分享：全自动冲击试验机在液化天然气储罐用钢上的应用

  对比分析了目前市面上常见的推杆式全自动冲击试验机与智能机器人全自动冲击试验 机系统,总结了两种系统的优缺点。分别采取了手动式冲击试验机与推杆式全自动冲击试验机对液 化天然气储罐用高锰钢进行了一系列低温冲击试验,根据结果得出:两种试验机获得的冲击吸收功无明 显差异,但手动式冲击试验机测试结果的离散性较大。

  夏比冲击试验中测定的冲击吸收功缺乏明确的 物理意义,不能作为表征金属材料实际抵抗冲击载 荷能力的判据,但因试样的加工工艺简单,且试验时 间短,试验数据对材料的组织架构、缺陷等敏感,夏 比冲击试验成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛 的传统力学性能测试方法之一[1-2]。

  冲击试验主要以手动式为主,其操作的流程为:将 试样按顺序排列→放入低温装置中→设置低温装置 温度→降温、保温→利用对中钳将试样放置在冲击 试验机砧座上→手动控制试验机完成放锤冲击→记 录冲击试验结果。传统手动式冲击试验有以下几个 特点。

  (1)制冷方式多样化,不但可以采用物理法,还 能够使用机械法。前者选择乙醇、汽油、烷烃等有机 溶剂为低温介质,干冰、液氮等为冷却剂,冷却剂挥 发时吸收热量,进而达到冷却介质的效果,只要选择 合适的介质与冷却剂,就能够达到最低-140 ℃的 低温度的环境;后者一般都会采用无水乙醇为介质,利用压缩 机原理来制冷,该方法调节方便、制冷迅速、温度稳 定性好,但一般最低只能达到-80 ℃的低温环境。

  (2)试样数量灵活、尺寸规格多样化。手动式 冲击试验也存在一些问题:① 虽然人工操作便捷、 迅速,但实际操作中,不可避免地会发生人为因素导 致部分试样无法严格按照标准程序进行试验的问 题;② 从取出试样至完成冲击试验的整个过程中, 试验时间会有偏差,在一定程度上会影响试验结果 的稳定性;③ 对中钳放置在冲击支座间,两者会有 间隙,采用人工放置试样的方式进行对中不太精确;④ 人工记录试验结果时,无法完全避免登记错误。

  随着自动化、信息化、智能化技术的不断发展, 近十几年来,冲击试验方法发展很快,自动化冲击试 验机也越来越多地应用在钢厂、检测机构等领域。 笔者对目前市面上常见的两类自动化冲击试验机进 行了对 比,并 分 析 其 优 缺 点,测 试 了 液 化 天 然 气 (LNG)储罐用钢的冲击性能。

  推杆式全自动冲击试验机的工作原理为:将试 样装入可拆卸试样架上,试验机启动后,自动送样系 统的气缸将试样架上的试样逐个推入低温装置内, 待试样完成降温、保温后,由另外一组气缸将试样送 至试验机砧座上,试验机自动完成放摆冲击,并记录 试验结果。整个试验过程由微机发出指令,无需人 员介入。

  除了全程可自动化控制外,推杆式全自动冲击 试验机的优势在于其冷却系统。该装置的低温室分 为两半,中间夹层为试样空间,上下两层均由热传导 较快的紫铜板制成,紫铜板中开蛇形管道,冷却剂通 过蛇形管道时吸收热量,从而达到冷却低温室中试 样的目的。这种结构设计可保证低温室中温度的稳 定性,由于采用的冷却介质是空气,其不会在低温下 凝固,因此能够获得较低的试验温度,采用合适的冷 却剂最低可达到-180 ℃,配合液氮环境,能够满足 绝大部分材料的低温冲击试验需求。

  受结构设计与工作原理的制约,推杆式全自动冲 击试验机在使用过程中也常会发生如下一些问题[3-4]。

  (1)容易出现试样卡死现象。由于冷却系统内 部湿度与环境湿度相同,如果空气湿度较大,特别是 夏季阴雨天气,空气中的水蒸气在低温室中凝结到试 样表面,容易出现试样黏连或者冻到低温室内腔上的 问题,导致试样被卡死,从而影响试验的持续进行。

  (2)试验过程容易掉样。试验过程中,通过气 缸将试样从低温室中送至试验机砧座上,为保证送 样速度,避 免 送 样 时 间 过 长 而 导 致 试 验 过 程 超 过 5s,需要将气缸调节到合适的压力。如果气缸压力 不稳,或者调试好压力却更换了试验材料,又或者更 换了试样尺寸,在送样过程中均容易出现掉样现象。

  (3)试样精确定位难度增大。推杆式自动送样 系统采 用 端 面 定 位 的 方 式。一 方 面,按 照 GB/T 229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》的 要求,将冲击试样缺口对称面至试样端部距离的公差控制 为 ±0.165 mm,比 手 动 送 样 的 距 离 公 差 ±0.42mm 要严格很多;另一方面,如果试样端面 上的毛刺、冲击试验机砧座上黏结的毛刺未被清除 干净,都会影响到试样的定位精度。

  (4)试验效率较低。推杆式全自动冲击试验机 的试验效率较低,这主要有两方面的原因:① 每次 保温的冲击试样数量一般不会超过40件,低温室的 空间尺寸较低温槽等冷却系统的容量要小很多;② 按照 GB/T229-2020标准的要求,如果采用气体 方式进行冷却,试样在规定温度下的保温时间不低 于30 min,而 液 体 介 质 中 的 保 温 时 间 只 要 大 于 5min即可。推杆式全自动冲击试验机温度控制系 统如图1所示。

  智能机器人全自动冲击试验机(见图2)[3]是基 于视觉定位与多轴机器人来完成试样的定位与送样 的,可实现冲击试验全程无人值守。其工作原理为: 机器人自动夹取料框,再将料框放入低温槽中进行冷 却,完成冷却和保温后,通过机器人的视觉系统完成 试样的定位、抓取与送样,直至试验机完成放摆冲击。

  智能机器人全自动冲击试验机相比于其他冲击 试验机有着明显的优势,具体如下所述。

  (1)试验效率高。机器人不会疲劳,也不会因 为人员休息、就餐等而中断工作,只要摆放好试样, 设定好程序,就可以连续作业直至所有试验完成,工 作效率要远高于人工效率;另外,其低温装置一般为 低温槽,每次保温试样的数量可以超过100件,也可 以由一套系统控制几台低温槽,其试验效率可远高 于推杆式全自动冲击试验机。

  (2)试验数据的离散性小。张华伟[3]等的统计 结果表明,智能机器人全自动冲击试验机得到的冲 击吸收能量分布区间更窄,离散程度更小,数据分布 比较集中。这是因为:① 基于机器人的视觉系统可 实现试样的对中,能够保证试样在砧座上对中;② 工作中智能机器人不会疲劳,单个试样的冲击时间 基本恒定,这保证了试验结果的稳定性与可靠性。

  (3)智能机器人送样可大幅减小操作人员的劳 动强度,能够提高工作的安全性;另外,智能系统还 可实现试验数据的自动采集与上传,避免人员记录 数据与上传数据过程中出现错误。

  目前,智能机器人全自动冲击试验机的冷却系 统主要通过压缩机制冷乙醇来实现,为保证视觉机 器人准确地完成冲击试样缺口的识别与对中,需要 保证冷却介质的清澈和透明,一般试验温度不能低 于-80 ℃。智能机器人全自动冲击试验机更适合 应用于试样数量比较多、试验温度比较统一、温度要 求不低于-80 ℃的钢厂中。

  高锰奥氏体钢具有价格低、低温稳定性高、热膨 胀系数低、低周疲劳性能优良等优点,具有替代铝合 金、不锈钢、9Ni钢等 LNG 储罐材料的潜力[5-7]。其 工作温度为室温(10~35 ℃)至-163 ℃,为保证使 用的安全性,需要考察高锰奥氏体钢在使用温度下 的低温冲击性能。以40mm 厚的高锰奥氏体钢为对 象,按照 GB/T229-2020标准加工规格(长×宽× 高)为10mm×10mm×55mm 的冲击试样,分别 采用手动式冲击试验机与推杆式全自动冲击试验机 进行冲击试验,并对数据进行统计分析。

  由于冷却方式不同,手动式冲击试验机可实现 的最低温度为 -140 ℃,较难实现温度为 -196~ -140 ℃(液氮浸泡);推杆式全自动冲击试验机可 实现 的 最 低 温 度 为 -180 ℃,较 难 实 现 温 度 为 -196~-180 ℃,但-196 ℃(液氮浸泡)可通过手 动送样实现。两种冲击试验机测试结果柱状图如图 3所示。从测试结果可以得出以下结论。

  (1)推 杆 式 全 自 动 试 验 机 可 以 覆 盖 室 温 至 -180 ℃的所有温度,配合手动式冲击试验机可实 现 -196 ℃ 的 冲 击 试 验,基 本 能 够 满 足 高 于 -196 ℃的冲击试验需求。对于 LNG 储罐用高锰 钢,现有的试验方法完全能够很好的满足-163 ℃的使用 环境。将两种冲击方式相结合可实现 LNG 储罐用 高锰钢在室温至-196 ℃的冲击试验,高锰钢的冲 击吸收功-温度曲线)在试验前认真检验了冲击试样缺口对称面 至试样 端 部 距 离 的 加 工 精 度,均 满 足 标 准 GB/T 229-2020对自动送样试验机的制备要求,且试验 前认真打磨掉了试样端部的毛刺,保障了全自动冲 击试验机试验过程中试样的对中性。由图3可知, 在相同温度条件下,两种试验机的测试结果无明显 差异,但手动式冲击试验机测试结果的离散性略高 于全自动冲击试验机。因为人员的操作习惯不同、 放置试样位置的偏差以及每次送样时间的不确定会 影响手动式冲击试验结果。使用全自动冲击试验机 可消除因为人员操作不稳定导致的偏差,降低冲击 试验结果的离散性。

  推杆式和智能机器人全自动冲击试验机都有着非常明显的优点,但也有自身的局限性。虽然推杆式全 自动冲击试验机的试验效率较低,但是最低温度可 达-180 ℃。该试验机适用于材料的超低温冲击性 能评价;智能机器人全自动冲击试验机的工作效率 高,适用于批量大、温度适中的钢厂和第三方实验 室。笔者在材料研发过程中,将推杆式全自动冲击 试验机与手动式冲击试验机配合使用,满足了绝大 多数低温冲击试验的要求。

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