C型环试验的加载应力计算

　　0　前言

　　硫化物应力开裂(SSC)是酸性油气田金属材料腐蚀的一种严重失效形式,事先没有任何预兆,一旦发生往往会造成灾难性事故。

　　美国腐蚀工程师协会(NACE)总结了实验室的SSC评价结果和现场实践的经验,颁布了NACE TM0177含H2S环境中金属材料抗硫化物应力开裂实验室试验[1]。该标准中有四种方法,其中的方法C———C型环试验,主要用于评价金属在环向应力作用下的抗应力腐蚀破裂敏感性能,特别适用于直径较小的管、棒腐蚀试验。国标GB/T15970·5金属和合金的腐蚀———应力腐蚀试验[2]第5部分:“C型环试样的制备和应用”也包括了C型环试样的设计、制备、加载、暴露及检查等方面,提供了C型环试样应力状态和分布的分析。

　　对于应力腐蚀试验,最重要的两个因素是腐蚀环境和加载应力。在试验中对试件进行合理的加载,以得到准确的试验应力,是科学进行应力腐蚀试验的关键之一。但这两个标准中,关于确定试验应力的加载挠度计算公式却不同。本文通过对挠度—应力关系式的推导,以及公式计算应力值与实际应力值的比较,对加载应力误差进行了分析和讨论,确定了这两个标准各自的适用范围,并推荐了对试件进行科学加载的方式,以得到更准确的试验应力。

　　1　公式推导

　　C型环试样的加载方法有多种,通常采用横位移加载,即沿环直径中央方向扭紧螺栓。C型环受到的主要应力是周向应力,此应力是沿厚度方向梯度变化的不均匀应力,即从某一表面上的最大拉应力变化到相反表面上的最大压应力。应力也围绕着C型环周向变化,从每个螺孔处的零值变到加载螺栓对面圆弧中央的最大值[2],见图1。

　　计算图1中C型环外表面最大应力值与C型环沿螺栓方向挠度之间的关系时,有如下基本假设:C型环发生平面弯曲时符合平面假设,即变形前的横截面在变形后仍然为平面;不考虑材料层间相互作用的正应力, C型环处于单向受拉(压)应力状态。

　　1. 1　C型环外表面弯曲应力σ与作用力F之间的关系推导

　　根据材料力学,曲梁(杆)在外载荷作用下,横截面上往往同时存在弯矩M、轴力N和剪力Q。与剪力Q对应的剪应力一般很小,可以不考虑[3]。因此应力计算公式为:

　　式中　N———应力计算点受到的轴力,N;

　　A———截面积,mm2;

　　M———应力计算点受到的弯矩,N·mm;

　　y———应力计算点到中性轴的距离,mm;

　　ρ=r+y,r为中性层的曲率半径,mm;

　　S=A·e,为整个截面对中性轴的静矩,mm3,

　　e为形心到中性轴距离,mm。

　　对于C型环,拉应力的最大值在图1中A—A截面C环外表面处。A—A截面所受内力如图1中b所示。该截面在C型环外表面处的参数为:N=-F,M=F·R,A=w·t,y=d2-r,ρ=d2,S=wt·(R-r)。