目标埋地管道现场获取土壤样本，在测试土壤样本含水率后将土壤样本烘干，然后研磨成细粉状，按照测试结果的含水率加入去离子水配制溶液即可。
[0051]
具体地，建立干扰电流系统时，将对电极(也叫辅助电极)和经过涂封处理的所述标准试样浸没在土壤模拟溶液中，通过导线将上述试样连接到恒电流源负极，并将所述对电极通过导线连接到恒电流源正极，使标准试样、恒电流源、对电极和土壤模拟溶液串联形成完整闭合电路，开启所述恒电流源可以提供恒定电流，调节所述恒电流源即可调节干扰电流的大小，在试样暴露面积一定的情况下，改变恒电流源输出电流，即可改变试样表面的电流密度，即改变标准试样上的干扰电流密度，同时在标准试样和所述恒电流源之间串联一个时间控制器，通过调节所述时间控制器即可实现干扰电路的定时切断与闭合，从而控制所施加干扰电流的频率。
[0052]
本发明实施例提供的一种确定埋地管道干扰电流安全区间的氢脆试验方法，通过试验分别获取各预设氢脆敏感系数f
hk0
，f
ht0
，f
hδ0
所对应的干扰电流密度，根据各干扰电流密度分别确定各预设氢脆敏感系数所对应的干扰电流密度安全区间jk，j
t
，j
δ
，根据各干扰电流密度安全区间，确定各干扰电流密度安全区间的重叠区间为j0，即为目标管道最终的干扰电流密度安全区间。本发明试验方法通过在土壤模拟溶液中向使用所述目标管道材质制作的各标准试样施加干扰电流的方式，准确模拟了埋地管道在干扰电流条件下发生氢脆的现场工况条件；通过讨论不同载荷类型下所对应的干扰电流密度安全区间，较系统的讨论了干扰电流对目标管道材料不同性能的氢脆影响；并通过获取不同干扰电流密度安全区间的重叠区间来确定所述目标管道的干扰电流密度安全区间，较全面的考虑了所述目标管道发生氢脆过程中的现场受力情况，从而保证了所述目标管道的干扰电流密度安全区间的可靠性，保障了所述目标管道的安全可靠运行。
[0053]
需要说明的是，尽管本发明技术方案中仅列出了拉伸载荷下试样的断面收缩率、冲击载荷下试样的冲击吸收能量、弯曲载荷下试样的裂纹萌生时间、循环疲劳载荷下试样
的疲劳裂纹扩展门槛值，但不排除所属技术领域人员在本发明技术方案的启发下，且在不付出创造性劳动的情况下，运用相同试验类型的其它参数、或其它试验类型的参数为基础，获取与本技术方案效果相同的所述目标管道的干扰电流密度安全区间。
[0054]
在一具体的实施方式中，选用x80管线钢制备成标准拉伸棒，将所述标准拉伸棒两端分别固定在拉伸设备的上下夹紧头上，从而可以将所述拉伸设备提供的拉伸载荷传递到所述标准拉伸棒上，将上述拉伸棒穿过装有土壤模拟溶液的土壤介质箱，即可实现埋地管道土壤环境的模拟。通过调节干扰电路中的时间控制器，设置干扰电流施加频率为每隔5h施加1次，每次施加干扰时间为1h，调节恒电流源使所述标准拉伸棒暴露区域的电流密度为5ma/cm2，设定拉升设备的拉伸应变速率后，在土壤模拟溶液和干扰电流作用下向所述标准拉伸棒施加拉伸载荷直至试样断裂，然后将拉断的拉伸棒从所述拉伸设备夹紧头上取下，用去离子水清洗和吹风机干燥后，通过游标卡尺测试计算其断面收缩率，待计算得出氢脆敏感系数后，若与预设拉伸氢脆敏感系数不同，则需改变干扰电流密度，可将电流密度设定为0ma/cm2，10ma/cm2，15ma/cm2，20ma/cm2，100ma/cm2……
中的一个，然后选用另外的相同x80管线钢制备成的标准拉伸棒继续进行试验，直至获取到与预设拉伸氢脆敏感系数相同的氢脆敏感系数。
[0055]
获取与预设氢脆敏感系数f
hk0
，f
ht0
，f
hδ0
分别对应相同的氢脆敏感系数f
hk
，f
ht
，f
hδ
及对应干扰电流密度的过程与上述开展拉伸试验的过程相同，所不同的是可通过开展与冲击试验、弯曲试验、疲劳循环试验相适应的过程和操作。在一具体的实施方式中，将标准冲击试样紧贴冲击试验机砧座固定，并使试样缺口对称面与两端所述砧座间的中点重合，在常温下锤刃沿试样缺口对称面打击试样缺口的背面，直至试样完全断裂后，从试验机指示装置读取对应的冲击吸收能量；将标准弯梁试样浸没在土壤模拟溶液中，在不施加或施加干扰电流的情况下向标准弯梁试样施加弯曲应力，所述弯曲应力在试样材料屈服强度的50％-90％范围内，在预定的时间间隔(若施加干扰电流则在试验过程中以预定的时间间隔，如每隔24h，切断干扰电流)将标准弯梁试样从土壤模拟溶液中取出，并用去离子水清洗和吹风机干燥后，放在放大镜或显微镜下观察试样表面是否有裂纹产生。若试样表面有裂纹产生，记录从开始试验到被取出的时间，即测试时间，为裂纹萌生时间；若没有裂纹产生，则放回土壤模拟溶液中继续进行没有或有干扰电流下的弯曲试验，直至观察到试样表面有裂纹萌生，记录测试时间；标准疲劳试样的疲劳裂纹扩展门槛值，参照gb/t 6398-2017金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法的标准要求测定。
[0056]
优选地，氢脆敏感系数分别通过下式计算：
[0057][0058]fhk
＝(k
0-k)/k0，
[0059]fht
＝(t
0-t)/t0，
[0060]fhδ
＝(δk
th0-δk
th
)/δk
th0
，
[0061]
其中，和为断面收缩率，无量纲；k0和k为冲击吸收能量，j；t0和t为裂纹萌生时间，h；δk
th0
和δk
th
为疲劳裂纹扩展门槛值，mpa
·m1/2
。
[0062]
优选地，进行所述涂封处理后，所述标准拉伸试样暴露的中间区域面积为0.5～2cm2。将试样的暴露面积缩小有利于在使用较小干扰电流的情况下，即可实现对试样表面
电流密度的较大范围的调整，有利于试验的充分开展。
[0063]
进一步优选地，所述干扰电流的电流密度范围为0-200ma/cm2，此电流密度范围接近现场干扰电流实际情况，在此电流密度范围内进行试验，可避免过大电流密度使材料性能明显恶化。
[0064]
更进一步优选地，所述拉伸为慢应变速率拉伸，以利于施加干扰电流时，让试样表面有足够的时间发生析氢反应，使氢扩散进试样材料分子内，从而改变试样的拉伸性能，以利于评价氢脆性能的准确性。具体拉伸应变速率可设定为10-5
～10-7
s-1
。
[0065]
优选地，在获取试样在所述土壤模拟溶液中的断面收缩率冲击吸收能量k0、裂纹萌生时间t0、疲劳裂纹扩展门槛值δk
th0
和在土壤模拟溶液中被施加干扰电流情况下的断面收缩率冲击吸收能量k、裂纹萌生时间t、疲劳裂纹扩展门槛值δk
th
时，均进行两组及以上的平行试验，通过平行试验判断和排除偏差较大的异常数据，获取正常试验结果，确保试验数据的准确性。
[0066]
优选地，根据各氢脆敏感系数和相应的预设氢脆敏感系数，评价所述目标管道的氢脆敏感性和安全风险，包括：
[0067]
当试样的氢脆敏感系数大于相应的预设氢脆敏感系数时，确定所述目标管道氢脆的敏感性为高，表明在所述目标管道在干扰电流作用下材料性能降低幅度较大，表示在上述氢脆敏感系数对应的载荷下会因氢脆而发生安全风险；
[0068]
当试样的氢脆敏感系数小于等于相应的预设氢脆敏感系数时，确定所述目标管道的氢脆敏感性为为低，表明所述目标管道在干扰电流作用下材料性能降低幅度较小，表示在上述氢脆敏感系数对应的载荷下不会因氢脆而发生安全风险。
[0069]
优选地，各试样的材料均在同一管材的相同管段取样，且同类型试样的加工工艺和标准均相同，以避免因试样自身的差异导致试验数据出现偏差，致使试验结果不准确。
[0070]
优选地，所述标准冲击试样为v型缺口，所述缺口深度为2mm；所述标准疲劳试样为紧凑拉伸试样。
[0071]
进一步优选地，所述循环载荷的加载波形为正弦波，加载频率为1hz。
[0072]
此外，本发明技术方案是通过调节干扰电流密度来获取与预设氢脆敏感系数相同的氢脆敏感系数所对应的干扰电流密度，从而获取所述目标管道的干扰电流密度安全区间，需要说明的是，也可采用仅调节干扰电流频率或类型的类似步骤方法来获取相应的干扰电流频率安全区间或安全干扰电流类型，具体步骤不再详述。其中干扰电流类型有恒定电流、脉冲电流、交变电流(正弦波、锯齿波等)，具体可通过使用不同电流源装置而获得。干扰电流频率通过将干扰电路中的时间控制器设定为不同的通电时宽和断电时宽的方法来改变。
[0073]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。