本发明涉及一种评价管线钢在酸性环境中抗开裂敏感性试验的装置与方法。
背景技术：
随着天然气资料的不断勘探开发，酸性气田的占比升高，我国天然气的主要产区均为酸性气田，如：川渝气田、土库曼斯坦的气田和哈萨克斯坦的气田都为酸性气田。在酸性环境下，对于碳钢和低合金钢材质为主的管线钢泽存在因H2S导致的环境开裂风险，包括HIC、SOHIC和SSC失效机理，特别是HIC和SSC。根据现有的标准体系，当管线钢拟用于酸性环境时，其制造工艺应开展SSC和HIC评价；对于焊接接头，在焊接工艺中也要求开展SSC和HIC评价。目前，SSC试验评价试验均采取小样，即剖开管体或焊接接头截取一块样品再加工成小尺寸试样(如：四点弯曲加载用条型试样、C型环试样、应力环加载用圆棒试样等)，再采用相应的加载方式加载后进行SSC试验。采用不同的加载方式，其试验结果的敏感性也不尽同，其敏感性依次为：四点弯曲<C型环<应力环。
采用小尺寸试样方便快捷，易于开展试验，但是，试验获得信息量相对单一，不能监测裂纹的萌生与扩展的速度。HIC试验需要试验结束取出后才能检查是否存在HIC裂纹以及测量裂纹有多长；SSC试验判别的标准就是观察是否通过720h的试验，其中四点弯曲加载和C型环加载由于放置在密闭的试验容器中，只有试验周期结束后才能取出观察，如果试样发生了开裂，不能获得断裂时间，无法在试验失败时立即终止试验。管子在制造和焊接过程中，或多或少都存在残余应力，剖开管道，残余应力将部分释放，小尺寸试样的制备过程中会改变了整管内在的受力状态。残余应力的释放是不可逆的变化，且释放的残余应力无法量化测量，因此后续试验的加载过程也无法弥补。此外，为了确保小尺寸试样结果的重复性，试样表面通常打磨到相同的光洁度，其光洁度高于管道的原始状态，然而，较差的表面状态往往更容易引起腐蚀并诱发裂纹萌生。不同的管线钢制造厂商的制造工艺存在差异，小尺寸试样的这些特点弱化了制造或焊接过程产生的内应力以及表面粗糙度对管线钢在酸性环境中抗开裂敏感性的影响，不能真实地反映制造工艺的优劣。
鉴于小尺寸试样存在的不足，国际上一些知名的公司为了更好评估管线钢在酸性环境下的敏感性，提倡采用环形管段进行试验评价，特别是管子在制造工艺或者焊接工艺中抗酸性环境开裂的评定。然而，采用环状管段进行酸性环境下的试验，其难度将大幅提升，现有的试验方法和试验装置将不再适用，需要重新建立一套能安全操作的试验方法和试验装置。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种评价管线钢在酸性环境中抗开裂敏感性试验的装置与方法，通过给环形管段施加一定量的变形量，使管段保持预期的载荷，然后连接好试验管段两端的密封组件，以环形管段自身作为试验容器，注入试验介质，从而实现管线钢在酸性环境中的抗开裂敏感性试验，在试验期间，通过氢通量监测溶液是否需要补充H2S，通过超声波测试技术定期检测裂纹萌生和扩展情况，从而实现在不破环管子自身内应力、维持原始表面状态的基础上对管线钢在酸性环境抗开裂敏感性的全面评价的功能。
本发明所采用的技术方案是：一种评价管线钢在酸性环境中抗开裂敏感性试验的装置，包括环形管段加载组件、管端密封组件和无损检测组件，所述加载组件包括外加载组件和内加载组件，其中：所述外加载组件为通过紧固件连接的对称设置在环形试验管段外壁的两块加载挡块；所述内加载组件包括加载挡条和套筒螺母，所述加载挡条对称设置在环形试验管段内壁，在两个加载挡条的相向面中部均设置有球面凹槽，所述套筒螺母两端的半球型凸面放置在两个加载挡条的球面凹槽内；所述管端密封组件包括设置在环形试验管段两端的密封环和密封盖，在两个密封盖上均设置有管孔及其密封件；所述无损检测组件包括超声波检测仪和氢通量测量仪，所述超声波检测仪和氢通量测量仪的探头设置在环形试验管段外壁。
本发明还提供了一种评价管线钢在酸性环境中抗开裂敏感性试验的方法，包括如下步骤：
步骤一、先对环形试验管段进行加载，使其达到预期应变量；
步骤二、在环形试验管段两端依次放置密封环和密封盖，旋动紧固螺栓压紧密封环，在两个密封盖的管孔分别插入接管并拧紧管孔密封件；
步骤三、在两个接管上分别设置阀门a和b，阀门a连通尾气处理系统，阀门b连接试验溶液系统，打开阀门a和b，从阀门b压入酸性试验溶液，管段中原有的气体通过阀门a排入尾气处理系统，压入预期的试验溶液后，关闭阀门a和b，开始试验，试验期间，在环形试验管段外壁安装超声波检测仪和氢通量测量仪的探头，采用超声波测量技术定期检测环形管段各区域的裂纹萌生和扩展情况，采用氢通量测量技术监测氢渗透情况，从而实现全面地评估管线钢在酸性环境中的抗开裂敏感性。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明解决了现有小尺寸试样评价管线钢在酸性环境抗开裂敏感性时存在的问题。采用本发明的试验装置及方法，可实现在不破环管子自身内应力、维持原始表面状态的基础上评价管线钢在酸性环境抗开裂敏感性，获得比小尺寸试样评价更多的量化数据，能更全面可靠地评估管线钢在酸性环境中的抗开裂敏感性。此外，1个环形被试验管段可以同时完成对管体、制管焊缝和对接焊缝的评价，而采用小尺寸试样则需要开展多组试验才能完成相关内容的评价。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是管段外部加载方式的俯视图；
图2是管段外部加载方式的剖视图；
图3是管段内部加载方式的俯视图；
图4是管段内部加载方式的剖视图。
具体实施方式
一种采用环形管段评价管线钢在酸性环境中抗开裂敏感性的试验装置，如图1至图4所示，包括环形管段加载组件、管端密封组件和无损检测组件，加载组件分为外部加载和内部加载两类，其中：所述外加载组件包括加载挡块2-1和紧固件3-1，内加载组件包括加载挡条2-2和套筒螺母3-2；所述管端密封组件包括密封盖6、密封环7、紧固螺栓8、气液进出口密封组件9，阀门a和b；所述无损检测组件包括超声波检测仪和氢通量测量仪，加载挡块2-1上有圆弧形的凹槽，加载挡块通过紧固件3-1进行固定和拆卸；加载挡条2-2有球面凹槽，套筒螺母3-2两端为半球型凸面，加载挡条2-2和套筒螺母3-2采用耐H2S腐蚀的耐蚀合金材质，加载挡条2-2外表面涂有绝缘漆，从而避免电偶腐蚀对试验的影响。试验管段1的管端预制有螺纹孔，密封盖6边缘有螺纹孔，密封环7有与密封盖6相匹配的小孔，密封盖6与管体通过紧固螺栓8进行固定和拆卸；密封盖6和密封环7采用耐H2S的非金属材料，其中密封环7为弹性材料。
一)外部加载方式下的抗环境开裂敏感性试验
对于小口径管段，先将环形试验管段1放置在两个加载挡块2-1凹槽之间，再用紧固件3-1将两块加载挡块2-1连接起来，然后采用外部载荷缩小加载挡块2-1之间的间距，使管段发生变形，当管段的应变量达到预期，锁紧紧固件3-1的螺母。
加载完毕后，先在管段1的两端依次安放好密封环7和密封盖6，再旋紧紧固螺栓8，然后沿密封盖上的孔插入管子，锁紧气液进出口密封组件9，在管子的两端分别安装好阀门a和b，阀门a连通尾气处理系统，阀门b连接试验溶液系统，打开阀门a和b，从阀门b压入酸性试验溶液，管段中原有的气体通过阀门a排入尾气处理系统，压入预期的试验溶液后，关闭阀门a和b，开始试验。试验期间，在管段外壁安装超声波探头4和氢通量测量仪探头5，定期检查管段敏感部位的裂纹萌生和扩展情况，测量氢渗透情况。如果氢通量监测到氢渗透量明显下降，通过阀门b向试验溶液中补充H2S气体。如果裂纹长度超过判废的标准，则停止试验；试验结束后，阀门a与氮气瓶连通，阀门b与废液处理系统连通，打开阀门a和b，通过阀门a注入氮气将试验溶液排放至废液处理系统。
二)内部加载方式下的抗环境开裂敏感性试验
对于大口径管段，先将两个加载挡条2-2置于环形试验管段1中间位置，再将套筒螺母3-2两端的半球型凸面放置在两个加载挡条的球面凹槽内，然后采用外部载荷旋出套筒螺母两端的螺纹杆，使管段发生变形，当管段的应变量达到预期，锁紧套筒螺母3-2。
加载完毕后，先在管段1的两端依次安放好密封环7和密封盖6，再旋紧紧固螺栓8，然后沿密封盖上的孔插入管子，锁紧气液进出口密封组件9，在管子的两端分别安装好阀门a和b，阀门a连通尾气处理系统，阀门b连接试验溶液系统，打开阀门a和b，从阀门b压入酸性试验溶液，管段中原有的气体通过阀门a排入尾气处理系统，压入预期的试验溶液后，关闭阀门a和b，开始试验。试验期间，在管段外壁安装超声波探头4和氢通量测量仪探头5，定期检查管段敏感部位的裂纹萌生和扩展情况，测量氢渗透情况。如果氢通量监测到氢渗透量明显下降，通过阀门b向试验溶液中补充H2S气体。如果裂纹长度超过判废的标准，则停止试验；试验结束后，阀门a与氮气瓶连通，阀门b与废液处理系统连通，打开阀门a和b，通过阀门a注入氮气将试验溶液排放至废液处理系统。
本发明的工作原理是：采用环形管段作为被评价的试验样品，维持管子在制造或焊接过程中内应力和表面状态不被破坏，使得试验管段自身的内在特征与管子现场服役情况一致。通过加载组件给被试验管段提供了一个稳定的应变量，从而使得被试验管段承受稳定的载荷。通过管端密封组件，使密封后的试验管段成为自身试验的试验容器。通过无损检测组件在试验期间实现了对管段敏感位置的裂纹萌生和扩展以及氢渗透量的监测，获得比现有小尺寸试样更加丰富的试验数据。