压力容器的电测法应力测量实验思考

2010-2011学年科研训练结课论文内压薄壁容器电测法应力测量实验思考李强（中国矿业大学，江苏 徐州 221008）摘要：通过对过程装备与控制工程专业的基础实验“内压薄壁容器应力测量”的操作和处理，归纳总结，思考感悟，找出普遍存在的弊端和不足，提出了合理的改进措施，以保证教学质量，提高学生创新和实践能力。关键词：内压薄壁容器；电测法；应力测量；思考感悟；实验革新； 0引言随着现代生产的需要和科学技术的发展，压力容器的应用领域越来越广，人们对压力容器的研究也越来越全面和深入。在高校，“压力容器的电测法应力测量”是过程装备与控制工程专业中极为重要的实验。通过实验，可以发现问题，提示现象；可以验证理论正确与否或适用范围的大小。传统的纯验证性实验可以加深学生对基础理论的理解和认识，但对学生能力的提高意义不大，已经不能满足新学科的要求，理解并运用其理论基础及改良测量方法成为了新的实验重点。本文从分析该实验传统教学方案的弊端出发，结合自身对该实验操作和处理过程的思考感悟，找寻原因，提出了合理的改进措施。1传统纯验证性实验的弊端多年来，由于教学学时和实验设备的限制，本实验的教学一直以来沿袭“教师预先设定实验装置及操作方法，学生照章操作验证结果”的传统模式，即学生在教师指导下在压力容器指定位置贴片，然后利用静态电阻应变仪测出各点应力，再与理论值进行比较。这种被动的学习方式使学生的主观能动性难以发挥，限制了学生的创造性和实践能力的培养。怎样改变这种状况，提高教学质量，增强教学效果，加快新知识、先进技术的普及传播，增强学生创新能力和动手能力的培养，是一个值得探讨的问题，对于社会进步和国家发展至关重要。2内压薄壁容器电测法应力测量实验的思考感悟压力容器是石油化工行业正常生产必不可少的重要设备，几乎每一个工艺过程都离不开压力容器。它们既是工业生产中的常用设备，又是一种极易发生恶性事故的特殊设备，特别是石化行业物料的易燃易爆性、腐蚀性、高温高压等工作特点，决定了压力容器的高度危险性。压力容器运行状况的好快将直接影响化工生产的稳定性和安全性。因此，加强压力容器的可靠性分析与评定，确保其安全运行，保证正常生产，是一项必不可少的工作。本实验是从应力检测的角度出发检测压力容器的安全性。通过对本实验的操作，对筒体的应力分布情况已经有了更加清晰的认识，但是对于封头，只是测量了顶点的应力，对于其他部位的应力分布还不清楚；基本掌握了粘贴应变片的方法、步骤和注意事项；学会利用静态电阻应变仪测量各点的应力；认识到压力容器设计时尽量只开一个孔，利用分支管路连接各附件（压力表、安全阀、排气阀）的巧妙性和重要性。但是通过对实验数据的处理，可以发现：同学的应变片粘帖水平还有待提高，实验误差都在10%左右，不符合工程要求；测量应变数据和步长普遍偏小；个别的测量数据根本不符合实验规律。通过查阅资料以及仔细的分析，可以从下面几个方面分析实验误差的原因：2.1测量时间实验证明，粘贴后初次使用的应变片，加载后有明显的漂移，卸载后有明显的滞后现象。故内压较小时的测量数据误差较大，随加压次数的增多，应变片开始正常工作。2.2设计压力该容器设计压力 ，超过此值后，容器变形迅速，应力应变不再严格遵循胡克定律。2.3读数问题电阻应变仪具有显数误差，加载时，读取的是设备压力表读数，存在读数误差。2.4温度补偿由于应变片与容器线膨胀系数不同，应变片电阻丝受到附加变形而引起虚假变形，导致输出误差，可通过温度补偿消除。但此实验采用公共补偿，补偿片长时间工作，温度升高，造成读数漂移。2.5长导线影响连接导线的分布电容会使测量结果比真实值小。2.6应变片本身性质的影响实验证明，应变片开始工作时不灵敏，导致初始值偏小。2.7剪切力的影响由于实际工作过程中压力容器中存在剪切力，可以使步长偏小。2.8应变片粘帖质量不良胶液涂抹过厚，会使测量数据偏小；粘帖前清洗不干净，导致测量应变值线性不好；应变片贴偏方向，导致测量值变小。3内压薄壁容器电测法应力测量实验改进措施当今国家提出全面推进素质教育就是为了大力培养具有创新精神和创新能力的人才。实验室是高校实验研究与教学的基地，实验教学可以培养学生的实践能力和科研能力，学生在实验室可以巩固知识，探索实践，提高自己的能力，因此，实现实验教学改革是改变这种状况的关键。下面从四个方面提出了对该实验的改进措施。3.1实验形式多样化改变原有实验的单一形式，增加考核的方式，充实实验内容。3.1.1增加封头类型对内压薄壁容器4种典型封头的应力分布规律进行测定，并与理论分析结果进行对比，掌握椭圆型封头、球型封头、锥型封头和平盖型封头的应力分布。3.1.2 贴片能力考核 由于贴片质量的好坏直接影响到应力测量结果的准确性，所以需要将学生贴片能力归入考核的范围。学生在教师的指导下自行贴片，完成后由教师检查贴片质量，并计入成绩。3.2采用计算机数据自动采集系统3.2.1传统的内压薄壁容器应力测量方法传统的内压薄壁容器应力测试是通过静态电阻应变仪来实现的，学生通过手工进行数据采集并进行平衡，然后加载记录数据。该技术虽然性能稳定，但平衡不易调整，灵敏度不够，易产生信号漂移，且设备自动化程度低，操作繁琐，测试速度慢，效率低，缺乏人工智能，很难将测试结果直观表达出来。3.2.2采用计算机数据自动采集系统在传统的内压薄壁容器应力测试方法的基础上，结合现代计算机技术，实现压力容器应力测量的计算机数据自动采集，解决传统应力测试过程中的弊端。这种测试技术具有测试速度快，测量精度高，操作简便，可自检等优点，可以提高实验效率，并且不会对学生对实验的理解产生影响，有助于学生将来步入社会后能够更好的适应科技进步和社会发展，实现创新。3.3学生自主确定实验方案 这是实验革新中最关键的一步，有助于学生理解实验流程，巩固相关知识，提高学生的自主创新本领和实践能力。传统内压薄壁容器应力测量实验中，教师会给定布片方案，加载方案和桥路测量方式，甚至包括接线方法。如此，学生在整个实验过程中没有自主思考的空间。虽然实验处理过程可以帮助学生巩固相关知识，但对学生创新和时间能力没有提高。高校期间不对学生进行这方面的教育和培养，学生将来很难适应科技的进步，也不利于国家的发展。3.3.1自主确定布片方案本实验要求学生根据岁掌握的力学知识和内压薄壁容器的应力分布规律，自行确定布片方案和应变花型式，测出容器筒体份的轴向应力和环向应力，以及4种典型封头特殊点的应力大小。学有余力的学生还可以设计合适的布片方案，测定边缘应力、接管和支座周围应力的大小，开展更深层次的相关实验。3.3.2自主确定加载方案根据教师提供的设备参数，特别是设计压力，确定合理的加载方案（查取相关资料确定最大载荷和载荷增量）。实验开始后，学生首先需要将自行设计的实验方案交予教师审阅，在教师确认安全并计入考核成绩后才可进行实验，严禁未经教师审阅便开始实验。3.4实验报告考核重点转移以往的实验报告考核重点集中在“数据处理”版块，这是对学生基础知识的考核，是最基本的要求。本实验需要将重点转移到“误差分析”和“实验小结”版块，要求学生从“胶水质量”、“胶层固化”、“测量时间”和“读数时间”等方面分析静态应变测量的稳定性问题，以起到督促探索研究的作用。4结语过程装备与控制工程专业是机械、化工、信电、能源、管理等的交叉学科。随着科学技术的发展，生产规模的扩大和需求量的增加，建立适合专业发展方向的实验教学体系已迫在眉睫。内压薄壁容器的电测法水压应力测量实验是过程