氫致開裂試驗(yàn)及分析
2009-09-23 08:46:20張俊超
中國高新技術(shù)企業(yè) 2009年12期
摘要：文章研究了石油液化氣鋼瓶氫致開裂的聲發(fā)射試驗(yàn)，采用德國Vallen公司生產(chǎn)的AMSY-5型聲發(fā)射儀，將液化氣鋼瓶打壓，內(nèi)為飽和H2S溶液，用聲發(fā)射儀24小時(shí)連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)液化氣鋼瓶在濕硫化氫環(huán)境下氫致裂紋從萌芽到破裂的全過程。
關(guān)鍵詞：液化氣鋼瓶；氫致開裂試驗(yàn)；濕硫化氫
中圖分類號(hào)：TE966文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009－2374(2009)12－0018－02
氫致開裂的表現(xiàn)形式多種多樣，氫在斷裂過程中的作用非常復(fù)雜，多年來國內(nèi)外對(duì)H2S腐蝕開裂的機(jī)理有大量的研究，并且近30年的研究呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，也提出了不少觀點(diǎn)，但到目前為止，還沒有一種理論能夠圓滿解釋所有的氫致開裂現(xiàn)象，已提出的觀點(diǎn)主要有氫壓理論、弱鍵理論、氫降低表面能理論以及氫促進(jìn)局部塑性變形從而促進(jìn)斷裂的理論。以下為實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)分析：
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
由于現(xiàn)有常規(guī)無損檢測(cè)方法不能在線檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)氫致開裂的發(fā)生，而氫致開裂過程可以產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，因此，本論文的目的是采用聲發(fā)射在線檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)和評(píng)價(jià)壓力容器可能產(chǎn)生的HIC狀況，從而為提供一種更加可靠和快捷的檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)方法提供依據(jù)，以確保壓力容器的安全運(yùn)行。
二、試驗(yàn)方法
本次試驗(yàn)中，采用德國Vallen公司生產(chǎn)的AMSY-5型聲發(fā)射儀，將液化氣鋼瓶打壓，內(nèi)為飽和H2S溶液，用聲發(fā)射儀24小時(shí)連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)液化氣鋼瓶在濕硫化氫環(huán)境下氫致裂紋從萌芽到破裂的全過程。
本論文進(jìn)行石油液化氣鋼瓶氫致開裂的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究，主要的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備如下：由德國Vallen公司生產(chǎn)的AMSY-5型聲發(fā)射儀、VS150-RIC和VS900-RIC型探頭(均有前置放大器，40dB)，設(shè)置參數(shù)為：門檻50dB、采集頻率為5MHZ、采集點(diǎn)2048個(gè)；液化氣鋼瓶，材料為15MnHP，只要成分為碳、硅、錳、磷、硫，其含量見表1；利用加有毒化劑的濕硫化氫環(huán)境；耦合劑為凡士林。
三、實(shí)驗(yàn)步驟
1將試驗(yàn)用液化氣鋼瓶內(nèi)的殘氣和殘液清除干凈。
2用噴丸機(jī)清除液化氣鋼瓶外壁的銹蝕物、油脂、腐蝕產(chǎn)物等20分鐘。
3用砂輪機(jī)打磨液化氣鋼瓶外壁貼探頭處，露出金屬光澤且表面平整。
4取18L蒸餾水配制NaCl、CH3COOH混合溶液，NaCl與CH3COOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5％、0.5％，將配好的混合溶液注入液化氣鋼瓶。
5用細(xì)管將純度為99.9％的H2S氣體以1～2個(gè)氣泡每秒的速度，緩慢通人配好的溶液中，持續(xù)1.5小時(shí)，使H2s氣體充分溶解到溶液里，達(dá)到飽和狀態(tài)。
6用H2S氣體向試驗(yàn)剛瓶內(nèi)加壓，打壓至1.2MPa。
7在閥門處刷涂肥皂水檢查閥門的氣密性。
8在液化氣鋼瓶的上中下三個(gè)部位布置探頭，耦合好后進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，對(duì)各個(gè)探頭逐一進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，在探頭附近大約5cm處斷鉛3次，所有探頭三次平均幅度均達(dá)到95dB以上，靈敏度很高，且一致性良好。
9采集背景噪聲3分鐘。
10開始用聲發(fā)射一對(duì)液化氣鋼瓶進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析
由于在實(shí)際的使用過程中，鋼瓶底部容易積聚殘氣和殘液，使得底部更容易發(fā)生腐蝕，是液化氣鋼瓶最薄弱的區(qū)域，1號(hào)探頭位于鋼瓶底部，在整個(gè)腐蝕過程中接收到的信號(hào)量最多，因此只對(duì)1號(hào)探頭進(jìn)行分析。
實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，由于液體與壓力需要一定的時(shí)間才能達(dá)到平衡，因此，撞擊數(shù)較多，達(dá)到平衡后，撞擊數(shù)明顯減少，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，撞擊數(shù)不斷增加，當(dāng)撞擊達(dá)到極大值后，開始不斷減少，這可能是腐蝕層不斷加厚造成的，也可能是由于溶液中與鋼瓶瓶壁接觸的H+的濃度有所下降，使?jié)B入鋼瓶中的H原子下降所造成的。
1號(hào)探頭接收到的信號(hào)的能量在0～2500en范圍內(nèi)，在持續(xù)時(shí)間為102υs處，圖像的斜率發(fā)生變化，在2500υs處有一個(gè)小的分支，其斜率與上述二者均不同，因此可以判斷，整個(gè)腐蝕過程可以分為三種不同的模式，據(jù)鋼材的成分、腐蝕環(huán)境和相關(guān)文獻(xiàn)，初步認(rèn)為這三種模式應(yīng)為腐蝕、腐蝕開裂和腐蝕剝落。
事件計(jì)數(shù)－上升時(shí)間與幅度－上升時(shí)間的相關(guān)圖也可以證明這點(diǎn)，各相關(guān)點(diǎn)主要分布在1、2、3三區(qū)域，模式1的上升時(shí)間大約為0～200υs，事件計(jì)數(shù)與幅度分別為1～280個(gè)、50.1～93dB；模式2的上升時(shí)間為0～350υs，事件計(jì)數(shù)與幅度分別為1～300個(gè)，50.1～83dB，模式3的上升時(shí)間為0～510υs，事件計(jì)數(shù)與幅度分別為1～150個(gè)、50.1～78dB。并且三種模式相互之間不是截然分開的，有相互交疊重復(fù)部分。
三種模式相互交疊重復(fù)，這是由于在腐蝕過程中，腐蝕、腐蝕開裂、腐蝕剝落三種模式在時(shí)間順序上并不是先后獨(dú)立出現(xiàn)的，而是從腐蝕產(chǎn)生到腐蝕剝落有一定的變化過程，到實(shí)驗(yàn)后期，鋼瓶內(nèi)部舊腐蝕層的剝落和新露出的腐蝕層的產(chǎn)生是同時(shí)存在的，也造成三種模式在時(shí)間上難以區(qū)分。
五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過對(duì)1號(hào)探頭所采集聲發(fā)射信號(hào)的分析，得出在濕硫化氫環(huán)境下，壓力容器的腐蝕過程有三種不同的模式，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，初步判定這三種模式分別為腐蝕、腐蝕開裂、腐蝕剝落。但由于時(shí)間和條件的限制，經(jīng)受腐蝕后的鋼瓶材料的金相分析還有待進(jìn)一步的研究，還不能將這三個(gè)過程與三種模式一一對(duì)應(yīng)。此次試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，對(duì)以后相類似的腐蝕環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)研究有一定的參考價(jià)值。
作者簡介：張俊超(1967－)，男，河北任丘人，保定市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所助理工程師，研究方向：鍋爐、壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)。
