趙帥 畢雅萱

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

眾所周知，金屬材料的失效形式主要是摩擦、腐蝕和斷裂三種方式。而金屬零件在成型及使用過(guò)程中不可避免地受到各種因素影響而產(chǎn)生應(yīng)力，如切削加工的殘余應(yīng)力，受冷熱沖擊、外載荷作用而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力等。當(dāng)零件受到應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力，零件一般不會(huì)失效；但是當(dāng)零件在不同的工況條件下使用時(shí)，受到環(huán)境因素（如潮濕、酸性、堿性、海水等）影響會(huì)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，在應(yīng)力和腐蝕的雙層因素作用下，零件會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋而加速失效，從而影響零件和設(shè)備的正常使用。

1 應(yīng)力環(huán)設(shè)備的應(yīng)用范圍

早在20 世紀(jì)50 年代，暴露于油田環(huán)境中的材料所產(chǎn)生的硫化氫應(yīng)力腐蝕（SSC）就被公認(rèn)為是一種材料破壞問(wèn)題，如煉油裝置中的一些零件在高溫下會(huì)產(chǎn)生SCC 現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，濃度很低的H2S 也會(huì)導(dǎo)致敏感材料的SSC 破壞；在一些情況下，H2S 可能與氯化物協(xié)同作用產(chǎn)生腐蝕和開(kāi)裂的SCC現(xiàn)象。除高低溫硫化氫環(huán)境中產(chǎn)生的SCC、SSC 破壞，硫化氫處于酸性環(huán)境中還可能存在其他類(lèi)型破壞，如氫鼓泡、氫致裂紋（HIC）、坑蝕等。例如，氫脆（HE）引起的室溫下SSC 破壞[1-2]；鋼材質(zhì)的管道、壓力容器在潮濕硫化氫環(huán)境下吸氫腐蝕而產(chǎn)生開(kāi)裂等[3]。

在實(shí)驗(yàn)室條件下的應(yīng)力腐蝕破壞形式主要是：

1.硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSCC）：硫化氫產(chǎn)生的氫原子通常會(huì)首先滲透到零件的內(nèi)部，溶解于金屬晶格中，導(dǎo)致零件脆性，當(dāng)在外加拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下形成腐蝕開(kāi)裂。其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂通常發(fā)生于金屬>焊縫與熱影響區(qū)的高硬度區(qū)。

2.氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂：開(kāi)裂由Cl-誘發(fā)產(chǎn)生，S2-的存在對(duì)Cl-有促進(jìn)作用，加速金屬的腐蝕。

3.氫致開(kāi)裂（HIC）：通過(guò)分析低合金高強(qiáng)度鋼在濕硫化氫環(huán)境中開(kāi)裂機(jī)理的研究，濕硫化氫引起的氫致開(kāi)裂一般有以下幾種形式：（1）氫鼓泡（HB）鋼材在硫化氫腐蝕作用下，在表面的水分子中產(chǎn)生大量氫原子，析出的氫原子與鋼材內(nèi)部反應(yīng)，在缺陷部位（如蝕坑、位錯(cuò)、雜質(zhì)、夾雜界面等）聚集，結(jié)合成氫分子。與氫原子相對(duì)，氫分子所占據(jù)的空間為原來(lái)的20倍，因此導(dǎo)致鋼材內(nèi)部形成很大的內(nèi)壓，即鋼材內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使得鋼材的脆性增加。當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到103MPa～104MPa（10.4atm～10.5atm）時(shí)，引起晶界面開(kāi)裂，在金屬內(nèi)部形成氫鼓泡。這種現(xiàn)象發(fā)生于鋼中夾雜物與其他的冶金不連續(xù)處，且氫鼓泡的發(fā)生并不需要外加應(yīng)力，經(jīng)常分布平行于鋼板表面。（2）氫致開(kāi)裂（HIC）在發(fā)生氫鼓泡的鋼內(nèi)部區(qū)域，隨著氫的壓力進(jìn)一步增高，小的鼓泡裂紋趨向于相互連接，從而形成有階梯狀特征的氫致開(kāi)裂。鋼中硫化錳的夾雜，也增加了HIC 的敏感性，且HIC 的發(fā)生也不需要施加外應(yīng)力。（3）應(yīng)力導(dǎo)向氫致開(kāi)裂（SOHIC）在應(yīng)力作用下，在夾雜物與缺陷處區(qū)域，因氫聚集而導(dǎo)致成排的小裂紋形成，沿著垂直于應(yīng)力的方向發(fā)展，即向壓力容器與管道的壁厚方向發(fā)展。SOHIC 常發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)及高應(yīng)力集中區(qū)。應(yīng)力集中常為應(yīng)力腐蝕裂紋或裂紋狀缺陷所引起。

因此，硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，能夠在實(shí)驗(yàn)室對(duì)石油管道、壓力容器等材料進(jìn)行相應(yīng)的EC 試驗(yàn)，更加簡(jiǎn)便、有效地了解材料的抗EC 能力[4]。此外，應(yīng)力環(huán)測(cè)試設(shè)備還可以獲取航空航天、海運(yùn)船舶、食品加工、焊接密封等各類(lèi)材料在各種酸、堿腐蝕環(huán)境下的腐蝕效應(yīng)數(shù)據(jù)，并能準(zhǔn)確反應(yīng)材質(zhì)的抗載荷能力[5]，為改進(jìn)各種專(zhuān)業(yè)和特殊金屬材料提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于開(kāi)發(fā)更高強(qiáng)度、抗EC 的材料具有重要意義。

2 國(guó)外應(yīng)力環(huán)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)CORTEST 應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)[6]（PROOF RING TEST SYSTEM）自1977 年NACE TM 01-77 頒布以來(lái)，已成為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)產(chǎn)品。CORTEST 應(yīng)力環(huán)是為滿(mǎn)足NA CE標(biāo)準(zhǔn)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，針對(duì)性高，并選用優(yōu)質(zhì)特種材料，正常情況下可以無(wú)數(shù)次地反復(fù)使用。

CORTEST 應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，主要包括：應(yīng)力環(huán)、耐熱有機(jī)玻璃容器、高溫容器、12.6型溫度控制器、定時(shí)控制器、氣體分配器等，能夠?qū)崿F(xiàn)恒應(yīng)力拉伸試驗(yàn)、高溫蠕變?cè)囼?yàn)和1/2CT 試樣裂紋生長(zhǎng)速度測(cè)量試驗(yàn)。具有以下特點(diǎn)：符合NACE TM 01-77 試驗(yàn)規(guī)范；載荷范圍寬，最大0MPa～1700MPa；載荷線性度≥0.9999；彈性形變還原性高，保證5 年內(nèi)誤差小于2%；第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)校正并出具報(bào)告；PLC自動(dòng)定時(shí)系統(tǒng)，可靠性高。

圖1 CORTEST 應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

該公司還開(kāi)發(fā)了40 通道集成式應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)冶金、石油等大規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。作為一種一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，省去了用戶(hù)為應(yīng)力環(huán)配置實(shí)驗(yàn)室外圍設(shè)備的諸多繁雜工作。該系統(tǒng)由溫控式應(yīng)力環(huán)、氣體控制單元、定時(shí)控制單元、溫度控制單元、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、H2S檢測(cè)/報(bào)警裝置、通風(fēng)試驗(yàn)櫥柜等部分組成。具有準(zhǔn)確性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、安全性、便利性等特點(diǎn)。在應(yīng)力腐蝕檢驗(yàn)方面發(fā)揮著重要的作用，在國(guó)際市場(chǎng)具有廣泛的應(yīng)用。

芬蘭Cormet 公司是歐洲最主要的腐蝕試驗(yàn)室儀器生產(chǎn)商，其生產(chǎn)的應(yīng)力環(huán)應(yīng)用于圓棒試樣測(cè)試的恒載荷設(shè)備[7]，主要用于檢測(cè)應(yīng)力腐蝕、硫應(yīng)力腐蝕和氫腐蝕，常用于研究金屬件在單向拉伸載荷作用下的抗腐蝕性能。通過(guò)對(duì)拉伸試樣加載特定的應(yīng)力來(lái)判斷該試樣是否符合標(biāo)準(zhǔn)，判斷依據(jù)可以用失效時(shí)間來(lái)定量判斷。這種設(shè)備基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NACE-TM0177-2005《H2S 環(huán)境中金屬 抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的室內(nèi)試驗(yàn)》中的測(cè)試方法A 設(shè)計(jì)制造。載荷范圍：10kN～20kN；20kN～38kN，載荷傳感器：實(shí)時(shí)顯示載荷力，分辨率為1N。應(yīng)力環(huán)帶有溫度控制配件，冷卻、加熱循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)池內(nèi)的哈氏合金管路進(jìn)行熱傳遞，試驗(yàn)池內(nèi)裝有溫度傳感器，時(shí)刻監(jiān)測(cè)池內(nèi)溫度。

3 國(guó)內(nèi)應(yīng)力環(huán)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)產(chǎn)應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)還未發(fā)現(xiàn)有大規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用，具有硫化氫應(yīng)力腐蝕檢測(cè)業(yè)務(wù)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)大多采用國(guó)外應(yīng)力環(huán)。根據(jù)NACE TM 01-77 和GB/T 4157-2006 可知，應(yīng)力腐蝕是一個(gè)較為緩慢過(guò)程，以上標(biāo)準(zhǔn)是苛刻的加速試驗(yàn)方法；對(duì)環(huán)境條件、試劑純度、試驗(yàn)容器和相關(guān)裝置有著較高的要求，針對(duì)不同被測(cè)材料的性能和影響因素其試驗(yàn)方法、評(píng)價(jià)方式也不盡相同，要求試驗(yàn)設(shè)備要有針對(duì)性。但我國(guó)企業(yè)和高校近年來(lái)對(duì)于硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕的原理（如電化學(xué)腐蝕）、慢應(yīng)變加載及載荷、變形測(cè)量、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的成果，具有一定的指導(dǎo)意義。

寶山鋼鐵股份有限公司[8]自主開(kāi)發(fā)了一款應(yīng)力環(huán)，該產(chǎn)品用于高溫高壓含有毒有害氣體環(huán)境恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，采用高合金不銹鋼，不同溫度下的載荷線性度大于0.98；產(chǎn)品尺寸：軸向厚度5mm～35mm，內(nèi)徑40mm～100mm，壁厚5mm～15mm。該公司與上海寶山工業(yè)檢測(cè)公司分別對(duì)應(yīng)力環(huán)加載過(guò)程中試樣的定位和防扭轉(zhuǎn)進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的解決方案。

在此基礎(chǔ)上，寶山鋼鐵股份有限公司又進(jìn)行了新的機(jī)構(gòu)改進(jìn)[9]，在對(duì)油井管材質(zhì)試樣實(shí)施硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)時(shí)，無(wú)須頻繁地抽取試驗(yàn)罐中的試驗(yàn)溶液來(lái)做測(cè)試，只需通過(guò)筆記本電腦觀察溶解氧電極、硫化氫電極、pH 值電極和溫度電極測(cè)得的數(shù)據(jù)即可。這樣在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)罐始終處于封閉狀態(tài)，從而避免了試驗(yàn)罐中的試驗(yàn)溶液與外部空氣接觸，使得試驗(yàn)溶液成分不會(huì)受外部空氣的影響，進(jìn)而保證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)也保證了試驗(yàn)罐內(nèi)有足夠的試驗(yàn)溶液和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，由于無(wú)須人工抽取試驗(yàn)溶液，從而大大降低了試驗(yàn)人員接觸試驗(yàn)溶液中的有毒硫化氫氣體的概率，有效保障了試驗(yàn)人員的人身安全。

上海百若試驗(yàn)儀器有限公司研發(fā)的BPR-20 應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)[10]，主要應(yīng)用于苛刻環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，可準(zhǔn)確了解材料的抗載荷能力，能夠?yàn)檠芯扛鲗?zhuān)業(yè)材料和特殊金屬材料提供科學(xué)依據(jù)。該設(shè)備主要由底座、撓度測(cè)量裝置、應(yīng)力環(huán)、試驗(yàn)釜、溫度及定時(shí)控制器等部件組成，如圖2 所示，具有結(jié)構(gòu)精巧、線性度高、加載穩(wěn)定準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)對(duì)環(huán)境條件、試劑純度、試驗(yàn)容器及相關(guān)配置的要求，其載荷線性度高≥99.95%；環(huán)體彈性形變還原性高，可長(zhǎng)時(shí)間使用誤差小于2%。

圖2 BPR-20 應(yīng)力環(huán)測(cè)試設(shè)備

上海交通大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)研發(fā)了應(yīng)力環(huán)自動(dòng)加載裝置[11]，通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到滾珠絲杠螺母并驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使加壓套件與應(yīng)力環(huán)接觸并保持此狀態(tài)不變。滾珠絲杠螺母繼續(xù)驅(qū)動(dòng)溜板及壓力傳感器向下運(yùn)動(dòng)，直至壓力傳感器與加壓套件相接觸，并對(duì)應(yīng)力環(huán)施加載荷。該機(jī)構(gòu)能夠加載負(fù)荷0kN～40kN，實(shí)現(xiàn)了抗硫化氫腐蝕測(cè)試的壓力環(huán)自動(dòng)化加載，具有加載快速平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、可靠性高、省時(shí)高效、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足一系列抗硫化氫應(yīng)力腐蝕測(cè)試的壓力環(huán)加載需要。

4 總結(jié)

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)是鋼鐵、管道生產(chǎn)企業(yè)必須進(jìn)行的一種試驗(yàn)，用于驗(yàn)證所生產(chǎn)產(chǎn)品對(duì)硫化物的敏感程度，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)安全、經(jīng)濟(jì)都有著十分巨大的影響。因此，開(kāi)發(fā)高精度應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)裝置，擺脫我國(guó)對(duì)國(guó)外設(shè)備和技術(shù)的依賴(lài)，提高應(yīng)力環(huán)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率，對(duì)我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。