[發明專利]含氫煤制天然氣環境中管線鋼斷裂韌性的測試方法和裝置

在審

• 申請號: 201711112951.8
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107966368A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 鄭樹啟;安騰;張帥;李樹杰;宋衛臣;姜志陽;辛萌;付國強
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京);中石化石油工程設計有限公司
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 沈金輝

技術領域

本發明涉及煤制天然氣環境下的材料斷裂韌性的測試裝置及方法，屬于斷裂韌性測量技術領域。

背景技術

隨著管線鋼強度級別的提高，對強度和韌性的要求也隨之提高，但是高強度管線鋼在含氫環境中服役時，由氣體氫導致裂紋開裂的概率大大提高，因此對管線鋼在含氫介質中的斷裂韌性的準確評價對管線鋼安全運行有重大意義。

煤制氣(以煤為原料經過加壓氣化后，脫硫提純制得的含有可燃組分的氣體)中的氫含量為煤制天然氣總壓(12MPa)的2％-5％。現有的對煤制天然氣中管線鋼的斷裂韌性的評價技術往往采用電化學充氫技術和高壓釜充氫技術使管線鋼中含有一定氫之后進行斷裂韌性測試，但是氫的擴散極快，而且無法反應實際的服役工況，導致測試結果具有極大的分散性，對管線鋼的性能造成極大地浪費或者低估。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種能真實反映管線鋼的實際服役性能，操作簡單，結果準確、可靠的煤制天然氣環境中管線鋼斷裂韌性的測試技術。

為了實現上述目的，本發明首先提供了一種含氫煤制天然氣環境中管線鋼斷裂韌性的測試方法，該測試方法包括以下步驟：

在空氣中預制初始裂紋；

在工況環境下，進行拉伸測試，得到測試裂紋擴展量；

繪制J積分-測試裂紋擴展量的曲線，然后根據K_IC＝[J×E/(1-υ²)]^0.5求得管線鋼的斷裂韌性，完成對含氫煤制天然氣環境中管線鋼斷裂韌性的測試；

其中，K_IC為管線鋼的斷裂韌性參數，單位為MPa·m^0.5；J為J積分的實驗當量，單位為KJ/m²，E為彈性模量，單位為Pa；υ為泊松比。

在上述測試方法中，優選地，在繪制J積分-測試裂紋擴展量的曲線前，進行小載荷疲勞測試，拉斷后，測量實際裂紋擴展量，當測試裂紋擴展量與實際裂紋擴展量之差不超過實際裂紋擴展量的15％或0.15mm時，采用此時的測試裂紋擴展量繪制J積分-測試裂紋擴展量的曲線；如果實際裂紋擴展量不在上述范圍內，則說明本次測試無效，重新進行本發明的測試方法的第一步。

在上述測試方法中，優選地，在工況環境下，進行拉伸測試，得到測試裂紋擴展量時，進行壓力的加載和卸載，在模擬煤制氣下的加載和卸載的速率為0.12mm/min；

進行加載和卸載時，引伸計在加載線上，控制模式為位移控制。

在上述測試方法中，優選地，在空氣中預制初始裂紋時，按照以下步驟進行：

通過線切割制備一個裂紋，然后通過疲勞裂紋擴展速率實驗方法制備符合要求的初始裂紋；其中，初始裂紋的尺寸a₀與試樣寬度W的比值滿足0.45<a₀/W<0.7，疲勞裂紋擴展速率的實驗參數為：恒ΔK法，ΔK＝30MPa·m^0.5，f＝10Hz。

在上述測試方法中，優選地，工況環境是指在模擬煤制天然氣環境下，所述模擬煤制天然氣包括0.24MPa-0.6MPa的H₂、0.24MPa的CO₂，以及余量的N₂使總氣壓為12MPa。

在上述測試方法中，J積分-測試裂紋擴展量的曲線根據標準GB/T 21143的計算公式得到，其中J積分由彈性部分的J積分和塑性部分的J積分得到。優選地，根據如下公式得到J：

其中，η_p＝2+0.552(1-ax/W)；

K為應力強度因子，單位為MPa·m^0.5；E為彈性模量，單位為Pa；υ為泊松比；Up為塑性功，單位為J；a₀為裂紋長度，單位為mm；W為試樣的寬度，單位為mm；B_N為兩側槽之間的試樣的凈厚度，單位為mm。本發明還提供了一種含氫煤制天然氣環境中管線鋼斷裂韌性的測試裝置，該測試裝置用于上述測試方法中，該測試裝置包括：測試設備和環境箱；

其中，測試設備包括疲勞試驗機和引伸計測試組件；

環境箱設置有進氣連接口、壓力表連接口、引伸計連接口、真空泵連接口、出氣口；

環境箱固定在疲勞試驗機中；

環境箱內部設置有引伸計。

在上述測試裝置中，優選地，該測試裝置還包括上拉伸桿和下拉伸桿，上拉伸桿和下拉伸桿連接環境箱與疲勞試驗機。