用于在评估平面内断裂韧性的标准测试中测试材料样品的方法和装置制造方法及图纸

一种在评估平面内断裂韧性的标准测试中，测试结构的壁中所用的一种类型的材料样品的方法。所述方法包含：获得横向长度不大于所述结构的壁的厚度的样品；使所述样品成形为具有(a)底表面，(b)具有中央缺口的成型顶表面，(c)在所述中央缺口的第一侧上的第一耦接特征部，和(d)在所述中央缺口的第二侧上的第二耦接特征部；组装试样，所述试样通过将第一横向延伸部耦接于所述第一耦接特征部，并且将第二横向延伸部耦接于所述第二耦接特征部而使所述样品的宽度增加到超过横向宽度；并且对如此组装的试样和样品进行标准断裂韧性测试，以评估所述样品的断裂韧性。

Method and apparatus for testing material samples in standard tests for evaluating in-plane fracture toughness

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在评估平面内断裂韧性的标准测试中测试材料样品的方法和装置相关申请的交叉参考本申请要求具有相同的标题的2017年12月29日提交的美国非临时申请序列号15/858,273和2017年6月15日提交的美国临时申请序列号62/520,489的优先权，所述申请通过引用特此并入，如同在此完整阐述一样。
本专利技术涉及测试材料的结构适合性，并且更具体地说，涉及一种用于在评估平面内断裂韧性的的标准测试中测试厚度相对较小的材料样品的方法和装置。
技术介绍
在伴随高硫化氢(H2S)浓度的酸性环境的石油和天然气管道及相关设备中会遇到氢致开裂(HIC)。这些缺陷归因于由于酸腐蚀产生的原子氢进入钢主体。原子氢反应并重组，从而在微结构中存在的非金属空间的界面处形成高压分子氢腔。HIC往往会在平行于管壁的平面中扩展，如图1所示，所述图1显示由HIC诱发的裂纹的实例。断裂韧性(FT)测试是标准化的机械测试设计，旨在测量材料对裂纹增长的抗性。在FT测试中，将预破裂的试样以受控的位移速率加载，同时测量合力。力-位移曲线用于计算FT参数，如平面应变应力强度因子(K)和J积分(J)。在进行断裂韧性(FT)测试以表征材料抵抗裂纹扩展的能力时，FT试样的尺寸和取向至关重要。将矩形锻造/轧制板材样品的尺寸定义为平行于板材轧制/锻造方向的纵向(L)、横向尺寸(T)和短横向或厚度尺寸(S)。图2显示示出这些平面的样品的示意性模型。第一个字母表示垂直于裂纹平面的方向(与模型I断裂的主拉伸应力方向一致)，而第二个字母表示裂纹扩展的方向。HIC裂纹扩展(并且通常是逐步开裂)的相关方向是图2中所示的S-T或S-L方向，所述图2是平行的平面内裂纹出现的方向。已证明很难测量出沿这些方向的薄或相对较薄(壁厚10-30mm)的管道的断裂韧性(FT)特性。这特别成问题，因为通常沿SL和ST方向的FT值并不等于沿其它方向(例如TL、LT)的FT值，因此沿其它方向进行的测量不能用作估算沿SL和ST方向的FT值的可靠方式。美国材料与试验协会(AmericanSocietyforTestingandMaterials；ASTM)1820断裂韧性测试标准要求使用呈单边弯曲(SEB)或紧凑拉伸(CT)型的特定试样。然而，此类试样并不适合沿S-T和S-L方向进行的FT测量，因为沿厚度方向没有足够的材料来提取完整的SEB或CT试样。例如，要加工10毫米厚的典型SEB试样，需要的最小板材厚度为约90毫米，这远远高于石油和天然气行业中所用的管设备的常见管厚度。虽然不需要针对金属结构的断裂而设计平面内FT数据，但当相关设备可能会产生平面内裂纹(如HIC)时，所述数据就变得尤为重要。此类数据可以在材料选择阶段在不同类型的钢之间帮助区分不同制造商所提供的金属质量，还可以预测裂纹增长速度以及其在设备使用寿命期间对设备剩余完整性的影响。因此，需要一种能够对平面内断裂进行FT测试的方法，所述方法可以对金属板材的平面内断裂韧性进行有效测量(即符合标准)。出于这些和其它考虑，提出了本文进行的公开内容。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了在评估平面内断裂韧性的标准测试中测试材料的方法，其中材料样品具有在结构的壁中所用的类型。在某些实施例中，所述方法包含获得所述结构的壁的样品；使所述样品成形为缺口组件，所述缺口组件包括厚度尺寸等于所述结构的壁的厚度的平坦底表面，和成型顶表面，所述成型顶表面具有垂直于所述底表面的平面取向的中央缺口，在所述中央缺口的第一侧上的第一插槽，以及在所述中央缺口的第二侧上的第二插槽；组装试样，所述试样通过将第一横向延伸部耦接于缺口组件的第一插槽，并且将第二横向延伸部耦接于缺口组件的第二插槽而使样品的有效厚度增加到超过缺口组件的底表面的厚度；并且对如此组装的试样进行标准断裂韧性测试，以评估材料沿平面内方向的断裂韧性。待测试的结构优选地是厚度在约5mm至约70mm之间的材料，如石油和天然气行业中普遍使用的钢管。在一些实施方案中，本专利技术方法进一步包含加工缺口组件，使得在标准断裂韧性测试中，中央缺口取向成沿T-L方向开口。在其它实施方案中，所述方法进一步包含加工缺口组件的形状，使得在标准断裂韧性测试中，中央缺口取向成沿S-L方向开口。为了满足标准断裂测试的要求，优选地形成第一和第二横向延伸部，使得第一和第二横向延伸部的长度与缺口组件的厚度的总和等于或大于如从底表面到成型表面的尖端所测量的缺口组件的宽度的4.5倍。在一些实施例中，第一和第二插槽可以围绕中央缺口对称，而在其它实施例中，第一和第二插槽可以围绕中央缺口不对称。可以将试样放置在标准断裂韧性测试设备中，以将力施加到缺口组件的底表面。缺口组件的中央缺口可以成形为包括具有第一宽度的第一部分和位于所述第一部分下方的第二部分，所述第二部分的第二宽度小于所述第一宽度。缺口组件的第一和第二插槽可以形成肘形缺口。在一些实施例中，所述方法进一步包括使用编程的计算机和来自标准断裂韧性测试的数据来进行断裂韧性的有限元模拟，以测定缺口组件的最佳几何参数。为了研究苛刻的氢气环境对试样的影响，在一些实施例中，所述方法进一步包含在进行标准断裂测试之前，向缺口组件充氢。在此类实施例中，可以在一定持续时间内向缺口组件充氢，直到氢浓度达到期望水平。还可以测定将缺口组件填充到目标稳态氢浓度所需的电流密度，以及在多个氢浓度水平下S-L和T-L方向之间的断裂特性的差异。本专利技术实施例还提供一种用于测试结构的壁中所用的材料的断裂韧性的设备。所述设备的实施例包含由结构的材料的样品制成的缺口组件，其成形为具有(a)宽度等于所述结构的壁的厚度的底表面，(b)成型顶表面，所述成型顶表面具有中央缺口，(c)在中央缺口的第一侧上的第一缺口，和(d)在中央缺口的第二侧上的第二缺口特征部；第一横向延伸部，其耦接于缺口组件的第一插槽；以及第二横向延伸部，其耦接于缺口组件的第二插槽。第一横向延伸部和第二横向延伸部使缺口组件延伸有效宽度，以提供具有足够长度以用于标准断裂韧性测试中的组装试样。所述结构优选地是具有在约5mm至约70mm之间的相对较小厚度的材料，如由钢(如X65)制成的管的壁。在一些实施例中，在标准断裂韧性测试中，缺口组件的中央缺口取向成沿T-L方向开口。在其它实施例中，在标准断裂韧性测试中，缺口组件的中央缺口取向成沿S-L方向开口。第一和第二横向延伸部可以形成为使得所述第一和第二横向延伸部的长度与缺口组件的厚度的总和等于或大于如从底表面到成型表面的尖端所测量的缺口组件的宽度的4.5倍。在一些实施方案中，向缺口组件充氢。这些和其它方面、特征和优点可以从本专利技术的某些实施例和附图以及权利要求书的以下描述中了解。附图是说明性和示例性的，并且不一定以绝对意义或相对意义准确地指示所描绘的元件的比例。附图说明图1描绘了氢致开裂(HIC)的实例。图2是显示与断裂韧性测试有关的平面方向的ASTM术语的示意性透视图。图3是根据本专利技术的实施例的缺口组件的示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在评估平面内断裂韧性的标准测试中测试材料的方法，一种类型的所述材料样品用于结构的壁中，所述方法包含：/n获得所述结构的壁的样品；/n使所述样品成形为缺口组件，所述缺口组件包括厚度尺寸等于所述结构的壁的厚度的平坦底表面；和成型顶表面，所述成型顶表面具有垂直于所述底表面的平面取向的中央缺口，在所述中央缺口的第一侧上的第一插槽，以及在所述中央缺口的第二侧上的第二插槽；/n组装试样，所述试样通过将第一横向延伸部耦接于所述缺口组件的所述第一插槽，并且将第二横向延伸部耦接于所述缺口组件的所述第二插槽而使所述样品的有效厚度增加到超过所述缺口组件的底表面的厚度；并且/n对如此组装的试样进行标准断裂韧性测试，以评估所述材料沿平面内方向的断裂韧性。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170615 US 62/520,489;20171229 US 15/858,2731.一种在评估平面内断裂韧性的标准测试中测试材料的方法，一种类型的所述材料样品用于结构的壁中，所述方法包含：
获得所述结构的壁的样品；
使所述样品成形为缺口组件，所述缺口组件包括厚度尺寸等于所述结构的壁的厚度的平坦底表面；和成型顶表面，所述成型顶表面具有垂直于所述底表面的平面取向的中央缺口，在所述中央缺口的第一侧上的第一插槽，以及在所述中央缺口的第二侧上的第二插槽；
组装试样，所述试样通过将第一横向延伸部耦接于所述缺口组件的所述第一插槽，并且将第二横向延伸部耦接于所述缺口组件的所述第二插槽而使所述样品的有效厚度增加到超过所述缺口组件的底表面的厚度；并且
对如此组装的试样进行标准断裂韧性测试，以评估所述材料沿平面内方向的断裂韧性。


2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含加工所述缺口组件，使得在标准断裂韧性测试中，所述中央缺口取向成沿T-L方向开口。


3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含加工所述缺口组件的形状，使得在标准断裂韧性测试中，所述中央缺口取向成沿S-L方向开口。


4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含形成所述第一和第二横向延伸部，使得所述第一和第二横向延伸部的长度与所述缺口组件的厚度的总和等于或大于如从所述底表面到所述成型表面的尖端所测量的所述缺口组件的宽度的4.5倍。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一插槽和第二插槽围绕所述中央缺口对称。


6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一插槽和第二插槽围绕所述中央缺口不对称。


7.根据权利要求1所述的方法，其中所述标准断裂韧性测试将力施加到所述缺口组件的底表面。


8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含以下步骤：使用编程的计算机和来自所述标准断裂韧性测试的数据来进行断裂韧性的有限元模拟，以测定所述缺口组件的最佳几何参数。


9.根据权利要求1所述的方法，其中所述缺口组件的中央缺口包括具有第一宽度的第一部分和位于所述第一部分下方的第二部分，所述第二部分的第二宽度小于所述第一宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：A特莱迪亚，E查特齐杜罗斯，M朱亚德，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA