左志全 包健

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

關(guān)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(shè)備本體材質(zhì)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(shí)地獲取在役設(shè)備本體材質(zhì)的力學(xué)性能，一直是困擾檢驗(yàn)檢測人員的一大難題。檢驗(yàn)檢測過程中檢驗(yàn)人員主要通過以下方法來估算本體材質(zhì)性能：（1）硬度測試，利用里氏硬度計(jì)或便攜式布氏硬度計(jì)對設(shè)備本體材質(zhì)進(jìn)行硬度測試，通過硬度值來估算材質(zhì)強(qiáng)度；（2）金相檢測，利用便攜式金相顯微鏡對材質(zhì)金相組織進(jìn)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(zhì)狀態(tài)信息，但不能獲取真實(shí)的材質(zhì)力學(xué)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(xué)性能，并取得了可靠的解算精度，驗(yàn)證了該方法的可行性。眾多學(xué)者[2-4]也對液壓鼓脹測試方法進(jìn)行了大量的研究。本文通過一個工程案例，分析相應(yīng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，探討該方法工程應(yīng)用的可行性和可靠性。

• 取制樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)

目前在役設(shè)備取樣技術(shù)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(yīng)用于設(shè)備取樣的報(bào)道，但國內(nèi)化工裝備在線取樣還未普遍應(yīng)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(jī)和二代自動取樣機(jī)，兩種取樣機(jī)都是依靠磁鐵吸力將機(jī)架固定在設(shè)備上。通過旋轉(zhuǎn)刀頭，從設(shè)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(shè)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(zhì)量低下，且限制于液壓鼓脹試驗(yàn)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(nèi)，將工裝放置于金相研磨機(jī)上進(jìn)行研磨。在研磨過程中發(fā)現(xiàn)，不同的研磨轉(zhuǎn)速導(dǎo)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(yàn)研磨方式。（1）首先進(jìn)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(nèi)，如圖1所示，調(diào)節(jié)頭部轉(zhuǎn)速53?r/min，磨盤轉(zhuǎn)速50?r/min，單點(diǎn)壓力5?N，正反面研磨120?s（根據(jù)工件材質(zhì)可適當(dāng)增加或減少），初步磨削結(jié)束，使用千分表測量工件尺寸。（2）再次進(jìn)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(shè)定值0.01?mm。（3）最后進(jìn)行精密磨削和拋光，使用1?200目砂紙進(jìn)行精密磨削，更換拋光布進(jìn)行拋光，使得試樣正反兩面光滑無劃痕；結(jié)束后，使用千分尺進(jìn)行測量，得到標(biāo)準(zhǔn)厚度0.500?mm。

2??測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)

將研磨好的試樣放置于試驗(yàn)臺上，擰緊壓蓋，啟動高壓泵，給基座容腔增加壓力，通過光學(xué)引伸計(jì)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(diào)示意圖及其滿足的幾何關(guān)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(guān)系，因此在利用塑性延伸率0.2%反求拱高位移時應(yīng)將0.1納入計(jì)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(nèi)，測試條件下反求出的拱高位移可以認(rèn)為是定值，這就大大降低了試樣厚度引起的計(jì)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(xiàng)式擬合法，通過對多項(xiàng)式求導(dǎo)，求取曲線轉(zhuǎn)變點(diǎn)，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(qiáng)度，其中為屈服載荷，根據(jù)不同屈服準(zhǔn)則取不同的值。

3??工程案例應(yīng)用

某石化公司有一臺加氫反應(yīng)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(shù)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(shè)備本體材質(zhì)性能變化程度，采用在線取樣，結(jié)合液壓鼓脹方法進(jìn)行測試分析。此次采用取樣機(jī)在內(nèi)壁兩處取樣，分別標(biāo)為母材1和母材2，見圖6。母材1為遠(yuǎn)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度如表1所示。參考余意的研究[5]，可知本臺加氫反應(yīng)器原始材料屈服強(qiáng)度579?MPa，抗拉強(qiáng)度686?MPa。對比此次液壓鼓脹測試結(jié)果，可以得出，母材1處的屈服強(qiáng)度降低14.5%，抗拉強(qiáng)度降低9.8%。母材2處的屈服強(qiáng)度平均值為571?MPa，與原始屈服強(qiáng)度579?MPa相差不大，抗拉強(qiáng)度平均值為661?MPa，抗拉強(qiáng)度降低3.6%。

4??結(jié)論

（1）本文介紹了在線取樣、實(shí)驗(yàn)室制樣技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，取樣機(jī)體積小易于安裝，可以通過人孔進(jìn)入設(shè)備內(nèi)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(jìn)行雙面研磨，借助數(shù)顯測量臺，對試樣厚度進(jìn)行快速測量。

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

參考文獻(xiàn)

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