DOI :10. 16507/j . issn . 1006-6055. 2001. 04. 004
科技前沿与学术评论
材料环境适应性评估技术
及其进展
教授、博导 李晓刚
(北京科技大学材料科学与工程学院, 北京100083)
摘 要:综述了材料环境适应性评估技术的发展过程和技术体系。指出应该发展中国特色的材料适应性评估技术。
关键词:材料 环境 适应性 评估
The Development of Environment Fitness -For -Service Technology for Materials
Professor LI Xiaogang
(University of Science and Technology of Beijing , Beijing 100083)
A bstract :The de velopment and system of Environment Fitness -For -Se rvice Technology for materials are sum marized . It is pointe d out that the Chinese Environment Fitness -For -Se rvice Technology for materials should be establishe d . Key words :material , environment , Fitness -For -Servic e , e valuation
一、前言
材料一般都在大气、土壤和水等环境介质或自然介质中使用, 即工况环境和自然环境。材料在与环境介质的交互作用过程中, 发生能量或物质交换而失效, 如金属材料的腐蚀, 高分子材料的老化等。材料适应性评估技术(Fitness -For -Service Technology 简称FFS 技术) 是对含体缺陷或面缺陷的带压材料继续运行的安全性进行定量工程评定的技术。其中对金属材料, 体缺陷一般为:全面腐蚀、局部腐蚀或冲蚀、复杂磨损区、点蚀、氢鼓包和夹杂物缺陷; 面缺陷为:硫化物应力开裂、氢致开裂、应力腐蚀、焊接热影响区开裂、过烧结、未焊透和腐蚀疲劳等。这是近几年发展、完善, 并被广泛接受而形成规范标准的一项新技术[1～4]。
从理论上讲, FFS 技术是研究带缺陷材料剩余承载能力、缺陷尺寸和材料性能常数之间关系的技术, 即在已知其中任23卷4期何两项的情况下, 如何计算确定另外一项的极值。从实际生产上讲, 设备在运行中由于载荷、热应力、腐蚀或材质劣化产生了缺陷, 如何对待这些缺陷, 是修理, 更换, 停工还是继续运行? 例如, 最近国内数家炼油厂由于炼制高硫原油, 催化装置三旋上部外壁产生了多条裂纹, 大部分厂家是在未停工的情况下对裂纹进行了简单的处理, 有的厂家甚至未做任何处理继续运行, 这些设备是否安全? 能运行到什么时候? 都是厂家十分关心且经常出现的问题。又如, 材料在大气、海水和土壤等自然环境下使用时, 将可能发生严重的腐蚀失效或老化, 材料在腐蚀失效或老化后, 能否安全使用? 其剩余使用寿命有多长? 这正是FFS 技术所要解决的问题。
由此可见, 材料环境适应性是衡量材料质量的重要属性。根据材料所处环境, 可以将材料环境适应性分为工况环境适应性和自然环境适应性。从发展过程和特点看, 以上两方面各自相对独立, 但在方法论上却又是非常相似的, 发展
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范。
1984年美国合成氨塔的爆炸, 促进了FFS 技术的发展, 特别促进了更加有效和灵敏的在线检测手段和方法的完善, 如超声、磁粉和射线等方法的广泛运用, 这样, 就能更加有效地发现服役中产生的各种缺陷或环境敏感断裂, 使得原来未知的一些问题变得突出了, 如检测发现腐蚀, 特别是点蚀速度已经超过了腐蚀速度, 甚至于有的局部壁厚减小到最小设计壁厚以下, 这使得对设备继续服役的安全问题变得更加重要。由于没有现成的处理方法和规范, 越来越多的石油公司开始发展FFS 技术, 以确定缺陷是否需要维修。这促进了FFS 技术的产生。
从断裂力学在石化设备安全评定中的开始应用到1990年, 是FFS 技术的孕育期。在这漫长的时期里, 虽然没有成熟的FFS 的方法和规范, 但建立了在断裂力学基础上锅炉与压力容器、管道B31·3的制造缺陷评定规范。人们在FFS 的工作中逐渐认识到, 要建立完善的FFS 技术, 首先必须建立完善的在线检测规范和方法、材料性能劣化数据库和强大的力学分析工具, 这将是一个复杂而庞大的系统工程。
2. 工况环境适应性评估技术的方法论
到90年代初, 在认识到建立FFS 技术的重要性和必要性后, 开始致力于发展这种技术。但鉴于这种技术的复杂性, 人们首先从方法论的角度对它进行了广泛的研究。从1990年开始, 美国材料委员会MPC (Materials Properties Coun -cil ) 在国际范围内分别组织了两方面队伍, 即原子能工业材料方面和石油工业方面, 发展适应性评估技术。在石油工业方面, 在国际范围内组织了25家大石油、石化和相关公司, 每年进行两次会议, 讨论建立FFS 的方法论。这一工作计划称为MPC -FFS 工作计划, 目的在于建立完善的FFS 方法论, 构筑FFS 技术的构架, 包括对体缺陷和面缺陷的评定与计算, 相关体测方法与规范, 石化环境下材料性能库和力学分析等技术的发展和相关计算机程序的发展, 并在方法论的发展过程中加强在各企业中的应用, 以对其有效性进行评估。一旦其有效性得到充分确认, 就提交给美国石油学会(API ) 建立相关的工程规范[8～10]。
在这一时期, 有关材料缺陷在线检测方法和规范发展很快。在美国, 有关这方面的规范有, 锅炉和压力容器检测的国标ANSI -NB -23; 压力容器检测的石油学会标准API510; 气体储罐检测的石油学会标准API630和管线检测的石油学会标准API570。在这些标准中, FFS 方法完全建立在经验之上, 尚未形成方法论, 其应用范围有限, 还不能给所有的典型缺陷提供指导准则。ASME 第六章提供了原子能设备的线安全评定技术, 由于服役环境的不同, 虽然这一标准不能用于石化工业, 但可以作为一个良好的借鉴, 标志着材料环境适应性评估方法论的初步形成。另一方面, 发表的大量有关面缺陷和体缺陷研究的文章以及计算机技术的发展, 也为FFS 方法论的形成, 提供了良好的支持。
从1990年到1996年10月API 有关FFS 标准API579公
世界科技研究与发展
过程非常相似。材料工况环境适应性评估技术目前侧重于带压工程设备, 而材料自然环境适应性评估技术侧重于材料或制品在自然环境中产生缺陷后, 带缺陷材料剩余承载能力或剩余寿命、缺陷尺寸和材料性能常数之间关系。本文拟对其发展过程和内容进行简单的综述, 并试图给出其发展方向和我们需要做的工作。
二、材料工况环境适应性评估技术
工况环境适应性评估技术发展分如下三个阶段:一、孕育期。从断裂力学的诞生到1990年, 即方法论的形成过程。二、生长期。从1990年到1996年10月有关FFS 技术规范的制定, 即实际技术的形成过程。三、发展应用期。从1996年10月至今。而自然环境适应性评估也正在进行着以上过程, 逐步发展成熟起来。
1. 工况环境适应性评估技术的孕育期
数十年来, 断裂力学的发展, 为工业界提供了除强度设计思想和评定方法以外的断裂韧性设计思想和缺陷评定方法。例如, 在美国, 对带压材料, 多数是按建立在断裂力学基础上的ASME 锅炉与压力容器第八章和AS M E 化工与炼油厂管道ANSIB -B31·3(美国国标) 的规定, 必须用无损检测的结果对制造过程中的焊接缺陷进行评定后, 设备方可投用。在日本、英国都有相应的规范。我国工业中的压力容器、管线和储罐也都有类似的标准规范, 如GB150
[5～7]
。
断裂力学的发展, 不仅为含缺陷的带压材料服役提供了验收和检验标准, 也为设备在服役过程中产生的各类缺陷提供了理论分析工具。这方面的工作主要由以下几方面组成:第一, 正确地获得服役中产生缺陷的大小、形状和分布; 第二, 用断裂力学理论分析, 给出含不同缺陷的不同设备的应力强度因子表达式; 第三, 得到经一定时间使用后该材料性能的变化, 特别是断裂韧性值; 第四, 正确地确定设备, 特别是缺陷处所受的应力水平。这一时期, 以上几个方面的工作显得过于简单, 材料的机械性能值往往只是近似, 缺陷的在线检测技术不完善, 应力分析水平不高。因此, 工程中对缺陷的评定方法和处理方法并未结合起来。一旦发现缺陷或局部减薄, 通用的对缺陷的处理方法是, 消除缺陷、补焊或整体更换设备的某一部分, 但从机械和力学的完整性来看, 这往往不是最佳的处理办法, 甚至出现越焊越裂的情况, 美国几家石油公司投巨资对加氢反应器产生的缺陷进行修理时就得出了这样的结果。同时也得出了这样的结论, 即对某些尺寸较小的缺陷, 可以不经任何处理继续运行。工程中其他许多类似设备的运行, 也得出了相同的经验。这一经验与断裂力学的理论分析是一致的。在这一时期, 国内的一些科研单位、高校和石化企业合作, 在这方面也做了一些工作, 其工作过程为:从服役的设备上截取材料或模拟服役材料, 进行机械性能和断裂韧性以及疲劳裂纹扩展测试, 然后在假设裂纹的情况下, 用断裂力学的方法进行安全评定和剩余寿命评估, 这种方法过于简单且也没有形成固定的工作程序和规
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布的这一期间, MPC 组织的每年两次的有关FFS 方法论的学术讨论会建立了完善的石化设备FFS 方法论, 该方法论包括以下七个方面:
(1) 检测:1993年, MPC -FFS 计划工作组接纳了无损检测专家参加, 从事以下两方面的研究与实际工作, 第一, 体缺陷、面缺陷尺寸和形状确定, 不仅需要发展石化设备表面缺陷、近表面缺陷尺寸和形状的精确检测与统计分析方法, 而且需要发展深埋缺陷的精确检测方法和技术, 如厚壁加氢反应器的内部缺陷, 这不仅应该制定一系列完善的石化设备出厂缺陷检验标准, 更重要的是发展服役缺陷检验与评定标准; 第二, 使现有的声发射、超声波和磁粉等无损检测方法更加完善地应用于石化工业设备的无损检测中。工作小组的主要工作首先集中在氢引起的各种损伤上, 因为氢引起的各种缺陷的检测、评定与修复最具有挑战性。
(2) 材料性能:广泛收集整理有关石化在役设备材料断裂韧性和机械性能, 建立石化服役环境下材料性能数据库, 重点是建立高温性能数据库和断裂韧性数据库。
(3) 应力分析:主要目的是提供缺陷区域所受的准确应力。即缺陷区域的应力计算, 获得包括复杂形状在内的应力强度因子表达式, 用有限元的方法对断裂过程进行分析。MPC -FFS 计划中应力分析最活跃的领域是, 局部减薄区域的应力分析、极限载荷分析和残余应力分析。
应力分析是MPC -FFS 计划的难点所在, 其中有关局部减薄区域的应力分析是发展针对由腐蚀、氢鼓包或表面损伤引起的各种局部减薄缺陷的分析方法, MPC -FFS 工作小组对比了ASME 标准第六章、英国标准PD6493和AS M E B31G 等, 并用了两台带有大量局部缺陷的压力容器做试验, 发展了局部减薄区域的应力分析方法。有关极限载荷分析是建立在压力和应变测量基础上的, 通过测量剩余强度因子, MPC -FFS 工作小组发展了一系列决定面缺陷和体缺陷极限载荷的方法。有关残余应力的分析, 由于石化设备多含焊接接头, 一开始, MPC -FFS 工作小组就意识到这是个重要问题。FFS 是采用标准PD6493处理这一问题的。另外, 在爱第生焊接研究所(EWI ) 开展了有关石化压力容器和管线残余应力分布的研究课题, 目的是搞清残余应力分布与设备形状、焊头形状、焊接工艺之间的关系。同时还对焊接接头进行了有限元分析。
(4) 失效分析:综合以上各步骤, 确定失效原因。(5) 环境交互作用评价:主要工作为失效模型的建立。大部分石化设备的失效都是与环境交互作用的结果, 其中包括腐蚀、应力腐蚀各种氢致开裂和材料损伤。完整的FFS 方法需要搞清在服役条件下损伤的原因, 以便为决定是否继续服役或阻止损伤进一步发生。MPC -FFS 工作小组对石化设备的损伤方式进行了分类研究, 通过API571标准, 将石化设备的损伤方式分成70多种机制, 对每一种损伤机制, 建立了合金、服役条件和损伤极限之间的关系, 可以用于剩余寿命评估。API571标准是FFS 工作的基础之一。23卷4期(6) 安全系数:90年代初, MPC 建立了计算面缺陷安全系数的方法。该方法含在一个名为PRE FIS 的计算机程序中, 向程序中输入以下变量中的任意五个, 就可以计算出安全系数:(1) 主应力; (2) 次应力; (3) 温度; (4) 韧脆转变温度; (5) 断裂韧性; (6) 基体金属性能; (7) 焊头性能; (8) 缺陷尺寸。结合以下计算结果, 利用FAD 图就可以给出安全系数。较高版本的PRE FIS 程序利用了统计分析方法对以上变量进行了分析。其后各公司都有自己的计算方法, MPC -FFS 工作小组的任务是寻找通用的计算方法。
(7) 有效性:90年代初, 发表了大量文献以证明FFS 方法论的有效性。主要集中在以下两方面:一、对含缺陷的压力容器进行爆破实验; 二、用文献中的失效事例和现有标准进行论证。以上七方面的工作是FFS 方法论的主要组成部分, 其中大部分工作在90年代初已经编制成了计算机程序并广泛地用于了各石油公司, 为现场的工程师提供了有力的工具, 产生了良好的经济效益。
3. 工况环境适应性评估技术的发展应用
如上所述, 90年代初, FFS 方法论逐渐成熟, 为FFS 技术的应用打下良好的基础。1996年10月, API 公布了建立在FFS 方法论基础上的API579标准, 推荐应用FFS 技术, 使FFS 技术进入被广泛接受的应用时期。
API579共分为十二章, 第一章为背景介绍, 主要是对该规范的发展背景、应用范围、机构与应用、职责、应用范围和术语进行了综述。第二章为FFS 技术工程评价过程。第三章为脆性断裂设备的评估方法与过程。第四章为总体金属减薄设备的评估方法与过程。第五章为带局部减薄设备的评估方法与过程。第六章为带点蚀设备的评估方法与过程。第七章为带鼓包和发纹设备的评估方法与过程。第八章为带沟槽状缺陷(体缺陷) 设备的评估方法与过程。第九章为带裂纹(面缺陷) 设备的评估方法与过程。第十章为带焊接缺陷或壳体形变设备的评估方法与过程。第十一章为高温损伤设备的评估方法与过程。第十二章为蠕变损伤设备的评估方法与过程(尚无具体内容, 正在发展中) 。
无论是脆性断裂、均匀腐蚀减薄、局部腐蚀减薄、点蚀、鼓包、体缺陷、面缺陷, 还是对焊接缺陷、高温损伤和蠕变损伤, FFS 的评价过程都是相同的:首先在总论部分, 对已经产生的缺陷特性和服役条件进行定义和分类; 第二步是对其可应用性和范围进行定义, 确定评估所需的理论工具; 第三步是寻求评估过程需要的数据, 包括原始设计数据、管理和服役历史数据、FFS 评估过程数据、检测方式及相关数据、评价方法和可接受的评价标准。第四步是剩余寿命评估。一旦通过检测获得缺陷的具体数据, 就应该进行剩余寿命评估。FFS 技术并非倾向于试图给出精确的剩余寿命, 而是用计算所得的剩余寿命值来建立适当的检测方案、在线监测制度及维修决策。FFS 技术给出了建立在三种水平上的三级剩余寿命评估方法:一级是倾向于用最少的检测和设备数据在较为保守的判据下进行, 可以由检测人员和现场工程操作; 二级
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长期的观察与检测或进行室内模拟实验; 同时按不同材料的不同试验周期定期取样, 进行测试分析, 获取原始性数据(即环境腐蚀性的评估数据和材料在环境中的腐蚀率数据) ; 通过数据评价, 数据处理和综合分析, 获得不同材料在不同自然环境中的腐蚀规律, 在此基础上, 建立剩余承载能力或剩余寿命、缺陷尺寸和材料性能常数之间关系。其技术体系包括自然环境实验、室内外加速实验、失效机理研究、检测技术、评估模型建立, 材料性能常数数据库和有效性能等几个方面。目前的重点在自然环境实验、室内外加速实验、失效机理研究和检测技术等方面。因此, 从总体上看, 材料自然环境适应性评估技术的发展落后于工况环境适应性评估技术。
1. 国外材料自然适应性评估技术的发展
工业发达国家十分重视本领域的基础数据积累工作, 早在上世纪初, 美国通过材料在本国自然环境中的长期暴露试验(大气25～35年、海水20～25年、土壤40～45年) 的系统研究, 积累了大量的腐蚀数据, 为工程防腐设计、发展各种耐蚀材料、延长设备和工程的使用寿命, 为制订材料防护的规范和标准提供科学依据。
由于工业发展带来环境污染, 引起各工业国家的关注。1986年国际标准化组织(ISO ) 发起并组织了一个多国联合行动, 采用4种金属材料(低碳钢、锌、铝、铜) , 统一制成板状和丝状标准试件, 在全世界64个大气站(点) 进行为期10年的暴露试验, 测定各地大气污染的腐蚀性成分, 为制订国际大气腐蚀性分类标准提供依据。即ISO -CORRAG 计划, 大气腐蚀暴露试验站(点) 中没有包括中国大陆(有中国的台北和高雄) 。
1979年, 联合国欧洲经济组织通过了一项有关超国界空气污染检测的协定, 从1985年开始, 欧洲、北美16个国家联合, 采用四类常用材料(结构金属、建筑石料、有机涂层、电接
图1 工况环境适应性评估技术三级评估流程
利用与一级水平相同的检测数据, 但在比一级保守性要小的判据下进行且评估过程要复杂一些, 这级评估需要厂级或公司级工程师操作; 三级是最高水平和最复杂的评估, 这级评估要利用保守性最小的判据, 并要利用最为详细的检测信息和设备服役数据, 整个过程完全建立在定量分析的基础上, 如应力计算采用有限元方法, 必须由公司级工程师会同FFS 技术专家在一同操作进行, 过程如图1所示
。
触材料共14种) 在39个大气试验站进行为期8年暴露试验, 进行大气污染物(S 、N 化合物及O 3等) 对常用材料大气腐蚀影响的研究, 为制订控制大气污染的政策和标准提供依据。
目前环境试验是材料自然环境适应性评估技术中最重要的一方面, 它包括自然环境试验和人工加速试验。六十年代开始, 由于军用和民用共同的需要, 环境试验打破了以人工加速试验为主的格局, 形成了自然环境试验和人工加速试验双向发展的格局。七十年代, 环境试验进入成长期, 新方法、新标准、新设备大量出现, 并与研究相结合, 形成了现代环境试验技术。八十至九十年代, 环境试验向高技术、多品种、多样化发展。并与其他多种技术相结合, 开始孕育材料自然环境适应性评估技术[11]。
随着科学技术的迅速发展, 经济的快速增长和社会的不断进步, 材料与制品的环境腐蚀问题对科技进步、社会经济发展和人民生命财产安全的重要影响已逐渐为人们所认识, 并得到科技界和各国政府的普遍关注。主要体现在两个方面:第一, 世界工业发达国家已相继建立了各种防腐蚀立法, 使重大工程设计与建设服从于防腐蚀立法; 第二, 国际上先
世界科技研究与发展
FFS 规范的公布, 使FFS 方法论完全进入到工程应用时代, 为现场工程技术人员提供有力的设备安全管理的工具。FFS 规范提供了大量的应用实例, 并提供了较多的计算分析程序, 只要将数据输入就可以得到分析结果和查询所需要的数据, 操作方便, 这是与以往规范的区别之一。可以预见, 围绕石化设备的FFS 技术, 将进行更多的基础性研究, 如判断标准、应力分析、力学计算和材料分析等, 并将进一步拓宽应用范围, 为更多的厂家和工业行业所接受, 并对其进一步进行发展和完善。
三、自然环境适应性评估技术
材料自然环境适应性评估技术指材料或制品在大气、土壤和海水等自然环境中服役产生缺陷后, 带缺陷材料或制品剩余承载能力或剩余寿命、缺陷尺寸和材料性能等常数之间关系。其技术流程如图2所示, 把各类材料按国际与国家标准制备成试件, 在试验站进行长期的现场试验, 应用多种技术手段, 对环境因素和试件材料在环境作用下发生的变化进行
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后出现了材料环境腐蚀试验研究中心, 进行长期的材料腐蚀数据积累、数据库及数据中心建设与规律性研究。工业发达国家环境腐蚀数据的积累工作起步早、规模大, 美国ATLAS 公司的两大暴晒场—佛罗里达暴晒场和亚利桑那暴晒场分别始建于1931年和1948年, 日本气候环境试验中心和欧洲以瑞典腐蚀研究所为首的环境腐蚀试验中心也已有30多年的历史。这些暴晒场不仅占地面积大、试验设备齐全、测试技术先进, 而且配备有室内模拟各种自然环境的加速腐蚀试验设备。这些材料环境腐蚀试验基地的建立, 都是基于认识
到世界各国每年生产有大量工业材料及制品, 在使用环境中受自然和人为因素的影响, 质量功能降低、使用寿命缩短、损耗率增加。因此, 要把握材料及制品的时效变化而带来的耐候性、耐蚀试验及数据积累工作显得十分重要且不可缺少。材料环境腐蚀数据库的建设与发展完全是为了服务于社会、适应国家建设发展的需要。市场竞争、产品质量要求的提高推动了环境腐蚀数据工作的发展, 而环境腐蚀数据积累和试验研究的进步, 又促进了材料、产品质量的提高, 使之更好地服务于经济
。
图2 材料自然环境适应性评估技术流程
国际上材料环境腐蚀试验研究工作的发展趋势是:1、试验环境全球化:例如, 为了开拓市场产品, ATLAS 公司除了在美国的两大暴晒场—佛罗里达暴晒场和亚利桑那暴晒场以外, 在全球其它8个国家还设立了11个特殊环境的暴晒场。2、试验方法标准化:为了提高材料耐蚀性和耐老化性能, 以23卷4期及环境腐蚀性的可比性, 以积累材料腐蚀数据为主要目的的试验研究工作从暴露方法到检测手段都采用统一规范、统一标准。3、试验服务市场化:世界各国的环境腐蚀数据中心服务于社会, 也得益于社会。4、材料自然环境适应性评估技术开始形成:材料环境腐蚀数据中心在大量数据积累和数据库
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法标准化、建立适应性评估技术方向发展, 已经势在必行。
综上所述, 从国际和国内的环境试验发展趋势看, 环境试验技术正在向环境适应性评估技术方向发展, 环境试验技术本身的发展以及与其他多种学科协同、渗透和交叉, 正在形成材料环境适应性评估技术。 四、结论
1. 由于工程应用的需要, 材料工况环境适应性评估技术很快由方法论进入工程应用时代。FFS 技术工作程序已经建立。其发展趋势是进一步加强与其相关的基础研究以完善判据, 同时要发展基础数据库和应力分析测试方法, 进一步完善缺陷检测方法和扩大应用范围。
2. 从国际和国内的环境试验发展趋势看, 环境试验技术正在向环境适应性评估技术方向发展, 环境试验技术本身的发展以及与其他多种学科协同、渗透和交叉, 正在形成材料环境适应性评估技术。
3. 与国外相比, 我国这方面的工作有一定的差距。应该发展有我国特色的FFS 技术。
致谢:感谢AMOCO 石油公司的Dr . W . R . Warke , Dr . Jim Ibarra , Dr . Chen Min 为本文提供的有关文献。
建设的基础上, 逐步向预测预防和快速评价的方向发展。根据数据的规律性建立模型, 进行预测预防; 根据材料性能与环境因素的相关性建立加速腐蚀试验方法, 已成为材料环境腐蚀数据中心直接推广应用的两个主要方面。
2. 国内材料自然环境适应性评估技术的发展
我国材料自然环境腐蚀试验研究工作开始于二十世纪五十年代[12], 由国家科委组织, 中国科学院及有关工业部门参加, 作为国家第二个五年计划期间的重要科技任务之一列入计划。1958年分别建立了全国大气、海水、土壤腐蚀试验网站, 1959年组织有关企业提供材料, 制备试件、投入试验。六十年代中期至七十年代试验中断。1980年后在国家科委和国家自然科学基金委员会的共同组织和十一部门的联合资助下, 通过“六五”到“九五”的共同努力, 进行了大量工作:在全国范围内恢复和建立了36个大气、海水、土壤腐蚀试验站。初步建成了“全国材料环境腐蚀试验网站”; “六五”期间投入腐蚀试验六大类(黑色金属、有色金属、混凝土、高分子材料、保护层、电缆光缆) 353种, 九万多个试件, 通过4个周期的试验, 现已积累材料大气、海水腐蚀8～16年数据; 中碱性土壤腐蚀30～35年的腐蚀数据和自然环境因素测定数据40多万个; 建立材料环境腐蚀数据库和子库共20个, 其中的主体数据库共9个, 分别由科学院和原机械部、航空部、石油部和冶金部等所属单位承担。数据已在国家建设中获得应用(如三峡水利枢纽建设工程) , 获得了显著的社会效益和经济效益; 研究总结了投入试验的各类材料在不同自然环境中的耐蚀特性与腐蚀规律, 为我国材料自然环境腐蚀科学的建立与发展作出了贡献; 经过多年来的合作研究, 培养与建立了一支由250多位科技人员组成的从事材料自然环境腐蚀试验研究的科技骨干队伍, 他们来自全国各地20多个研究单位, 多年来在十分困难的条件下, 坚持长期的材料腐蚀基础数据积累和基础性试验研究工作。
我国“材料腐蚀数据积累工作”的特点一是国家统一组织, 有关工业部门联合支持, 试验工作按统一计划进行; 二是建网历史较长(40年) , 试验范围较广、规模较大(目前世界上包括大气、海水、土壤三类自然环境的腐蚀试验网站还没有) ; 三是试验与研究结合比较好, 既积累数据, 满足国家建设需要, 又推动了学科发展。美国、俄罗斯、瑞典国家等学者认为:“这么大范围的系统试验只有你们国家能做到。”
经过“六五”至“九五”长期积累的大量的基础数据, 经过加工和总结, 逐步以专题研究报告、科技学术论文、数据资料汇编、试验方法标准、计算机数据库系统、以及数据应用软件等多种形式体现出来。目前, 已积累的数据和阶段试验研究成果在国家重大工程防腐设计与选材、防腐规范与标准制订、企业材料生产工艺的改进、产品质量的提高、以及新材料的研究开发等方面发挥了作用。向数据资料网络化、试验方
参考文献
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世界科技研究与发展
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作者简介
李晓刚(LI X iaogang , 1963. 10～) , 男, 1984年7月毕业于武汉科技大学冶金系金属材料专业, 获工学学士学位。1987年4月毕业于西北工业大学材料科学与工程系, 获工学硕士学位。1987年10月在中国科学院金属腐蚀与防护研究所获工学博士学位, 之后进入中国科学院金属研究所博士后流动站工作。现为北京科技大学材料科学与工程学院副院长、腐蚀与防护中心教授、博士生导师。曾三次到美国、一次到日本进行合作科研。长期从事有关高温高压氢腐蚀、石油化工腐蚀与防护、环境腐蚀、安全评定与剩余寿命评估、红外热像无损检测及其专家系统等方面的科研工作, 共计发表论文70多篇, 承担并主持国家开放实验室、国际合作(与美国AMO CO 石油公司合作项目2项, 欧共体尤里卡合作项目1项) 、中国石油化工集团公司、国家自然科学基金(99年) 、辽宁省科委、973项目和厂、矿、企业、公司项目五十多项, 以上的研究成果已经应用于国内外多家企业和公司, 产生了较大的影响和效益。
(责任编辑:房俊民)
国外新闻
从巴黎航展看世界航空业发展趋势
一种必要趋势。有专家认为, 无人驾驶飞机除能进行远距离遥控侦察, 今后还可能具备地面攻击和发射导弹的能力。此外, 在商业空运领域引进无人驾驶飞机也已形成趋势, 目前航空界的大公司均已着手进行这种飞机的研制。
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航展主办者说, 大量应用机器人是航空工业发展的需要, 也是大势所趋。他们指出, 在航空领域, 一提起机器人人们往往只想到无人驾驶, 其实引进机器人还涉及智能化机器和飞机制造等各个方面, 这都需要其他相关行业的支持, 这也正是他们首创这个厅的目的所在。(新华社供本刊稿)
两年一度的巴黎航展被公认为是世界上规模最大、展示最新技术的航空航天盛会, 已成为世界航空技术发展的“风向标”。今年6月在巴黎东北郊的小镇布尔歇开幕的第44届巴黎国际航空航天展览会吸引了来自世界43个国家1805个航空航天企业和相关企业, 他们带来了各自的最新技术和242架最具代表性的飞行器。航展总监埃德蒙·马什盖及其他航空界专家指出, 本届巴黎航展揭示了世界航空发展的三大趋势:无人驾驶、超大运力和广泛引进机器人。
在本届航展露面的飞行器中, 最引人注目的就是美国“全球鹰”无人驾驶侦察机和欧洲正在建造的“空中客车A380”民用客机, 它们代表了上述三大趋势中的前两个趋势。
首次在大型航展上公开亮相的“全球鹰”是美国诺斯罗普公司最新研制的军用侦察机, 这种侦察机被认为是当今世界最先进的无人驾驶飞机。它翼展35米, 一次自主飞行时间可达41小时, 起飞和降落完全在电脑和卫星导航系统的指引下独立完成。与其他侦察机比, “全球鹰”体积大, 这能使它携带更多的侦察设备和燃料; 飞行距离远使它能够跨越大洋; 侦察能力强使它能全天候地执行侦察任务。
在空中侦察中, 无人驾驶的优越性显而易见, 它可以避免伤亡, 也不必安装任何与飞行员有关的设备, 从而可以腾出空间和重量携带更多的侦察设备和燃料。因此, 以“全球鹰”为代表的无人驾驶侦察机, 已经成为军事侦察机发展的
23卷4期
DOI :10. 16507/j . issn . 1006-6055. 2001. 04. 004
科技前沿与学术评论
材料环境适应性评估技术
及其进展
教授、博导 李晓刚
(北京科技大学材料科学与工程学院, 北京100083)
摘 要:综述了材料环境适应性评估技术的发展过程和技术体系。指出应该发展中国特色的材料适应性评估技术。
关键词:材料 环境 适应性 评估
The Development of Environment Fitness -For -Service Technology for Materials
Professor LI Xiaogang
(University of Science and Technology of Beijing , Beijing 100083)
A bstract :The de velopment and system of Environment Fitness -For -Se rvice Technology for materials are sum marized . It is pointe d out that the Chinese Environment Fitness -For -Se rvice Technology for materials should be establishe d . Key words :material , environment , Fitness -For -Servic e , e valuation
一、前言
材料一般都在大气、土壤和水等环境介质或自然介质中使用, 即工况环境和自然环境。材料在与环境介质的交互作用过程中, 发生能量或物质交换而失效, 如金属材料的腐蚀, 高分子材料的老化等。材料适应性评估技术(Fitness -For -Service Technology 简称FFS 技术) 是对含体缺陷或面缺陷的带压材料继续运行的安全性进行定量工程评定的技术。其中对金属材料, 体缺陷一般为:全面腐蚀、局部腐蚀或冲蚀、复杂磨损区、点蚀、氢鼓包和夹杂物缺陷; 面缺陷为:硫化物应力开裂、氢致开裂、应力腐蚀、焊接热影响区开裂、过烧结、未焊透和腐蚀疲劳等。这是近几年发展、完善, 并被广泛接受而形成规范标准的一项新技术[1～4]。
从理论上讲, FFS 技术是研究带缺陷材料剩余承载能力、缺陷尺寸和材料性能常数之间关系的技术, 即在已知其中任23卷4期何两项的情况下, 如何计算确定另外一项的极值。从实际生产上讲, 设备在运行中由于载荷、热应力、腐蚀或材质劣化产生了缺陷, 如何对待这些缺陷, 是修理, 更换, 停工还是继续运行? 例如, 最近国内数家炼油厂由于炼制高硫原油, 催化装置三旋上部外壁产生了多条裂纹, 大部分厂家是在未停工的情况下对裂纹进行了简单的处理, 有的厂家甚至未做任何处理继续运行, 这些设备是否安全? 能运行到什么时候? 都是厂家十分关心且经常出现的问题。又如, 材料在大气、海水和土壤等自然环境下使用时, 将可能发生严重的腐蚀失效或老化, 材料在腐蚀失效或老化后, 能否安全使用? 其剩余使用寿命有多长? 这正是FFS 技术所要解决的问题。
由此可见, 材料环境适应性是衡量材料质量的重要属性。根据材料所处环境, 可以将材料环境适应性分为工况环境适应性和自然环境适应性。从发展过程和特点看, 以上两方面各自相对独立, 但在方法论上却又是非常相似的, 发展
科技前沿与学术评论
范。
1984年美国合成氨塔的爆炸, 促进了FFS 技术的发展, 特别促进了更加有效和灵敏的在线检测手段和方法的完善, 如超声、磁粉和射线等方法的广泛运用, 这样, 就能更加有效地发现服役中产生的各种缺陷或环境敏感断裂, 使得原来未知的一些问题变得突出了, 如检测发现腐蚀, 特别是点蚀速度已经超过了腐蚀速度, 甚至于有的局部壁厚减小到最小设计壁厚以下, 这使得对设备继续服役的安全问题变得更加重要。由于没有现成的处理方法和规范, 越来越多的石油公司开始发展FFS 技术, 以确定缺陷是否需要维修。这促进了FFS 技术的产生。
从断裂力学在石化设备安全评定中的开始应用到1990年, 是FFS 技术的孕育期。在这漫长的时期里, 虽然没有成熟的FFS 的方法和规范, 但建立了在断裂力学基础上锅炉与压力容器、管道B31·3的制造缺陷评定规范。人们在FFS 的工作中逐渐认识到, 要建立完善的FFS 技术, 首先必须建立完善的在线检测规范和方法、材料性能劣化数据库和强大的力学分析工具, 这将是一个复杂而庞大的系统工程。
2. 工况环境适应性评估技术的方法论
到90年代初, 在认识到建立FFS 技术的重要性和必要性后, 开始致力于发展这种技术。但鉴于这种技术的复杂性, 人们首先从方法论的角度对它进行了广泛的研究。从1990年开始, 美国材料委员会MPC (Materials Properties Coun -cil ) 在国际范围内分别组织了两方面队伍, 即原子能工业材料方面和石油工业方面, 发展适应性评估技术。在石油工业方面, 在国际范围内组织了25家大石油、石化和相关公司, 每年进行两次会议, 讨论建立FFS 的方法论。这一工作计划称为MPC -FFS 工作计划, 目的在于建立完善的FFS 方法论, 构筑FFS 技术的构架, 包括对体缺陷和面缺陷的评定与计算, 相关体测方法与规范, 石化环境下材料性能库和力学分析等技术的发展和相关计算机程序的发展, 并在方法论的发展过程中加强在各企业中的应用, 以对其有效性进行评估。一旦其有效性得到充分确认, 就提交给美国石油学会(API ) 建立相关的工程规范[8～10]。
在这一时期, 有关材料缺陷在线检测方法和规范发展很快。在美国, 有关这方面的规范有, 锅炉和压力容器检测的国标ANSI -NB -23; 压力容器检测的石油学会标准API510; 气体储罐检测的石油学会标准API630和管线检测的石油学会标准API570。在这些标准中, FFS 方法完全建立在经验之上, 尚未形成方法论, 其应用范围有限, 还不能给所有的典型缺陷提供指导准则。ASME 第六章提供了原子能设备的线安全评定技术, 由于服役环境的不同, 虽然这一标准不能用于石化工业, 但可以作为一个良好的借鉴, 标志着材料环境适应性评估方法论的初步形成。另一方面, 发表的大量有关面缺陷和体缺陷研究的文章以及计算机技术的发展, 也为FFS 方法论的形成, 提供了良好的支持。
从1990年到1996年10月API 有关FFS 标准API579公
世界科技研究与发展
过程非常相似。材料工况环境适应性评估技术目前侧重于带压工程设备, 而材料自然环境适应性评估技术侧重于材料或制品在自然环境中产生缺陷后, 带缺陷材料剩余承载能力或剩余寿命、缺陷尺寸和材料性能常数之间关系。本文拟对其发展过程和内容进行简单的综述, 并试图给出其发展方向和我们需要做的工作。
二、材料工况环境适应性评估技术
工况环境适应性评估技术发展分如下三个阶段:一、孕育期。从断裂力学的诞生到1990年, 即方法论的形成过程。二、生长期。从1990年到1996年10月有关FFS 技术规范的制定, 即实际技术的形成过程。三、发展应用期。从1996年10月至今。而自然环境适应性评估也正在进行着以上过程, 逐步发展成熟起来。
1. 工况环境适应性评估技术的孕育期
数十年来, 断裂力学的发展, 为工业界提供了除强度设计思想和评定方法以外的断裂韧性设计思想和缺陷评定方法。例如, 在美国, 对带压材料, 多数是按建立在断裂力学基础上的ASME 锅炉与压力容器第八章和AS M E 化工与炼油厂管道ANSIB -B31·3(美国国标) 的规定, 必须用无损检测的结果对制造过程中的焊接缺陷进行评定后, 设备方可投用。在日本、英国都有相应的规范。我国工业中的压力容器、管线和储罐也都有类似的标准规范, 如GB150
[5～7]
。
断裂力学的发展, 不仅为含缺陷的带压材料服役提供了验收和检验标准, 也为设备在服役过程中产生的各类缺陷提供了理论分析工具。这方面的工作主要由以下几方面组成:第一, 正确地获得服役中产生缺陷的大小、形状和分布; 第二, 用断裂力学理论分析, 给出含不同缺陷的不同设备的应力强度因子表达式; 第三, 得到经一定时间使用后该材料性能的变化, 特别是断裂韧性值; 第四, 正确地确定设备, 特别是缺陷处所受的应力水平。这一时期, 以上几个方面的工作显得过于简单, 材料的机械性能值往往只是近似, 缺陷的在线检测技术不完善, 应力分析水平不高。因此, 工程中对缺陷的评定方法和处理方法并未结合起来。一旦发现缺陷或局部减薄, 通用的对缺陷的处理方法是, 消除缺陷、补焊或整体更换设备的某一部分, 但从机械和力学的完整性来看, 这往往不是最佳的处理办法, 甚至出现越焊越裂的情况, 美国几家石油公司投巨资对加氢反应器产生的缺陷进行修理时就得出了这样的结果。同时也得出了这样的结论, 即对某些尺寸较小的缺陷, 可以不经任何处理继续运行。工程中其他许多类似设备的运行, 也得出了相同的经验。这一经验与断裂力学的理论分析是一致的。在这一时期, 国内的一些科研单位、高校和石化企业合作, 在这方面也做了一些工作, 其工作过程为:从服役的设备上截取材料或模拟服役材料, 进行机械性能和断裂韧性以及疲劳裂纹扩展测试, 然后在假设裂纹的情况下, 用断裂力学的方法进行安全评定和剩余寿命评估, 这种方法过于简单且也没有形成固定的工作程序和规
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布的这一期间, MPC 组织的每年两次的有关FFS 方法论的学术讨论会建立了完善的石化设备FFS 方法论, 该方法论包括以下七个方面:
(1) 检测:1993年, MPC -FFS 计划工作组接纳了无损检测专家参加, 从事以下两方面的研究与实际工作, 第一, 体缺陷、面缺陷尺寸和形状确定, 不仅需要发展石化设备表面缺陷、近表面缺陷尺寸和形状的精确检测与统计分析方法, 而且需要发展深埋缺陷的精确检测方法和技术, 如厚壁加氢反应器的内部缺陷, 这不仅应该制定一系列完善的石化设备出厂缺陷检验标准, 更重要的是发展服役缺陷检验与评定标准; 第二, 使现有的声发射、超声波和磁粉等无损检测方法更加完善地应用于石化工业设备的无损检测中。工作小组的主要工作首先集中在氢引起的各种损伤上, 因为氢引起的各种缺陷的检测、评定与修复最具有挑战性。
(2) 材料性能:广泛收集整理有关石化在役设备材料断裂韧性和机械性能, 建立石化服役环境下材料性能数据库, 重点是建立高温性能数据库和断裂韧性数据库。
(3) 应力分析:主要目的是提供缺陷区域所受的准确应力。即缺陷区域的应力计算, 获得包括复杂形状在内的应力强度因子表达式, 用有限元的方法对断裂过程进行分析。MPC -FFS 计划中应力分析最活跃的领域是, 局部减薄区域的应力分析、极限载荷分析和残余应力分析。
应力分析是MPC -FFS 计划的难点所在, 其中有关局部减薄区域的应力分析是发展针对由腐蚀、氢鼓包或表面损伤引起的各种局部减薄缺陷的分析方法, MPC -FFS 工作小组对比了ASME 标准第六章、英国标准PD6493和AS M E B31G 等, 并用了两台带有大量局部缺陷的压力容器做试验, 发展了局部减薄区域的应力分析方法。有关极限载荷分析是建立在压力和应变测量基础上的, 通过测量剩余强度因子, MPC -FFS 工作小组发展了一系列决定面缺陷和体缺陷极限载荷的方法。有关残余应力的分析, 由于石化设备多含焊接接头, 一开始, MPC -FFS 工作小组就意识到这是个重要问题。FFS 是采用标准PD6493处理这一问题的。另外, 在爱第生焊接研究所(EWI ) 开展了有关石化压力容器和管线残余应力分布的研究课题, 目的是搞清残余应力分布与设备形状、焊头形状、焊接工艺之间的关系。同时还对焊接接头进行了有限元分析。
(4) 失效分析:综合以上各步骤, 确定失效原因。(5) 环境交互作用评价:主要工作为失效模型的建立。大部分石化设备的失效都是与环境交互作用的结果, 其中包括腐蚀、应力腐蚀各种氢致开裂和材料损伤。完整的FFS 方法需要搞清在服役条件下损伤的原因, 以便为决定是否继续服役或阻止损伤进一步发生。MPC -FFS 工作小组对石化设备的损伤方式进行了分类研究, 通过API571标准, 将石化设备的损伤方式分成70多种机制, 对每一种损伤机制, 建立了合金、服役条件和损伤极限之间的关系, 可以用于剩余寿命评估。API571标准是FFS 工作的基础之一。23卷4期(6) 安全系数:90年代初, MPC 建立了计算面缺陷安全系数的方法。该方法含在一个名为PRE FIS 的计算机程序中, 向程序中输入以下变量中的任意五个, 就可以计算出安全系数:(1) 主应力; (2) 次应力; (3) 温度; (4) 韧脆转变温度; (5) 断裂韧性; (6) 基体金属性能; (7) 焊头性能; (8) 缺陷尺寸。结合以下计算结果, 利用FAD 图就可以给出安全系数。较高版本的PRE FIS 程序利用了统计分析方法对以上变量进行了分析。其后各公司都有自己的计算方法, MPC -FFS 工作小组的任务是寻找通用的计算方法。
(7) 有效性:90年代初, 发表了大量文献以证明FFS 方法论的有效性。主要集中在以下两方面:一、对含缺陷的压力容器进行爆破实验; 二、用文献中的失效事例和现有标准进行论证。以上七方面的工作是FFS 方法论的主要组成部分, 其中大部分工作在90年代初已经编制成了计算机程序并广泛地用于了各石油公司, 为现场的工程师提供了有力的工具, 产生了良好的经济效益。
3. 工况环境适应性评估技术的发展应用
如上所述, 90年代初, FFS 方法论逐渐成熟, 为FFS 技术的应用打下良好的基础。1996年10月, API 公布了建立在FFS 方法论基础上的API579标准, 推荐应用FFS 技术, 使FFS 技术进入被广泛接受的应用时期。
API579共分为十二章, 第一章为背景介绍, 主要是对该规范的发展背景、应用范围、机构与应用、职责、应用范围和术语进行了综述。第二章为FFS 技术工程评价过程。第三章为脆性断裂设备的评估方法与过程。第四章为总体金属减薄设备的评估方法与过程。第五章为带局部减薄设备的评估方法与过程。第六章为带点蚀设备的评估方法与过程。第七章为带鼓包和发纹设备的评估方法与过程。第八章为带沟槽状缺陷(体缺陷) 设备的评估方法与过程。第九章为带裂纹(面缺陷) 设备的评估方法与过程。第十章为带焊接缺陷或壳体形变设备的评估方法与过程。第十一章为高温损伤设备的评估方法与过程。第十二章为蠕变损伤设备的评估方法与过程(尚无具体内容, 正在发展中) 。
无论是脆性断裂、均匀腐蚀减薄、局部腐蚀减薄、点蚀、鼓包、体缺陷、面缺陷, 还是对焊接缺陷、高温损伤和蠕变损伤, FFS 的评价过程都是相同的:首先在总论部分, 对已经产生的缺陷特性和服役条件进行定义和分类; 第二步是对其可应用性和范围进行定义, 确定评估所需的理论工具; 第三步是寻求评估过程需要的数据, 包括原始设计数据、管理和服役历史数据、FFS 评估过程数据、检测方式及相关数据、评价方法和可接受的评价标准。第四步是剩余寿命评估。一旦通过检测获得缺陷的具体数据, 就应该进行剩余寿命评估。FFS 技术并非倾向于试图给出精确的剩余寿命, 而是用计算所得的剩余寿命值来建立适当的检测方案、在线监测制度及维修决策。FFS 技术给出了建立在三种水平上的三级剩余寿命评估方法:一级是倾向于用最少的检测和设备数据在较为保守的判据下进行, 可以由检测人员和现场工程操作; 二级
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长期的观察与检测或进行室内模拟实验; 同时按不同材料的不同试验周期定期取样, 进行测试分析, 获取原始性数据(即环境腐蚀性的评估数据和材料在环境中的腐蚀率数据) ; 通过数据评价, 数据处理和综合分析, 获得不同材料在不同自然环境中的腐蚀规律, 在此基础上, 建立剩余承载能力或剩余寿命、缺陷尺寸和材料性能常数之间关系。其技术体系包括自然环境实验、室内外加速实验、失效机理研究、检测技术、评估模型建立, 材料性能常数数据库和有效性能等几个方面。目前的重点在自然环境实验、室内外加速实验、失效机理研究和检测技术等方面。因此, 从总体上看, 材料自然环境适应性评估技术的发展落后于工况环境适应性评估技术。
1. 国外材料自然适应性评估技术的发展
工业发达国家十分重视本领域的基础数据积累工作, 早在上世纪初, 美国通过材料在本国自然环境中的长期暴露试验(大气25～35年、海水20～25年、土壤40～45年) 的系统研究, 积累了大量的腐蚀数据, 为工程防腐设计、发展各种耐蚀材料、延长设备和工程的使用寿命, 为制订材料防护的规范和标准提供科学依据。
由于工业发展带来环境污染, 引起各工业国家的关注。1986年国际标准化组织(ISO ) 发起并组织了一个多国联合行动, 采用4种金属材料(低碳钢、锌、铝、铜) , 统一制成板状和丝状标准试件, 在全世界64个大气站(点) 进行为期10年的暴露试验, 测定各地大气污染的腐蚀性成分, 为制订国际大气腐蚀性分类标准提供依据。即ISO -CORRAG 计划, 大气腐蚀暴露试验站(点) 中没有包括中国大陆(有中国的台北和高雄) 。
1979年, 联合国欧洲经济组织通过了一项有关超国界空气污染检测的协定, 从1985年开始, 欧洲、北美16个国家联合, 采用四类常用材料(结构金属、建筑石料、有机涂层、电接
图1 工况环境适应性评估技术三级评估流程
利用与一级水平相同的检测数据, 但在比一级保守性要小的判据下进行且评估过程要复杂一些, 这级评估需要厂级或公司级工程师操作; 三级是最高水平和最复杂的评估, 这级评估要利用保守性最小的判据, 并要利用最为详细的检测信息和设备服役数据, 整个过程完全建立在定量分析的基础上, 如应力计算采用有限元方法, 必须由公司级工程师会同FFS 技术专家在一同操作进行, 过程如图1所示
。
触材料共14种) 在39个大气试验站进行为期8年暴露试验, 进行大气污染物(S 、N 化合物及O 3等) 对常用材料大气腐蚀影响的研究, 为制订控制大气污染的政策和标准提供依据。
目前环境试验是材料自然环境适应性评估技术中最重要的一方面, 它包括自然环境试验和人工加速试验。六十年代开始, 由于军用和民用共同的需要, 环境试验打破了以人工加速试验为主的格局, 形成了自然环境试验和人工加速试验双向发展的格局。七十年代, 环境试验进入成长期, 新方法、新标准、新设备大量出现, 并与研究相结合, 形成了现代环境试验技术。八十至九十年代, 环境试验向高技术、多品种、多样化发展。并与其他多种技术相结合, 开始孕育材料自然环境适应性评估技术[11]。
随着科学技术的迅速发展, 经济的快速增长和社会的不断进步, 材料与制品的环境腐蚀问题对科技进步、社会经济发展和人民生命财产安全的重要影响已逐渐为人们所认识, 并得到科技界和各国政府的普遍关注。主要体现在两个方面:第一, 世界工业发达国家已相继建立了各种防腐蚀立法, 使重大工程设计与建设服从于防腐蚀立法; 第二, 国际上先
世界科技研究与发展
FFS 规范的公布, 使FFS 方法论完全进入到工程应用时代, 为现场工程技术人员提供有力的设备安全管理的工具。FFS 规范提供了大量的应用实例, 并提供了较多的计算分析程序, 只要将数据输入就可以得到分析结果和查询所需要的数据, 操作方便, 这是与以往规范的区别之一。可以预见, 围绕石化设备的FFS 技术, 将进行更多的基础性研究, 如判断标准、应力分析、力学计算和材料分析等, 并将进一步拓宽应用范围, 为更多的厂家和工业行业所接受, 并对其进一步进行发展和完善。
三、自然环境适应性评估技术
材料自然环境适应性评估技术指材料或制品在大气、土壤和海水等自然环境中服役产生缺陷后, 带缺陷材料或制品剩余承载能力或剩余寿命、缺陷尺寸和材料性能等常数之间关系。其技术流程如图2所示, 把各类材料按国际与国家标准制备成试件, 在试验站进行长期的现场试验, 应用多种技术手段, 对环境因素和试件材料在环境作用下发生的变化进行
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后出现了材料环境腐蚀试验研究中心, 进行长期的材料腐蚀数据积累、数据库及数据中心建设与规律性研究。工业发达国家环境腐蚀数据的积累工作起步早、规模大, 美国ATLAS 公司的两大暴晒场—佛罗里达暴晒场和亚利桑那暴晒场分别始建于1931年和1948年, 日本气候环境试验中心和欧洲以瑞典腐蚀研究所为首的环境腐蚀试验中心也已有30多年的历史。这些暴晒场不仅占地面积大、试验设备齐全、测试技术先进, 而且配备有室内模拟各种自然环境的加速腐蚀试验设备。这些材料环境腐蚀试验基地的建立, 都是基于认识
到世界各国每年生产有大量工业材料及制品, 在使用环境中受自然和人为因素的影响, 质量功能降低、使用寿命缩短、损耗率增加。因此, 要把握材料及制品的时效变化而带来的耐候性、耐蚀试验及数据积累工作显得十分重要且不可缺少。材料环境腐蚀数据库的建设与发展完全是为了服务于社会、适应国家建设发展的需要。市场竞争、产品质量要求的提高推动了环境腐蚀数据工作的发展, 而环境腐蚀数据积累和试验研究的进步, 又促进了材料、产品质量的提高, 使之更好地服务于经济
。
图2 材料自然环境适应性评估技术流程
国际上材料环境腐蚀试验研究工作的发展趋势是:1、试验环境全球化:例如, 为了开拓市场产品, ATLAS 公司除了在美国的两大暴晒场—佛罗里达暴晒场和亚利桑那暴晒场以外, 在全球其它8个国家还设立了11个特殊环境的暴晒场。2、试验方法标准化:为了提高材料耐蚀性和耐老化性能, 以23卷4期及环境腐蚀性的可比性, 以积累材料腐蚀数据为主要目的的试验研究工作从暴露方法到检测手段都采用统一规范、统一标准。3、试验服务市场化:世界各国的环境腐蚀数据中心服务于社会, 也得益于社会。4、材料自然环境适应性评估技术开始形成:材料环境腐蚀数据中心在大量数据积累和数据库
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法标准化、建立适应性评估技术方向发展, 已经势在必行。
综上所述, 从国际和国内的环境试验发展趋势看, 环境试验技术正在向环境适应性评估技术方向发展, 环境试验技术本身的发展以及与其他多种学科协同、渗透和交叉, 正在形成材料环境适应性评估技术。 四、结论
1. 由于工程应用的需要, 材料工况环境适应性评估技术很快由方法论进入工程应用时代。FFS 技术工作程序已经建立。其发展趋势是进一步加强与其相关的基础研究以完善判据, 同时要发展基础数据库和应力分析测试方法, 进一步完善缺陷检测方法和扩大应用范围。
2. 从国际和国内的环境试验发展趋势看, 环境试验技术正在向环境适应性评估技术方向发展, 环境试验技术本身的发展以及与其他多种学科协同、渗透和交叉, 正在形成材料环境适应性评估技术。
3. 与国外相比, 我国这方面的工作有一定的差距。应该发展有我国特色的FFS 技术。
致谢:感谢AMOCO 石油公司的Dr . W . R . Warke , Dr . Jim Ibarra , Dr . Chen Min 为本文提供的有关文献。
建设的基础上, 逐步向预测预防和快速评价的方向发展。根据数据的规律性建立模型, 进行预测预防; 根据材料性能与环境因素的相关性建立加速腐蚀试验方法, 已成为材料环境腐蚀数据中心直接推广应用的两个主要方面。
2. 国内材料自然环境适应性评估技术的发展
我国材料自然环境腐蚀试验研究工作开始于二十世纪五十年代[12], 由国家科委组织, 中国科学院及有关工业部门参加, 作为国家第二个五年计划期间的重要科技任务之一列入计划。1958年分别建立了全国大气、海水、土壤腐蚀试验网站, 1959年组织有关企业提供材料, 制备试件、投入试验。六十年代中期至七十年代试验中断。1980年后在国家科委和国家自然科学基金委员会的共同组织和十一部门的联合资助下, 通过“六五”到“九五”的共同努力, 进行了大量工作:在全国范围内恢复和建立了36个大气、海水、土壤腐蚀试验站。初步建成了“全国材料环境腐蚀试验网站”; “六五”期间投入腐蚀试验六大类(黑色金属、有色金属、混凝土、高分子材料、保护层、电缆光缆) 353种, 九万多个试件, 通过4个周期的试验, 现已积累材料大气、海水腐蚀8～16年数据; 中碱性土壤腐蚀30～35年的腐蚀数据和自然环境因素测定数据40多万个; 建立材料环境腐蚀数据库和子库共20个, 其中的主体数据库共9个, 分别由科学院和原机械部、航空部、石油部和冶金部等所属单位承担。数据已在国家建设中获得应用(如三峡水利枢纽建设工程) , 获得了显著的社会效益和经济效益; 研究总结了投入试验的各类材料在不同自然环境中的耐蚀特性与腐蚀规律, 为我国材料自然环境腐蚀科学的建立与发展作出了贡献; 经过多年来的合作研究, 培养与建立了一支由250多位科技人员组成的从事材料自然环境腐蚀试验研究的科技骨干队伍, 他们来自全国各地20多个研究单位, 多年来在十分困难的条件下, 坚持长期的材料腐蚀基础数据积累和基础性试验研究工作。
我国“材料腐蚀数据积累工作”的特点一是国家统一组织, 有关工业部门联合支持, 试验工作按统一计划进行; 二是建网历史较长(40年) , 试验范围较广、规模较大(目前世界上包括大气、海水、土壤三类自然环境的腐蚀试验网站还没有) ; 三是试验与研究结合比较好, 既积累数据, 满足国家建设需要, 又推动了学科发展。美国、俄罗斯、瑞典国家等学者认为:“这么大范围的系统试验只有你们国家能做到。”
经过“六五”至“九五”长期积累的大量的基础数据, 经过加工和总结, 逐步以专题研究报告、科技学术论文、数据资料汇编、试验方法标准、计算机数据库系统、以及数据应用软件等多种形式体现出来。目前, 已积累的数据和阶段试验研究成果在国家重大工程防腐设计与选材、防腐规范与标准制订、企业材料生产工艺的改进、产品质量的提高、以及新材料的研究开发等方面发挥了作用。向数据资料网络化、试验方
参考文献
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世界科技研究与发展
科技前沿与学术评论
作者简介
李晓刚(LI X iaogang , 1963. 10～) , 男, 1984年7月毕业于武汉科技大学冶金系金属材料专业, 获工学学士学位。1987年4月毕业于西北工业大学材料科学与工程系, 获工学硕士学位。1987年10月在中国科学院金属腐蚀与防护研究所获工学博士学位, 之后进入中国科学院金属研究所博士后流动站工作。现为北京科技大学材料科学与工程学院副院长、腐蚀与防护中心教授、博士生导师。曾三次到美国、一次到日本进行合作科研。长期从事有关高温高压氢腐蚀、石油化工腐蚀与防护、环境腐蚀、安全评定与剩余寿命评估、红外热像无损检测及其专家系统等方面的科研工作, 共计发表论文70多篇, 承担并主持国家开放实验室、国际合作(与美国AMO CO 石油公司合作项目2项, 欧共体尤里卡合作项目1项) 、中国石油化工集团公司、国家自然科学基金(99年) 、辽宁省科委、973项目和厂、矿、企业、公司项目五十多项, 以上的研究成果已经应用于国内外多家企业和公司, 产生了较大的影响和效益。
(责任编辑:房俊民)
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从巴黎航展看世界航空业发展趋势
一种必要趋势。有专家认为, 无人驾驶飞机除能进行远距离遥控侦察, 今后还可能具备地面攻击和发射导弹的能力。此外, 在商业空运领域引进无人驾驶飞机也已形成趋势, 目前航空界的大公司均已着手进行这种飞机的研制。
“空中客车A380”的特点是超大运力。它是欧洲航空防务与航天公司正在建造的民用客机, 其载客能力可达480至800人, 是目前世界上最大的民用运输客机。专家们表示, 此次巴黎航展虽然只展出了这种大型客机部分零部件的自然比例模型, 但它却代表着民用客机生产的发展趋势。据悉, 除了欧洲航空防务与航天公司之外, 英国和德国也正在研制超大型客机, 并有望于年内问世。航展主办者还将专门组织题为“大型运输机出现对航空工业影响”的研讨会, 讨论客机的超大型化是否有利于航空业的发展。
本届巴黎航展与往届相比, 最大的不同是多了一个通用技术厅, 参展单位不是航空航天企业, 而是电子、通信、材料等行业的企业, 其中最引人注目的就是各种机器人及相关技术。
航展主办者说, 大量应用机器人是航空工业发展的需要, 也是大势所趋。他们指出, 在航空领域, 一提起机器人人们往往只想到无人驾驶, 其实引进机器人还涉及智能化机器和飞机制造等各个方面, 这都需要其他相关行业的支持, 这也正是他们首创这个厅的目的所在。(新华社供本刊稿)
两年一度的巴黎航展被公认为是世界上规模最大、展示最新技术的航空航天盛会, 已成为世界航空技术发展的“风向标”。今年6月在巴黎东北郊的小镇布尔歇开幕的第44届巴黎国际航空航天展览会吸引了来自世界43个国家1805个航空航天企业和相关企业, 他们带来了各自的最新技术和242架最具代表性的飞行器。航展总监埃德蒙·马什盖及其他航空界专家指出, 本届巴黎航展揭示了世界航空发展的三大趋势:无人驾驶、超大运力和广泛引进机器人。
在本届航展露面的飞行器中, 最引人注目的就是美国“全球鹰”无人驾驶侦察机和欧洲正在建造的“空中客车A380”民用客机, 它们代表了上述三大趋势中的前两个趋势。
首次在大型航展上公开亮相的“全球鹰”是美国诺斯罗普公司最新研制的军用侦察机, 这种侦察机被认为是当今世界最先进的无人驾驶飞机。它翼展35米, 一次自主飞行时间可达41小时, 起飞和降落完全在电脑和卫星导航系统的指引下独立完成。与其他侦察机比, “全球鹰”体积大, 这能使它携带更多的侦察设备和燃料; 飞行距离远使它能够跨越大洋; 侦察能力强使它能全天候地执行侦察任务。
在空中侦察中, 无人驾驶的优越性显而易见, 它可以避免伤亡, 也不必安装任何与飞行员有关的设备, 从而可以腾出空间和重量携带更多的侦察设备和燃料。因此, 以“全球鹰”为代表的无人驾驶侦察机, 已经成为军事侦察机发展的
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