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1、第 35 卷第 2 期2007 年 4 月浙 江 工 业 大 学 学 报JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.35 No.2Apr.2007收稿日期:2006?11?27作者简介:卢志明(1966?),男,浙江东阳人,博士,副教授,研究方向为压力容器和管道技术.316L 不锈钢应力腐蚀敏感性指数计算与回归分析卢志明1,何正炎2,高增梁1(1.浙江工业大学 机电工程学院,浙江 杭州 310032;2.浙江工业大学 化工设备厂,浙江 杭州 310032)摘要:通过慢应变速率拉伸腐蚀试验(SSRT),计算了 316L 不锈钢在湿硫化氢环境中的
2、应力腐蚀敏感性指数.在环境因素中,主要考虑了 H2S 浓度、Cl-浓度、温度和 pH 值等介质参数单独或交互作用对应力腐蚀敏感性的影响.通过试验数据的逐步回归分析,得到了应力腐蚀敏感性指数随介质参数变化的数学模型,并指出了各介质参数影响的显著性.关键词:应力腐蚀;硫化氢;奥氏体不锈钢;逐步回归中图分类号:T Q050.4+3?文献标识码:A文章编号:1006?4303(2007)02?0198?03Calculation and regression analysis to susceptibilities indexes ofstress corrosion cracking for 316
3、L stainless steelsLU Zhi?ming1,HE Zheng?yan2,GAO Zeng?liang1(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Zhejiang University of T echnology,Hangzhou 310032;2.Chemical Equipments Factory,Zhejiang U niversity of T echnology,Hangzhou 310032,China)Abstract:Under the condition of slow strain rate
4、tests method(SSRT),the susceptive indexes ofthe stress corrosion cracking for 316L stainless steel in wet hydrogen sulfide service were calcu?lated.Among the environmental factors,the separate and interactive effects of H2S concentra?tion,Cl-concentration,temperature and pH values on the susceptibil
5、ities of the stress corrosioncracking are considered.By means of the stepwise regression analysis to test results,the equa?tions between the susceptive indexes and the medium parameters are obtained.T he affected nota?bilities of four parameters are also indicated.Key words:stress corrosion;hydrogen
6、 sulphide;austenitic stainless steel;stepwise regression0?前?言316L 奥氏体不锈钢与碳素钢相比,具有较高的抗拉强度、较低的屈服点、极好的塑性和韧性,而且焊接性能和冷弯成型工艺性能也很好,所以被广泛用于制造各种储槽、塔器、反应釜等压力容器.作为不锈钢,316L 能耐多种介质的均匀腐蚀,但在某些环境中(特别是含 Cl-介质)的应力腐蚀开裂现象非常严重,已成为不锈钢领域中急待解决的工程实际问题.影响 316L 不锈钢应力腐蚀开裂的介质因素具有特定性,在酸性环境中主要因素有:Cl-浓度、H2S 浓度、温度和 pH 值等.其中 Cl-浓度对奥
7、氏体不锈钢应力腐蚀破裂的影响已引起广泛关注,以前研究人员一般采用沸腾的浓氯化镁溶液作为试验介质进行应力腐蚀试验,并已取得了许多研究成果 1?3.而对奥氏体不锈钢在湿硫化氢环境中的应力腐蚀破裂研究还比较少 4?6,而且现有的研究成果大多只局限在实验室环境中对单一因素的试验研究,还不能确定多个因素交互作用和主要影响因素.本文采用慢应变速率拉伸腐蚀试验方法,研究 Cl-浓度、H2S 浓度、温度和 pH 值等参数单独和交互作用对 316L 钢应力腐蚀敏感性的影响,并进一步对应力腐蚀敏感性指数进行统计回归分析.1?应力腐蚀敏感性指数1.1?应力腐蚀试验应力腐蚀试验根据特定的试验目的而设计.鉴于材料、介质
8、、应力状态和试验目的多样性,现已发展了多种 SCC 的试验方法.按照加载方式不同,可分为恒变形试验、恒载荷试验、断裂力学试验和慢应变速率拉伸实验.慢应变速率试验方法是以一个相当缓慢的应变速率对置于应力腐蚀环境中的试样施加应力,通过强化应变状态来加速腐蚀裂纹的发生和发展过程.SSRT 方法提供了在传统应力腐蚀试验不能迅速激发应力腐蚀的环境里确定延性材料应力腐蚀敏感性的快速试验方法,它能使任何试样在较短时间内发生断裂,因此是一种相当苛刻的加速试验方法.笔者采用慢应变速率拉伸腐蚀试验(SS?RT),测定 316L 钢的应力腐蚀敏感性.慢应变速率拉伸腐蚀试验可以采用直径为3 mm的棒状试样,也可以采用
9、板状或丝状试样.本试验根据材料的原始状态选择光滑板状试样进行试验,试样的几何形状和尺寸如图 1 所示.慢应变速率拉伸腐蚀试验(SSRT)在日本东伸株式会社生产的 SERT?5000DP?9L 应力腐蚀试验机上进行.参考石油炼制企业的典型工艺介质的主要成分,确定湿硫化氢环境中 H2S 浓度、Cl-浓度、温度和 pH 值等介质参数的取值范围:H2S 浓度为10?10-6 1010?10-6,Cl-浓度为 10?10-6 310?10-6,温度为 25 100?,pH 值为 4.5 9.5.四个介质参数在各自取值范围内分成 6 个等级,即 6个水平,根据均匀设计方法 7进行组合排列,得到 6组试验介
10、质,各参数组合见表 1.慢应变速率拉伸腐蚀试验中应变速率的确定至关重要,其数值不能过大也不能过小.参照有关文献的研究结果 8,笔者采用应变速率为 1?10-6S-1,转化为试验机横梁的移动速度为 1?10-3mm/min.图 1?316L 应力腐蚀试样Fig.1?316L stress corrosion specimen1.2?应力腐蚀敏感性指数计算为了尽量消除随机误差,每组试验在相同条件下重复进行两次,取其平均值作为最终试验结果.通过比较试样在腐蚀介质和惰性介质(空气)中的慢应变速率拉伸腐蚀试验的韧性指标,评价 316L 钢的应力腐蚀敏感性,本试验选择断裂前吸收的能量(应力?应变曲线下的面
11、积)F(A),延伸率 F(?)和断裂时间 F(t)三个表征参量作为评价应力腐蚀敏感性的依据.应力腐蚀敏感性指数分别定义为:F(A)=(A0-A)/A0?100%(1)F(?)=(?0-?)/?0?100%(2)F(t)=tf/tf0?100%(3)式中:F(A)?以应力?应变曲线下面积表示的应力腐蚀敏感性指数;A0,A?分别为惰性介质和腐蚀介质中断裂前吸收的能量;F(?)?以延伸率表示的应力腐蚀敏感性指数;?0,?分别为惰性介质和腐蚀介质中的延伸率;F(t)?以断裂时间表示的应力腐蚀敏感性指数.试验结果和应力腐蚀敏感性指数 F(A)、F(?)和 F(t)的值如表 1 所示.表 1?316L 钢
12、应力腐蚀敏感性指数Table 1?316L stress corrosion cracking susceptive indexes序号H2S浓度(?10-6)Cl-浓度(?10-6)温度/?pH 值F(A)/%F(?)/%F(t)/%11070559.521.355 11.7811.7222101901008.550.5532.925 33.043410310407.517.547.007.09461010856.539.865 27.325 27.385810130255.55.7254.204.2961010250704.537.3727.465 27.39?199?第 2 期卢志明,等
13、:316L 不锈钢应力腐蚀敏感性指数计算与回归分析2?应力腐蚀敏感性指数的回归分析2.1?应力腐蚀敏感性指数逐步回归为了得到应力腐蚀敏感性指数与介质参数之间的定量关系,对上述表 1 的试验数据进行回归处理.回归处理关键问题是如何在介质参数中挑选变量,建立起该批试验数据的?最优?回归方程.所谓?最优?回归方程,指的是包含所有对应力腐蚀敏感性指数影响显著的变量,剔除不显著的变量的回归方程.随着回归分析方法不断发展,涌现了许多有效的变量筛选技术,如前进法、后退法、逐步回归法和最优子集法等,其中逐步回归法计算工作量适中,且能较快得到?最优方程?9,10.所以本文选用逐步回归法筛选变量,并根据逐步回归的
14、基本思想编制了专门的计算机程序,对 316L 钢慢拉伸应力腐蚀试验数据进行处理,建立定量应力腐蚀敏感性指数的数学模型.由于试验得到断裂前吸收的能量(应力?应变曲线下的面积)F(A),延伸率 F(?)和断裂时间 F(t)三个表征应力腐蚀敏感性参量变化规律基本一致,笔者以 F(A)为例对试验结果进行逐步回归处理.316L 应力腐蚀敏感性指数 F(A)的回归结果如表 2 所示.表 2?应力腐蚀敏感性指数 F(A)数学模型Table 2?Equation of stress corrosion susceptive index F(A)模?型F 统计量F 临界值全相关系数 R残余标准差?显著性一次型统
15、计量227.2F(2,3)=9.550.99671.739方程F(A)=-12.26+2.11x2+6.02?10-1x3显著二次型统计量2081F(4,1)=2250.99990.4077方程F(A)=-15.541+1.93?10-2x2+0.68x3+3.21?10-6x21-5.82x23显著交互型统计量2635F(3,2)=19.20.99980.4182方程F(A)=-12.34+1.92?10-2x2+5.81?10-1x3+1.0?10-4x1x3显著?由表 2 可见,316L 敏感性指数 F(A)交互型数学模型比一次型和二次型的显著性大,而且交互型的全相关系数 R 和残余标准
16、差?与二次型的值基本相同,但明显优于一次型模型的值,所以采用交互型方程描述敏感性指数数学模型比较合适.2.2?讨论一次型模型中选入了变量 Cl-浓度(x2)和温度(x3);在二次型模型中仅选入了三个变量 H2S 浓度(x1)、Cl-浓度(x2)和温度(x3);交互型模型中除了选入了变量 Cl-浓度(x2)和温度(x3)外,还选入了H2S 浓度(x1)和温度(x3)的交互项(x1x3).因此从各模型选入的变量子集来看,Cl-浓度(x2)和温度(x3)对 316L 的应力腐蚀敏感性指数 F(A)影响均较显著,而 pH 值(x4)在三种模型中均被剔除,即pH 值(x4)与 F(A)没有显著的相关关系
17、,H2S 浓度(x1)和温度(x3)对 F(A)将产生交互作用.以交互型方程表示的 316L 应力腐蚀敏感性指数 F(A)随着 Cl-浓度(x2)和温度(x3)的变化关系见图 2.由图 2 可见,随着 Cl-浓度的增加,316L 钢应力腐蚀敏感性指数 F(A)增大;随着温度的升高,316L 钢应力腐蚀敏感性指数 F(A)也明显增大.图 2?应力敏感性指数 F(A)回归值Fig.2?The regressed stress corrosion susceptive inde?xes F(A)3?结?论通过上述应力腐蚀试验和试验数据的回归分析可以得到下列结论:(1)316L 应力腐蚀敏感性指数 F
18、(A)逐步回归结果显示,Cl-浓度(x2)和温度(x3)对 316L 的应力腐蚀敏感性指数 F(A)影响均较显著,pH 值(x4)与F(A)没有显著的相关关系,H2S 浓度(x1)和温度(x3)对 F(A)将产生交互作用.(2)随着 Cl-浓度的增加,316L 钢应力腐蚀敏(下转第 236 页)?200?浙 江 工 业 大 学 学 报第 35 卷三次预测最小(含古交).2020 年第一次预测与第三次预测相差 4.23 亿 m3(含古交),第二次预测(中方案)与第三次预测相差 5.95 亿 m3(含古交),具体见表 1.从表中看出,三次预测差别的实质在于预测用水指标的分析与确定.第一次预测在分析
19、工业企业发展与工业企业用水水平的变化方面存在明显的误差.第二次预测尽管采用三个方案进行分析,但对于工业企业需水增长与需水定额的判断方面也是有一定的误差.其实造成用水需求,特别是工业用水需求量预测值偏高,除了预测者主观上缺乏水需求控制意识外,还有一个重要原因是,通常采用的万元产值需水量定额法有其局限性.因为不同行业或同一行业的不同企业,或同一企业的不同产品,或同类产品的不同生产工艺之间的万元产值耗水量都是不相同的,它们之间可以相差几倍、几十倍,甚至是几百倍,而这些具体数据又难以系统、完整地获得.因此,对此定额的简化处理是非常困难的,更何况?产值?的概念及其?含金量?具有不确定性,不便于横向和纵向
20、的比较,因而也难以反映用水效率的水平.第三次预测针对不同的预测年份采用不同的产值增长率和用水效率,比之前两次预测,更趋合理.相比之下,美国、加拿大等北美国家采用的按行业分类预测需水的方法更具针对性,更能体现不同行业的用水效率水平,但目前国内对此所做的基础工作不多.参考文献:1?唐小我.预测理论及其应用 M .西安:电子科技大学出版社,1992.2?罗利民,方浩,仲跃,等.小波神经网络算法在区域需水预测中的应用 J.计算机工程与应用,2006,3:200?201.3?段春青,邱林,黄强,等.基于混沌遗传程序设计的参考作物腾发量预测模型 J.水利学报,2006,37(4):499?503.4?姚建
21、文,徐子恺,王建生.21 世纪中叶中国需水展望 J.水科学进展,1999,10(2):190?194.(责任编辑:翁爱湘)(上接第 200 页)感性指数 F(A)增大;随着温度的升高,316L 钢应力腐蚀敏感性指数 F(A)也明显增大.参考文献:1?OBERNDORFER M,KAEST ENBAUER M,T HAYER K.Application limits of stainless steels in the petroleum industry C.USA:Soc Pet Eng(SPE),1999:395?403.2?HIBNER EDWARD L,FENDE D S.Conque
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