國內外應力環測試設備的發展與現狀

趙帥 畢雅萱

（鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030）

眾所周知，金屬材料的失效形式主要是摩擦、腐蝕和斷裂三種方式。而金屬零件在成型及使用過程中不可避免地受到各種因素影響而產生應力，如切削加工的殘余應力，受冷熱沖擊、外載荷作用而產生的內應力等。當零件受到應力不超過許用應力，零件一般不會失效；但是當零件在不同的工況條件下使用時，受到環境因素（如潮濕、酸性、堿性、海水等）影響會產生腐蝕現象，在應力和腐蝕的雙層因素作用下，零件會產生應力腐蝕裂紋而加速失效，從而影響零件和設備的正常使用。

1 應力環設備的應用范圍

早在20 世紀50 年代，暴露于油田環境中的材料所產生的硫化氫應力腐蝕（SSC）就被公認為是一種材料破壞問題，如煉油裝置中的一些零件在高溫下會產生SCC 現象。根據實驗數據和實際經驗表明，濃度很低的H2S 也會導致敏感材料的SSC 破壞；在一些情況下，H2S 可能與氯化物協同作用產生腐蝕和開裂的SCC現象。除高低溫硫化氫環境中產生的SCC、SSC 破壞，硫化氫處于酸性環境中還可能存在其他類型破壞，如氫鼓泡、氫致裂紋（HIC）、坑蝕等。例如，氫脆（HE）引起的室溫下SSC 破壞[1-2]；鋼材質的管道、壓力容器在潮濕硫化氫環境下吸氫腐蝕而產生開裂等[3]。

在實驗室條件下的應力腐蝕破壞形式主要是：

1.硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）：硫化氫產生的氫原子通常會首先滲透到零件的內部，溶解于金屬晶格中，導致零件脆性，當在外加拉應力或殘余應力作用下形成腐蝕開裂。其應力腐蝕開裂通常發生于金屬>焊縫與熱影響區的高硬度區。

2.氯化物應力腐蝕開裂：開裂由Cl-誘發產生，S2-的存在對Cl-有促進作用，加速金屬的腐蝕。

3.氫致開裂（HIC）：通過分析低合金高強度鋼在濕硫化氫環境中開裂機理的研究，濕硫化氫引起的氫致開裂一般有以下幾種形式：（1）氫鼓泡（HB）鋼材在硫化氫腐蝕作用下，在表面的水分子中產生大量氫原子，析出的氫原子與鋼材內部反應，在缺陷部位（如蝕坑、位錯、雜質、夾雜界面等）聚集，結合成氫分子。與氫原子相對，氫分子所占據的空間為原來的20倍，因此導致鋼材內部形成很大的內壓，即鋼材內部產生的內應力，使得鋼材的脆性增加。當內部壓力達到103MPa～104MPa（10.4atm～10.5atm）時，引起晶界面開裂，在金屬內部形成氫鼓泡。這種現象發生于鋼中夾雜物與其他的冶金不連續處，且氫鼓泡的發生并不需要外加應力，經常分布平行于鋼板表面。（2）氫致開裂（HIC）在發生氫鼓泡的鋼內部區域，隨著氫的壓力進一步增高，小的鼓泡裂紋趨向于相互連接，從而形成有階梯狀特征的氫致開裂。鋼中硫化錳的夾雜，也增加了HIC 的敏感性，且HIC 的發生也不需要施加外應力。（3）應力導向氫致開裂（SOHIC）在應力作用下，在夾雜物與缺陷處區域，因氫聚集而導致成排的小裂紋形成，沿著垂直于應力的方向發展，即向壓力容器與管道的壁厚方向發展。SOHIC 常發生在焊接接頭的熱影響區及高應力集中區。應力集中常為應力腐蝕裂紋或裂紋狀缺陷所引起。

因此，硫化氫環境下的應力環測試系統，能夠在實驗室對石油管道、壓力容器等材料進行相應的EC 試驗，更加簡便、有效地了解材料的抗EC 能力[4]。此外，應力環測試設備還可以獲取航空航天、海運船舶、食品加工、焊接密封等各類材料在各種酸、堿腐蝕環境下的腐蝕效應數據，并能準確反應材質的抗載荷能力[5]，為改進各種專業和特殊金屬材料提供科學依據，對于開發更高強度、抗EC 的材料具有重要意義。

2 國外應力環設備的發展現狀

美國CORTEST 應力環測試系統[6]（PROOF RING TEST SYSTEM）自1977 年NACE TM 01-77 頒布以來，已成為標準工業產品。CORTEST 應力環是為滿足NA CE標準而專門設計的，針對性高，并選用優質特種材料，正常情況下可以無數次地反復使用。

CORTEST 應力環測試系統結構，如圖1 所示，主要包括：應力環、耐熱有機玻璃容器、高溫容器、12.6型溫度控制器、定時控制器、氣體分配器等，能夠實現恒應力拉伸試驗、高溫蠕變試驗和1/2CT 試樣裂紋生長速度測量試驗。具有以下特點：符合NACE TM 01-77 試驗規范；載荷范圍寬，最大0MPa～1700MPa；載荷線性度≥0.9999；彈性形變還原性高，保證5 年內誤差小于2%；第三方權威機構校正并出具報告；PLC自動定時系統，可靠性高。

圖1 CORTEST 應力環測試系統

該公司還開發了40 通道集成式應力環測試系統，專門針對冶金、石油等大規模應用領域而開發的產品。作為一種一體化設計系統，省去了用戶為應力環配置實驗室外圍設備的諸多繁雜工作。該系統由溫控式應力環、氣體控制單元、定時控制單元、溫度控制單元、計算機數據處理系統、循環水系統、H2S檢測/報警裝置、通風試驗櫥柜等部分組成。具有準確性、長期穩定性、安全性、便利性等特點。在應力腐蝕檢驗方面發揮著重要的作用，在國際市場具有廣泛的應用。

芬蘭Cormet 公司是歐洲最主要的腐蝕試驗室儀器生產商，其生產的應力環應用于圓棒試樣測試的恒載荷設備[7]，主要用于檢測應力腐蝕、硫應力腐蝕和氫腐蝕，常用于研究金屬件在單向拉伸載荷作用下的抗腐蝕性能。通過對拉伸試樣加載特定的應力來判斷該試樣是否符合標準，判斷依據可以用失效時間來定量判斷。這種設備基于國際標準NACE-TM0177-2005《H2S 環境中金屬 抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的室內試驗》中的測試方法A 設計制造。載荷范圍：10kN～20kN；20kN～38kN，載荷傳感器：實時顯示載荷力，分辨率為1N。應力環帶有溫度控制配件，冷卻、加熱循環系統，通過試驗池內的哈氏合金管路進行熱傳遞，試驗池內裝有溫度傳感器，時刻監測池內溫度。

3 國內應力環設備的發展現狀

目前，國產應力環測試系統還未發現有大規模生產、應用，具有硫化氫應力腐蝕檢測業務第三方檢測機構大多采用國外應力環。根據NACE TM 01-77 和GB/T 4157-2006 可知，應力腐蝕是一個較為緩慢過程，以上標準是苛刻的加速試驗方法；對環境條件、試劑純度、試驗容器和相關裝置有著較高的要求，針對不同被測材料的性能和影響因素其試驗方法、評價方式也不盡相同，要求試驗設備要有針對性。但我國企業和高校近年來對于硫化氫環境下的應力腐蝕的原理（如電化學腐蝕）、慢應變加載及載荷、變形測量、系統開發也進行了大量研究，并取得了一定的成果，具有一定的指導意義。

寶山鋼鐵股份有限公司[8]自主開發了一款應力環，該產品用于高溫高壓含有毒有害氣體環境恒載荷應力腐蝕試驗，采用高合金不銹鋼，不同溫度下的載荷線性度大于0.98；產品尺寸：軸向厚度5mm～35mm，內徑40mm～100mm，壁厚5mm～15mm。該公司與上海寶山工業檢測公司分別對應力環加載過程中試樣的定位和防扭轉進行了研究，并提出了相應的解決方案。

在此基礎上，寶山鋼鐵股份有限公司又進行了新的機構改進[9]，在對油井管材質試樣實施硫化物應力腐蝕開裂試驗時，無須頻繁地抽取試驗罐中的試驗溶液來做測試，只需通過筆記本電腦觀察溶解氧電極、硫化氫電極、pH 值電極和溫度電極測得的數據即可。這樣在試驗過程中，試驗罐始終處于封閉狀態，從而避免了試驗罐中的試驗溶液與外部空氣接觸，使得試驗溶液成分不會受外部空氣的影響，進而保證了試驗結果的準確性。同時也保證了試驗罐內有足夠的試驗溶液和試驗結果的準確性。另外，由于無須人工抽取試驗溶液，從而大大降低了試驗人員接觸試驗溶液中的有毒硫化氫氣體的概率，有效保障了試驗人員的人身安全。

上海百若試驗儀器有限公司研發的BPR-20 應力環測試系統[10]，主要應用于苛刻環境下的應力腐蝕試驗，可準確了解材料的抗載荷能力，能夠為研究各專業材料和特殊金屬材料提供科學依據。該設備主要由底座、撓度測量裝置、應力環、試驗釜、溫度及定時控制器等部件組成，如圖2 所示，具有結構精巧、線性度高、加載穩定準確、實驗數據可靠、使用壽命長等特點。能夠滿足試驗對環境條件、試劑純度、試驗容器及相關配置的要求，其載荷線性度高≥99.95%；環體彈性形變還原性高，可長時間使用誤差小于2%。

圖2 BPR-20 應力環測試設備

上海交通大學的研究人員設計研發了應力環自動加載裝置[11]，通過控制步進電動機帶動同步帶傳動機構將動力傳遞到滾珠絲杠螺母并驅動滾珠絲杠轉動，使加壓套件與應力環接觸并保持此狀態不變。滾珠絲杠螺母繼續驅動溜板及壓力傳感器向下運動，直至壓力傳感器與加壓套件相接觸，并對應力環施加載荷。該機構能夠加載負荷0kN～40kN，實現了抗硫化氫腐蝕測試的壓力環自動化加載，具有加載快速平穩、定位準確、可靠性高、省時高效、實用性強等特點，可以滿足一系列抗硫化氫應力腐蝕測試的壓力環加載需要。

4 總結

應力腐蝕開裂試驗是鋼鐵、管道生產企業必須進行的一種試驗，用于驗證所生產產品對硫化物的敏感程度，對生產企業安全、經濟都有著十分巨大的影響。因此，開發高精度應力環測試系統裝置，擺脫我國對國外設備和技術的依賴，提高應力環測試系統設備國產化率，對我國制造業轉型升級具有重要意義。