一种管材力学性能衰减定量评价方法与流程

1.本发明属于材料力学性能分析领域，具体涉及一种管材力学性能衰减定量评价方法。


背景技术：

2.近些年来，由于油气开发环境愈发严苛，油气采出液中h2s等腐蚀性介质含量增加，对管道的应力腐蚀破坏越来越频繁，严重影响油气开发工作的效率，而且造成开发成本升高、环境污染等问题。为探究管材失效机理，确保其在安全周期内服役，目前常采用四点弯曲法或应力环法对管材的应力腐蚀性能进行评价。
3.四点弯曲法是先将试样加工成宽15mm-50mm、长110mm-250mm的平直块，通过设备支住试样的两端，再在其内部支起两点，向上加载应力顶弯试样，长时间处于一定浓度的h2s环境下，每隔固定时间观察试样表面是否有裂纹产生。
4.应力环法是先将试样加工成外径大于15mm的c型环，通过设备沿环垂直径向扭紧螺栓，在环的水平径即向产生拉伸应力，再将试样长时间处于一定浓度的h2s环境下，连续观察其表面是否萌生裂纹或者断裂现象，据此评价管材在特定浓度h2s环境下的综合性能。
5.然而，实际生产中管材是在载荷、温度、h2s等多因素的综合作用下发生力学性能衰减和迟滞性断裂等变化，进而导致材料的宏观失效问题。因h2s是剧毒气体，常规的四点弯曲法或应力环法实验需将管材受力和腐蚀分开进行，违背了现场实际情况，并且只能定性地描述管材在h2s环境下力学性能衰减行为，所得实验结果仅仅只有管材裂或没裂两种感性认识，不够全面和具体。
6.综上所述，亟需一种适用于油田常用管材在h2s环境下力学性能衰减的定量分析方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，提出一种管材力学性能衰减定量评价方法，解决管材力学性能衰竭难以全面定量评价分析的问题。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种管材力学性能衰减定量评价方法，包括以下测定条件及步骤：
9.试样前处理：切割加工拉伸试样，并进行研磨抛光；
10.空气环境拉伸试验：利用慢应变速率拉伸机对试样进行室温、空气环境下慢应变速率拉伸试验，得到材料的关键力学性能参数；
11.腐蚀环境拉伸试验：对试样进行不同h2s分压环境下慢应变速率拉伸试验，得到材料在h2s环境下的力学性能参数；
12.应力应变统计分析：对材料在室温、空气环境下及h2s环境下的力学性能参数变化进行统计分析，得到温度、h2s分压对材料力学性能衰减的影响规律，明确温度、h2s分压对力学性能衰减的作用机制；
13.电镜扫描及eds能谱分析：将空气环境、h2s环境慢拉伸试样断口进行扫描电镜分析，明确h2s环境对材料的应力腐蚀行为及相关脆性断裂机制，同时结合eds能谱分析，观察h2s环境对管材应力腐蚀裂纹的影响，明确应力腐蚀裂纹的萌生、扩展机制及其对断裂失效的影响规律；
14.性能衰减综合评价：结合电镜扫描结果及eds能谱分析结果，完成h2s环境管材力学性能衰减行为的分析。
15.优选的是，所述试样前处理步骤中，使用耐水砂纸对试样进行研磨抛光，确保试样表面无电火花及切割刀痕。
16.优选的是，所述空气环境拉伸试验及腐蚀环境拉伸试验步骤中，应变速率均为10-6
s-1
。
17.优选的是，所述室温空气环境拉伸试验及高温高压腐蚀环境拉伸试验步骤中，通过试验得到的力学性能参数包括应力应变曲线、屈服强度、抗拉强度及断裂应变参数。
18.优选的是，所述空气环境拉伸试验及腐蚀环境拉伸试验步骤中，试验温度为25℃。
19.优选的是，所述腐蚀环境拉伸试验步骤中，至少选择两种不同h2s分压进行试验。
20.优选的是，所述电镜扫描及eds能谱分析步骤中，重点对试样断口周围的二次裂纹进行观察。
21.本发明产生的有益效果是：通过电镜扫描及eds能谱等手段对管材在h2s环境下力学性能衰减行为原理进行分析，准确获取h2s环境中油田常用管材性能变化特征，定量地描述管材力学衰减规律，从而为提出有效的防护措施、降低管柱失效发生率提供理论支撑。
附图说明
22.图1为定量评价方法流程示意图：
23.图2为试样在不同环境下的应力应变曲线图；
24.图3为空气环境下的试样电镜扫描及eds能谱分析图；
25.图4为p(h2s)＝0.5mpa环境下的试样电镜扫描及eds能谱分析图；
26.图5为p(h2s)＝1.0mpa环境下的试样电镜扫描及eds能谱分析图。
具体实施方式
27.实施例
28.操作流程如图3，首先使用电火花切割机床对n80碳钢管材进行切割，制作出三组拉伸试样，切割完成后使用耐水砂纸对试样进行研磨抛光，确保试样表面无电火花切割刀痕，防止切割痕迹对试样拉伸试验及电镜扫描造成影响，难以进行准确分析。
29.在25℃使用慢应变速率拉伸机对试样进、空气环境下慢应变速率拉伸试验，应变速率为10-6
s-1
，得到试样在空气环境下的的应力应变曲线、屈服强度、抗拉强度及断裂应变参数；同样在25℃温度下选取0.5mpa和1mpa两种不同的h2s分压环境对试样进行慢应变速率拉伸试验，应变速率为10-6
s-1
，得到试样在0.5mpa和1mpah2s分压环境下应力应变曲线、屈服强度、抗拉强度及断裂应变参数，各试样参数见表1。
30.表1
31.h2s分压(mpa)屈服强度(mpa)抗拉强度(mpa)断裂应变(％)
06807959.750.56646938.0515976886.03
32.如图4对试样在25℃、空气环境下的应力应变曲线及不同h2s分压环境下的应力应变曲线进行统计分析，得到空气环境及、不同h2s分压下材料应力应变值；将材料在25℃、空气环境下不同h2s分压环境下的屈服强度、抗拉强度及断裂应变进行对比分析，得到温度、h2s分压对材料力学性能衰减的影响规律，明确温度、h2s分压对力学性能衰减的作用机制。通过图中的曲线变化可以看出随着h2s分压的增大，n80碳钢材料逐渐由韧性断裂转变为脆性断裂。
33.如图5对空气环境及不同h2s分压环境下的慢拉伸试样断口进行扫描电镜分析并配合eds图谱分析可以看出，n80碳钢材料在h2s环境的脆性断裂的机制为脆性准解理与脆性沿晶断裂共同作用的混合断裂机制；并且试样的二次裂纹主要在材料表面萌生扩展，整体呈脆性沿晶断裂机制，且二次裂纹内部可以看到大量h2s应力腐蚀产物；通过对eds进行图谱分析可知，应力腐蚀裂纹中的产物内富含s元素；载荷、材料的塑性变形及h2s耦合作用导致了n80碳钢材料裂纹的萌生与扩展。
34.综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。


技术特征：
1.一种管材力学性能衰减定量评价方法，其特征在于：包括以下测定条件及步骤：试样前处理：切割加工拉伸试样，并进行研磨抛光；空气环境拉伸试验：利用慢应变速率拉伸机对试样进行室温、空气环境下慢应变速率拉伸试验，得到材料的关键力学性能参数；腐蚀环境拉伸试验：对试样进行不同h2s分压环境下慢应变速率拉伸试验，得到材料在h2s环境下的力学性能参数；应力应变统计分析：对材料在室温、空气环境下及h2s环境下的力学性能参数变化进行统计分析，得到温度、h2s分压对材料力学性能衰减的影响规律，明确温度、h2s分压对力学性能衰减的作用机制；电镜扫描及eds能谱分析：将空气环境、h2s环境慢拉伸试样断口进行扫描电镜分析，明确h2s环境对材料的应力腐蚀行为及相关脆性断裂机制，同时结合eds能谱分析，观察h2s环境对管材应力腐蚀裂纹的影响，明确应力腐蚀裂纹的萌生、扩展机制及其对断裂失效的影响规律；性能衰减综合评价：结合电镜扫描结果及eds能谱分析结果，完成h2s环境管材力学性能衰减行为的分析。2.据权利要求1所述一种管材力学性能衰减定量评价方法，其特征在于：所述试样前处理步骤中，使用耐水砂纸对试样进行研磨抛光，确保试样表面无电火花及切割刀痕。3.根据权利要求1所述一种管材力学性能衰减定量评价方法，其特征在于：所述空气环境拉伸试验及腐蚀环境拉伸试验步骤中，应变速率均为10-6
s-1
。4.根据权利要求3所述一种管材力学性能衰减定量评价方法，其特征在于：所述室温空气环境拉伸试验及高温高压腐蚀环境拉伸试验步骤中，通过试验得到的力学性能参数包括应力应变曲线、屈服强度、抗拉强度及断裂应变参数。5.根据权利要求1所述一种管材力学性能衰减定量评价方法，其特征在于：所述空气环境拉伸试验及腐蚀环境拉伸试验步骤中，试验温度为25℃。6.根据权利要求1所述一种管材力学性能衰减定量评价方法，其特征在于：所述腐蚀环境拉伸试验步骤中，至少选择两种不同h2s分压进行试验。7.根据权利要求1所述一种管材力学性能衰减定量评价方法，其特征在于：所述电镜扫描及eds能谱分析步骤中，重点对试样断口周围的二次裂纹进行观察。

技术总结
本发明涉及一种管材力学性能衰减定量评价方法，主要手段是对管材试样在不同环境下进行慢应变速率拉伸试验，借助电镜扫描及EDS能谱等手段对管材在H2S环境下力学性能衰减行为原理进行分析，准确获取H2S环境中油田常用管材性能变化特征，定量地描述管材力学衰减规律，从而为提出有效的防护措施、降低管柱失效发生率提供理论支撑。发生率提供理论支撑。发生率提供理论支撑。


技术研发人员：马建杰 姚峰 郑昕 时维才
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司江苏油田分公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2022/6/21