【關(guān)鍵詞】水壓試驗(yàn) 合格標(biāo)準(zhǔn) 容積殘余變形率 容積彈性變形

1 引 言

氣瓶水壓試驗(yàn)是氣瓶檢驗(yàn)的必檢項(xiàng)目，也是公認(rèn)的全面檢驗(yàn)氣瓶綜合性能較理想的方法。水壓試驗(yàn)的合格評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)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(guó)內(nèi)外也有較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但并是很科學(xué)的。試驗(yàn)證明，容積殘余變形率并不能準(zhǔn)確地反映瓶壁應(yīng)力水平；同時(shí)，將容積殘余變形率不大于10%規(guī)定為合格標(biāo)準(zhǔn)，并非一個(gè)十分嚴(yán)密的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，容積殘余變形常常受到測(cè)量誤差的影響，特別是采用內(nèi)側(cè)法試驗(yàn)裝置時(shí)。對(duì)此，有關(guān)專家進(jìn)行過(guò)論證，提出了一些建議和設(shè)想。筆者在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)縫高壓氣瓶水壓試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)存在的問題進(jìn)行了分析和探討。

2 現(xiàn)行水壓試驗(yàn)合格評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)存在的問題

2.1 水壓試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)的確定依據(jù)

以容積殘余變形率作為氣瓶水壓試驗(yàn)評(píng)定指標(biāo)，是因其與瓶壁應(yīng)力、應(yīng)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(yàn)壓力作用下，殼壁處于兩向應(yīng)力狀態(tài)，即軸向應(yīng)力(z、周向應(yīng)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(wú)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(jiǎn)體部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)。在試驗(yàn)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(jiǎn)化,略去(的高次項(xiàng)得：

(VE=(R2L(2(t＋(z）＋2(R3(0

當(dāng)氣瓶的長(zhǎng)度大于半徑的10倍，即L(10R時(shí)，半球封頭的彈性變形2(R3(0相對(duì)于筒體部分的變形來(lái)說(shuō)很小，可忽略不計(jì)。因此，氣瓶的彈性變形為：(VE=(R2L（2(t＋(z）

氣瓶在試驗(yàn)壓力下產(chǎn)生的容積殘余變形為：

(VP=(R2(1＋(' t2<\sup>－(R2L

簡(jiǎn)化，略去(t的高次項(xiàng)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(duì)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(yàn)時(shí)容積殘余變形率不超過(guò)10%，則瓶壁產(chǎn)生的最大殘余變形(' t，也不超過(guò)0.03%,也就是氣瓶在水壓試驗(yàn)壓力下瓶壁的最大應(yīng)力在材料的彈性極限范圍內(nèi)。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析和研究

為了分析水壓試驗(yàn)時(shí)容積殘余變形率與瓶壁應(yīng)力及應(yīng)變之間的關(guān)系，筆者對(duì)公稱工作壓力為14.7MPa、直徑為219mm、容積分別為40L和41L的兩個(gè)中碳錳鋼制（42Mn2，屈服極限(s=500MPa）縫氣瓶在不同的試驗(yàn)壓力下進(jìn)行了水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)采用內(nèi)側(cè)法，通過(guò)測(cè)定瓶?jī)?nèi)在試驗(yàn)壓力下所進(jìn)入的水量與卸壓后由瓶?jī)?nèi)排出的水量來(lái)計(jì)算它的容積全變形和容積殘余變形，并由此計(jì)算出容積殘余變形率。進(jìn)行水壓試驗(yàn)的同時(shí)，在兩個(gè)氣瓶外壁的中部各選一點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試。在每一點(diǎn)上沿瓶體的軸向和周向各貼一片電阻應(yīng)變片，采用YJD-1型電阻應(yīng)變儀并配有P20R-1型預(yù)調(diào)平衡箱，測(cè)試其在不同試驗(yàn)壓力下的應(yīng)變值及卸壓后殘余應(yīng)變值。測(cè)試和計(jì)算結(jié)果列于表1。

@5001

@5101

按設(shè)計(jì)要求，氣瓶水壓試驗(yàn)時(shí)瓶壁應(yīng)力水平不超過(guò)材料屈服極限的90%。從表1、2中看到，當(dāng)瓶壁的應(yīng)力水平達(dá)0.9(s時(shí)，即瓶壁周向應(yīng)力(t=0.9, (s=450Mpa時(shí)，兩瓶體的周向殘余應(yīng)變分別為0.0024%和0.0055%，所對(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。從表中可見，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，由于材料具有明顯的屈服平臺(tái)，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(yàn)表明，隨試驗(yàn)壓力的逐增，量筒水位逐降，即進(jìn)水量與壓力按一定的比例增加；應(yīng)變儀指示的應(yīng)變值也逐漸增大。當(dāng)試驗(yàn)壓力增至34.0MPa時(shí)，進(jìn)水量、回水量急劇增大，應(yīng)變值及殘余變形值均顯著增大。由此看出，對(duì)中碳錳鋼制氣瓶在水壓試驗(yàn)中，當(dāng)瓶壁的應(yīng)力水平未達(dá)到屈服極限時(shí)，即使在接近屈服極限時(shí)，其容積殘余變形率始終很小，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限，變形急劇增大，容積殘余變形率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)合格標(biāo)準(zhǔn)。

筆者認(rèn)為，以容積殘余變形率作為氣瓶水壓試驗(yàn)的合格評(píng)定指標(biāo)存在著局限性。

首先，它控制的應(yīng)力范圍比較小，且與應(yīng)力水平相對(duì)應(yīng)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(lái)。試驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)壓力為30MPa時(shí)，1#瓶、2#瓶的周向應(yīng)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?dāng)(達(dá)到10%時(shí)，瓶壁的周向應(yīng)力很可能已超過(guò)屈服極限。因此，對(duì)于這種彈塑性良好的材料所制的高壓無(wú)縫氣瓶，沿用(((10%這一合格標(biāo)準(zhǔn)是不妥當(dāng)?shù)摹?/font>