[发明专利]含氢煤制天然气环境中管线钢断裂韧性的测试方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及煤制天然气环境下的材料断裂韧性的测试装置及方法，属于断裂韧性测量技术领域。

背景技术

随着管线钢强度级别的提高，对强度和韧性的要求也随之提高，但是高强度管线钢在含氢环境中服役时，由气体氢导致裂纹开裂的概率大大提高，因此对管线钢在含氢介质中的断裂韧性的准确评价对管线钢安全运行有重大意义。

煤制气(以煤为原料经过加压气化后，脱硫提纯制得的含有可燃组分的气体)中的氢含量为煤制天然气总压(12MPa)的2％-5％。现有的对煤制天然气中管线钢的断裂韧性的评价技术往往采用电化学充氢技术和高压釜充氢技术使管线钢中含有一定氢之后进行断裂韧性测试，但是氢的扩散极快，而且无法反应实际的服役工况，导致测试结果具有极大的分散性，对管线钢的性能造成极大地浪费或者低估。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能真实反映管线钢的实际服役性能，操作简单，结果准确、可靠的煤制天然气环境中管线钢断裂韧性的测试技术。

为了实现上述目的，本发明首先提供了一种含氢煤制天然气环境中管线钢断裂韧性的测试方法，该测试方法包括以下步骤：

在空气中预制初始裂纹；

在工况环境下，进行拉伸测试，得到测试裂纹扩展量；

绘制J积分-测试裂纹扩展量的曲线，然后根据K_IC＝[J×E/(1-υ²)]^0.5求得管线钢的断裂韧性，完成对含氢煤制天然气环境中管线钢断裂韧性的测试；

其中，K_IC为管线钢的断裂韧性参数，单位为MPa·m^0.5；J为J积分的实验当量，单位为KJ/m²，E为弹性模量，单位为Pa；υ为泊松比。

在上述测试方法中，优选地，在绘制J积分-测试裂纹扩展量的曲线前，进行小载荷疲劳测试，拉断后，测量实际裂纹扩展量，当测试裂纹扩展量与实际裂纹扩展量之差不超过实际裂纹扩展量的15％或0.15mm时，采用此时的测试裂纹扩展量绘制J积分-测试裂纹扩展量的曲线；如果实际裂纹扩展量不在上述范围内，则说明本次测试无效，重新进行本发明的测试方法的第一步。

在上述测试方法中，优选地，在工况环境下，进行拉伸测试，得到测试裂纹扩展量时，进行压力的加载和卸载，在模拟煤制气下的加载和卸载的速率为0.12mm/min；

进行加载和卸载时，引伸计在加载线上，控制模式为位移控制。

在上述测试方法中，优选地，在空气中预制初始裂纹时，按照以下步骤进行：

通过线切割制备一个裂纹，然后通过疲劳裂纹扩展速率实验方法制备符合要求的初始裂纹；其中，初始裂纹的尺寸a₀与试样宽度W的比值满足0.45<a₀/W<0.7，疲劳裂纹扩展速率的实验参数为：恒ΔK法，ΔK＝30MPa·m^0.5，f＝10Hz。

在上述测试方法中，优选地，工况环境是指在模拟煤制天然气环境下，所述模拟煤制天然气包括0.24MPa-0.6MPa的H₂、0.24MPa的CO₂，以及余量的N₂使总气压为12MPa。

在上述测试方法中，J积分-测试裂纹扩展量的曲线根据标准GB/T 21143的计算公式得到，其中J积分由弹性部分的J积分和塑性部分的J积分得到。优选地，根据如下公式得到J：

其中，η_p＝2+0.552(1-ax/W)；

K为应力强度因子，单位为MPa·m^0.5；E为弹性模量，单位为Pa；υ为泊松比；Up为塑性功，单位为J；a₀为裂纹长度，单位为mm；W为试样的宽度，单位为mm；B_N为两侧槽之间的试样的净厚度，单位为mm。本发明还提供了一种含氢煤制天然气环境中管线钢断裂韧性的测试装置，该测试装置用于上述测试方法中，该测试装置包括：测试设备和环境箱；

其中，测试设备包括疲劳试验机和引伸计测试组件；

环境箱设置有进气连接口、压力表连接口、引伸计连接口、真空泵连接口、出气口；

环境箱固定在疲劳试验机中；

环境箱内部设置有引伸计。

在上述测试装置中，优选地，该测试装置还包括上拉伸杆和下拉伸杆，上拉伸杆和下拉伸杆连接环境箱与疲劳试验机。