[发明专利]一种石油管材环境断裂韧性测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油管材环境断裂韧性测试方法及装置，更具体地说，它涉及一种用于石油管材环境断裂韧性的测试方法，本发明还涉及使用该方法进行断裂韧性测试的实验装置。

背景技术

在石油工业中，为避免由于应力腐蚀导致管材开裂、性能衰减、沿晶断裂等不可预见性事故和灾难，必须对石油管材进行环境断裂评价实验，对石油管材在一定应力状态、高温高压腐蚀环境中的适用性、可靠性进行研究和评价。目前国内外评价金属材料环境断裂的方法主要是恒载荷应力腐蚀实验方法，即在常温常压下利用应力环进行A法实验，不能模拟石油工业和化学工业中高温高压气相、液相腐蚀性环境、恒定载荷作用对金属材料力学性能的损伤程度，现用评价结果与现场结果相差较大，不能为现场工况下金属材料的优选和适用性评价提供可靠依据；平面应变断裂韧性K_IC是在断裂力学的基础上建立起来的表征实际含裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展能力的韧性性能指标，其物理含义为平面应变临界应力强度因子，即平面应变条件下，构件在静载荷作用下裂纹开始失稳扩展时的K_I，采用DCB双悬臂梁方法进行测试。目前这类实验评价方法在学术上和工程技术上具有极其重要的价值，但该实验方法受试样尺寸大小、加工、实验条件等影响因素的限制，实验结果以及数据重现性、可靠性较差。常规的DCB实验受试样尺寸、预制裂纹以及加工因素的影响较大，难于准确、精准检测高温高压服役条件下石油管材的断裂韧性大小，因而实验结果应用性严重受限，这导致石油管材的优选和适用性评价结果往往给现场带来巨大的经济损失，甚至重大伤亡事故。

目前，常规的断裂韧性测试方法存在以下不足：

(A)DCB试样结构复杂，预制裂纹加工难度大、尺寸精度不易控制，试样尺寸效应严重影响实验结果；

(B)实验运用楔子对试样进行加载，加载应力的准确性、平行性差，实验结果离散性大；

(C)双悬臂梁结构的试样在劈开时受金属材料塑性的影响较大，不能准确测定裂纹开始扩展时载荷大小，断裂韧性计算结果存在偏差。

为解决常规断裂韧性测试方法不能准确得到断裂韧性数值大小，本发明借助高温高压釜模拟石油管材服役环境，提出了新型石油管材断裂韧性测试实验方法，并设计断裂韧性测试试样及装置，形成了适用于石油管材断裂韧性测试新型实验方法，能够很好的解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能够模拟石油管材现场服役工况、用于测试和评价石油管材环境断裂韧性的实验方法。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种结构简单、易于操作、实验安全可靠、用于模拟石油管材现场服役工况，评价和测试石油管材环境断裂韧性的实验装置。

本发明的前一技术方案是这样实现的：一种石油管材环境断裂韧性测试方法，其特征在于实验内容包括：(A)测定石油管材在服役环境中形成裂纹的临界载荷大小，研究裂纹萌生和扩展规律；(B)测定石油管材在服役环境中冲击韧性的损伤程度及大小；(C)测定石油管材在服役环境中断裂韧性大小；根据实验结果计算得出材料在服役工况环境中冲击韧性损伤程度，对裂纹萌生、扩展以及开裂机理进行分析，分析石油管材开裂对其显微组织的影响，根据临界载荷以及裂纹扩展长度计算断裂韧性大小，从而对石油管材在服役环境中的适用性进行综合评价。

上述的一种石油管材环境断裂韧性测试方法，具体测定步骤是：(A)根据石油管材现场工况条件确定实验温度、压力、腐蚀介质以及试样加载载荷；(B)根据石油管材壁厚合理选择试样尺寸，高、宽、长分别为10mm×5mm×55mm，试样宽度根据管材壁厚t进行相应调整，即10mm×t×55mm；(C)实验装置装配过程是将夹具(2)通过螺栓固定在底座(13)上，然后将试样(3)和加载块(9)置于夹具(2)空腔中，试样(3)与夹具(2)、加载块(9)接触处使用玻璃棒(10)进行绝缘，将加载螺杆(8)安装在夹具(2)上部螺纹端并预紧，从而确定试样缺口尖端初始位置，将千分表(12)安装在夹具(2)底部螺纹端并通过螺钉固定；(C)通过有限元解析计算裂纹尖端载荷大小并转换为挠度大小；(D)对加载螺杆(8)施加稳定的作用力，加载块(9)下移从而对试样(3)进行加载，观察千分表(12)的刻度值，即将到达目标值时缓慢加载直到设计值；(D)卸掉千分表(12)和固定孔(11)部位的螺钉，取下夹具(2)进行下一组夹具的加载；(E)将夹具(2)放入高温高压釜(1)，并使用绝缘支架(7)使其绝缘，然后按设计温度、压力开始实验。

本发明与现有技术相比，具有下述优点：