抗硫化物应力腐蚀试验方法探究
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《宝钢技术》2016年第3期
摘要:
随着用于抗硫化物应力腐蚀试验的钢材强度等级越来越高，要求加载的载荷值越来越接近材料的名义屈服强度(如要求加载的载荷值/材料的名义屈服强度接近90%～95%)，导致使用传统应力环的单轴拉伸装置在加载时本身存在的系统偏差严重影响试验的结果。为了解决抗硫化物腐蚀单轴拉伸试验中的偏差问题，通过试验测试对比，分析了误差产生的主要原因以及应对方法，论证了采用测力传感器在线控制应力环的加载力可有效减少测量误差，通过改进应力环加载试验的方法可显著减少试验弯矩。
关键词:
抗硫化物应力腐蚀;应力环;传感器;弯矩
1概述
根据美国防腐工程师协会(NACE)标准TM0177—2005《在硫化氢环境下金属抗硫化物应力腐蚀试验方法》规定，当前用于抗硫化物应力腐蚀试验的单轴拉伸装置主要分为两大类，即恒载荷拉伸装置和持久载荷拉伸装置。根据国家标准GB4157—1984《金属抗硫化物应力腐蚀开裂恒负荷拉伸试验方法》规定，其中恒载荷拉伸装置采用悬挂砝码或在液力测压计下维持恒定压力的静重力试验机，其优点是载荷容易准确控制，缺点是设备体积大、不适于批量试验，因此随着试验需求量不断上升，此类设备已退出使用;而持久载荷拉伸装置则使用弹簧加载或应力环加载的小型试验设备，适用于批量试验，尤其应力环试验装置由于其小巧、便于操作的特点已在世界范围内广泛使用。随产品要求的不断提高和竞争的日益激烈，用于抗硫化物应力腐蚀试验的钢材强度等级越来越高，要求加载的载荷值越来越接近材料的名义屈服强度(如要求加载的载荷值/材料的名义屈服强度接近90%～95%)，导致使用应力环的单轴拉伸装置在加载时本身存在的系统偏差影响试验结果。这些系统偏差主要来源于以下几个方面:
(1)源于应力环的力学特性。这类装置是通过应力环压缩变形后产生的反作用力施加到试样上来实现载荷加载的，每个应力环的压缩变形量和产生的力之间有一一对应关系，这一位移—载荷曲线必须通过定期的计量来获得。即使选取了较为合适的弹性材料制作应力环，在长期大负荷的反复使用下，应力环仍然表现出由于材料疲劳导致的位移—载荷曲线偏移。经测量，即使在1年的计量周期内，最大偏移量也可超过10%(如图1所示)，若在某一年计量周期的期末仍按照年度位移—载荷曲线计算载荷值，势必对试验结果产生重大影响。虽然可以通过缩短计量周期来减少这一偏差，但会大大增加试验成本、降低试验效率。为进一步验证材料疲劳导致的位移—载荷曲线偏移造成的测量误差，在临近计量日期的应力环中随机抽取3个应力环，在力学拉伸试验机上进行标定，根据数据可知，拉伸机位移和应力环的位移最大误差可达8．32%(如图2所示)。
(2)源于应力环试验装置的结构。该装置不具备加载方向上的自动调心功能，应力环压缩后的反作用力通过加载螺母、螺杆和夹头传递至试样。实际读取的拉伸载荷值是作用在这一组件上的合值，当组件内部连接存在偏差(如螺纹间隙或中心度偏差)或长期使用后应力环两侧弹性变形不均匀，易使试样产生弯矩或扭矩，从而导致试样局部产生额外载荷，影响试验结果。这一现象在NACE2009年的会议论文中有论述［1］，测得的最大偏差值达到了13．8%。通过在试样上贴应变片测量(如图3所示)，使用拉伸机进行标定也证实了弯矩的存在。从图4所示的标定对比试验数据分析，弯矩产生的试样局部载荷的变化在10%以上，部分数据甚至达到30%以上。
(3)源于对载荷的间接测量方法。通过测量应力环的压缩位移量，然后对照位移—载荷曲线表，使用插入法或拟合法计算实际载荷，这一过程易引进两个偏差:一是压缩位移测量偏差。即使使用高精度的千分卡尺和专门定位工具，由于应力环本身不是由耐腐蚀材料制造，其测量表面极易出现不同程度的锈蚀导致测量面不平整，影响实际测量的准确度;同时人工操作和读数的偏差也会被带入。二是载荷的计算偏差。插入法或拟合法只能得到近似值，要提高精度就需要大量增加计量点，从而大幅度提高计量成本。
2试验方法改进
为了解决抗硫化物腐蚀单轴拉伸试验中的上述问题，使其既能满足批量试验的需求，又能确保试验的加载准确性和操作便利性，改进了原抗硫化物应力腐蚀的试验方法，采用安装在试样一端的轴销型载荷传感器直接检测施加在试样上的载荷值，测量值由与传感器相连接的二次仪表读出［2］。
2．1直接测载荷力
在传统应力环抗硫化物应力腐蚀试验装置(如图5所示)基础上，可以通过轴销式载荷传感器(如图6所示)记录或监控完整的、连续的载荷—时间曲线，也可将电信号接入自动加载控制装置或远程监控系统，实现对试验过程的载荷控制、数据记录和实时监控。使用图6应力环结构加载时，利用专用工具从顶部缓慢旋转加载力螺母，同时监控轴销式载荷传感器的输出信号值，直至测得的实际载荷值为预定加载值。在试验全过程中，可以通过轴销式载荷传感器监控加载至试样端的载荷值，而不再仅依靠测量应力环的压缩位移量，然后对照年度计量的位移—载荷曲线表换算成载荷值。相对传统应力环加载装置，新应力环装置增强了试验的加载准确性。通过3次对轴销传感器的标定试验，可得出结论:轴销传感器的输出与标准输出误差控制在1%以内(如图7所示)，且连续加载240h输出数据无漂移。相比传统应力环试验装置，加装轴销传感器的应力环结构的优点是:①载荷值直接读取，不需要经过位移—载荷转换，避免了位移—载荷曲线偏移造成的偏差和间接测量引进的偏差;②载荷测量点更接近试样，减少了载荷传递环节多而造成的测量值与实际值的偏差;③具备载荷电信号输出功能，为全程监测载荷值或实现载荷自动控制加载提供手段。
2．2减少试验弯矩
通过现场分析，影响当前试样产生弯矩的主要原因有:①预装时连接螺纹是否留有余量，上下试样安装螺纹处的间隙过紧也会产生较大弯矩。②上下夹具的加工精度及其安装配合位置(相对角度)。针对以上原因，制定了以下三种试验方法以找出减少试验过程中试样弯矩的对策，采集了试样上、中、下部3个位置同一高度左右应变片的应力值差百分比，结果见表1。对比以上数据，为最大限度地减少弯矩，制定了抗硫化物应力腐蚀试样加载的标准试验方法:①四处安装螺纹处必须预留调整用的间隙(松1圈螺纹左右);②上下夹具必须成对使用，装配时按最佳对中位置安装(上下夹具做记号)。
3结语
应力环材料疲劳是一个连续动态的过程，每年1次的计量无法满足施加载荷力的精度要求。另外，由位移—载荷曲线换算力值易引入位移测量与载荷力计算的误差。采用安装在试样一端的轴销型载荷传感器可以直接检测施加在试样上的载荷值，并且改进试样加载操作方法可有效减小误差，实现抗硫化物应力腐蚀试验的精确加载。
参考文献：
［2］黄仲婴，袁鹏斌，陶延记，等．硫化物应力腐蚀开裂试验应力环载荷的测量及标定［J］．理化检验(物理分册)，2010，46(3):183－185．
［3］鲜宁，刘道新，姜放，等．应力环与慢拉伸加载喷丸强化X80钢的SCC行为［J］．石油机械，2008，36(4):18－21．
作者:张婷婷 陆春辉 单位:宝山钢铁股份有限公司研究院