（材料学专业论文）高压天然气气瓶用钢在湿硫化氢环境中的腐蚀疲劳性能研究.pdf

摘要 摘要 在石油及天然气行业中，硫化氢的应力腐蚀及腐蚀疲劳问题，严重影响着 石油管道以及天然气气瓶的安全运行。为了保证天然气气瓶的安全运行，就需 要确定气瓶的最大允许缺陷尺寸，并制定相应的检验周期。本文根据气瓶的实 际工况，重点研究了高压天然气气瓶用s a 3 7 2 e 7 0 钢在高浓度硫化氢环境中的 临界应力强度因子k i s c c 大小，以及该材料在不同频率、应力比和硫化氢浓度下 的低周腐蚀疲劳性能。为含缺陷的高压天然气容器安全性的评定和气瓶检测标 准的制定提供实验依据。 本文采用螺栓加载法，对改进型w o l 试件进行高浓度硫化氢介质中l 临界 1 应力强度因子k i s c c 的试验。在此试验前，先进行了空气中应力强度因子的试验， 为k i s c c 试验确定加载等级提供依据。 为了解决硫化氢环境中的低周腐蚀疲劳实验的难题，本文对实验室现有的 1 5 2 试验机进行了改造，自行设计了测定疲劳裂纹扩展速率装置，实现了硫化 氢环境中疲劳裂纹扩展情况的时时监测及采集。模拟天然气气瓶的实际工况， 所用频率为f = 0 0 0 6 7 h z 和f = 0 0 0 3 3 h z ，应力比分别为r = 0 6 和o 1 ，硫化氢浓 度2 3 0 0 x 1 0 6 和2 0 0 x 1 0 币。实验过程中，利用计算机自动采集系统，时时采集载 荷p 及裂纹张开口位移值v ，用柔度方程求试样每瞬时裂纹长度a 。再通过七 点增量递增多项式拟合法，得出了疲劳裂纹扩展速率d a d n 与应力强度因子变 化幅a k 的关系曲线以及数学表达式。 根据所得的d a d n a k 曲线以及裂纹扩展速率表达式，讨论了频率，应力 比及h 2 s 浓度对s a 3 7 2 e 7 0 钢裂纹扩展速率的影响，结果表明，随频率的降低， 裂纹扩展速率增加，应力比的增大也会使裂纹扩展加快，同时，h 2 s 浓度的增 加，也会使裂纹扩展速率成增大趋势，但硫化氢浓度的影响不是很大。 利用扫描电镜( s e m ) 及能谱e d s 对不同条件下的腐蚀疲劳断口微观形貌 及断口上的产物进行了分析，并就s a 3 7 2 e 7 0 钢在硫化氢环境中的腐蚀疲劳裂 纹的扩展机理进行了初步的探讨。能谱分析结果表明，断口上的腐蚀产物主要 为f e s ，是硫化氢对金属的腐蚀所致。断口形貌分析结果，在裂纹扩展区断口 北京工业大学工学颂士学位论文 平齐，腐蚀疲劳裂纹扩展是以解理为主的脆性开裂，s a 3 7 2 e 7 0 钢在h 2 s 溶液 中的腐蚀疲劳裂纹扩展的机制为阳极溶解和氢脆，但阳极溶解起主要的作用。 根据本实验所得到的s a 3 7 2 e 7 0 钢的临界应力强度因子k 。值，以及裂纹 扩展速率d a d n 的结果，采用2 0 0 1 版a s m e 规范中的逆推法，得出了不同裂 纹形状不同检验周期内的初试允许裂纹尺寸范闺。 关键词硫化氢环境；腐蚀疲劳；应力强度因子：裂纹扩展速率 a b s t r a c t a b s t r a c t i n o i la n dg a si n d u s t r y 。t h es t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n ga n dc o r r o s i o nf a t i g u eo fh y d r o g e n s u l f i d e ( h 2 s ) i ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h es a f eo p e r a t i o no fp i p e l i n ea n dv e s s e l s t oe n s u r et h es a f e r u n n i n go fg a sv e s s e l ，i ti sn e c e s s a r yt od e f i n et h eb i g g q s ta l l o w e dc r a c k sl e n g t h , a n de s t a b l i s h t h es t a n d a r do fc h e c k i n gc y c l e b a s e do nt h ev e s s e ls e r v i c ec o n d i t i o n s ，t h i sp a p e r 。s r a d yt h e t e s t i n go fc r i t i c a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o rk x s c ci nh i 【曲c o n c e n t r a t i o nh 2 ss o l u t i o n ，a n dc o r r o s i o n f a t i g u ep r o p e r t i e sa td i f f e r e n tf r e q u e n c i e s ，s t l c s sr a t i oa n dt h ec o n c e n t r a t i o no f h 2 si nl o wc y c l e o fs a 3 7 2 e 7 0s t e e lu s e df o rh i g h - p r e s s u r eg a sv e s s e l t h i sr e s u l t ss u p p l ye x p e r i m e n t a le v i d e n c e f o re v a l u a t i n gt h es a f e t yr u n n i n go fh i g hp r e s s u r eg a sv e s s e lw i t hd e f e c t sa n de s t a b l i s h i n gt h e i n s p e c t i n gs t a n d a r d s t h eb o l tl o a d i n gi su s e dt ot e s tc r i t i c a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o rk y s c ci nh i 【g hc o n c e n t r a t i o n h y d r o g e ns u l f i d es o l u t i o n ，t h es a m p l e si sm o d i f i e dw o ls p e c i m e n s t od e t e r m i n et h el o a dr a t eo f k t s c c t h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o rk ci i la i ri st e s t e df i r s t l y l i nt h i sp a p e r ，t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ti sm o d i f i e d1 - 5 - 2t y p ed e v i c e ，a n dad e v i c ef o r m e a s u r i n gf a t i g u ec r a c kg r o w t hr o t ei sd e s i g n e dt oc b n t r o l l i n gt h el o a de x a c t l ya n dm o n i t o r i n g t h ec r a c kp r o p a g a t i o na tt i m e si nh 2 ss o l u t i o n i no r d e rt os i m u l a t i n gt h eg a sv e s s e la c t u a l s e r v i c i n gc o n d i t i o n ，t h i st e s t s c a r r i e do u ta tt h ec o n d i t i o nw i t hf r e q u e n c y ( 0i so 0 0 6 7 h za n d 0 0 0 3 3 h z , s t r e s sr a t i o ( r ) i s0 6a n do i t h ec o n c e n t r a t i o no fh 2 si s2 3 0 0 p p ma n d2 0 0 p p m r e s p e c t i v e l y d u r i n gt h ec o r r o s i o nf a t i g u et e s t i n g , u s i n gc o m p u t e ra u t o m a t i c a l l ya c q u i s i t i o n s y s t e mc o l l e c t st h e v a l u a t i o no fl o a d i n g ( p ) a n dc r a c k so p e nd i s p l a c e m e n t ( v ) a tt i m e s ，t h e n c a l c u l a t ei n s t a n t a n e o u sc r a c kl e n g t h u s i n gc o m p l i a n c ee q u a t i o n u s i n gs e v e ni n c r e m e n t a l p o l y n o m i a lf i t t i n gm e t h o d so b t a i n st h er e l a t i o n s h i pc a l v ea n dt h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no f f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t ed a d na n ds t r e s si n t e n s i t yt a c t o ra k b a s e do nt h ec u r v eo fd a d n a ka n dm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n ，t h i sp a p e rd i s c u s s i o nt h e e f f e c to f ra n dc o n c e n t r a t i o no fh 2 so nc r a c kg r o w t hr a t eo fs a 3 7 2 e 7 0s t e e l ，t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s i n go fed a d ni sd e c r e a s i n g , a n dt h ed a d ni n c r e a s i n gw i t h1 l c o n c e n t r a t i o no f h 2 sh a ss m a l l e ri m p a c tt od a d n a n a l y z i n gt h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ec o r r o s i o n f a t i g u ef r a c t u r ea n dt h ec o r r o s i o np r o d u c t so nt h ef r a c t u r es u r f a c eu s i n gs e m , t h ee d sr e s u l t s i 北京工业大学工学硕十学位论文 i n d i c a t e dp r o d u c t sm a i n l yi sf e s t h ef r a c t u r ei sf l a ta tt h ep r o p a g a t i n gz o n e ，a l s oc l e a v a g e f r a c t u r ei sf o u n di nt h e s ez o n e s ，t h ef r a c t u r em e c h a n i ci se x p l a n t e dw i t ha n o d i cs o l u t i o na n d h y d r o g e nb r i r l e n e s s ，a n dt h ea n o d i cd i s s o l u t i o ni sa c t i n gm a i n l y b a s e do nt h et e s t i n gr e s u l t so fk l s c ca n dd a d n ，a l l o w a b l ec r a c ks i z eo fd i f f e r e n tc r a c k s h a p eu n d e rd i f f e r e n tc h e c k i n gp e r i o d si so b t a i n e da c c o r d i n gt o2 0 0 1s e c t i o na s m e k e y w o r d sh y d r o g e n s u l f i d ee n v i r o n m e n t ；c o r r o s i o n t f a t i g u e ；s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ； c r a c kg r o w t hr a t e i v 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名；励u 銎3 l日期；加7 厶1 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：多次鲤l 导师签名：日期：如0 7 矿严 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着科学技术进步和经济发展，环境的保护和能源的综合利用越来越受到人 们的关注，世界各国都在进行可替代的“清洁能源”研究。天然气由于燃烧清洁、 储量巨大、作为汽车的替代燃料技术已成熟，随着石油价格的不断升高，近年来天 然气汽车受到全球大多数国家的青睐，发展迅猛。 我国的天然气资源比较丰富，已探明储量为2 2 1 0 5 亿立方米，用天然气 替代汽油作为汽车燃料，发展前景很好。目前国内c ng 汽车的发展已有一定规模， 在天然气产地和输送于管沿线的北京、成都、重庆、乌鲁木齐、上海、天津、西 安、长春等城市都有不同程度和规模的应用。目前全国e n g 汽车已超过l o 万辆， c n c 2 口气站有4 0 0 座左右。 压缩天然气技术是通过加压( 高于2 0 m p a ) 方式，将天然气压缩储存在压力容 器内进行储运，天然气储量达到容器体积的2 3 0 倍左右【l 】。压缩天然气是一种最理 想的车用替代能源，其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低，效益 高，无污染，使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力大容积气瓶 是c n g 气体的最佳存储方式。其特点是：安全性高、运行成本低、占地小、整体 结构性能优异等。 各国对天然气的需求量越来越大，除管道输送外。气体的瓶装运量也越来越 大，从而带动了气瓶的研制和使用。 第一批车用气瓶是符合各国工业技术要求的钢结构。在意大利，符合美国d o t 3 a a 技术要求的厚壁钢瓶一直被使用至t j 2 0 世纪7 0 年代初期。然而天然气车辆的 生产工业不断提出使用轻型气瓶的需求，旨在降低对车辆性能影响的同时仍能保 持其原有的安全性。c n g 使用的经验促成了9 0 年代末意大利轻型“l e g g e r e ”钢 瓶新规范的编制。从此，全世界许多国家都使用按照意大利技术要求生产的钢瓶。 自7 0 年代末期以来，全球范围内的c n g t 业主要依赖意大利规范或美国运输 部的规范3 a 的修订版来设计钢瓶。新西兰用疲劳( 压力循环) 寿命试验方法对引 用的c n g 钢瓶设计进行检测之后，于1 9 8 9 年出版t n z s5 4 5 4 标准。它是在c n g 使 北京 j 业大学工学硕士学位论文 用中所制定的第一个气瓶标准。主要针对钢瓶，为了保证热处理的合理性，要求对 每一个气瓶都要进行硬度试验。c n g 5 4 5 4 标准涉及到基于天然气车辆( n g v ) 使用 条件考虑的一些性能试验的技术指标( 压力循环试验) 。 1 9 9 2 年，美国制定了c n g 气瓶的a n s i p a g an g v 2 2 1 9 9 2 标准。该标准主要以工 业标准为基础。这些工业标准包括美国有关钢材的规范、有关铝材的u sd o t3 a l 规范。另外该标准还规定了c n g 工作条件和与之同时进行的性能试验1 2 】。 c n g 气瓶设计中考虑的一个问题是：气瓶承受充气操作的循环压力次数。c n g 气瓶承受的循环压力次数要比工业应用中所使用的气瓶大的多。重复的加压循环 将最终导致金属气瓶中疲劳裂缝的增大。允许最大裂纹尺寸可使用断裂力学计算 或通过对气瓶上已知缺陷的尺寸进行压力循环试验来确定。其结果是气瓶在超出 规定的设计寿命并且出现了一个疲劳故障时，仍能继续工作。 另一个需要考虑的问题就是气瓶的材料，在欧美国家，气瓶行业已有上百 年的发展历程。目前钢质无缝气瓶用钢的发展趋势是：从低碳钢向中碳钢、碳 锰钢、铬钼钢及合金钢发展，材料发展的绍果是屈服强度不断提高。目前，欧 美国家已普遍采用铬钼钢材料和合金钢材料。铬钼钢气瓶的优点是强度高、重 量轻、安全性能好，且具有良好的塑性和足够的韧性。 目前国内也有很多企业在进行大容积气瓶的开发与研究。邯郸新兴石油化工 机械有限公司为新兴铸管集团公司的全资子公司，长期从事压力容器的设计制造 工作，该公司生产的c n g 瓶式压力容器的设计基本参数( 如图卜l 所示) 心、 、亡三= = 士= = z = = 删 注：操作压力2 0 m p a ；操作温度一5 0 c + 6 5 c ；规格：由5 5 9 x 1 8 x 1 0 9 5 0 r m 图卜1 高压无缝气瓶示意图 f 培i - it h ed i a g r a m m a l i e s k e t c ho f h i g hp r e s s u r es e a m l e s sg a sv e s s e l 2 j 第1 章绪论 硫化氢环境下的腐蚀疲劳问题成为目前大容积气瓶开发研制的重点是有 其原因的，因为它牵涉到重大的安全问题。盛装压缩天然气( c n g ) 的高压气瓶， 内装的天然气主要成分为甲烷，同时有硫化氢、可溶性硫化物、水分及二氧化 碳等组分，气瓶在水、h 2 s 、c o ：和残余应力的综合作用下容易发生应力腐蚀。除 此之外，c n g 还必须承受每天大约需要充放气的过程，因此气瓶实际工作状态 为：在腐蚀环境中承受交变载荷作用。材料在该条件下，容易发生腐蚀疲劳。 硫化氢腐蚀疲劳是一种非常恶劣的工况环境，极易导致高压气瓶上的裂纹产生、 扩展，最终发生脆性断裂，从而引发天然气泄露，造成巨大的经济损失和环境 危害，还极可能产生火灾并造成人员伤亡。因此，天然气气瓶的腐蚀疲劳性能 成为人们关注的焦点。研究高强钢抗硫化氢应力腐蚀和腐蚀疲劳性能势在必行， 如何评定含有缺陷的天然气气瓶的安全性是我们面临的一个重要问题。 美国在天然气气瓶检验方面已形成规范，规定气瓶每五年检验一次，每次 检验时气瓶裂纹尺寸不允许超过某一尺寸界限，超过这一尺寸界限的气瓶以报 废处理【3 】o 我国在这方面还没有统一的规范，而且对于气瓶的使用，也是近几 年刚刚开始，经验不足，特别是在使用过程中存在的安全问题，我们不仅缺乏 相关的标准法规，而且还缺乏检测经验和检测手段。为了确保运输天然气气瓶 的安全性和保证资源的不浪费，制定检验天然气气瓶的统一标准，我们进行了 本课题的研究。 1 2 腐蚀疲劳国内外研究现状 腐蚀疲劳现象是结构或构件既受循环应力的作用，又受腐蚀环境的侵蚀，是 在两者协同作用下的一种更严重的应力一腐蚀破坏形式，是工程实践中的各种承 受循环载荷的结构所面临的严重问题，诸如海洋结构、石油化工、飞机结构等， 常因受到循环载荷和腐蚀环境的复合作用发生疲劳破坏，往往造成灾难性事故。 腐蚀疲劳现象早在1 9 1 7 年就己经由h a i g h 首先提出，后来e v a n sv r 认识 到它是工程实践中一个非常重要的问题。国内外学者对腐蚀疲劳已经做了大量的 研究，其研究成果在2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初得到了很好的总结。腐蚀疲 劳的这些早期研究，主要是集中在腐蚀疲劳裂纹形成和扩展机制，各种因素对 s n 曲线，裂纹扩展以及疲劳寿命的影响【4 l 。虽然针对环境对疲劳裂纹形成和扩 北京工业大学工学硕士学位论文 展过程的影响，已经分别给出了腐蚀裂纹形成寿命和裂纹扩展速率的模型和表达 式，但还难以满足对腐蚀环境中结构设计和寿命预测的要求，其主要原因是缺少 对腐蚀疲劳裂纹形成和裂纹扩展规律的定量化研究，腐蚀疲劳的理论的科学性及 工程实用性还很不完善。 近几年对于腐蚀疲劳的研究，涉及的腐蚀环境有氯化钠溶液，土壤环境， 以及饱和硫化氢溶液；研究材料涉及碳钢、低合金钢、高强钢、不锈钢和有色 合金( 铝合金、钛合金) 等。 由于高强度铝合金具有重量轻，强度好等性能，已被航空领域广泛使用。文 献 5 提供的数字表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式都与腐蚀或腐蚀疲劳 有关。故腐蚀疲劳有着巨大的普遍性和危险性。然而，从目前对高强度铝合金腐 蚀断裂的研究成果【6 卅来看，铝合金对环境引起的断裂是敏感的。因此，铝合金 腐蚀疲劳问题受到了航空等领域广大工作者的普遍关注，并成为飞机结构耐久性 与完整性设计的重要课题。飞机结构的主要使用环境为工业大气、潮湿大气、海 洋大气。其中，海洋大气和海水环境对飞机结构材料疲劳强度的影响最为强烈。 因此，海水环境成为人们研究的主要环境，自从2 0 世纪2 0 年代人们发现腐蚀疲劳 以来，特别是6 0 年代以后，人们对铝合金腐蚀疲劳的认识，不管是实践应用的广 度还是理论研究的深度方面都得到了迅速的发展。近几年的研究主要为铝合金腐 蚀疲劳强度的影响因素、铝合金腐蚀疲劳裂纹形成与扩展的机理以及结构腐蚀耐 久性与损伤容限评估方法等几个方面，对铝合金的腐蚀疲劳寿命进行评估l 引。 腐蚀疲劳的另一个研究热点，即为管线钢的腐蚀疲劳问题。管道运输是长距 离输送石油天然气最经济合理的运输方式，随着我国西气东输工程的发展，管线 钢逐渐向高强度大口径发展，而强度增加与壁厚的减薄使得管道的安全性问题更 为突出f 9 0 】。交变应力在服役管线中是普遍存在的，这种交变应力一方面来自管 内输送介质压力的波动和油气流的分层结构，另一方面来自管线外的变动载荷。 就管线服役的环境来说，绝大多数都具有较强的腐蚀性，管线在服役期间发生腐 蚀疲劳是不可避免的。因此，管线钢腐蚀疲劳裂纹扩展特性研究是安全设计的基 础，也是管线剩余寿命预测的依据。埋地管道的外壁所处的腐蚀一般为土壤环境， 因此，对于土壤中的管道的腐蚀疲劳问题，很多学者作了大量的研究，在影响因 素方面主要从在材料方面，微观组织以及材料中合金元素的含量【l i 1 2 】，力学因 素涉及频率，应力比，加载波形对管线钢的腐蚀疲劳裂纹扩展的研究。 第1 章绪论 对于输送石油及天然气的管道，由于酸性气体中含有硫化氢，水、二氧化 碳对于输送石油及天然气的管道，由于酸性气体中含有硫化氢，水、二氧化碳 等杂质，极易造成对输气和输油管道的腐蚀。近年来因管道腐蚀而爆炸的事故 时有发生，造成巨大的经济损失和环境污染。但现阶段，对于真正在硫化氢腐 蚀环境中的腐蚀疲劳研究进行的并不是很多，有研究也都是在饱和硫化氢溶液 的特定环境当中，与实际应用接近的硫化氢环境下的研究很少，并且缺乏各种 t 不同试验条件下的比较试验。试验加载频率一般都是从0 1 h z 到1 0 h z 不等的高 周疲劳( 1 3 】，而缺少实际工况超低周频率的研究。硫化氢环境中的腐蚀疲劳试验， 其特殊的难点在于；一，硫化氢的恶劣环境；二，设备均在低频率下运行。也 就是说实验需解决硫化氢环境中长时间的循环载荷作用问题。 1 3 本课题的研究目的和意义 对于压缩天然气气瓶都是在含一定程度硫化氢的腐蚀环境中工作，同时每 天承受充放气的过程，实际工况为硫化氢环境中的腐蚀疲劳。硫化氢腐蚀疲劳 是一种非常恶劣的工况环境，极易导致金属材料中裂纹的产生和扩展，最终发 生脆性断裂。因此，进行硫化氨环境中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率的研究，对于 改善金属材料的腐蚀疲劳特性问题，对于材料和结构的抗腐蚀疲劳设计具有十 分重要的意义。从工程应用角度考虑，腐蚀疲劳所要解决的问题主要包括：( 一) 构件腐蚀疲劳寿命估算，为构件维修周期的确定和安全性评估提供依据；( - - ) 结构抗腐蚀疲劳设计，从结构的腐蚀控制和抗疲劳设计两个方面考虑，以达到 提高结构在腐蚀环境下服役的耐久性；( 三) 腐蚀疲劳的防护设计，采取相应的 防护措施以延长结构在腐蚀环境中的使用寿命。 本研究对国产天然气气瓶用s a 3 7 2 e 7 0 钢的应力腐蚀及腐蚀疲劳进行了试 验研究，取得了大量的有关气瓶钢材料的腐蚀疲劳性能的数据，从而为构件的 寿命估算，及制定天然气气瓶缺陷评定标准及安全性评估，特别是为国家标准 的制定提供有一定的参考意义和价值的数据。 1 4 本文研究思路 为了保证气瓶的安全运行，首先须确定气瓶安全运行的极限状态，即确定 北京工业大学工学硕士学位论文 气瓶在使用过程中所允许的临界裂纹尺寸巩，巩，理论上由气瓶材料在空气中断 裂韧度k 。决定。当应力强度因子大于k ，。时，裂纹就会失稳扩展，气瓶在很短 时间内就会完全开裂而发生破坏，这是工程应用中不允许的。当k 1 。 k 9 1 ，a 9 1 ，w 3 6 均不成立，所以可判定，2 号试件无效a 其他试件都满足有效性条件，其试验计算结果见表2 - 1 。 由r h r 6 一r e v 标准可知，裂纹缓慢扩展的开始点所对应的k 值为断裂韧度 k 。由表2 - 1 结果，取三个有效结果的平均值，可得出该材料k 。的近似值为： k , c = 1 3 0 2 5 m p a 磊。因此，当应力强度因子k o 2 w 。用线切割开缺口后，为了保证裂 纹的尖端效应，又在高频疲劳实验机上，预制了疲劳裂纹，使初始裂纹达到规定 长度。 第3 章硫化氢环境中低周腐蚀疲劳试验 图3 - 1 腐蚀疲劳实验w o l 试样的形式及尺寸 f i g3 - 1s h a p ea n ds i z ew o ls a m p l ef o rc o r r o s i o nf a t i g u et e s t i n g 其中：v 一裂纹张开口位移，a - 裂纹长度，b 一试样厚度，w 一试样宽度 3 3 试验原理 本实验是根据国家标准 g b t 6 3 9 8 - 2 0 0 2 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方 法 2 3 1 进行的。 一 在线弹性断裂力学范围内，静载作用下，应力强度因子k 能恰当地描述裂纹 尖端的应力场强度。p a r i s 在大量疲劳试验基础上得出：应力强度因子幅度k 是一个控制裂纹扩展速率的主要参量。同时给出了裂纹扩展速率d a d n 与应力强 度因子幅k 的经验关系式： 如柳= c ( 战) ”( 3 - 1 ) 式中：c ，i 1 是由材料决定的常数。 由于裂纹扩展速率与应力强度因子有关。在试验过程中如果能求出每一时刻 a 对应的( d a d n ) 及k ，对这些点进行拟合；即可求得该材料对应的常数c ，n ， 从而得到裂纹扩展速率表达式。k 可以根据k 公式求得。 a k ，：垒生! ! 箪竺羔 ( 3 2 ) b - 0 n 其中：p = h 。一p - p 为载荷；a 为裂纹长度；w 为试样宽度；b 为试样厚度； c 。为a w 函数。 。 在试验过程中，交变载荷a p 是恒定值，故只要知道每一瞬时试样的裂纹长 北京工业大学工学硕士学位论文 度a ，即可求得每一瞬时k 。a 。可由柔度方程求出。 三：竺f 堡! 竺2 ( 3 3 ) pe b 其中：v 为裂纹张开位移；p 为载荷；b 为试样厚度：已为无量纲柔度是a w 函数； e 为弹性模量。 由( 3 3 ) 式可知，无量纲柔度朋；与相对裂纹长度参有严格的函数关系。 故只要能测出每一瞬时裂纹张开位移v 。就能算出对应的裂纹长度a 。，从而求出 k 及d a d n 。 3 4 实验方法 3 4 1 实验溶液 本实验腐蚀环境所采用的溶液为，美国腐蚀工程师协会n a c e 规定的标准酸 性溶液，即含有5 氯化钠以及0 5 冰乙酸的水溶液，在其中通入规定浓度的硫 化氢气体。c n g 高压气瓶在正常工况下，按天然气国家质量标准g b l 7 8 2 0 - - - 1 9 9 9 1 2 5 1 规定，硫化氢含量小于2 0 m i l l 3 。考虑各地天然气质量的差异，特别是脱硫 状况较差或失控时出现的个别情况，根据e f c 的规定以及本实验的实验条件，本 文采用了两种浓度的硫化氢溶液，一种为中等浓度2 0 0 p p m ，另一种为饱和硫化 氢，浓度为2 3 0 0 p p m a 硫化氢腐蚀溶液配制时，先在溶液中通入氮气以达到除氧的目的，h 2 s 气体 是由放入启普发生器的n a 2 s 0 4 和h 2 s 0 4 反应生成，通入配好的标准溶液中，直到 h 2 s 浓度达到所需值。h 2 s 浓度是根据“应力腐蚀试验浸泡液中硫化氢浓度水平 测定方法”进行测定。 3 4 2 加载波形 腐蚀疲劳的一个重要特征是其性能与循环加载的频率及波形密切相关州，本 试验所采用的加载波形为梯形波加载，加载波形见图3 2 。 第3 章硫化氢环境中低周腐蚀疲劳试验 圈3 - 2 梯形加载波形图 f i g3 - 2c h a r to f t r a p e z o i d a ll o a d i n gw a v e 3 4 3 应力比及频率 为了模拟实际工况并研究频率，应力比对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响，分 别采用频率f = 0 0 0 6 7 h z 和f = - 0 0 0 3 3 h z ，应力比分别为r = 0 1 和r = 0 6 ，根据材 料初始裂纹a 0 及由此计算的应力强度因子k ，来确定载荷的最大值，再按不同 应力比值确定载荷的最小值。 3 4 4 实验装置 要完成硫化氢环境下的超低频腐蚀疲劳试验，它不仅要求有较准确的载荷控 制，还要有良好的密封装置及良好的通风条件，同时需要对试样的裂纹扩展情况 进行时时监测及采集，因此必须实现对试验机的自动控制。 能够实现自动控制的高档试验机( 如m t s 试验机) 对于做低周疲劳试验是完 全可以进行的，但是对于硫化氢腐蚀环境中的低周疲劳试验却不易实现，它涉及 到硫化氢环境的实现、容器的密封、夹具的防腐及室内通风等等问题，一般一个 试样需一个多星期时间才能完成，对机器的会造成严重的腐蚀。为解决这些问题， 本文对实验室现有的拉伸试验机( 1 - 5 - 2 试验机) 进行改造，研制出了一套低周 腐蚀疲劳自动测控系统，利用变频器、传感器、位移引伸计、应变仪及计算机实 现了自动的加卸载，并可对载荷大小、频率加以控制2 6 j ，低周腐蚀疲劳试验装置 见图3 - 3 。 北京工业大学工学硕士学位论文 圈3 - 3 卜5 2 型低周疲劳试验机 f i g3 - 3l o wf r e q u e n c yc o r r o s i o nf a t i g u et e s t i n gm a c h i n e 3 4 5 引伸计的制作 裂纹张开口位移是通过引申计来测定，浸泡在硫化氢环境中的引申计的制作 过程如下。如图3 - 4 所示，该引伸计为一个双悬臂梁结构，两臂的左侧由刚性柱 固定连接，而右侧则装卡在试样的开口处。在两臂的上下面平行于轴向分别用 5 0 2 胶水贴上四个电阻为1 2 0q 的应变片，并用导线按图b 所示顺序全桥连接， 使得相邻片之间的电阻为9 0 q ，相对片之间的电阻为1 2 0 q ，然后将四根导线的 一端分别焊接在四个电阻上，另一端连接在传感器上，传感器与数据采集器连接。 4 圣三二7 图3 4 自制引伸计及其制作示意图 f i g3 - 4d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fv e c t o r 在试验过程中，试样开口处位移v 发生变化，则引伸计的悬臂梁随之产生 形变，电阻应变片的电流就会发生变化，再通过传感器将数据传输到采集器上， 一2 6 第3 章硫化氢环境中低周腐蚀疲劳试验 由此可以测出裂纹张开口位移v 值。在完成接线之后，对该引伸计使用密封胶 进行了多次密封，防止腐蚀液对电阻片的腐蚀，以延长引伸计在腐蚀溶液中的使 用寿命，从而可以取得有效的数据。 在正式试验开始前，还要先对该自制引伸计，进行标定。使用标定仪使引伸 计的开口位移按照线性变化，同时测量引伸计a d 读数的变化情况，并根据所测 得的数据观察其线性度，如果线形度较好则证明该引申计可以利用。 在正式试验的时候，计算机自动采集系统将通过引伸计采集到的电压a d 值，换算为试样开口位移值v ，同时通过力传感器采集到的a d 值，换算为载荷 值p 。这即是本研究数据自动采集的方法。 3 4 6 裂纹扩展速率的测量方法 本试验的关键环节是在腐蚀环境中时时准确地监测裂纹的扩展情况，而要实 现这一情况，其前提是需准确测定试样裂纹开口处的位移值。裂纹张开口位移是 通过装在试样上的引申计来测定的，由于试样及装在其上的引伸计同时长时间浸 泡于硫化氢溶液中，引伸计必须要进行良好的密封。硫化氢具有极强的腐蚀性， 密封一旦被破坏，引伸计就会即刻损坏，试验数据将无法继续采集。故为了能准 确测定开口处的位移值，采用了三个引伸计的双保险措施：同时在试样的两侧分 别安装两个引伸计( 此引伸计不浸泡在硫化氢溶液中) ，引伸计两支分别固定在 位移导杆和位移导管上；当试样开始加载时，试样受到交变载荷的影响，裂纹发 生变化，开1 3 处位移也会随之发生变化，中间引伸计可以时时的测出裂纹张开口 位移的变化；同时，位移的变化通过中心拉杆传递到外圈框架，也被上下拉开， 位移导杆和位移导管之间产生一定位移，卡在其上的引伸计就可以测出变化位 移，取其平均值可以得到试样中心孔处的变形量，见图3 5 。通过几何关系换算 出开口处位移，其位移测量计算模型见图3 6 。 己知柔度方程：三：里! ! ! 丝2 ，其中v 为裂纹张开位移。 pe 8 实验中两侧引伸计测量平均值v 。为试样中心孔处的变形量，将其换算为裂纹 张开位移v ，直接应用柔度方程即可求得裂纹长度a 由图3 5 的几何关系有：姿：坐 ( 3 4 j 2 = 一 ( ： 一4 1 ya 北京工业大学工学硕士学位论文 在裂纹扩展过程中，裂纹张开口内位移v 。与v 成线性关系，比例系数为： ，7 ：旦；旦三( n , 5 - - d r )，7 = o = i l， v 2 va 一c 实验中，标定p v 曲线及p - v 曲线，得到系数t 1 值，则：用两端引伸计v - 表示的 每一瞬时裂纹张开位移v 为： y ：三以：三丘( 3 - 6 ) a c 。a c r 图3 - 5 实验装置示意图 f i g3 - 5d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t e s t i n gm a c h i n e v 图3 - 6 位移测量简化计算模型 f i g3 - 6s i m p l i f i e dm o d e lo f d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t 3 5 试验过程 采用改进型w o l 试样进行低周腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验。 第3 章硫化氢环境中低周腐蚀疲劳试验 ( 1 ) 试验装置安装 按照图3 3 所示安装试样，安装力传感器，然后在试样的开口处安装自制引 伸计，另外在两侧的力导杆处分别安装两个引伸计，加入配制好的腐蚀液。实验 开始后，每天要定时在腐蚀液中充入h 2 s 气体，以保证硫化氢的浓度稳定。并定 期的用硫化氢浓度水平测定方法，对其进行浓度测定。 ( 2 ) 实验参数设置 在数据采集软件中的实验参数设置如下： 载荷：包括交变应力的最大值和最小值两参数。首先根据已知k 。值，将载 荷最大值按k 。的值设置，再根据加载原则对载荷进行调整，最后确定为1 2 k n ， 最小值按应力比大小设置。应力则在此范围内周期变化。 裂纹张开口位移：包括最大值和最小值两个参数，即位移的变化范围，当超 越此范围时，试验暂停。 加载周期：按照交变应力的频率要求，本试验加载周期分为3 0 0 s ( 加载1 8 0 s 卸载1 2 0 s ) 和1 5 0 s ( 其中加载9 0 s ，卸载6 0 s ) 。 极限次数：即试验的加载周期数。使裂纹扩展到失稳阶段的周期数，本试验 设为2 0 0 0 0 次，在此范围内裂纹足以扩展，并最终彻底裂开。 采样记录周期：本参数包括采样周期和记录周期两个参数，为试验数据采集 仪器的采样周期和记录数据的周期。 过载保护：载荷不超过设定范围的士o 5 k n ，位移不超过设定范围的士o 5 m m 。 ( 3 ) 加载 按事先确定的载荷值在低周疲劳试验机上加载，开始试验并同时监测三个引 伸计应变、循环次数及载荷。 ( 4 ) 裂纹张开位移的测量 对疲劳过程中试样的裂纹张开位移进行时时监测。置于试样裂纹开口处的引 伸计可以直接测量张开位移，通过试样两侧的引申计也可同时得到试样中心孔处 的变形量，通过几何关系换算出开口处位移。 ( 5 ) 当引伸计读数大于1 5 m m 时，试验结束。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 6 腐蚀疲劳实验数据的分析方法 3 6 1 裂纹扩展速率的确定 在腐蚀疲劳实验过程中，所得的循环次数n 以及裂纹张开口位移可由数据采 集器上直接读出，裂纹张开口位移v 是将三个引申计读数取平均值。利用柔度法 对载荷值p 和位移v 进行计算处理。柔度方程( 3 - 7 ) 以及方程( 3 8 ) 可以求解 试样每瞬时的裂纹长度a 。 = 且e b ( 3 _ 7 ) 尸 其中，v 一裂纹张开位移：p 一载荷；m 一试样厚度：卜弹性模量。 c f 一无量纲柔度，是a w 的函数 c 。眈) ：p 9 5 - 1 61 3 0 ( 争8 3 8 ( 小9 1 2 5 + 4 68 吲4 卜。剐 计算出裂纹长度a ，就可以利用o r i g i n 绘制裂纹长度a 随疲劳循环周次n 变化 的曲线，即a n 曲线。 腐蚀疲劳裂纹扩展速率的计算方法可根据g b t 6 3 9 8 - 2 0 0 0 国家标准所推荐的 七点递增多项式法进行计算。七点递增多项式的计算方法如下： 铲6 0 + 6 - ( 等m ：( 警) 2 ( 3 - 9 ) 式扎 1 学+ l c 1 ：昙( j 。+ + 。) c 2 ：昙( m + 。一m 一。) 口j 叫口s 口。埘 ( 3 1 0 ) 系数b 。、b 。、b z 是在式( 3 - 9 ) 区间按最小二乘法( 即裂纹长度观测值与拟合值之 间的偏差平方和最小) 确定的回归参数。拟合值a 。是对应与循环数n - 上的拟合 裂纹长度。参数c 和c 。是用于变换输入数据，以避免在确定回归参数时数值计 算困难，在n 处的裂纹扩展速率由式( a 2 ) 求导而得： 第3 章硫化氢环境中低周腐蚀疲劳试验 c 缸= 芑+ 半 ( 3 - 1 1 ) 式中n 。和a ；指在第i 个点上循环次数和裂纹长度。 3 6 2 裂纹尖端应力强度因子a k 的确定 本研究所用的w o l 紧凑拉伸型试样的裂纹前缘应力强度因子k i 的表达式 为： 二，：等害 于是， k 。：竺! ：笙! ( 3 1 3 ) 于是，l = 7 生 ( 3 一) b qa 其中，a p = p m a x - p 。mp 一载荷；a 一裂纹长度；w 一试样宽度；b _ 式样厚度。 此处，c 3 j j e 量纲柔度，a w 的函数 g 3 0 9 俐- 1 9 5 8 鼢+ 7 3 0 6 鼢。1 1 ；6 3 鼢+ 7 5 4 6 鼢 ( 3 - 1 4 ) 3 6 3 腐蚀疲劳裂纹扩展速率d a d n k 曲线 对s a 3 7 2 e 7 0 钢进行了腐蚀疲劳试验后，对试验过程中记录的各组数据( v ” n 。) ，利用柔度公式转换为( a 。n 。) ，再通过七点增量递增多项式拟合求导的方法， 得到s a 3 7 2 e 7 0 钢在h ：s 溶液中的疲劳裂纹扩展特性曲线d a d n k 曲线，图 3 - 7 列出了不同试验条件下，用双对数坐标表示的试验数据曲线。并用p a r i s 公 式对不同试验条件下的试验数据进行回归处理，得出了不同试验条件下的疲劳裂 纹扩展速率方程见表3 - 3 。 北京工业大学工学硕士学位论文 ：j 磊新。，乜_ ? go m = 2 气，毒e ；$ ，h 一。jp 一。”+ 、o 毫善； a ) f =