【關(guān)鍵詞】水壓試驗 合格標準 容積殘余變形率 容積彈性變形
1 引 言
氣瓶水壓試驗是氣瓶檢驗的必檢項目，也是公認的全面檢驗氣瓶綜合性能較理想的方法。水壓試驗的合格評定標準，我國規(guī)定為容積殘余變形率(（容積殘余變形與容積全變形的比率）不大于10%。此規(guī)定雖有某些理論依據(jù)，在國內(nèi)外也有較長時間的實踐經(jīng)驗，但并是很科學的。試驗證明，容積殘余變形率并不能準確地反映瓶壁應力水平；同時，將容積殘余變形率不大于10%規(guī)定為合格標準，并非一個十分嚴密的數(shù)據(jù)。實際上，容積殘余變形常常受到測量誤差的影響，特別是采用內(nèi)側(cè)法試驗裝置時。對此，有關(guān)專家進行過論證，提出了一些建議和設(shè)想。筆者在實驗基礎(chǔ)上，對無縫高壓氣瓶水壓試驗合格標準存在的問題進行了分析和探討。
2 現(xiàn)行水壓試驗合格評定標準存在的問題
2.1 水壓試驗合格標準的確定依據(jù)
以容積殘余變形率作為氣瓶水壓試驗評定指標，是因其與瓶壁應力、應變之間存在著一定的關(guān)系。高壓氣瓶可看作一端為平底封頭、一端為半球形封頭的薄壁圓筒形容器；筒體部分在試驗壓力作用下，殼壁處于兩向應力狀態(tài)，即軸向應力(z、周向應力(t；其軸向、周向彈性變形分別為(z、(t，周向殘余變形為('t(一般情況無軸向的殘余變形)；半球封頭的周向彈性變形(0。
設(shè)氣瓶的半徑為R，簡體部分長度為L。在試驗壓力下,氣瓶的容積彈性變形(VE為：
(VE=(VE筒體＋(VE封頭=(R2（1＋ (t）2·L（1+(x）＋×(R3（1＋(0）3<\sup>－(R2L－×(R3簡化,略去(的高次項得：
(VE=(R2L(2(t＋(z）＋2(R3(0
當氣瓶的長度大于半徑的10倍，即L(10R時，半球封頭的彈性變形2(R3(0相對于筒體部分的變形來說很小，可忽略不計。因此，氣瓶的彈性變形為：(VE=(R2L（2(t＋(z）
氣瓶在試驗壓力下產(chǎn)生的容積殘余變形為：
(VP=(R2(1＋(' t2<\sup>－(R2L
簡化，略去(t的高次項后得：
(VP=2(R2L( ' t
氣瓶的容積全變形包括容積彈性變形和容積殘余變形的部分，即容積全變形 (V為：
(V= (VE＋(VP=(R2L(2(x＋(x＋2( 't)
因此，容積殘余變形率為：
(==
對于薄壁容器：
(t=－(=(1－1/2(),
(z=(z/E－((t/E=(t(1/2－()/E
式中，(為泊松比。將(=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)
若容積殘余變形率(((10%，則([2]((0.124(t
若制造氣瓶的低合金鋼的彈性極限為(e=500Mpa,彈性模量為E=2.1×105Mpa ,則
(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% 。
由此可見，若氣瓶水壓試驗時容積殘余變形率不超過10%，則瓶壁產(chǎn)生的最大殘余變形(' t，也不超過0.03%,也就是氣瓶在水壓試驗壓力下瓶壁的最大應力在材料的彈性極限范圍內(nèi)。
2.2 實驗分析和研究
為了分析水壓試驗時容積殘余變形率與瓶壁應力及應變之間的關(guān)系，筆者對公稱工作壓力為14.7MPa、直徑為219mm、容積分別為40L和41L的兩個中碳錳鋼制（42Mn2，屈服極限(s=500MPa）縫氣瓶在不同的試驗壓力下進行了水壓試驗。水壓試驗采用內(nèi)側(cè)法，通過測定瓶內(nèi)在試驗壓力下所進入的水量與卸壓后由瓶內(nèi)排出的水量來計算它的容積全變形和容積殘余變形，并由此計算出容積殘余變形率。進行水壓試驗的同時，在兩個氣瓶外壁的中部各選一點進行應變測試。在每一點上沿瓶體的軸向和周向各貼一片電阻應變片，采用YJD-1型電阻應變儀并配有P20R-1型預調(diào)平衡箱，測試其在不同試驗壓力下的應變值及卸壓后殘余應變值。測試和計算結(jié)果列于表1。
@5001
@5101
按設(shè)計要求，氣瓶水壓試驗時瓶壁應力水平不超過材料屈服極限的90%。從表1、2中看到，當瓶壁的應力水平達0.9(s時，即瓶壁周向應力(t=0.9, (s=450Mpa時，兩瓶體的周向殘余應變分別為0.0024%和0.0055%，所對應的容積殘余變形率分別為1.1%和2.8%。此數(shù)值大大小于10%的合格標準。從表中可見，當應力達到屈服極限時，由于材料具有明顯的屈服平臺，瓶體便產(chǎn)生明顯的塑性變形，其容積殘余變形率迅速增加。試驗表明，隨試驗壓力的逐增，量筒水位逐降，即進水量與壓力按一定的比例增加；應變儀指示的應變值也逐漸增大。當試驗壓力增至34.0MPa時，進水量、回水量急劇增大，應變值及殘余變形值均顯著增大。由此看出，對中碳錳鋼制氣瓶在水壓試驗中，當瓶壁的應力水平未達到屈服極限時，即使在接近屈服極限時，其容積殘余變形率始終很小，當應力達到屈服極限，變形急劇增大，容積殘余變形率遠遠超過合格標準。
筆者認為，以容積殘余變形率作為氣瓶水壓試驗的合格評定指標存在著局限性。
首先，它控制的應力范圍比較小，且與應力水平相對應的值很小。即在材料的彈性階段內(nèi)，(值很小，幾乎反映不出來。試驗中，當試驗壓力為30MPa時，1#瓶、2#瓶的周向應力分別為458.3MPa和457.3MPa，即接近材料的屈服極限（(s=500MPa），而容積殘余變形率僅為1.1%和2.8%?？梢姰?達到10%時，瓶壁的周向應力很可能已超過屈服極限。因此，對于這種彈塑性良好的材料所制的高壓無縫氣瓶，沿用(((10%這一合格標準是不妥當?shù)摹?/font>
第二，目前國內(nèi)高壓氣瓶絕大多數(shù)是采用沖拔拉伸工藝制成的，這類氣瓶普通存在著壁厚偏差。因壁厚不均，同一試驗壓力下各處的應變值也不同，表現(xiàn)為氣瓶的某些部位在試驗壓力下已發(fā)生塑性變形，而其它部位卻仍然牌彈性階段，即容積殘余變形不是沿周向均勻分布的，而主要集中在壁厚較薄的部位。由于氣瓶塑性變形局部化現(xiàn)象的存在，使其在試驗壓力下總體的容積殘余變形率雖不大，但薄弱部位的應力往往很高。
為證實此現(xiàn)象，筆者對兩只最小壁厚車至3mm(偏心度為1.0)和4.5mm（偏心度為2.0）的新氣瓶進行試驗，同一試驗壓力下瓶壁各處的應力值相差很大。對于最小壁厚為3mm的氣瓶，當容積殘余變形率為2%和4.6%時，測得壁厚3mm處的周圍向應力分別為503.3MPa和546.8MPa；對于最小壁厚為4.5mm的氣瓶，當容積殘余變形率為1.1%和1.6%時，測得壁厚4.5mm處的周向應力分別為509.3MPa和577.5MPa。當容積殘余變形率還比較小時，薄壁處的周向應力均已達到或超過材料的屈服極限，且偏心度越大，薄壁處應力達到屈服極限時所對應的容積殘余變形率越小。故現(xiàn)行的水壓試驗容積殘余變形率((10%的合格標準對于存在壁厚偏差的氣瓶是不合適的。
第三，試驗還發(fā)現(xiàn)，氣瓶某次水壓試驗所測得的容積殘余變形率較高，而同樣試驗壓力下再次水壓試驗，容積殘余變形率反而比前次小。為證實這一結(jié)果，又對四個水壓試驗不合格（已發(fā)生屈服變形）的氣瓶再次進行水壓試驗，測得的容積殘余變形率分別為0.12%、0.23%、0.46%、0.82%。在實際工作中，也常常碰到這種情況。有的單位在水壓試驗時，第一次測得的殘余變形率超過合格標準，就再測試一次，結(jié)果第二次殘余變形率減小，因此，就判定該瓶檢驗合格并繼續(xù)投入使用。這種做法大大影響了試驗結(jié)果的可靠性。
目前水壓試驗判定方法，只規(guī)定了單次試驗中殘余變形率的容許上限，而未規(guī)定水壓試驗的容評次數(shù)。氣瓶每三年檢驗一次，經(jīng)若干次水壓試驗后，所測得的容積殘余變形率已不能反映瓶體真實的應力狀況；同時由于氣瓶每次水壓試驗時都會產(chǎn)生一定的容積殘余變形，氣瓶經(jīng)有限次水壓試驗后，雖然當次殘余變形率較小，但其累計數(shù)值往往可能超過10%。因此，用每次水壓試驗時所測得的容積殘余變形率作為判定氣瓶能否繼續(xù)安全使用的依據(jù)是不恰當?shù)摹?/font>
第四，國內(nèi)水壓試驗多采用內(nèi)側(cè)法，在實測和計算中誤差較大。造成測量誤差的因素較多，如試壓系統(tǒng)管路及瓶內(nèi)的氣體未排盡；試壓系統(tǒng)有微量泄漏；試驗裝置不合理；讀數(shù)誤差等等。試驗壓力下氣瓶容積殘余變形量較小，而測定的容積殘余變形率誤差較大，易造成錯判。
通過以上實驗分析，筆者認為，在對氣瓶水壓試驗結(jié)果進行評定時，繼續(xù)沿用容積殘余變形率((10%這個評定標準是不合適的，應該探索更為科學合理的評定指標。
3 以容積彈性變形作為高壓氣瓶檢驗評定指標的探討
氣瓶在試驗壓力下的容積彈性變形與瓶壁所產(chǎn)生的應力成正比例關(guān)系，因此，水壓試驗時容積彈性變形的大小直接反映出瓶壁應力的大小。氣瓶水壓試驗合格評定指標應根據(jù)它試壓時的應力水平來確定，所以，用容積彈性變形作為水壓試驗的主要評定指標是比較合理的。
前面已推導出氣瓶在試驗壓力下的彈性變形為
(VE=(R2L（2(t＋(z）
則彈性變形率為
=2(t＋(z
將應力一應變的關(guān)系式代入，則容積彈性變形率為
=（5－4(）=F(t
式中，F(xiàn)一氣瓶應力一容積變形系數(shù)，它只與制造氣瓶所用材料物理性能（E，(）有關(guān)，用一定材料制成的氣瓶，應力一容積變形系數(shù)是固定不變的，這樣可以根據(jù)規(guī)定的許用應力值確定氣瓶的容積彈性變形允許值。另外，考慮到氣瓶由于制造偏心或受嚴重腐蝕而致壁厚大面積減薄時造成壁厚偏差，導致瓶壁較薄處的應力增大，可引入一壁厚偏差系數(shù)。因此，根據(jù)氣瓶設(shè)計許用應力確定其水壓試驗時容積彈性變形允許值時，可以按下式計算：
[(VE(s[(]V
式中，[(VE]----容積彈性變形允許值，ml；Np -----氣瓶試驗壓力與設(shè)計壓力之比；F-----氣瓶的應力---容積變形系數(shù)，MPaEs-----氣瓶壁厚偏差系數(shù)。當壁厚較均勻時，系數(shù)為1；當壁厚偏差較大時，系數(shù)為最薄處的壁厚與平均壁厚之比。
氣瓶容積彈性變形是試驗壓力下容積全變形與容積殘余變形之差，若水壓試驗實測的容積彈性變形不超過其允許值，則氣瓶檢驗合格。故高壓氣瓶水壓試驗的合格標準應：
(VE =(V－(Vp (([(VEBR> 4 結(jié)束語
水壓試驗是氣瓶定期檢驗的主要項目，而試驗合格評定標準更是其中的關(guān)鍵。我國在投無縫氣約500萬只，按每三年檢驗一次計算，每年需要進行定期檢驗的在用氣瓶約（160～170）萬只，任何漏判或錯判都將造成嚴重后果，所以，選用一個比較合理的評定指標是非常必要的。目前采用的水壓試驗合格標準有其不十分科學和合理的地方，筆者建議用彈性變形量作為水壓試驗的合格評定指標。但這必須有建立在大量試驗基礎(chǔ)上的科學依據(jù)及經(jīng)過實際工作的檢驗，才能對此評定方法的可靠性和可行性作出結(jié)論。由于筆者在這方面所做的試驗還不多，許多定量的分析尚待大量的實驗研究。希望本文對氣瓶檢驗水平的提高有所助益。
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