气瓶水压试验合格标准实验研究

气瓶水压试验合格标准实验研究气瓶水压试验合格标准实验研究 摘 要 水压试验是气瓶检验的主要项目 将容积残余变形率 超过 10 作为气瓶报废的标准沿用至今 笔者通过实验 分析 了气瓶水压试验现行评定标准存在的问题 并对采用容积弹性 变形作为评定指标进行了探讨 以期为制订更合理的水压试验 标准提供有益的启示 关键词 水压试验 合格标准 容积残余变形率 容积弹性变形 1 引 言 气瓶水压试验是气瓶检验的必检项目 也是公认的全面检验气 瓶综合性能较理想的方法 水压试验的合格评定标准 我国规 定为容积残余变形率 容积残余变形与容积全变形的比率 不 大于 10 此规定虽有某些理论依据 在国内外也有较长时间 的实践经验 但并是很科学的 试验证明 容积残余变形率并 不能准确地反映瓶壁应力水平 同时 将容积残余变形率不大 于 10 规定为合格标准 并非一个十分严密的数据 实际上 容积残余变形常常受到测量误差的影响 特别是采用内侧法试 验装置时 对此 有关专家进行过论证 提出了一些建议和设 想 笔者在实验基础上 对无缝高压气瓶水压试验合格标准存 在的问题进行了分析和探讨 2 现行水压试验合格评定标准存在的问题 2 1 水压试验合格标准的确定依据 以容积残余变形率作为气瓶水压试验评定指标 是因其与瓶壁 应力 应变之间存在着一定的关系 高压气瓶可看作一端为平 底封头 一端为半球形封头的薄壁圆筒形容器 筒体部分在试 验压力作用下 壳壁处于两向应力状态 即轴向应力 z 周向 应力 t 其轴向 周向弹性变形分别为 z t 周向残余变形为 t 一般情况无轴向的残余变形 半球封头的周向弹性变形 0 设气瓶的半径为 r 简体部分长度为 l 在试验压力下 气瓶的 容积弹性变形 ve 为 ve ve 筒体 ve 封头 r2 1 t 2 l 1 x r3 1 0 3 sup r2l r3 简化 略去 的高次项得 ve r2l 2 t z 2 r3 0 当气瓶的长度大于半径的 10 倍 即 l 10r 时 半球封头的弹性 变形 2 r3 0 相对于筒体部分的变形来说很小 可忽略不计 因 此 气瓶的弹性变形为 ve r2l 2 t z 气瓶在试验压力下产生的容积残余变形为 vp r2 1 t2 sup r2l 简化 略去 t 的高次项后得 vp 2 r2l t 气瓶的容积全变形包括容积弹性变形和容积残余变形的部分 即容积全变形 v 为 v ve vp r2l 2 x x 2 t 因此 容积残余变形率为 对于薄壁容器 t 1 1 2 z z e t e t 1 2 e 式中 为泊松比 将 0 3 代入 得 sub z sub 0 235 sub t sub 所以 2 sup sup sub t sub 2 235 sub t sub 2 sup sup sub t sub 若容积残余变形率 10 则 2 0 124 t 若制造气瓶的低合金钢的弹性极限为 e 500mpa 弹性模量为 e 2 1 105mpa 则 t e e 500 2 1 105 2 38 0 001 0 124 2 38 0 001 0 0295 t 0 124 2 38 10 3 0 0295 由此可见 若气瓶水压试验时容积残余变形率不超过 10 则 瓶壁产生的最大残余变形 t 也不超过 0 03 也就是气瓶在水 压试验压力下瓶壁的最大应力在材料的弹性极限范围内 2 2 实验分析和研究 为了分析水压试验时容积残余变形率与瓶壁应力及应变之间的 关系 笔者对公称工作压力为 14 7mpa 直径为 219mm 容积 分别为 40l 和 41l 的两个中碳锰钢制 42mn2 屈服极限 s 500mpa 缝气瓶在不同的试验压力下进行了水压试验 水压 试验采用内侧法 通过测定瓶内在试验压力下所进入的水量与 卸压后由瓶内排出的水量来计算它的容积全变形和容积残余变 形 并由此计算出容积残余变形率 进行水压试验的同时 在 两个气瓶外壁的中部各选一点进行应变测试 在每一点上沿瓶 体的轴向和周向各贴一片电阻应变片 采用 yjd 1 型电阻应变 仪并配有 p20r 1 型预调平衡箱 测试其在不同试验压力下的应 变值及卸压后残余应变值 测试和计算结果列于表 1 5001 5101 按设计要求 气瓶水压试验时瓶壁应力水平不超过材料屈服极 限的 90 从表 1 2 中看到 当瓶壁的应力水平达 0 9 s 时 即瓶壁周向应力 t 0 9 s 450mpa 时 两瓶体的周向残余应变 分别为 0 0024 和 0 0055 所对应的容积残余变形率分别为 1 1 和 2 8 此数值大大小于 10 的合格标准 从表中可见 当应力达到屈服极限时 由于材料具有明显的屈服平台 瓶体 便产生明显的塑性变形 其容积残余变形率迅速增加 试验表 明 随试验压力的逐增 量筒水位逐降 即进水量与压力按一 定的比例增加 应变仪指示的应变值也逐渐增大 当试验压力 增至 34 0mpa 时 进水量 回水量急剧增大 应变值及残余变 形值均显著增大 由此看出 对中碳锰钢制气瓶在水压试验中 当瓶壁的应力水平未达到屈服极限时 即使在接近屈服极限时 其容积残余变形率始终很小 当应力达到屈服极限 变形急剧 增大 容积残余变形率远远超过合格标准 笔者认为 以容积残余变形率作为气瓶水压试验的合格评定指 标存在着局限性 首先 它控制的应力范围比较小 且与应力水平相对应的值很 小 即在材料的弹性阶段内 值很小 几乎反映不出来 试验 中 当试验压力为 30mpa 时 1 瓶 2 瓶的周向应力分别为 458 3mpa 和 457 3mpa 即接近材料的屈服极限 s 500mpa 而容积残余变形率仅为 1 1 和 2 8 可见当 达到 10 时 瓶 壁的周向应力很可能已超过屈服极限 因此 对于这种弹塑性 良好的材料所制的高压无缝气瓶 沿用 10 这一合格标准是不 妥当的 第二 目前国内高压气瓶绝大多数是采用冲拔拉伸工艺制成的 这类气瓶普通存在着壁厚偏差 因壁厚不均 同一试验压力下 各处的应变值也不同 表现为气瓶的某些部位在试验压力下已 发生塑性变形 而其它部位却仍然牌弹性阶段 即容积残余变 形不是沿周向均匀分布的 而主要集中在壁厚较薄的部位 由 于气瓶塑性变形局部化现象的存在 使其在试验压力下总体的 容积残余变形率虽不大 但薄弱部位的应力往往很高 为证实此现象 笔者对两只最小壁厚车至 3mm 偏心度为 1 0 和 4 5mm 偏心度为 2 0 的新气瓶进行试验 同一试验压力下 瓶壁各处的应力值相差很大 对于最小壁厚为 3mm 的气瓶 当 容积残余变形率为 2 和 4 6 时 测得壁厚 3mm 处的周围向应 力分别为 503 3mpa 和 546 8mpa 对于最小壁厚为 4 5mm 的气 瓶 当容积残余变形率为 1 1 和 1 6 时 测得壁厚 4 5mm 处 的周向应力分别为 509 3mpa 和 577 5mpa 当容积残余变形率 还比较小时 薄壁处的周向应力均已达到或超过材料的屈服极 限 且偏心度越大 薄壁处应力达到屈服极限时所对应的容积 残余变形率越小 故现行的水压试验容积残余变形率 10 的合 格标准对于存在壁厚偏差的气瓶是不合适的 第三 试验还发现 气瓶某次水压试验所测得的容积残余变形 率较高 而同样试验压力下再次水压试验 容积残余变形率反 而比前次小 为证实这一结果 又对四个水压试验不合格 已 发生屈服变形 的气瓶再次进行水压试验 测得的容积残余变 形率分别为 0 12 0 23 0 46 0 82 在实际工作中 也 常常碰到这种情况 有的单位在水压试验时 第一次测得的残 余变形率超过合格标准 就再测试一次 结果第二次残余变形 率减小 因此 就判定该瓶检验合格并继续投入使用 这种做 法大大影响了试验结果的可靠性 目前水压试验判定方法 只规定了单次试验中残余变形率的容 许上限 而未规定水压试验的容评次数 气瓶每三年检验一次 经若干次水压试验后 所测得的容积残余变形率已不能反映瓶 体真实的应力状况 同时由于气瓶每次水压试验时都会产生一 定的容积残余变形 气瓶经有限次水压试验后 虽然当次残余 变形率较小 但其累计数值往往可能超过 10 因此 用每次 水压试验时所测得的容积残余变形率作为判定气瓶能否继续安 全使用的依据是不恰当的 第四 国内水压试验多采用内侧法 在实测和计算中误差较大 造成测量误差的因素较多 如试压系统管路及瓶内的气体未排 尽 试压系统有微量泄漏 试验装置不合理 读数误差等等 试验压力下气瓶容积残余变形量较小 而测定的容积残余变形 率误差较大 易造成错判 通过以上实验分析 笔者认为 在对气瓶水压试验结果进行评 定时 继续沿用容积残余变形率 10 这个评定标准是不合适的 应该探索更为科学合理的评定指标 3 以容积弹性变形作为高压气瓶检验评定指标的探讨 气瓶在试验压力下的容积弹性变形与瓶壁所产生的应力成正比 例关系 因此 水压试验时容积弹性变形的大小直接反映出瓶 壁应力的大小 气瓶水 压试验合格评定指标应根据它试压时的应力水平来确定 所以 用容积弹性变形作为水压试验的主要评定指标是比较合理的 前面已推导出气瓶在试验压力下的弹性变形为 ve r2l 2 t z 则弹性变形率为 2 t z 将应力一应变的关系式代入 则容积弹性变形率为 5 4 f t 式中 f 一气瓶应力一容积变形系数 它只与制造气瓶所用材 料物理性能 e 有关 用一定材料制成的气瓶 应力一容 积变形系数是固定不变的 这样可以根据规定的许用应力值确 定气瓶的容积弹性变形允许值 另外 考虑到气瓶由于制造偏 心或受严重腐蚀而致壁厚大面积减薄时造成壁厚偏差 导致瓶 壁较薄处的应力增大 可引入一壁厚偏差系数 因此 根据气 瓶设计许用应力确定其水压试验时容积弹性变形允许值时 可 以按下式计算 ve s v 式中 ve 容积弹性变形允许值 ml np 气瓶试验 压力与设计压力之比 f 气瓶的应力 容积变形系数 mpaes 气瓶壁厚偏差系数 当壁厚较均匀时 系数为 1 当壁厚偏差较大时 系数为最薄处的壁厚与平均壁厚之比 气瓶容积弹性变形是试验压力下容积全变形与容积残余变形之 差 若水压试验实测的容积弹性变形不超过其允许值 则气瓶 检验合格 故高压气瓶水压试验的合格标准应 ve v vp vebr 4 结束语 水压试验是气瓶定期检验的主要项目 而试验合格评定标准更 是其中的关键 我国在投无缝气约 500 万只 按每三年检验一 次计算 每