基于液壓鼓脹法的在役設備材質力學性能測試技術實現(xiàn)分析

左志全 包健

摘??要：主要介紹了在線取樣、實驗室制樣、鼓脹測試分析的全流程技術實現(xiàn)，并以超期服役的加氫反應器為在線取樣測試分析工程應用對象，測得了設備本體材料的力學性能。發(fā)現(xiàn)屈服強度和抗拉強度都發(fā)生了弱化，遠離焊縫處屈服強度降低14.5%，抗拉強度降低9.8%，靠近焊縫處屈服強度下降微小，抗拉強度降低3.6%。這給設備安全評估提供了真實的力學性能數(shù)據(jù)，驗證了方法的可行性和可靠性。

關鍵詞：在線取樣??鼓脹測試??超期服役??安全評估

中圖分類號：TG142.15

Analysis?of?Technology?Implementation?for?the?Mechanical?Property?Testing?of?In-Service?Equipment?Materials?Based?on?Hydraulic?Bulging

ZUO?Zhiquan??BAO?Jian

（Special?Equipment?Safety?Supervision?Inspection?Institute?of?Jiangsu?Province，?Zhangjiagang，?Jiangsu?Province，?215600?China）

Abstract：This?paper?mainly?introduces?the?technological?realization?of?the?whole?process?of?online?sampling，?laboratory?sample?preparation?and?bulging?test?analysis，?and?takes?a?hydrogenation?reactor?that?has?been?out?of?service?as?an?application?object?of?online?sampling?test?and?analysis?engineering?to?measure?the?mechanical?properties?of?equipment?body?materials.?It?is?found?that?both?the?yield?strength?and?tensile?strength?are?weakened，?the?yield?strength?is?reduced?by?14.5%?and?the?tensile?strength?by?9.8%?away?from?the?weld，?and?that?the?yield?strength?decreases?slightly?and?the?tensile?strength?by?3.6%?near?the?weld，?which?provides?real?mechanical?property?data?for?equipment?safety?evaluation，?and?verifies?the?feasibility?and?reliability?of?the?method.

Key?Words：?Online?sampling;?Bulging?test;?Extended?service;?Safety?assessment

大量化工裝備長期在高溫、高壓及腐蝕環(huán)境下長期工作，設備本體材質不可避免地會發(fā)生材料性能下降、劣化甚至失效。如何真實地獲取在役設備本體材質的力學性能，一直是困擾檢驗檢測人員的一大難題。檢驗檢測過程中檢驗人員主要通過以下方法來估算本體材質性能：（1）硬度測試，利用里氏硬度計或便攜式布氏硬度計對設備本體材質進行硬度測試，通過硬度值來估算材質強度；（2）金相檢測，利用便攜式金相顯微鏡對材質金相組織進行測試，通過組織狀態(tài)來判斷是否發(fā)生劣化。以上方法雖然能獲取部分材質狀態(tài)信息，但不能獲取真實的材質力學性能?？蒲薪缒壳胺e極開發(fā)新的檢測方法，其中，基于在線取樣的液壓鼓脹測試方法成為了解決這一問題的可行辦法。王飛等人[1]利用液壓鼓脹法測試了12Cr1MoV、15CrMo力學性能，并取得了可靠的解算精度，驗證了該方法的可行性。眾多學者[2-4]也對液壓鼓脹測試方法進行了大量的研究。本文通過一個工程案例，分析相應的技術實現(xiàn)，探討該方法工程應用的可行性和可靠性。

• 取制樣技術實現(xiàn)

目前在役設備取樣技術主要有刀具挖取法、電火花切割法、金剛石線切割法等[5-7]，以上方法都有應用于設備取樣的報道，但國內化工裝備在線取樣還未普遍應用。本課題組根據(jù)碗形刀具挖取法的原理開發(fā)了一代手動取樣機和二代自動取樣機，兩種取樣機都是依靠磁鐵吸力將機架固定在設備上。通過旋轉刀頭，從設備本體上取下球冠試樣，如圖1所示。

將試樣夾持于專用夾具上，如圖2所示，利用線切割設備，將試樣加工成10?mm×10?mm×0.7?mm的試樣。試樣由于電火花的灼燒，表面質量低下，且限制于液壓鼓脹試驗臺最大壓力，試樣厚度不能太大，否則不易脹破。本課題組通過對不同厚度試樣測試發(fā)現(xiàn)，厚度在0.3～0.5?mm都能順利脹破，因此，通常情況下加工成0.5?mm左右厚的試樣。

為了將試樣厚度從0.7?mm研磨至0.5?mm，作者研制了一套微試樣研磨夾持定位工裝（如圖3所示）。本工裝既能研磨10?mm×10?mm的方片，也能研磨φ10?mm的圓片。試樣放置于定位孔內，將工裝放置于金相研磨機上進行研磨。在研磨過程中發(fā)現(xiàn)，不同的研磨轉速導致試樣厚度不同程度地不均勻。經(jīng)過摸索，得出如下經(jīng)驗研磨方式。（1）首先進行初步磨削，將240目砂紙光滑平整貼于磨盤上，將工件放于研磨模具內，如圖1所示，調節(jié)頭部轉速53?r/min，磨盤轉速50?r/min，單點壓力5?N，正反面研磨120?s（根據(jù)工件材質可適當增加或減少），初步磨削結束，使用千分表測量工件尺寸。（2）再次進行磨削，根據(jù)測量值，確定研磨時間；再次測量，使得工件厚度高于設定值0.01?mm。（3）最后進行精密磨削和拋光，使用1?200目砂紙進行精密磨削，更換拋光布進行拋光，使得試樣正反兩面光滑無劃痕；結束后，使用千分尺進行測量，得到標準厚度0.500?mm。

2??測試技術實現(xiàn)

將研磨好的試樣放置于試驗臺上，擰緊壓蓋，啟動高壓泵，給基座容腔增加壓力，通過光學引伸計采集試樣拱高，最終形成拱高-載荷壓力曲線，見圖4（a），液壓鼓脹測試原理見圖4（b）。

采用Rp0.2法從曲線上提取屈服載荷，Rp0.2法原理如下：

借鑒常規(guī)拉伸Rp0.2定義，徑向拱高弧長相對于原始固支直徑的塑性延伸率為0.2%時的特征載荷為塑性極限載荷，即屈服載荷，圖5展示了試樣變形協(xié)調示意圖及其滿足的幾何關系。需要注意的是，在對多個試樣測試分析發(fā)現(xiàn)，拱高小于0.1（為試樣原始厚度）時，載荷壓力與拱高位移呈線性關系，因此在利用塑性延伸率0.2%反求拱高位移時應將0.1納入計算過程中。經(jīng)過多次試算發(fā)現(xiàn)，試樣厚度在0.4～0.5?mm范圍內，測試條件下反求出的拱高位移可以認為是定值，這就大大降低了試樣厚度引起的計算難度，該方法簡單易用。

圖5中：為拱高球冠半徑；為壓蓋倒角半徑；為拱高位移；為壓蓋孔徑。

抗拉特征載荷的提取采用多項式擬合法，通過對多項式求導，求取曲線轉變點，確定抗拉特征載荷。根據(jù)薄板薄膜理論，利用公式（1）解算屈服強度，其中為屈服載荷，根據(jù)不同屈服準則取不同的值。

3??工程案例應用

某石化公司有一臺加氫反應器，使用年限已超50年，按照TSG?21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，需要做安全評估（合于使用評價）。為了全面了解設備本體材質性能變化程度，采用在線取樣，結合液壓鼓脹方法進行測試分析。此次采用取樣機在內壁兩處取樣，分別標為母材1和母材2，見圖6。母材1為遠離焊縫位置，母材2為靠近焊縫位置。

將取下的試樣加工成待測試的微小試樣，見圖7。本次母材1處試樣制備成1個10×10的小樣，厚度0.527?mm，編號YP-母材1-1，母材2處試樣制備成2個10X10的小樣，1個厚度為0.535?mm，編號為YP-母材2-1，?1個厚度為0.524?mm，編號為YP-母材2-2。

測試曲線如圖8所示，通過特征載荷的提取與解算，獲得的屈服強度和抗拉強度如表1所示。參考余意的研究[5]，可知本臺加氫反應器原始材料屈服強度579?MPa，抗拉強度686?MPa。對比此次液壓鼓脹測試結果，可以得出，母材1處的屈服強度降低14.5%，抗拉強度降低9.8%。母材2處的屈服強度平均值為571?MPa，與原始屈服強度579?MPa相差不大，抗拉強度平均值為661?MPa，抗拉強度降低3.6%。

4??結論

（1）本文介紹了在線取樣、實驗室制樣技術的實現(xiàn)，取樣機體積小易于安裝，可以通過人孔進入設備內部取樣。通過研制的定位研磨工裝，可以快速便捷地對微試樣進行雙面研磨，借助數(shù)顯測量臺，對試樣厚度進行快速測量。

（2）本文以超年限使用的加氫反應器為應用對象，對在役設備的本體材質力學性能進行了測試分析，測試結果與設備材質原始力學性能進行了比較，發(fā)現(xiàn)屈服強度和抗拉強度均發(fā)生了弱化。該方法具有較好的可靠性，為在役設備的安全評估提供了一種可行的測試分析技術。

參考文獻

[1]?王飛，左志全.微試樣液壓鼓脹法測管材12Cr1MoV、15CrMo力學性能試驗研究[J].中國化工裝備，2022，24（1）：38-42.

[2]?Rossi?M，Lattanzi?A，Barlat?F，et?al.Inverse?identification?of?large?strain?plasticity?using?the?hydraulic?bulge-test?and?full-field?measurements[J].International?Journal?of?Solids?and?Structures，2022，242：111532.

[3]?Yuan?L，Luo?Q，Chen?K.Hydraulic?bulge?test?instabilities?of?anisotropic?materials[J].International?Journal?of?Solids?and?Structures，2023，267：112145.

[4]?Zhang?B，Endelt?B，Nielsen?K?B.Characterization?of?mechanical?properties?for?tubular?materials?based?on?hydraulic?bulge?test?under?axial?feeding?force[J].Fundamental?Research，?2023，3（4）：592-601.

[5]?余意.便攜式小沖桿試驗微損取樣裝置的研究與設計[D].南京：南京航空航天大學，2017.

[6]?羅安.新型金屬微試樣取樣及測試技術研究[D].上海：華東理工大學，2019.

[7]?朱勇，鞠春盛.鎳基焊材修復20Cr3NiMoA反應器焊縫裂紋[J].石油化工設備技術，?2005（5），61-65.