一種復合加載應力腐蝕試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油勘探器材研究，具體為一種復合加載應力腐蝕試驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]近年來，油氣田由于硫化氫等腐蝕性介質的存在導致鉆桿、油套管等材料應力腐蝕開裂頻發。應力腐蝕開裂是材料在低于其屈服強度時過早的失效，具有突發性和不可預見性，存在著很大的安全隱患。現有的應力腐蝕試驗裝置多為單純的受拉或受彎曲應力的恒載荷試驗裝置，而油田現場鉆桿、油套管材料在承受拉應力的同時，還承受著一定的扭矩、彎矩、振動，以及流體沖擊，單一受力工況下的模擬試驗不能很好的與實際工況相匹配，這也是為何經實驗室檢測合格的材料在現場仍然出現開裂的原因。因此，迫切需要開發可以實現復合加載功能的應力腐蝕試驗裝置，使得真實工況下的應力腐蝕研究得以開展。
【發明內容】
[0003]針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種復合加載應力腐蝕試驗裝置及方法，能夠同時施加拉伸、扭轉、液體流動沖擊三種力的復合加載應力，更加接近實際工況，適用于各工程領域金屬材料在承受拉伸、扭轉、流體流動復合作用下的應力腐蝕試驗研究。
[0004]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0005]—種復合加載應力腐蝕試驗裝置，包括拉力環，密閉設置的環境容器，從上方伸入環境容器設置的進氣管、出氣管、熱電偶和壓力傳感器，分別設置在環境容器上下端的上下夾具，螺紋連接在下夾具自由端的加載螺栓，連接在上夾具自由端上的旋轉電機，以及設置在環境容器下部的電磁攪拌器和設置在環境容器中的磁子；拉力環沿徑向一端與上夾具固定連接，另一端連接在加載螺栓遠離下夾具的一端；拉力環通過加載螺栓旋轉經上下夾具對試件施加拉應力。
[0006]優選的，加載螺栓一端與下夾具自由端螺紋連接，另一端通過螺紋連接有支柱，拉力環與支柱固定連接。
[0007]進一步，還包括固定設置的支座，支柱的自由端固定在支座上，旋轉電機與支座固定連接。
[0008]優選的，環境容器外部套設有加熱套。
[0009]優選的，拉力環采用彈性金屬或彈性體制成。
[0010]優選的，上下夾具分別通過密封圈與環境容器密封連接。
[0011]優選的，還包括設置控制面板的控制電路，控制電路的輸出端連接熱電偶的控制端和旋轉電機的控制端，輸入端連接壓力傳感器的輸出端。
[0012]—種復合加載應力腐蝕試驗方法，基于本發明所述的一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，包括如下步驟，
[0013]步驟一，試驗樣品的準備，將樣品制備成啞鈴狀拉伸試樣；
[0014]步驟二，將試樣通過上下夾具裝夾在環境容器上，通過拉力環施加80%最小名義屈服強度的拉應力；
[0015]步驟三，導入所需的試驗溶液，通過進氣口導入N2除氧1小時，隨后關閉出氣口，導入腐蝕介質氣體到所需的分壓；
[0016]步驟四，開啟熱電偶加熱至所需溫度；
[0017]步驟五，開啟旋轉電機，給試樣施加所需的扭力；
[0018]步驟六，開啟電磁攪拌器，使介質產生流動，形成樣品一定流速下的相對運動；
[0019]步驟七，記錄試驗時間，持續720小時，試驗結束；
[0020]步驟八，觀察試驗后樣品工作段的變化，是否斷裂或產生裂紋。
[0021]優選的，制備成啞鈴狀拉伸試樣后，采用砂紙打磨和拋光。
[0022]優選的，拉力環施加的拉應力控制由千分表測量拉力環的變形來實現。
[0023]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0024]本發明設計了一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，通過拉力環的設置，實現了精確的加載力控制；通過旋轉電機的設置，實現了樣品的扭應力加載；通過電磁攪拌器的設置，實現了試驗介質的流動，從而實現了樣品的相對運動；通過壓力傳感器的設置，實現了高壓條件下的試驗；通過熱電偶和加熱套的設置，實現了高溫條件下的試驗。用以進行鉆桿、油套管材料等在油氣井下高溫高壓多相流腐蝕性介質及承受拉伸、扭轉、液體流動沖擊的復雜受力工況下的耐腐蝕性能研究，也可用于其它金屬材料在高溫高壓多相流腐蝕介質及承受復合載荷工況下的耐蝕性及腐蝕規律研究。綜合實現了油氣田苛刻腐蝕工況高溫高壓、拉應力、扭應力和流體流動沖刷腐蝕作用的集成作用，也可以單獨實現高溫或高壓、拉伸應力、扭轉應力、沖刷作用下的腐蝕模擬工況試驗研究。
[0025]進一步的，樣品加載時，先固定下部螺栓起固定作用，通過上部螺栓加載使得拉力環產生壓縮變形，給樣品施加一個反作用的拉應力，通過拉力環的變形量計算樣品上承受的載荷，從而得到精確的加載應力。
[0026]進一步的，通過加熱套給環境容器加熱，實現高溫試驗，并起到保溫的作用。
[0027]進一步的，通過采用砂紙打磨，從而避免機加工刀痕造成應力集中對試驗產生影響，提高了試驗的準確性。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明實例中所述裝置的結構示意圖。
[0029]圖中:1_拉力環，2-電磁攪拌器，3-環境容器，4-進氣管，5-熱電偶，6-旋轉電機，7-出氣管，8-壓力傳感器，9-試樣，10-加熱套，11-磁子，12-密封圈，13-加載螺栓，14-支座。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0031]本發明所設計的試驗裝置可以實現同時承受拉伸、扭轉和流體流動沖擊三種力的復合加載工況下的應力腐蝕試驗，原理簡單、操作方便，更加接近油田現場實際工況，有利于促進對油氣田鉆桿、油套管材料在真實受力情況下的應力腐蝕的研究。
[0032]如圖1所示，本發明所述的試驗裝置包括，環境容器3、拉力環1、電磁攪拌器2、旋轉電機6、加熱套10、進氣管4、出氣管7、熱電偶5、壓力傳感器8，以及支座14。環境容器3用來盛放腐蝕介質，環境容器3上設計有四個接口，一個安裝進氣管4，一個安裝出氣管7，一個安裝熱電偶5，一個安裝壓力傳感器8 ;進出氣管4、7用來導入惰性氣體排除環境容器及腐蝕介質中的氧氣，以及導入試驗所需氣體；熱電偶5用來探測和控制實驗溫度，壓力傳感器8用來探測和控制實驗壓力；拉力環1用來提供恒載荷的拉應力；環境容器3下部配有電磁攪拌器2，通過電磁振動實現試驗介質的流動，對試樣形成相對運動及一定的剪切應力；試樣上端接旋轉電機6，通過微旋轉給樣品施加所需的扭力。溫度、壓力、拉力、扭力的數據通過控制面板來讀取和操作，振動的頻率通過電磁攪拌器2單獨控制。
[0033]本優選實例以PI 10S油管在飽和H2S腐蝕介質中的應力腐蝕試驗為例。
[0034]1)試驗樣品的準備。將樣品制備成啞鈴狀拉伸試樣，試樣用砂紙打磨、拋光，避免機加工刀痕造成應力集中對試驗產生影響。
[0035]2)將試樣裝夾在環境容器上，采用密封圈密封，通過拉力環施加80%最小名義屈服強度的拉應力。應力的控制由千分表測量拉力環的變形來實現。
[0036]3)導入所需的試驗溶液，通過進氣口導入N2除氧1小時，隨后關閉出氣口，導入硫化氫氣體到所需的分壓。
[0037]4)開啟電加熱至所需溫度。
[0038]5)開啟旋轉電機，給試樣施加所需的微扭力。
[0039]6)開啟電磁攪拌器，通過磁子11的轉動使介質產生流動。
[0040]7)記錄試驗時間，持續720小時，試驗結束。
[0041]8)觀察試驗后樣品工作段的變化，是否斷裂或產生裂紋。
【主權項】
1.一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，包括拉力環(1)，密閉設置的環境容器(3)，從上方伸入環境容器(3)設置的進氣管(4)、出氣管(7)、熱電偶(5)和壓力傳感器(8)，分別設置在環境容器(3)上下端的上下夾具，螺紋連接在下夾具自由端的加載螺栓(13)，連接在上夾具自由端上的旋轉電機￠)，以及設置在環境容器(3)下部的電磁攪拌器(2)和設置在環境容器(3)中的磁子(11);拉力環(1)沿徑向一端與上夾具固定連接，另一端連接在加載螺栓(13)遠離下夾具的一端；拉力環(1)通過加載螺栓(13)旋轉經上下夾具對試件(9)施加拉應力。2.根據權利要求1所述的一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，加載螺栓(13)一端與下夾具自由端螺紋連接，另一端通過螺紋連接有支柱，拉力環(1)與支柱固定連接。3.根據權利要求2所述的一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，還包括固定設置的支座(14)，支柱的自由端固定在支座(14)上，旋轉電機(6)與支座(14)固定連接。4.根據權利要求1所述的一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，環境容器(3)外部套設有加熱套(10)。5.根據權利要求1所述的一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，拉力環采用彈性金屬或彈性體制成。6.根據權利要求1所述的一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，上下夾具分別通過密封圈(12)與環境容器(3)密封連接。7.根據權利要求1所述的一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，還包括設置控制面板的控制電路，控制電路的輸出端連接熱電偶(5)的控制端和旋轉電機(6)的控制端，輸入端連接壓力傳感器(8)的輸出端。8.一種復合加載應力腐蝕試驗方法，基于權利要求1所述的一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，其特征在于，包括如下步驟， 步驟一，試驗樣品的準備，將樣品制備成啞鈴狀拉伸試樣； 步驟二，將試樣通過上下夾具裝夾在環境容器上，通過拉力環施加80%最小名義屈服強度的拉應力； 步驟三，導入所需的試驗溶液，通過進氣口導入N2除氧1小時，隨后關閉出氣口，導入腐蝕介質氣體到所需的分壓； 步驟四，開啟熱電偶加熱至所需溫度； 步驟五，開啟旋轉電機，給試樣施加所需的扭力； 步驟六，開啟電磁攪拌器，使介質產生流動，形成樣品一定流速下的相對運動； 步驟七，記錄試驗時間，持續720小時，試驗結束； 步驟八，觀察試驗后樣品工作段的變化，是否斷裂或產生裂紋。9.根據權利要求8所述的一種復合加載應力腐蝕試驗方法，其特征在于，制備成啞鈴狀拉伸試樣后，采用砂紙打磨和拋光。10.根據權利要求8所述的一種復合加載應力腐蝕試驗方法，其特征在于，拉力環施加的拉應力控制由千分表測量拉力環的變形來實現。
【專利摘要】本發明提供一種復合加載應力腐蝕試驗裝置，包括拉力環，密閉設置的環境容器，從上方伸入環境容器設置的進氣管、出氣管、熱電偶和壓力傳感器，分別設置在環境容器上下端的上下夾具，螺紋連接在下夾具自由端的加載螺栓，連接在上夾具自由端上的旋轉電機，以及設置在環境容器下部的電磁攪拌器和設置在環境容器中的磁子；拉力環沿徑向一端與上夾具固定連接，另一端連接在加載螺栓遠離下夾具的一端；拉力環通過加載螺栓旋轉經上下夾具對試件施加拉應力。所述基于裝置的方法用以進行鉆桿、油套管材料等在油氣井下高溫高壓多相流腐蝕性介質及承受拉伸、扭轉、液體流動沖擊的復雜受力工況下的耐腐蝕性能研究。
【IPC分類】G01N3/08, G01N17/00, G01N3/22
【公開號】CN105388101
【申請號】CN201510874287
【發明人】韓燕 , 尹成先, 馬慶偉, 呂乃欣
【申請人】中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣集團公司管材研究所
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年12月2日