趙衛(wèi)民，　張體明，　楊　敏，　杜天海，　董立先，　林學(xué)強(qiáng)

(中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0　引　言

據(jù)美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)統(tǒng)計，2013年由腐蝕造成的損失高達(dá)2.5萬億美元，相當(dāng)于當(dāng)年世界經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3.4%[1]。通過采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，其中大多數(shù)腐蝕是可以避免的[2]。高校作為專業(yè)型人才培養(yǎng)的前沿陣地，肩負(fù)著培養(yǎng)腐蝕防護(hù)科研和技術(shù)人員的重任[3]?！敖饘俳Y(jié)構(gòu)的腐蝕與防護(hù)”是一門理論與實踐并重課程，是學(xué)?！安牧铣尚图翱刂乒こ獭睂I(yè)針對帶有焊接殘余應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下工作易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂失效而開設(shè)的一門特色課程，應(yīng)力腐蝕是課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)。另外，應(yīng)力腐蝕也是本科畢業(yè)設(shè)計以及研究生論文的重要實驗內(nèi)容。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)既能鞏固學(xué)生對理論知識的掌握，又能培養(yǎng)學(xué)生分析和解決腐蝕問題能力，是理論聯(lián)系實際的重要紐帶[4-6]。為此，針對石油石化焊接結(jié)構(gòu)所處的服役環(huán)境特點(diǎn)，開設(shè)了應(yīng)力腐蝕創(chuàng)新實驗。應(yīng)力腐蝕是指受應(yīng)力的材料在特定環(huán)境下產(chǎn)生滯后開裂，甚至斷裂的現(xiàn)象[7]。相比其他實驗方法，應(yīng)力腐蝕測試對實驗設(shè)備、實驗內(nèi)容設(shè)計往往具有更高的要求。

常用的應(yīng)力腐蝕測試方法包括：恒載荷法、恒位移法和慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)法[8]。其中恒載荷法和恒位移法耗時太長[9]，通常人為規(guī)定一個限定的時間。采用恒載荷法和恒位移法往往得不到確切的實驗結(jié)果，結(jié)果分散度較大[8]，不易在有限的課時時間內(nèi)加深學(xué)生對應(yīng)力腐蝕的理解。SSRT法是將拉伸試樣裝入慢速率拉伸試驗機(jī)中，在一定環(huán)境中以恒定的緩慢拉伸應(yīng)變速度對試樣進(jìn)行加載，以強(qiáng)化應(yīng)變狀態(tài)來加速應(yīng)力腐蝕過程的發(fā)生和發(fā)展[10]。與恒載荷法和恒位移法相比，慢應(yīng)變速率拉伸實驗的速度更快，可以在短時間內(nèi)得到延遲斷裂的結(jié)果，實驗包括了應(yīng)力腐蝕斷裂的全過程[11]。

通常采用下述指標(biāo)來評定材料在特定介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性[7]：①塑性損失。用惰性介質(zhì)和腐蝕介質(zhì)中的延伸率的相對差值作為應(yīng)力腐蝕敏感性的度量，延伸率損失越嚴(yán)重，應(yīng)力腐蝕敏感性越高；②斷裂應(yīng)力。在腐蝕介質(zhì)中的斷裂應(yīng)力和惰性介質(zhì)中斷裂應(yīng)力的比值越小，應(yīng)力腐蝕的敏感性越大；③吸收能量。應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積代表試樣斷裂前所吸收的能量，惰性介質(zhì)和腐蝕介質(zhì)中吸收能差別越大，則應(yīng)力腐蝕的敏感性也越大；④斷裂時間。當(dāng)應(yīng)變速率保持不變時，在腐蝕介質(zhì)和惰性介質(zhì)中斷裂時間的比值越小，應(yīng)力腐蝕敏感性越大。上述應(yīng)力腐蝕敏感性的評定指標(biāo)均以試樣承受的載荷和變形量為基礎(chǔ)，因此，這兩個參數(shù)測量的準(zhǔn)確性將直接影響應(yīng)力腐蝕敏感性的評判結(jié)果。

考慮石油石化行業(yè)的特點(diǎn)，諸多焊接結(jié)構(gòu)往往處于高壓環(huán)境之中，如深海鉆采設(shè)備[12]、長輸管線[13]等。鑒于此，為了真實模擬上述結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)力腐蝕測試有必要在高壓環(huán)境中進(jìn)行。本單位引進(jìn)了國外某公司生產(chǎn)的高壓SSRT試驗機(jī)，但在實驗過程中遇到變形量測量失效的問題。由于等待國外檢修的時間太長，筆者通過對試驗機(jī)的加載原理進(jìn)行分析，采用排查法確定設(shè)備的失效環(huán)節(jié)，進(jìn)而制定了維修措施，解決了設(shè)備失效問題，保證了實驗教學(xué)的正常進(jìn)行。

1　試驗機(jī)的工作原理

1.1　高壓密封系統(tǒng)

圖1為SSRT試驗機(jī)高壓密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該高壓密封系統(tǒng)中的釜體采用C276哈氏合金制造，具有良好的耐腐蝕性能。釜體一端封閉，并固定于試驗機(jī)底座位置，另一側(cè)開口以放入測試試樣。釜蓋同樣采用C276材質(zhì)加工制造，下方安裝試樣固定支架。實驗前，需將待測試樣安裝在試樣固定支架上，并根據(jù)實驗需要向釜體內(nèi)加入腐蝕介質(zhì)。釜體與釜蓋之間采用錐面硬密封的方式，通過緊固螺栓將釜體和釜蓋夾緊。為實現(xiàn)高壓環(huán)境下試樣的拉伸性能測試，在釜蓋的中間安裝拉伸桿，并采用骨架密封圈將二者密封。為防止骨架密封圈承受釜內(nèi)高壓時噴出，采用釜蓋壓帽將其壓緊。此外，當(dāng)釜體內(nèi)的壓力較高時，可在拉伸桿上產(chǎn)生向上的推力[14]，從而使試樣承受拉伸載荷，且釜內(nèi)壓力越高，拉伸載荷越大，監(jiān)測到的試樣載荷誤差越大。為避免這一問題，在釜蓋位置設(shè)計增加平衡腔，通過拉伸桿心部的通孔實現(xiàn)平衡腔與高壓釜內(nèi)的聯(lián)通，以平衡拉伸桿兩端的壓力差。因此，當(dāng)研究環(huán)境壓力變化對應(yīng)力腐蝕敏感性的影響時，不存在高壓釜內(nèi)壓力變化對監(jiān)測精度造成影響的問題。

圖1拉伸試驗機(jī)高壓密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2　加載系統(tǒng)

圖2為加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，整個系統(tǒng)以固定于試驗機(jī)底座的立柱為支撐，安裝在立柱上方的機(jī)架頂板上。試驗機(jī)以固定在機(jī)架頂板上的步進(jìn)電動機(jī)輸出扭矩為動力，通過傳動系統(tǒng)中的滾珠絲杠系統(tǒng)將動力傳送至絲杠。步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速可由遠(yuǎn)程計算機(jī)控制，從而可實現(xiàn)通過控制步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)而控制絲杠升降速度的目的。絲杠外圍套裝防護(hù)罩，并固定于機(jī)架頂板上。絲杠上方裝有帶銷釘孔的定位接頭，并采用穿過防護(hù)罩長槽和銷釘孔的銷釘限制絲杠與機(jī)架之間的相對轉(zhuǎn)動。絲杠的下方依次連接上夾頭、力傳感器、下夾頭和拉伸桿，拉伸桿的另一端與試樣相連，從而可通過絲杠拉伸試樣。下夾頭兩端對稱安裝2支位移傳感器，分別定義為1#位移傳感器和2#位移傳感器，位移傳感器的探頭與固定在釜蓋上方的托板接觸。安裝時需保證2支位移傳感器有足夠的壓下量，即保證壓下量大于試樣的變形量。拉伸過程中，將2支位移傳感器監(jiān)測到的變形量分別記為ΔL1和ΔL2，為保證測試精度，試樣的變形量取位移傳感器讀數(shù)的平均值，即(ΔL1+ΔL2)/2。加載系統(tǒng)中的力傳感器可實時監(jiān)測試樣承受的載荷。需要說明的是，拉伸桿與骨架密封圈之間存在摩擦力，其值會反映到力傳感器中。但是由于摩擦的力值遠(yuǎn)小于拉伸過程中試樣承受的載荷，可忽略不計。所述位移傳感器和力傳感器與遠(yuǎn)程計算機(jī)相連，可實時記錄拉伸試樣的變形量和載荷水平，實驗后可據(jù)此計算獲得試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2拉伸試驗機(jī)加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　試驗機(jī)加載系統(tǒng)故障分析

2.1　故障現(xiàn)象

參考國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 15970.7—2000 金屬和合金的腐蝕—應(yīng)力腐蝕實驗第7部分：慢應(yīng)變速率實驗》進(jìn)行X80管線鋼試樣的SSRT測試，應(yīng)變速率選為1×10-6s-1。拉伸過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉伸載荷達(dá)到35 kN時出現(xiàn)明顯的波動，此時對應(yīng)的變形量約為0.9 mm，隨后，變形量瞬時突增至14.2 mm，如圖3所示。進(jìn)一步檢查拉伸試驗機(jī)，發(fā)現(xiàn)2支位移傳感器已從托板位置滑落。由此推斷，在拉伸實驗過程中，加載系統(tǒng)的整體或局部相對試驗機(jī)機(jī)架發(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使載荷和位移波動，當(dāng)偏轉(zhuǎn)的位移傳感器從托板上滑落時，監(jiān)測的變形量瞬時增大至其測量極限。

圖3拉伸試樣的載荷F-變形量L關(guān)系曲線

2.2　故障排查過程

為了確定加載系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)的原因，沿試驗機(jī)中軸線方向?qū)虞d系統(tǒng)可能發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)的各個部件之間進(jìn)行標(biāo)記，自上而下依次為“絲杠—上夾頭”“上夾頭—力傳感器”“力傳感器—下夾頭”“下夾頭—拉伸桿”“拉伸桿—釜蓋”。采用同種類型的試樣進(jìn)行重復(fù)實驗，結(jié)果仍有上述拉伸系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)問題的發(fā)生。圖4為實驗完成后試驗機(jī)拉伸系統(tǒng)的標(biāo)記情況，可以確認(rèn)，拉伸桿至絲杠之間的連接并未發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，而拉伸桿與釜蓋之間卻發(fā)生較大程度的偏轉(zhuǎn)，且2支位移傳感器已從托板位置滑落。進(jìn)一步檢查拉伸桿頂端的防護(hù)罩和定位銷釘，確認(rèn)防護(hù)罩和銷釘均沒有發(fā)生松動。

綜合考慮上述情況，拉伸桿和釜蓋之間發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而拉伸桿至絲杠之間的拉伸系統(tǒng)各部件之間并沒有發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，且絲杠防護(hù)罩和銷釘定位良好。因此，極有可能是絲杠與定位銷釘之間發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。為了驗證上述推斷，取下防護(hù)罩，檢查絲杠與銷釘定位接頭之間的連接，發(fā)現(xiàn)二者之間已經(jīng)脫焊，相互之間可以旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。至此，便確定了實驗過程中加載系統(tǒng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的根源。

2.3　故障原因分析

如圖5所示，拉伸過程中絲杠承受拉伸力(F拉)作用的同時，也會沿絲杠齒面產(chǎn)生正向力(F正)和切向力(F切)，切向力的存在會導(dǎo)致絲杠出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)傾向。由于定位接頭與絲杠之間采用正向螺紋連接，其旋松方向恰好為絲杠承受切向力的方向。因此，為了避免使用過程中定位接頭與絲杠之間出現(xiàn)松動，采取了焊接的方法。當(dāng)定位接頭與絲杠之間的焊點(diǎn)沒有失效時，可通過銷釘限制絲杠的轉(zhuǎn)動。但是，當(dāng)絲杠承受的拉伸載荷較大時，可導(dǎo)致切向力的增加，超過某一值后致使焊點(diǎn)開裂失效，且焊點(diǎn)失效后定位接頭與絲杠之間的螺紋連接不能限制二者之間的相對轉(zhuǎn)動，最終導(dǎo)致絲杠及其下方的各個部件發(fā)生偏轉(zhuǎn)。加載系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)會影響力傳感器和位移傳感器的穩(wěn)定性，因而出現(xiàn)了圖3所示的載荷和變形量波動。

圖5　定位接頭與絲杠脫焊

加載系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的載荷值F拉≈35 kN，此時對應(yīng)的切向力為：

F切=F拉·sinφ

(1)

式中，φ為絲杠的螺旋升角，為12°，由此計算可得F切=7 277 N。

觀察圖5所示定位接頭與絲杠的連接部位，在整個環(huán)向范圍內(nèi)只包括一個有效焊點(diǎn)，其他部位均為虛焊。在拉伸過程中，絲杠齒面方向的切向力完全由一個焊點(diǎn)承擔(dān)，極易導(dǎo)致脫焊的發(fā)生。

3　加載系統(tǒng)維修及測試

3.1　加載系統(tǒng)維修

絲杠與定位接頭之間本身已有螺紋連接，但所用螺紋為正螺紋，其旋松方向恰好為切向力的作用方向。定位接頭與絲杠之間的螺紋連接起不到固定作用，因此,廠家在螺紋連接的基礎(chǔ)上又采用焊接連接。本文分析認(rèn)為，既設(shè)計螺紋連接又設(shè)計焊接連接是極不合理的。如果定位接頭和絲杠之間采用反螺紋方式連接，那么便不需要焊接加強(qiáng)；而如果只采用焊接連接，那么為了保證焊接質(zhì)量，絲杠上端則不應(yīng)加工齒面，因為齒面的存在不僅會導(dǎo)致焊接成形困難，而且工作時在螺紋溝槽處易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使接頭失效。因此，如果改變絲杠螺紋設(shè)計，將絲杠頂端的正螺紋改為反螺紋，不需焊接即可實現(xiàn)定位接頭與絲杠之間的固定。但是重新加工絲杠的成本偏高，且絲杠的加工和安裝精度與原裝的相比會有所變化。

針對原設(shè)計方案的不足，提出了以下3種維修方案：

(1) 絲杠鉆孔。為防止絲杠在實驗過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動，最直接的方法莫過于直接在絲杠上鉆孔，并采用銷釘固定，進(jìn)而可避免定位接頭與絲杠之間連接失效而導(dǎo)致的加載系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)問題。缺點(diǎn)是由于絲杠的外形極不規(guī)則，夾持困難且易損傷絲杠的齒面，鉆孔位置也難以精確定位。由于絲杠的硬度較高，也給鉆孔操作帶來了極大的困難。此外，鉆孔會導(dǎo)致絲杠剩余截面積減小，可能會降低絲杠的承載能力，因此需要對鉆孔后的絲杠強(qiáng)度進(jìn)行校核。

(2) 更改定位接頭與絲杠的連接方式。將定位接頭與絲杠之間的螺紋連接更改為方形接頭連接，即定位接頭與絲杠的配合部位截面為方形。圖6為方形接頭連接方法示意圖，有兩種方式。一種是采用電火花加工方法在絲杠上頂端加工橫截面為方形的深孔，并采用硬質(zhì)合金重新加工定位接頭，其中定位接頭的頂部與現(xiàn)有接頭形狀尺寸保持一致，下端為方形凸臺，凸臺恰好與絲杠頂端方形孔配合，并采用定位滾珠定位。另外一種方式是將絲杠上頂端加工成方形凸臺，定位接頭加厚，配合方形凸頭的凹槽加工在定位接頭一側(cè)。這兩種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是無需重新加工絲杠，方形接頭連接可有效避免定位接頭和絲杠之間的相對轉(zhuǎn)動。缺點(diǎn)是在現(xiàn)有絲杠頂端加工方形孔或凸臺均需要采用電火花這種特殊加工方法，特別是圖6左圖中的定位槽以及右圖中放置定位珠的孔加工難度大，且需要嚴(yán)格保證定位接頭與絲杠之間凹槽和凸臺的配合精度，維修效率低，成本偏高。

圖6定位接頭與絲杠之間連接方式示意圖

(3) 脫焊處重新焊接。將定位接頭與絲杠之間的脫焊位置重新焊接固定，是最簡便的方法。問題在于絲杠和定位接頭的具體鋼材牌號和熱處理狀態(tài)無法獲知，難以確定合適的焊接材料和焊接工藝。材料成分和組織無法通過常規(guī)破壞性的方法進(jìn)行檢驗。通過和國外溝通，僅能確定絲杠為淬硬的合金鋼，定位接頭為低碳鋼，因而絲杠與定位接頭的焊接屬于異種鋼焊接。若焊接工藝不當(dāng)，極易在焊縫和絲杠熱影響區(qū)位置生成脆硬的馬氏體組織或者冷裂紋，另外焊接變形會影響絲杠的正常運(yùn)行以及影響高壓密封效果，這些都是導(dǎo)致維修失敗的隱患。

綜合分析3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到時間和成本問題，最后選擇焊接修復(fù)方法。焊接修復(fù)的難點(diǎn)主要在于絲杠材料的焊接性差且對焊接變形敏感。為了防止絲杠材料焊接時出現(xiàn)淬硬組織或者冷裂紋，正常情況下應(yīng)該采取一定的預(yù)熱、后熱、緩冷措施[15]。考慮到絲杠下端與滾珠軸承連接(拆卸影響二次裝配精度)，無法進(jìn)行整體熱處理，而局部加熱可能引起較大的焊接殘余變形，導(dǎo)致修復(fù)后絲杠無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，作者最后決定不預(yù)熱直接焊接。為了控制焊接應(yīng)力和變形，決定采用非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊(TIG)方法[16]，采用小電流施焊，焊接過程中采取分段、對稱的原則[17]；采用606鎳合金焊絲，高的鎳含量有利于減小絲杠一側(cè)凝固過渡層的脆性層厚度，同時提高焊縫塑性，使焊接應(yīng)力優(yōu)先釋放于軟的焊縫上，防止絲杠熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋。

3.2　試驗機(jī)維修效果

按照制定的焊接方法和工藝，對絲杠和定位接頭之間進(jìn)行了焊接修復(fù)，接頭未出現(xiàn)裂紋缺陷。將焊好的絲杠與定位接頭重新安裝到試驗機(jī)上，采用SSRT實驗對拉伸試驗機(jī)進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變曲線測試。實驗材料為X80管線鋼，應(yīng)變速率選為1×10-6s-1，圖7為10 MPa高壓環(huán)境下獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。測試過程中，拉伸試驗機(jī)工作狀態(tài)良好，高壓釜的密封性也并未受加載系統(tǒng)二次裝配精度的影響，絲杠運(yùn)行連續(xù)無卡磨現(xiàn)象，載荷、位移數(shù)據(jù)無波動，且未出現(xiàn)加載系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)的問題。

圖7X80鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4　結(jié)　語

SSRT實驗效率高，可以在短時間內(nèi)得到延遲斷裂的結(jié)果，實驗包括應(yīng)力腐蝕斷裂的全過程，相比恒載荷和恒位移方法更適合應(yīng)力腐蝕實驗教學(xué)。由于應(yīng)力腐蝕敏感性的評定指標(biāo)均以試樣的拉伸載荷和變形信息為基礎(chǔ)，因而實驗對這兩個參數(shù)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求。針對教學(xué)過程中遇到的加載系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)問題，采用排除法確定故障的根源在于試驗機(jī)頂端的絲杠與定位接頭之間發(fā)生脫焊。采用TIG焊方法對脫焊部位進(jìn)行補(bǔ)焊，為減小接頭部位的殘余應(yīng)力和變形，采用606鎳合金焊絲進(jìn)行小電流施焊，并遵循分段、對稱的原則。后續(xù)測試確定試驗機(jī)工作狀態(tài)良好，保證了教學(xué)實驗的順利進(jìn)行。

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