基于液压鼓胀法的在役设备材质力学性能测试技术实现分析

左志全 包健

摘  要：主要介绍了在线取样、实验室制样、鼓胀测试分析的全流程技术实现，并以超期服役的加氢反应器为在线取样测试分析工程应用对象，测得了设备本体材料的力学性能。发现屈服强度和抗拉强度都发生了弱化，远离焊缝处屈服强度降低14.5%，抗拉强度降低9.8%，靠近焊缝处屈服强度下降微小，抗拉强度降低3.6%。这给设备安全评估提供了真实的力学性能数据，验证了方法的可行性和可靠性。

关键词：在线取样  鼓胀测试  超期服役  安全评估

中图分类号：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

大量化工装备长期在高温、高压及腐蚀环境下长期工作，设备本体材质不可避免地会发生材料性能下降、劣化甚至失效。如何真实地获取在役设备本体材质的力学性能，一直是困扰检验检测人员的一大难题。检验检测过程中检验人员主要通过以下方法来估算本体材质性能：（1）硬度测试，利用里氏硬度计或便携式布氏硬度计对设备本体材质进行硬度测试，通过硬度值来估算材质强度；（2）金相检测，利用便携式金相显微镜对材质金相组织进行测试，通过组织状态来判断是否发生劣化。以上方法虽然能获取部分材质状态信息，但不能获取真实的材质力学性能。科研界目前积极开发新的检测方法，其中，基于在线取样的液压鼓胀测试方法成为了解决这一问题的可行办法。王飞等人[1]利用液压鼓胀法测试了12Cr1MoV、15CrMo力学性能，并取得了可靠的解算精度，验证了该方法的可行性。众多学者[2-4]也对液压鼓胀测试方法进行了大量的研究。本文通过一个工程案例，分析相应的技术实现，探讨该方法工程应用的可行性和可靠性。

• 取制样技术实现

目前在役设备取样技术主要有刀具挖取法、电火花切割法、金刚石线切割法等[5-7]，以上方法都有应用于设备取样的报道，但国内化工装备在线取样还未普遍应用。本课题组根据碗形刀具挖取法的原理开发了一代手动取样机和二代自动取样机，两种取样机都是依靠磁铁吸力将机架固定在设备上。通过旋转刀头，从设备本体上取下球冠试样，如图1所示。

将试样夹持于专用夹具上，如图2所示，利用线切割设备，将试样加工成10 mm×10 mm×0.7 mm的试样。试样由于电火花的灼烧，表面质量低下，且限制于液压鼓胀试验台最大压力，试样厚度不能太大，否则不易胀破。本课题组通过对不同厚度试样测试发现，厚度在0.3～0.5 mm都能顺利胀破，因此，通常情况下加工成0.5 mm左右厚的试样。

为了将试样厚度从0.7 mm研磨至0.5 mm，作者研制了一套微试样研磨夹持定位工装（如图3所示）。本工装既能研磨10 mm×10 mm的方片，也能研磨φ10 mm的圆片。试样放置于定位孔内，将工装放置于金相研磨机上进行研磨。在研磨过程中发现，不同的研磨转速导致试样厚度不同程度地不均匀。经过摸索，得出如下经验研磨方式。（1）首先进行初步磨削，将240目砂纸光滑平整贴于磨盘上，将工件放于研磨模具内，如图1所示，调节头部转速53 r/min，磨盘转速50 r/min，单点压力5 N，正反面研磨120 s（根据工件材质可适当增加或减少），初步磨削结束，使用千分表测量工件尺寸。（2）再次进行磨削，根据测量值，确定研磨时间；再次测量，使得工件厚度高于设定值0.01 mm。（3）最后进行精密磨削和抛光，使用1 200目砂纸进行精密磨削，更换抛光布进行抛光，使得试样正反两面光滑无划痕；结束后，使用千分尺进行测量，得到标准厚度0.500 mm。

2  测试技术实现

将研磨好的试样放置于试验台上，拧紧压盖，启动高压泵，给基座容腔增加压力，通过光学引伸计采集试样拱高，最终形成拱高-载荷压力曲线，见图4（a），液压鼓胀测试原理见图4（b）。

采用Rp0.2法从曲线上提取屈服载荷，Rp0.2法原理如下：

借鉴常规拉伸Rp0.2定义，径向拱高弧长相对于原始固支直径的塑性延伸率为0.2%时的特征载荷为塑性极限载荷，即屈服载荷，图5展示了试样变形协调示意图及其满足的几何关系。需要注意的是，在对多个试样测试分析发现，拱高小于0.1（为试样原始厚度）时，载荷压力与拱高位移呈线性关系，因此在利用塑性延伸率0.2%反求拱高位移时应将0.1纳入计算过程中。经过多次试算发现，试样厚度在0.4～0.5 mm范围内，测试条件下反求出的拱高位移可以认为是定值，这就大大降低了试样厚度引起的计算难度，该方法简单易用。

图5中：为拱高球冠半径；为压盖倒角半径；为拱高位移；为压盖孔径。

抗拉特征载荷的提取采用多项式拟合法，通过对多项式求导，求取曲线转变点，确定抗拉特征载荷。根据薄板薄膜理论，利用公式（1）解算屈服强度，其中为屈服载荷，根据不同屈服准则取不同的值。

3  工程案例应用

某石化公司有一台加氢反应器，使用年限已超50年，按照TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，需要做安全评估（合于使用评价）。为了全面了解设备本体材质性能变化程度，采用在线取样，结合液压鼓胀方法进行测试分析。此次采用取样机在内壁两处取样，分别标为母材1和母材2，见图6。母材1为远离焊缝位置，母材2为靠近焊缝位置。

将取下的试样加工成待测试的微小试样，见图7。本次母材1处试样制备成1个10×10的小样，厚度0.527 mm，编号YP-母材1-1，母材2处试样制备成2个10X10的小样，1个厚度为0.535 mm，编号为YP-母材2-1， 1个厚度为0.524 mm，编号为YP-母材2-2。

测试曲线如图8所示，通过特征载荷的提取与解算，获得的屈服强度和抗拉强度如表1所示。参考余意的研究[5]，可知本台加氢反应器原始材料屈服强度579 MPa，抗拉强度686 MPa。对比此次液压鼓胀测试结果，可以得出，母材1处的屈服强度降低14.5%，抗拉强度降低9.8%。母材2处的屈服强度平均值为571 MPa，与原始屈服强度579 MPa相差不大，抗拉强度平均值为661 MPa，抗拉强度降低3.6%。

4  结论

（1）本文介绍了在线取样、实验室制样技术的实现，取样机体积小易于安装，可以通过人孔进入设备内部取样。通过研制的定位研磨工装，可以快速便捷地对微试样进行双面研磨，借助数显测量台，对试样厚度进行快速测量。

（2）本文以超年限使用的加氢反应器为应用对象，对在役设备的本体材质力学性能进行了测试分析，测试结果与设备材质原始力学性能进行了比较，发现屈服强度和抗拉强度均发生了弱化。该方法具有较好的可靠性，为在役设备的安全评估提供了一种可行的测试分析技术。

参考文献

[1] 王飞，左志全.微试样液压鼓胀法测管材12Cr1MoV、15CrMo力学性能试验研究[J].中国化工装备，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.便携式小冲杆试验微损取样装置的研究与设计[D].南京：南京航空航天大学，2017.

[6] 罗安.新型金属微试样取样及测试技术研究[D].上海：华东理工大学，2019.

[7] 朱勇，鞠春盛.镍基焊材修复20Cr3NiMoA反应器焊缝裂纹[J].石油化工设备技术， 2005（5），61-65.