本发明专利技术涉及一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置。所述装置包括应力加载单元、充氢单元、缝隙单元、电化学测试单元和用于固定试样的固定装置。本发明专利技术提供的装置可真实模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境，并对加载压应力的充氢试样缝隙内和缝隙外部分进行电化学测量，同时可以对缝隙内微环境进行原位、实时监测；本发明专利技术提供的装置结构简单，操作方便，检测精度高。
【技术实现步骤摘要】
研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置
本专利技术属于金属材料服役行为测试领域，更具体地，涉及研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置。
技术介绍
螺纹接头是天然气井下管柱最薄弱、失效风险最高的部位，螺纹接头失效事故占所有气井管柱失效事故总数的85%~95%。气井油管通常采用特殊螺纹接头连接，特殊螺纹接头一般包括扭矩台肩面、密封面和螺纹三部分，其中，扭矩台肩面是特殊螺纹密封的第一道屏障，是阻碍腐蚀介质进入密封面的关键部位。扭矩台肩面一旦发生腐蚀，油管将面临泄漏，甚至完全失效的风险。从酸性气井油管螺纹接头的服役环境来看，扭矩台肩面的腐蚀是缝隙、应力和氢渗透共同作用下的材料失效行为。缝隙是腐蚀介质进入扭矩台肩面的唯一通道，较大的拉伸载荷、油管振动等都可能导致扭矩台肩面处形成缝隙，致使腐蚀介质渗入；当缝隙形成后，扭矩台肩面上的原有的接触应力全部或部分消失，但仍然受到管内流体压应力和表面残余压应力的作用。在酸性气井工况下，氢原子极容易从管道内壁渗透到材料内部，进而到达扭矩台肩面。它不但可以引发氢致开裂，还可以造成扭矩台肩面上的钝化膜破坏。目前，氢渗透测试多基于Deveanathan-Stachurski双电解池原理，但在无缝隙、无外加应力的条件下进行，而现有的缝隙腐蚀研究装置又不具备同时充氢和应力加载功能，因此，现有研究装置均无法模拟特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的环境，即同时实现缝隙制造、应力加载和电化学充氢，导致特殊螺纹接头扭矩台肩面的腐蚀损伤行为规律和机理至今尚不清楚。因此，研发一种能够模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境的装置是腐蚀研究中的迫切需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有腐蚀研究装置无法真实模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境的缺陷和不足，提供一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置。本专利技术提供的装置可同时模拟缝隙、应力和氢渗透三者耦合作用下的材料腐蚀损伤，可用于特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的研究。为实现上述专利技术的目的，本专利技术采用如下技术方案：一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置，包括应力加载单元、充氢单元、缝隙单元、电化学测试单元和用于固定试样的固定装置；所述应力加载单元包括设置于所述试样顶部用于施加应力的加载顶板和压应力测定机构；所述充氢单元包括设置于固定装置上的充氢电解池和极化机构，所述固定装置上设置有与充氢电解池相连通的充氢槽口；所述缝隙单元包括悬设于所述试样上的缝隙盖板和缝隙腐蚀测试机构，所述试样和缝隙盖板之间设置有缝隙垫片并在两者间形成缝隙池，所述缝隙垫片上设置有与所述缝隙池相连通的缝隙槽口；所述试样和缝隙腐蚀测试机构均与所述电化学测试单元电连接。本专利技术提供的研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置通过应力加载单元、充氢单元、缝隙单元和电化学测试单元的设置可真实模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境，其中应力加载单元用于加载压应力，充氢单元模拟氢原子渗入金属，并通过缝隙池模拟缝隙腐蚀，并利用各测试机构对加载压应力的充氢试样缝隙内和缝隙外部分进行电化学测量，同时可以对缝隙内微环境进行原位、实时监测；本专利技术提供的装置结构简单，操作方便，检测精度高。优选地，所述固定装置为一侧侧面开口且内部镂空形成容腔的固定装置，所述试样固定设置于容腔内；所述加载顶板和所述试样之间设置有加载顶板垫片；所述加载顶板和固定装置通过螺栓-螺纹结构固定连接。通过螺纹加载可满足不同压应力要求。优选地，所述加载顶板和固定装置上竖直设置有加载螺纹孔，所述加载顶板和固定装置通过穿设所述加载螺纹孔的加载螺杆固定连接。优选地，所述加载顶板的截面与所述试样的截面一致，所述加载螺纹孔设置于所述加载顶板的顶面的中心。应当理解的是，此处所指的截面是与两者相接触面平行的面。优选地，所述固定装置、加载顶板和加载螺杆由耐蚀材料制成。优选地，所述耐蚀材料为C276。优选地，所述压应力测定机构包括设置于所述加载顶板上的位移测量传感器，所述位移测量传感器的输出端与位移显示器电连接。由于加载顶板的位移与试样受到的压应力遵守严格的胡克定律（胡克定律，其中：为压力，单位kN；为弹性模量，单位kN/mm；为加载顶板的位移量，单位mm），故利用加载顶板的位移量即可计算确定试样所受的单向压应力（压力与压应力的关系：，其中：为压应力，单位MPa；为压力，单位kN；为试样的横截面积，单位mm2）。当然，其它可测定压应力大小的机构也可用于本专利技术中，作为压应力测定机构的组成部件。优选地，所述极化机构包括设置于充氢电解池内的充氢辅助电极，所述充氢辅助电极和试样均与恒电流仪电连接。充氢电解池内可放置充氢电解液，如0.2mol/L无水硫酸钠溶液，通过充氢槽口可使得试样与充氢电解液充分接触，一般情况下，充氢电解池内充氢电解液的液面高度以能没过试样、充氢槽口和充氢辅助电极为准；恒电流仪可以给试样施加恒电流极化，如-1mA/cm2的恒电流极化。优选地，所述固定装置和充氢电解池之间设置有密封垫片。更为优选地，所述密封垫片为硅胶密封垫片。优选地，所述充氢槽口为正方形槽口。优选地，所述缝隙腐蚀测试机构包括微pH电极、微辅助电极和微参比电极，所述缝隙盖板上设置分别固定所述微pH电极、微辅助电极和微参比电极的微pH电极插口、微辅助电极插口和微参比电极插口，所述微pH电极、微辅助电极和微参比电极的电极下端面设置于所述缝隙池中，微辅助电极和微参比电极与所述电化学测试单元电连接。试样、微辅助电极、微参比电极和电化学测试单元连接可进行缝隙内部分试样的开路电位、线性极化、电化学交流阻抗谱和动电位扫描等测试。微pH电极测试缝隙内局部环境的原位pH。通过该特定结构的设计，可对缝隙内微环境进行原位、实时监测。优选地，所述缝隙垫片为聚四氟乙烯缝隙垫片。优选地，所述电化学测试单元包括电化学工作站、辅助电极和参比电极，所述试样、辅助电极和参比电极均与电化学工作站电连接形成缝隙外三电极测试体系；所述试样和缝隙腐蚀测试机构均与电化学工作站电连接形成缝隙内三电极测试体系。试样、辅助电极、参比电极和电化学工作站连接可实现缝隙外部分试样的开路电位、线性极化、电化学交流阻抗谱和动电位扫描等测试。上述装置在酸性气井特殊螺纹扭矩台肩面腐蚀损伤测试中的应用也在本专利技术的保护范围内。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供的研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置可真实模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境，并对加载压应力的充氢试样缝隙内和缝隙外部分进行电化学测量，同时可以对缝隙内微环境进行原位、实时监测；本专利技术提供的装置结构简单，操作方便，检测精度高。附图说明图1为实施例1提供的研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置的结构示意图；图2为实施例1提供的充氢单元-应力加载单元-缝隙单元的结构示意图；图3为实施例1提供的固定装置的结构示意图；图4为实施例1提供的缝隙盖板的结构示意图；图5为实施例1提供的缝隙垫片的结构示意图；图6为缝隙、氢渗透、应力耦合作用下N80钢的腐蚀行为：（a）电化学阻抗谱，（b）阳极极化曲线，（c）未充氢时的缝隙腐蚀的光学照片，（d）充氢时缝隙腐蚀的光学照片；其中，1为应力加本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置，其特征在于，包括应力加载单元（1）、充氢单元（2）、缝隙单元（3）、电化学测试单元（4）和用于固定试样（5）的固定装置（6）；所述应力加载单元（1）包括设置于所述试样（5）顶部用于施加压应力的加载顶板（11）和压应力测定机构（12）；所述充氢单元（2）包括设置于固定装置（6）上的充氢电解池（21）和极化机构（22），所述固定装置（6）上设置有与充氢电解池（21）相连通的充氢槽口（23）；所述缝隙单元（3）包括悬设于所述试样（5）上的缝隙盖板（31）和缝隙腐蚀测试机构（32），所述试样（5）和缝隙盖板（31）之间设置有缝隙垫片（33）并在两者间形成缝隙池，所述缝隙垫片（33）上设置有与所述缝隙池相连通的缝隙槽口（34）；所述试样（5）和缝隙腐蚀测试机构（32）均与所述电化学测试单元（4）电连接。
【技术特征摘要】
1.一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置，其特征在于，包括应力加载单元（1）、充氢单元（2）、缝隙单元（3）、电化学测试单元（4）和用于固定试样（5）的固定装置（6）；所述应力加载单元（1）包括设置于所述试样（5）顶部用于施加压应力的加载顶板（11）和压应力测定机构（12）；所述充氢单元（2）包括设置于固定装置（6）上的充氢电解池（21）和极化机构（22），所述固定装置（6）上设置有与充氢电解池（21）相连通的充氢槽口（23）；所述缝隙单元（3）包括悬设于所述试样（5）上的缝隙盖板（31）和缝隙腐蚀测试机构（32），所述试样（5）和缝隙盖板（31）之间设置有缝隙垫片（33）并在两者间形成缝隙池，所述缝隙垫片（33）上设置有与所述缝隙池相连通的缝隙槽口（34）；所述试样（5）和缝隙腐蚀测试机构（32）均与所述电化学测试单元（4）电连接。2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述固定装置（6）为一侧侧面开口且内部镂空形成容腔的固定装置，所述试样（5）固定设置于容腔内；所述加载顶板（11）和所述试样（5）之间设置有加载顶板垫片（13）；所述加载顶板（11）和固定装置（6）通过螺栓-螺纹结构固定连接。3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述加载顶板（11）和固定装置（6）上竖直设置有加载螺纹孔（14），所述加载顶板（11）和固定装置（6）通过穿设所述加载螺纹孔（14）的加载螺杆（15）固定连接。4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述加载顶板（11）的截面与所述试样（5）的截面一致，所述加载螺纹孔（14）设置于所述加载顶板（11）的顶面的中心。5...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟显康，陈龙俊，喻丝雨，扈俊颖，张强，张智，曾德智，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51
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