持久載荷應(yīng)力腐蝕測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

張　強(qiáng)，　孔韋海，　劉　燕，　萬(wàn)　章，　費(fèi)勤楠，　胡　盼

（1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031；2.國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031；3.安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

持久載荷應(yīng)力腐蝕測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

張強(qiáng)1，2，3，孔韋海1，2，3，劉燕1，2，3，萬(wàn)章1，2，3，費(fèi)勤楠1，2，3，胡盼1，2，3

（1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031；2.國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031；3.安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

針對(duì)原有應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)設(shè)備載荷測(cè)量不準(zhǔn)確、加載過(guò)程易產(chǎn)生附加彎矩等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造出一種基于LabVIEW的持久載荷應(yīng)力腐蝕測(cè)試系統(tǒng)，由持久載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。通過(guò)變更測(cè)量物理量實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中載荷的準(zhǔn)確施加與計(jì)量，采用類似萬(wàn)向聯(lián)軸器式的鉸接連接消除加載過(guò)程中容易產(chǎn)生的附加彎矩。試驗(yàn)結(jié)果表明：該持久載荷應(yīng)力腐蝕測(cè)試系統(tǒng)完全滿足NACE TM0177——2005標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 4157——2006標(biāo)準(zhǔn)中拉伸試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求，利用數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與試驗(yàn)過(guò)程的全監(jiān)控，保證試驗(yàn)的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

應(yīng)力腐蝕；持久載荷；測(cè)試系統(tǒng)；LabVIEW

0　引　言

應(yīng)力腐蝕對(duì)金屬材料具有極大的破壞性，其開裂速度極快，常常在沒(méi)有任何預(yù)兆的情況下突然失效造成災(zāi)難性事故，損失巨大［1-2］。隨著含硫油氣田的開發(fā)和進(jìn)口高硫原油加工量的不斷增加，濕硫化氫環(huán)境腐蝕破壞已經(jīng)滲透到石油天然氣的鉆采、儲(chǔ)運(yùn)和加工等環(huán)節(jié)中，越來(lái)越多的碳鋼、低合金鋼設(shè)備、壓力容器和管道都需要對(duì)材料進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)［3-4］。

抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)主要有拉伸法、彎曲法和斷裂力學(xué)等方法，其中拉伸法應(yīng)用最為廣泛，實(shí)驗(yàn)室常用的試驗(yàn)裝置主要有恒載荷試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)力環(huán)［5］，如圖1所示。恒載荷試驗(yàn)機(jī)主要依據(jù)杠桿原理，利用砝碼實(shí)現(xiàn)在試樣上施加一個(gè)恒定的拉伸載荷，裝置占用空間大，然而砝碼處在試驗(yàn)室腐蝕環(huán)境中，極易受到腐蝕，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)力環(huán)則是通過(guò)壓縮應(yīng)力環(huán)使其發(fā)生彈性變形，以實(shí)現(xiàn)在試樣上產(chǎn)生拉伸載荷。它通過(guò)特殊的工藝技術(shù)條件使得應(yīng)力環(huán)在反復(fù)使用過(guò)程中變形量與施加的載荷滿足99.99%的線性關(guān)系，但國(guó)內(nèi)材料很難達(dá)到這樣的技術(shù)指標(biāo)，這也是應(yīng)力環(huán)的技術(shù)壁壘所在。原因如下：1）實(shí)際操作時(shí)需要通過(guò)測(cè)量應(yīng)力環(huán)的變形量計(jì)算施加在試樣上的應(yīng)力，由于應(yīng)力環(huán)變形量很小，造成測(cè)量相對(duì)誤差很大，進(jìn)而影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；2）應(yīng)力環(huán)各部位通過(guò)螺紋連接，在施加載荷時(shí)，若試樣與加載的夾具不同軸，試樣上就會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，不同軸現(xiàn)象越明顯，附加彎矩越大，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響也越大；3）試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力環(huán)的變形會(huì)降低，但這種變形不易測(cè)量，使試驗(yàn)人員無(wú)法了解試驗(yàn)過(guò)程中試樣的狀態(tài)；4）整套裝置及其配件全部依賴進(jìn)口，價(jià)格高昂，使用一段時(shí)間后，對(duì)應(yīng)力環(huán)的校準(zhǔn)也是一大難題［6］。

圖1　恒載荷試驗(yàn)機(jī)與應(yīng)力環(huán)

本文課題的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，綜合運(yùn)用機(jī)械、物理、電子和自動(dòng)化技術(shù)，設(shè)計(jì)制造出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的持久載荷應(yīng)力腐蝕測(cè)試系統(tǒng)，在縮減試驗(yàn)裝置體積和成本的同時(shí)保證試驗(yàn)裝置加載精確、操作簡(jiǎn)單，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)狀態(tài)，及時(shí)報(bào)警。

1　方法與原理

如圖2所示，研制的持久載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置主要包括裝夾機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)和試驗(yàn)容器，通過(guò)壓縮試驗(yàn)裝置來(lái)產(chǎn)生持久載荷，但不需要明確材料的變形量與施加載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)載荷的表征不依賴裝置的變形量，而是通過(guò)載荷傳感器來(lái)表征施加的載荷，這樣既降低了裝置對(duì)材料的要求，又實(shí)現(xiàn)了載荷的準(zhǔn)確測(cè)定。

圖2　持久載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)容器主要用于盛放試驗(yàn)介質(zhì)，為試樣提供一個(gè)腐蝕環(huán)境。試驗(yàn)時(shí)將加工好的待測(cè)試樣置于盛放試驗(yàn)介質(zhì)的容器中，裝夾機(jī)構(gòu)將待測(cè)試樣和容器固定，并與加載機(jī)構(gòu)連接，將容器固定于支撐機(jī)構(gòu)中，而后通過(guò)加載機(jī)構(gòu)對(duì)試樣施加指定的載荷。為消除加載過(guò)程中由于同軸度問(wèn)題在試樣上形成附加的彎矩，裝夾機(jī)構(gòu)的上部分與載荷施加端采用類似萬(wàn)向聯(lián)軸器式的鉸接連接，從而增加了試驗(yàn)試樣在X、Y方向的自由度，使得試樣在加載過(guò)程中可以發(fā)生微動(dòng)，以便消除加載過(guò)程中在試樣上產(chǎn)生的附加彎矩。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由載荷傳感器、計(jì)算機(jī)及相關(guān)控制軟件組成，軟件采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW軟件編寫，可實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的高速采集、處理、存儲(chǔ)、顯示等功能［7-8］。控制軟件接收來(lái)自載荷傳感器的信號(hào)，轉(zhuǎn)化后進(jìn)行存儲(chǔ)并將多次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)繪制成圖表，以此實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試樣試驗(yàn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，軟件界面如圖3所示，左邊區(qū)域顯示試樣的實(shí)時(shí)載荷，右邊區(qū)域顯示根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制的載荷曲線。

圖3　持久載荷應(yīng)力腐蝕測(cè)試系統(tǒng)軟件界面

2　測(cè)試系統(tǒng)的校驗(yàn)與試驗(yàn)檢驗(yàn)

為了檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等性能，并檢驗(yàn)設(shè)備是否符合NACE TM 0177——2005 Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments和GB/T 4157——2006《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》對(duì)試驗(yàn)裝置的要求［6，9］，對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了多點(diǎn)校核，校核結(jié)果如表1所示。由校核結(jié)果可知，測(cè)試系統(tǒng)示值的相對(duì)誤差最大僅為0.07%，表明該持久載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置的載荷施加精度很高，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)載荷誤差不能超過(guò)1.0%標(biāo)定載荷的要求。對(duì)照NACE TM 0177——2005、GB/T 4157——2006標(biāo)準(zhǔn)拉伸法對(duì)試驗(yàn)裝置的要求，本文研制的持久載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置能夠?yàn)樵嚇犹峁└g環(huán)境和持久拉伸載荷，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

表1　持久載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置載荷校核結(jié)果

為檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際使用性能，采用抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)材料取自某鋼廠生產(chǎn)的Q245R鋼板，材料的成分如表2所示。金相組織如圖4所示，其組織為等軸的鐵素體基體上分布著呈條狀排列的珠光體，并伴有一些球狀?yuàn)A雜，如圖中白色箭頭所指，晶粒呈等軸狀，晶粒尺寸為10～45μm，硬度約為156.6HV。

圖4　Q245R金相組織

表2　Q245R的化學(xué)成分　wt%

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在試塊上取樣并加工兩組試樣，加載應(yīng)力為80%SMYS（SMYS指材料的名義屈服強(qiáng)度），第1組試樣采用會(huì)產(chǎn)生附加彎矩的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，第2組試樣采用本文研發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，其他試驗(yàn)條件完全相同，對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示。

表3　對(duì)比試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果

由表可知，第1組試樣發(fā)生斷裂時(shí)間較短，第2組試樣發(fā)生斷裂時(shí)間較長(zhǎng)，其壽命約為第1組的兩倍，所以附加彎矩的存在會(huì)加速試樣的斷裂，影響對(duì)材料性能的評(píng)判。

圖5所示為試樣斷裂前后照片，對(duì)比圖5（b）和圖5（d）可知，第2組試驗(yàn)后試樣表面出現(xiàn)多條裂紋，分布趨于均勻，而第1組試樣僅存在少量裂紋，結(jié)合試樣的斷裂壽命，說(shuō)明第1組試樣裂紋形成后擴(kuò)展迅速。第2組試樣試驗(yàn)過(guò)程中載荷變化如圖6所示。由圖可知抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試樣裂紋的萌生也存在一個(gè)孕育期，孕育期的長(zhǎng)短與材料的性質(zhì)、載荷的大小有關(guān)，在孕育期內(nèi)載荷會(huì)出現(xiàn)緩慢下降的現(xiàn)象，當(dāng)裂紋萌生后，載荷會(huì)出現(xiàn)大幅下降，當(dāng)載荷下降引起應(yīng)力下降的幅度大于由于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致應(yīng)力上升的幅度時(shí)，試樣工作段的實(shí)際應(yīng)力會(huì)降低，裂紋擴(kuò)展速率會(huì)降低甚至鈍化；當(dāng)載荷下降引起應(yīng)力下降的幅度小于由于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致應(yīng)力上升的幅度時(shí)，試樣工作段的實(shí)際應(yīng)力會(huì)增加，裂紋擴(kuò)展速率會(huì)增大，最后試樣發(fā)生脆斷［10］。

圖5　試樣試驗(yàn)前后照片

圖6　第2組試樣試驗(yàn)過(guò)程中載荷曲線

第1組試樣在受到拉力F1作用時(shí)由于同軸度等原因會(huì)在試樣上形成附加彎矩M，彎矩M會(huì)使試樣的左右兩側(cè)產(chǎn)生附加載荷F2與F3，且F2與F3的方向相反，如圖7所示，而試樣橫截面處的載荷為F1與F2或F3的合力，F(xiàn)1與F2方向相同，造成試樣左側(cè)實(shí)際所受載荷大于理論計(jì)算的載荷，這不僅使裂紋的孕育期縮短，還會(huì)增加裂紋的擴(kuò)展速率，進(jìn)而縮短試樣的試驗(yàn)壽命。因而在評(píng)判材料抗應(yīng)力腐蝕開裂性能時(shí)，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，該附加彎矩必須予以消除［11-12］。

圖7　試樣受力示意圖

如圖8所示，本文研制的試驗(yàn)裝置在載荷傳遞處采用了類似萬(wàn)向聯(lián)軸器式的鉸接連接，增加了試樣在X和Y方向的自由度，使試樣可在XOZ平面和YOZ平面自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)試樣受到拉力時(shí)，若有附加彎矩存在，鉸接連接處會(huì)在彎矩的作用下自動(dòng)發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，使載荷沿試樣軸向傳遞，從而可以有效消除加載過(guò)程中由于同軸度等原因在試樣上形成的附加彎矩，保證試驗(yàn)加載的準(zhǔn)確性。

圖8　鉸接連接受附加彎矩時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)過(guò)程中載荷信息，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明當(dāng)試驗(yàn)載荷下降到3%時(shí)，表明試樣表面可能已經(jīng)萌生了裂紋，當(dāng)試驗(yàn)載荷下降到5%時(shí)，基本可以肯定試樣表面已經(jīng)萌生了裂紋。若試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是試樣表面不能有裂紋，當(dāng)試驗(yàn)載荷下降到5%時(shí)便可以終止試驗(yàn)，因此通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)狀態(tài)的監(jiān)控可以大大縮短試驗(yàn)時(shí)間。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研制的持久載荷應(yīng)力腐蝕測(cè)試系統(tǒng)，主要針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝備載荷施加不準(zhǔn)確、施加過(guò)程中可能產(chǎn)生附加彎矩和不能實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)狀態(tài)等不足而研發(fā)設(shè)計(jì)。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：

1）變更測(cè)量的物理量，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)載荷的準(zhǔn)確計(jì)量。2）載荷施加端和試樣之間采用類似萬(wàn)向聯(lián)軸器式的鉸接連接，增加試樣的自由度，消除加載過(guò)程中產(chǎn)生的附加彎矩。3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與試驗(yàn)過(guò)程的全監(jiān)控。4）相關(guān)控制軟件采用基于LabVIEW編程環(huán)境編寫，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，其分析結(jié)果簡(jiǎn)單、明了，試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出后可與其他設(shè)備進(jìn)行交流與共享。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及性能完全滿足NACE TM0177——2005標(biāo)準(zhǔn)和GB/T4157——2006標(biāo)準(zhǔn)中拉伸試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求，且操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，同時(shí)具有良好的人機(jī)溝通能力。

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（編輯：劉楊）

The study and application of sustained-load stress corrosion test system

ZHANG Qiang1，2，3，KONG Weihai1，2，3，LIU Yan1，2，3，WAN Zhang1，2，3，F(xiàn)EI Qinnan1，2，3，HU Pan1，2，3
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China；2.National Safety Engineering Technology Research Center for Pressure Vessels and Pipelines，Hefei 230031，China；3.Anhui Safety Engineering Technology Laboratory for Pressure Vessels and Pipelines，Hefei 230031，China）

A new sustained-load stress corrosion test system based on LabVIEW was designed and manufactured to overcome the disadvantages of old stress corrosion test equipment，such as load measurement inaccuracies and easy to produce additional bending moment.It was comprised of sustained-loadstresscorrosiontestequipmentanddataacquisitionsystem.Theequipment achieved the accurate measurement of the load by changing the measured physical quantity，and the hinge joint which is similar to universal coupling is used to eliminate the additional bending moment during loading.Tests indicated that the system was completely in accordance with the requirements of tensile testing method on test equipment in NACE TM0177——2005 and GB/T 4157——2006standard， andthedataacquisitiondevicerealizedthetestdataautomatic acquisition and full monitoring of testing process，which ensure the scientificity and accuracy of the test.

stress corrosion；sustained-load；test system；LabVIEW

A

1674-5124（2016）06-0085-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.019

2016-01-10；

2016-02-27

合肥通用機(jī)械研究院青年基金（2015010432）

張強(qiáng)（1987-），男，安徽合肥市人，助理工程師，碩士研究生，主要從事材料腐蝕方向的研究工作。