《特种设备安全工程学》实验指导书

1、实验一：压力容器爆破实验一、实验目的要求：测定爆破压力和屈服压力并与理论值作比较。观察厚壁圆筒的爆破过程、爆破形式和断口形貌，判断容器的破裂形式。二、实验基本情况实验类别：专业；实验性质：演示；实验学时：2；每组人数：810三、实验仪器设备：压力容器爆破试验装置（见下图）、容器试件、游标卡尺。5压力表6容器试件4显示器3压力变送器7护罩8放水阀 2采样模块1泵9管道10水槽四、实验内容步骤：1 熟悉压力容器爆破试验装置及流程。2 根据试件的原始尺寸、机械性能、理论公式估算爆破压力。3向水槽内加水至4/5深。然后开泵当水从出水口溢出时停泵（排出管内空气）。4在试件中注满水后安装试件，并盖好防护罩

2、5 通电开机，注意压力表及显示器的变化。记下屈服压力（此时压力指针上升速度与原来比明显减慢）与爆破压力，并与理论值作比较。6关机后打开放水阀，排出水。7试件破裂后，拆卸并仔细观察其破坏情况及断口形貌。五、实验原理对于由塑性较好的材料制成的厚壁圆筒在承受内压P作用情况下的膨胀曲线，如图所示，破坏过程大致经过以下三个阶段。P C D A B Ps Pb 压力容器爆破的膨胀曲线内压力在相应于A点的压力以下时，筒体处于弹性变形阶段，相应于A点的压力称弹性极限压力。当内压力超过A点时，圆筒内壁首先屈服，如继续增压，则塑性区就会逐渐向外扩展，直至B点沿整个圆筒截面屈服，即全部进入塑性状态，此时的内压力称为

3、整体屈服压力。由于钢材的塑性变形硬化现象，圆筒在达到整体屈服后，承载能力仍会继续提高，此时筒体的膨胀变形也随之增加至C点，承载能力达到了极限，最后在D点发生爆破。在达到最大承载能力的C点时的内压力称为爆破压力。内压的变化一方面由压力表显示，与此同时又通过压力变送器将压力变为电流，再由采样模块把电流的模拟量变为数字量经通讯线路在显示器上显示出来。在上述厚壁圆筒逐渐增加内压过程中，经历了弹性变形阶段，部分屈服至整体屈服阶段，材料硬化和爆破失效阶段。不同的研究者从理论上分析了各个阶段的应力变化情况，提出了厚壁圆筒最高承载的各种理论计算公式如下：1、 第一强度理论： P=2、 第二强度理论： P=3、

4、 第三强度理论： P=4、 第四强度理论： P= 5、 特雷斯卡公式： P=lnK6、 米赛斯公式： P=7、 福贝尔公式： Pb=8、 史文森公式： Pb=9、 中径公式： P=2 以上诸式中：分别为材料的屈服极限S或抗拉强度极限b，P为与材料屈服极限，强度极限相应的屈服压力PS或爆破压力Pb。K=，n为应变硬化指数，且有n=0.42（1-）。其中以第四强度理论，福贝尔、史文森、中径公式等所计算的爆破压力与试验数据较为接近。由于厚壁圆筒的爆破压力与其材料，结构形式，径比K，制造质量有关，因此工程上常通过爆破实验将理论公式所求得的爆破压力与实测比较，以判断容器制造的质量和设计的安全裕度。六、实

5、验注意事项：由于本实验为演示性的压力容器爆破实验，所以要注意安全防范，应严格按照操作规程进行实验，其中容器内承压介质可为水、油等，不要用气体介质。七、实验报告要求：实验报告必须独立完成，测定的爆破压力和屈服压力与理论值作比较分析后，应指出据哪种理论计算出的数值与实际值最接近。实验二：超声波探伤实验一、实验目的要求：锻件：调节仪器的探测灵敏度，在该灵敏度下探测锻件的缺陷，判断缺陷合格与否，通过讲解使学生了解锻件超声波探伤的原理及方法并能动手操作。焊缝：测定探头入射点与折射角，制作分贝面板曲线，探测焊缝中缺陷的位置及大小，判断焊缝是否报废，通过讲解学生能独立操作。二、实验基本情况实验类别：专业；实

6、验性质：综合；实验学时：4；每组人数：35三、实验仪器设备：锻件：超声波探伤仪、CSK-A试块、钢皮尺、70150试件、70250试件、70350试件、适量机油。焊缝：超声波探伤仪、CSK-A试块、CSK-A试块、钢皮尺、70150试件、70250试件、70350试件、红白板笔、适量机油。四、实验内容步骤：锻件： 评水平：把探头放在CSKA试块上，用调节旋钮调节探伤仪的探测范围和水平位置，并确定好比例关系，最后锁住比例。 找基准：把探头放在基准上使基准反射波最大。将此波调为80%高，读出此时的衰减器读数M。 调灵敏度：据探测要求按相应公式dB=20lg求出灵敏度调整量dB，将衰减器调为M+dB

7、，再将探头放在工件上来回移动，找出缺陷最高波并记下缺陷波在X轴上的位置，按比例可知缺陷位置。将该波调为80%读下此时衰减器读数N则：dB=N（M+dB）。 当量计算：据dB按相应公式f=求出平底孔缺陷当量f。 评定缺陷是否合格。焊缝：1 测入射点（前沿）：探头平行于CSKA试块侧面前后移动，获得基准反射面（R50园弧面）最高回波时的探头位置，用钢尺测出探头前端距弧面R100的距离X, 再调转探头，找到另一端圆心的最高波，用钢尺测出此时探头距试块后端的距离X，则前沿距离为100X=L， 测折射角或值：tg= 定线性：S1=50sin S2=100sin 同理获得基准反射面最高回波，根据比例将50

8、园弧面及100园弧面的反射波按水平S1及S2调到相应位置。 分贝面板曲线的制作： 在CSKA试块上扫射孔深为10mm的16短横孔，找出最高回波调至满幅的80100%，作出点1，记下此时的dB读数A。扫射孔深为20 mm的16短横孔，找出最高回波，得到2点。扫射孔深为30mm、40mm、50mm、60mm的16短横孔，找出最高回波，得到点3、点4、点5、点6。连接点1、2、3、4、5、6，得到一根16的参考线。 调灵敏度：灵敏度调节不低于评定线，在读数A的基础上再提高9dB，即A-9dB。若考虑补偿再提高相应的dB数。 定量判断： 进行焊缝探伤并找出缺陷，按缺陷波水平位置及比例可知缺陷的位置。记

9、下将缺陷的最高波降至曲线上所降低的dB数，则16-9+dB，若位于区（16+5dB以上）则判废。若位于区（16-3dB16+5dB）则需计算长度。 测长： 用半波高度法进行测量并按标准进行判断。以调节好的探测灵敏度探测工件，发现缺陷后，移动探头，使缺陷回波达到最高，然后调节衰减器，使最高回波达到基准高度（50%垂直幅度）再用衰减器增益6 dB，使其升高到满幅，此时，即以获得最高缺陷回波的探头位置为起始点向缺陷两边移动，直至缺陷回波回至基准高度为止，则此探头中心线移动长度就是缺陷的指示长度。（8）缺陷等级评定： 不允许存在反射波幅位于判废线及区的缺陷；检测人员判定为裂纹等危害性的缺陷。 最大反射

10、波幅位于区的缺陷，根据其指示长度按下表的规定予以评级。 最大反射波幅低于定量线的非裂纹类缺陷均评为级。 不合格的缺陷应予以返修。返修部位及热影响区仍按本标准进行检测和等级评定。 单位:mm等级板厚T单个缺陷指示长度L多个缺陷的累积指示长度L8120120300在任意9T焊缝长度范围内L不超过T， 在任意9T焊缝长度范围内L不超过T8120120300在任意4.5T焊缝长度范围内L不超过T在任意4.5T焊缝长度范围内L不超过T超过级者注: 板厚不等的焊缝以薄板为准。 当焊缝长度不足9T（级 ）或4.5T（级）时，可按比例折算。五、实验原理：振动是产生波的根源。超声波探伤仪正是利用某些单晶体多晶陶

11、瓷声电、电声转换效应压电效应来获得超声波。而超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面会产生反射、透射或折射，而反射特性正是脉冲反射法的探伤基础。超声波探伤中常用未知量（缺陷波高）与已知量（基准反射体波高）相比较的方法来确定缺陷的量值。下述声压反射系数表示了两个声压之比，只要知道它们相对比值（或分贝数）就可求得未知量。在超声波探伤中对缺陷的定量（当量）就是基于这一思想。由此看来，声压反射系数可根据具体情况和所选基准来加以定义。如果辐射声压为Po，缺陷反射声压为Pf，底面反射声压为PB，则：1 将缺陷反射体声压Pf与辐射声压之比定义为缺陷声压反射系数f =。 2 将底面反射声压PB与辐射声压为Po之

12、比定义为底面声压反射系数B以上两种声压反射率在制作和应用通用AVG线图时有其实用意义。3 在用声压反射系数计算法确定缺陷当量时，经常需要的是缺陷相对于基准反射体的声压反射系数，简称缺陷相对反射系数用符号或表示，即（）=用于缺陷与基准反射体同声程（Xf =X），用于缺陷与基准反射体不同声程（XXf）。式中P为基准反射体声压，在锻件探伤中，它可以是PB（B大平底）、P（平底孔）。在焊缝探伤中，它可以是P（横孔）。Pf为缺陷反射体声压。常用的几种声压反射系数见下表：缺陷相对于大平底面的声压反射系数XB= XfXBXf平底孔=长横孔=短横孔短=短=球 孔d=d=缺陷相对于基准孔的声压反射dB数 XXf

13、平底孔dB=20lgf=长横孔dB=20lgf=短横孔dB=20lgf短=短（球 孔dB=20lgdf=d(六、实验注意事项：实验时在试块、试件与探头接触的表面上涂上机油，探头在试块、试件上移动时，用力要均匀，否则误差很大。需分组进行实验，要求组内（每组46）人人动手，分工合作，得出原始数据，通过计算得出缺陷当量大小。实验开始时先插上电源插头，再开探伤仪电源开关，实验结束后先关探伤仪电源开关，再拔电源插头，以免仪器损坏。七、实验报告要求：锻件：实验报告必须包括：工件规格、探测标准、探测规范和探测结果与分析等内容。实验报告必须独立完成。焊缝：实验报告必须包括：坡口形式、探头规格、仪器时间线调节高

14、度、探头入射点测定、探头折射角测定、缺陷示意图等内容。实验报告必须独立完成，根据需要分别测出缺陷位置、长度及等级评定。附录：压力容器爆破实验报告班级 姓名 学号1 根据本实验确定屈服压力数值。爆破压力数值。2 按不同理论计算公式计算出试件的爆破压力，屈服压力，然后与实测值进行比较并讨论。压力MPa、公式名称理论PbMPa理论PSMPa绝对误差MPa相对误差%PbPSPbPS第一强度理论第二强度理论第三强度理论第四强度理论特雷斯卡公式米赛斯公式福贝尔公式史文森公式中径公式锻件超声波探伤报告班级 姓名 学号1、工件规格 2、探测标准3、探测规范： （1）仪器型号 （2）探头标称规格 （3）探测灵敏度 （4）探测基准：a工件大平底面b对比试块 （5）补偿4、探测结果与分析：焊缝超声波探伤报告班级 姓名 学号1、 焊缝试块板厚坡口形式2、 仪器型号探头规格3、 试块型号4、 探头入射点测定（1）（2）（3）平均5、 探头折射角测定（1）（2）（3）平均6、 仪器时间线调节高度7、 表面补偿dB数8、 缺陷示意图： A A B B序号指示长度波幅最高点S1S2L缺陷距焊缝中心距离（mm）缺陷距探测面深度（mm）S3mm高于基准线dB波高区 域评定等 级AB注：S1焊板左侧至缺陷起始点距离S2焊板左侧至缺陷终点距离S3焊板左侧至缺陷波幅最高点处的