電動(dòng)試壓泵應(yīng)用于壓力容器水壓爆破實(shí)驗(yàn)方案

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電動(dòng)試壓泵應(yīng)用于壓力容器水壓爆破實(shí)驗(yàn)方案

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/P>

1、初步掌握壓力容器整體爆破的實(shí)驗(yàn)方法及裝置；觀察并分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象；

2、測(cè)定容器的整體屈服壓力并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較；

3、對(duì)容器的爆破口及斷口做出初步的宏觀分析；

4、對(duì)爆破容器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的初步訓(xùn)練。

二、實(shí)驗(yàn)意義

整體構(gòu)件爆破實(shí)驗(yàn)是壓力容器研究、設(shè)計(jì)、制造中的一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)方法，是考核構(gòu)件材料的各項(xiàng)機(jī)械性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，安全儲(chǔ)備以及其它方面性能的直觀性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方法。

有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

1、定型：新設(shè)計(jì)壓力容器的選材、結(jié)構(gòu)及制造工藝合理性驗(yàn)證。

這也包括新產(chǎn)品的試制，材料更新，結(jié)構(gòu)型式改變以及制造工藝更動(dòng)時(shí)為確保產(chǎn)品質(zhì)量而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

2、質(zhì)量監(jiān)控：對(duì)已定型的壓力容器，為了監(jiān)控在生產(chǎn)中由于生產(chǎn)工藝的波動(dòng)等因素而引起的質(zhì)量波動(dòng)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，模具的變形，熱處理爐溫的波動(dòng)，原材料質(zhì)量波動(dòng)以及焊接工藝條件的波動(dòng)等都能引起壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)。

3、科研及其它用途的評(píng)定性實(shí)驗(yàn)。

壓力容器爆破實(shí)驗(yàn)屬于破壞性實(shí)驗(yàn)，耗費(fèi)較高。因此確定是否需要進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)時(shí)要慎重考慮。

三、實(shí)驗(yàn)方法及原理

壓力容器的爆破實(shí)驗(yàn)分模擬構(gòu)件爆破實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品抽樣實(shí)驗(yàn)兩種：

1、模擬構(gòu)件的爆破實(shí)驗(yàn)；按照一定的模擬條件制造模擬構(gòu)件，進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，以推斷實(shí)際容器的爆破性能，此法多用于研究、制造費(fèi)用高的單件重要容器。此法的關(guān)鍵是建立準(zhǔn)確的模擬條件。

2、產(chǎn)品抽樣實(shí)驗(yàn)：從一定數(shù)量的產(chǎn)品中隨機(jī)抽取若干只進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)。此法適用于成本相對(duì)比較低的大批量生產(chǎn)容器。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程是由壓力源向容器內(nèi)注入壓力介質(zhì)直至容器爆破。壓力介質(zhì)可為氣體或液體兩種。由于氣壓爆破所釋放的能量比液壓爆破所釋放的能量大得多，相對(duì)而言氣壓爆破比較危險(xiǎn)，因此一般都采用液壓爆破，但即使用液壓爆破，仍有一定的危險(xiǎn)性，需要安全防護(hù)措施，以保證人員及設(shè)備的安全。

在爆破實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著容器內(nèi)壓力的增高，容器經(jīng)歷彈性變形階段，進(jìn)而出現(xiàn)局部屈服、整體屈服、材料硬化、容器過(guò)度變形直至爆破失效。為了表征容器爆破實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各階段的變化規(guī)律，可用壓力～進(jìn)水量、壓力～升壓時(shí)間、壓力～筒體直徑變化量等曲線進(jìn)行描述，這些參數(shù)可借助于壓力表，水位計(jì)等在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得。圖5-1即為鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶爆破實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的壓力～升壓時(shí)間曲線，根據(jù)這些曲線所提供的信息即可分析構(gòu)件材料的力學(xué)性能，并確定該容器的整體屈服壓力。

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圖5-1  鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶爆破實(shí)驗(yàn)壓力-升壓時(shí)間曲線

整體屈服壓力 Ps的測(cè)定：

1、進(jìn)水量不斷增加而壓力表指針基本上停滯不動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力；

2、在壓力～進(jìn)水量等曲線上對(duì)應(yīng)于整體屈服的平臺(tái)階段所對(duì)應(yīng)的壓力；

爆破壓力Pb的測(cè)定：

容器爆破的瞬間容器內(nèi)的壓力。爆破實(shí)驗(yàn)的典型實(shí)驗(yàn)裝置如圖5-2所示。

圖5-2 爆破實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

高壓泵：98MPa柱塞泵，介質(zhì)為水（或超高壓泵：600MPa柱塞泵，介質(zhì)為煤油和變壓器油）。

壓力表：量程為100MPa，l.5級(jí)；秒表，測(cè)量?jī)x等用具。

四、圓筒形容器整體屈服壓力P_S和爆破壓力片P_b的理論計(jì)算

根據(jù)受內(nèi)壓圓筒的應(yīng)力分析結(jié)果可知，當(dāng)內(nèi)壓升到某一數(shù)值時(shí)。內(nèi)壁表層材料首先開始屈服，隨著壓力的升高，塑性區(qū)向外發(fā)展直至整個(gè)壁厚全部屈服。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力為整體屈服壓力，由于此時(shí)材料全部進(jìn)人塑性，因此表現(xiàn)出有較大的塑性變形發(fā)生。當(dāng)變形發(fā)展到一定程度時(shí)材料進(jìn)入硬化階段，隨著塑性變形的不斷發(fā)生。容器壁厚不斷減薄。當(dāng)壁內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度限時(shí)容器發(fā)生爆破。

根據(jù)不同的壓力分布假設(shè)以及不同的屈服準(zhǔn)則，可推導(dǎo)出不同的P_S、P_b計(jì)算公式，具有代表性的有以下幾種：

1、基于理想彈-塑性材料，按厚壁圓園筒分析得出的公式

① 用TreSea屈服準(zhǔn)則

式中k＝D0/Di（圓筒外、內(nèi)徑之比），σs、σb分別為材料的屈服應(yīng)力和抗拉應(yīng)力。

②用Mises屈服準(zhǔn)則：

       Ps=2σs lnK/    Pb＝2σb lnK/

2、修正公式

福貝爾和史文森根據(jù)前述基于理想彈性材料推導(dǎo)出的Pb公式�？紤]到材料的應(yīng)變硬化或屈服比（σs/σb）對(duì)爆破壓力Pb的影響，分別提出修正公式：

①福貝爾公式：

②史文森公式：

               

式中：e—自然對(duì)數(shù)底，n—材料應(yīng)變硬化指數(shù)。

3、基于薄壁分析的公式

當(dāng)容器壁厚相對(duì)較�。╧<1.2）時(shí)。可接薄膜理論進(jìn)行分析：

①用Tresea屈服準(zhǔn)則：

Ps=2Sσb /Dm   Pb＝2Sσb /Dm

式中：Dm為中徑（即內(nèi)外壁平均直徑），S為壁厚。

②用Mises屈服準(zhǔn)則

實(shí)際上圓筒形容器都不可避免地帶有壁厚偏差，不園等幾何偏差，其受壓變形規(guī)律與理想化的均勻壁厚圓筒分析不盡相同。但仍可找出反映筒體總變形意義下的Ps和Pb。根據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不園偏差對(duì)Ps和Pb影響不大。當(dāng)筒體存在壁厚偏差時(shí)。筒體強(qiáng)度主要取決于筒體的最薄側(cè)（Smin處）,因此應(yīng)將有壁厚偏差筒體視為壁厚等于Smin外徑不變的均勻圓筒處理。將Smin和K=D₀／（D₀－2Smin）分別代替上述各公式中的S和K進(jìn)行計(jì)算。

五、破壞方式及斷口分析

試件爆破后，根據(jù)破口的形狀，有無(wú)碎片，爆破源處金屬的變形及爆破斷口的宏觀分析等諸方面來(lái)定性地分析構(gòu)件材料的斷裂特征。

對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)一次性加壓爆破的容器而言�？赡馨l(fā)生的破裂形式為韌性破裂或脆性破裂。對(duì)于壓力容器用鋼一般要求塑性和韌性均比較好。若構(gòu)件材料有較好的韌性；不存在宏觀冶金缺陷或裂紋，無(wú)熱處理不當(dāng)；且使用（實(shí)驗(yàn)）溫度不低于材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度，則構(gòu)件的破裂形式應(yīng)為韌性破裂。前述的計(jì)算PS、Pb的公式即是針對(duì)此種情況的。但是若構(gòu)件材料有一定的缺陷，韌性較差，同時(shí)存在其他不利因素，例如：應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、環(huán)境溫度過(guò)低等，則可能發(fā)生脆性破裂。

	韌  性  破  裂	脆性破裂
破口形狀	一般無(wú)碎片，僅有裂口。 圓筒形容器主裂口沿筒體軸向	有碎片’
塑性變形	比較大	幾乎無(wú)
名義應(yīng)力水平 Pb	與常規(guī)強(qiáng)度計(jì)算值接近	較低

韌性破裂和脆性破裂鑒別：

1、破口的宏觀特征

2、端口宏觀特征

構(gòu)件斷口的宏觀分析主要解決主斷面的情況，如變形程度；斷面形貌；斷裂源的分析等。

金屬的拉伸斷口，一般都是由三個(gè)區(qū)組成。即纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇。稱為斷口三要素。如圖5-3示。

圖5-3 斷口三要素示意圖

纖維區(qū)緊接斷裂源，是斷裂的發(fā)源地。矩形截面試樣或板材斷裂的纖維區(qū)域呈橢圓形。在此區(qū)裂紋的形成和擴(kuò)展是比較緩慢的。纖維區(qū)的表面呈現(xiàn)粗糙的纖維狀；顏色常為暗灰色。它所在的宏觀平面（即裂紋擴(kuò)展的宏觀平面）垂直于拉伸應(yīng)力方向。

放射區(qū)緊接著纖維區(qū)。它是裂紋達(dá)到臨界尺寸后高速斷裂的區(qū)域，放射區(qū)存在人字形放射花紋，它是脆性斷裂最主要的宏觀特征之一。人字形花紋的尖頂必然指向纖維區(qū)，指向斷裂源。

剪切唇是最后斷裂的區(qū)域，靠近表面。在此區(qū)域中，裂紋擴(kuò)展也是快速的。但它是一種剪切斷裂。剪切唇表面光滑。無(wú)閃耀的金晨光澤，與拉伸主應(yīng)力方向成 45⁰角。

根據(jù)斷口三區(qū)的相對(duì)比例可判斷構(gòu)件材料的斷裂特征、此比例主要由材料的性質(zhì)，板厚以及溫度決定。材料越脆，板厚較大，溫度越低，則纖維區(qū)、剪切唇越小，放射區(qū)越大。反之材料塑性韌性越好， 板厚越小，溫度越高，則纖維區(qū)剪切唇愈大，放射區(qū)越小。甚至出現(xiàn)全剪切唇斷口。

六、試件

鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶；

材料：4OMn2A；

設(shè)計(jì)壓力：14.7 MPa；

公稱容積：40 L；

公稱直徑（外徑）：φ219 mm；

計(jì)算壁厚 6.5mm；

氣瓶材料實(shí)測(cè)機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)前提供。

七、實(shí)驗(yàn)步驟

1、實(shí)測(cè)試件直徑及各點(diǎn)壁厚，找出最小壁厚部位。予定起爆位置；

2、將試件內(nèi)充滿水，然后接到高壓泵上，并應(yīng)設(shè)法排盡系統(tǒng)或氣瓶中殘余空氣；

3、在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)再次檢查安全防護(hù)措施，并確定觀測(cè)、讀數(shù)、記錄人員的分工。經(jīng)指導(dǎo)教師同意后，才可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

4、開泵升壓，升壓速度應(yīng)時(shí)宜（在整體屈服前不得大于0.5MPa）。在升壓過(guò)程中觀察壓力上升情況，讀出各壓力下的升壓時(shí)間及相應(yīng)的進(jìn)水量，最后讀出爆破壓力值；

5、觀察、測(cè)繪并紀(jì)錄試件爆破后的的斷口情況。

八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、畫出爆破后的試件外形簡(jiǎn)圖，標(biāo)明破口的尺寸、斷口源；

2、畫出斷口表面簡(jiǎn)圖，并進(jìn)行宏觀分析；

3、畫出P---Q(進(jìn)水量)   P---t 線 ,定出Ps 、Pt值；

4、運(yùn)用強(qiáng)度條件及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算Ps 、Pt值；

5、討論。