抗硫化物應力腐蝕試驗方法探究范文

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《寶鋼技術》2016年第3期

摘要:

隨著用于抗硫化物應力腐蝕試驗的鋼材強度等級越來越高，要求加載的載荷值越來越接近材料的名義屈服強度(如要求加載的載荷值/材料的名義屈服強度接近90%～95%)，導致使用傳統(tǒng)應力環(huán)的單軸拉伸裝置在加載時本身存在的系統(tǒng)偏差嚴重影響試驗的結(jié)果。為了解決抗硫化物腐蝕單軸拉伸試驗中的偏差問題，通過試驗測試對比，分析了誤差產(chǎn)生的主要原因以及應對方法，論證了采用測力傳感器在線控制應力環(huán)的加載力可有效減少測量誤差，通過改進應力環(huán)加載試驗的方法可顯著減少試驗彎矩。

關鍵詞:

抗硫化物應力腐蝕;應力環(huán);傳感器;彎矩

1概述

根據(jù)美國防腐工程師協(xié)會(NACE)標準TM0177—2005《在硫化氫環(huán)境下金屬抗硫化物應力腐蝕試驗方法》規(guī)定，當前用于抗硫化物應力腐蝕試驗的單軸拉伸裝置主要分為兩大類，即恒載荷拉伸裝置和持久載荷拉伸裝置。根據(jù)國家標準GB4157—1984《金屬抗硫化物應力腐蝕開裂恒負荷拉伸試驗方法》規(guī)定，其中恒載荷拉伸裝置采用懸掛砝碼或在液力測壓計下維持恒定壓力的靜重力試驗機，其優(yōu)點是載荷容易準確控制，缺點是設備體積大、不適于批量試驗，因此隨著試驗需求量不斷上升，此類設備已退出使用;而持久載荷拉伸裝置則使用彈簧加載或應力環(huán)加載的小型試驗設備，適用于批量試驗，尤其應力環(huán)試驗裝置由于其小巧、便于操作的特點已在世界范圍內(nèi)廣泛使用。隨產(chǎn)品要求的不斷提高和競爭的日益激烈，用于抗硫化物應力腐蝕試驗的鋼材強度等級越來越高，要求加載的載荷值越來越接近材料的名義屈服強度(如要求加載的載荷值/材料的名義屈服強度接近90%～95%)，導致使用應力環(huán)的單軸拉伸裝置在加載時本身存在的系統(tǒng)偏差影響試驗結(jié)果。這些系統(tǒng)偏差主要來源于以下幾個方面:

(1)源于應力環(huán)的力學特性。這類裝置是通過應力環(huán)壓縮變形后產(chǎn)生的反作用力施加到試樣上來實現(xiàn)載荷加載的，每個應力環(huán)的壓縮變形量和產(chǎn)生的力之間有一一對應關系，這一位移—載荷曲線必須通過定期的計量來獲得。即使選取了較為合適的彈性材料制作應力環(huán)，在長期大負荷的反復使用下，應力環(huán)仍然表現(xiàn)出由于材料疲勞導致的位移—載荷曲線偏移。經(jīng)測量，即使在1年的計量周期內(nèi)，最大偏移量也可超過10%(如圖1所示)，若在某一年計量周期的期末仍按照年度位移—載荷曲線計算載荷值，勢必對試驗結(jié)果產(chǎn)生重大影響。雖然可以通過縮短計量周期來減少這一偏差，但會大大增加試驗成本、降低試驗效率。為進一步驗證材料疲勞導致的位移—載荷曲線偏移造成的測量誤差，在臨近計量日期的應力環(huán)中隨機抽取3個應力環(huán)，在力學拉伸試驗機上進行標定，根據(jù)數(shù)據(jù)可知，拉伸機位移和應力環(huán)的位移最大誤差可達8．32%(如圖2所示)。

(2)源于應力環(huán)試驗裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置不具備加載方向上的自動調(diào)心功能，應力環(huán)壓縮后的反作用力通過加載螺母、螺桿和夾頭傳遞至試樣。實際讀取的拉伸載荷值是作用在這一組件上的合值，當組件內(nèi)部連接存在偏差(如螺紋間隙或中心度偏差)或長期使用后應力環(huán)兩側(cè)彈性變形不均勻，易使試樣產(chǎn)生彎矩或扭矩，從而導致試樣局部產(chǎn)生額外載荷，影響試驗結(jié)果。這一現(xiàn)象在NACE2009年的會議論文中有論述［1］，測得的最大偏差值達到了13．8%。通過在試樣上貼應變片測量(如圖3所示)，使用拉伸機進行標定也證實了彎矩的存在。從圖4所示的標定對比試驗數(shù)據(jù)分析，彎矩產(chǎn)生的試樣局部載荷的變化在10%以上，部分數(shù)據(jù)甚至達到30%以上。

(3)源于對載荷的間接測量方法。通過測量應力環(huán)的壓縮位移量，然后對照位移—載荷曲線表，使用插入法或擬合法計算實際載荷，這一過程易引進兩個偏差:一是壓縮位移測量偏差。即使使用高精度的千分卡尺和專門定位工具，由于應力環(huán)本身不是由耐腐蝕材料制造，其測量表面極易出現(xiàn)不同程度的銹蝕導致測量面不平整，影響實際測量的準確度;同時人工操作和讀數(shù)的偏差也會被帶入。二是載荷的計算偏差。插入法或擬合法只能得到近似值，要提高精度就需要大量增加計量點，從而大幅度提高計量成本。

2試驗方法改進

為了解決抗硫化物腐蝕單軸拉伸試驗中的上述問題，使其既能滿足批量試驗的需求，又能確保試驗的加載準確性和操作便利性，改進了原抗硫化物應力腐蝕的試驗方法，采用安裝在試樣一端的軸銷型載荷傳感器直接檢測施加在試樣上的載荷值，測量值由與傳感器相連接的二次儀表讀出［2］。

2．1直接測載荷力

在傳統(tǒng)應力環(huán)抗硫化物應力腐蝕試驗裝置(如圖5所示)基礎上，可以通過軸銷式載荷傳感器(如圖6所示)記錄或監(jiān)控完整的、連續(xù)的載荷—時間曲線，也可將電信號接入自動加載控制裝置或遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對試驗過程的載荷控制、數(shù)據(jù)記錄和實時監(jiān)控。使用圖6應力環(huán)結(jié)構(gòu)加載時，利用專用工具從頂部緩慢旋轉(zhuǎn)加載力螺母，同時監(jiān)控軸銷式載荷傳感器的輸出信號值，直至測得的實際載荷值為預定加載值。在試驗全過程中，可以通過軸銷式載荷傳感器監(jiān)控加載至試樣端的載荷值，而不再僅依靠測量應力環(huán)的壓縮位移量，然后對照年度計量的位移—載荷曲線表換算成載荷值。相對傳統(tǒng)應力環(huán)加載裝置，新應力環(huán)裝置增強了試驗的加載準確性。通過3次對軸銷傳感器的標定試驗，可得出結(jié)論:軸銷傳感器的輸出與標準輸出誤差控制在1%以內(nèi)(如圖7所示)，且連續(xù)加載240h輸出數(shù)據(jù)無漂移。相比傳統(tǒng)應力環(huán)試驗裝置，加裝軸銷傳感器的應力環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:①載荷值直接讀取，不需要經(jīng)過位移—載荷轉(zhuǎn)換，避免了位移—載荷曲線偏移造成的偏差和間接測量引進的偏差;②載荷測量點更接近試樣，減少了載荷傳遞環(huán)節(jié)多而造成的測量值與實際值的偏差;③具備載荷電信號輸出功能，為全程監(jiān)測載荷值或?qū)崿F(xiàn)載荷自動控制加載提供手段。

2．2減少試驗彎矩

通過現(xiàn)場分析，影響當前試樣產(chǎn)生彎矩的主要原因有:①預裝時連接螺紋是否留有余量，上下試樣安裝螺紋處的間隙過緊也會產(chǎn)生較大彎矩。②上下夾具的加工精度及其安裝配合位置(相對角度)。針對以上原因，制定了以下三種試驗方法以找出減少試驗過程中試樣彎矩的對策，采集了試樣上、中、下部3個位置同一高度左右應變片的應力值差百分比，結(jié)果見表1。對比以上數(shù)據(jù)，為最大限度地減少彎矩，制定了抗硫化物應力腐蝕試樣加載的標準試驗方法:①四處安裝螺紋處必須預留調(diào)整用的間隙(松1圈螺紋左右);②上下夾具必須成對使用，裝配時按最佳對中位置安裝(上下夾具做記號)。

3結(jié)語

應力環(huán)材料疲勞是一個連續(xù)動態(tài)的過程，每年1次的計量無法滿足施加載荷力的精度要求。另外，由位移—載荷曲線換算力值易引入位移測量與載荷力計算的誤差。采用安裝在試樣一端的軸銷型載荷傳感器可以直接檢測施加在試樣上的載荷值，并且改進試樣加載操作方法可有效減小誤差，實現(xiàn)抗硫化物應力腐蝕試驗的精確加載。

參考文獻：

［2］黃仲嬰，袁鵬斌，陶延記，等．硫化物應力腐蝕開裂試驗應力環(huán)載荷的測量及標定［J］．理化檢驗(物理分冊)，2010，46(3):183－185．

［3］鮮寧，劉道新，姜放，等．應力環(huán)與慢拉伸加載噴丸強化X80鋼的SCC行為［J］．石油機械，2008，36(4):18－21．

作者:張婷婷 陸春輝 單位:寶山鋼鐵股份有限公司研究院