思凱達試壓泵壓力容器爆破實驗技術方案

思凱達試壓泵壓力容器爆破實驗技術方案

一、實驗目的

1、初步掌握壓力容器整體爆破的實驗方法及裝置；觀察并分析實驗過程中所出現的各種現象；

2、測定容器的整體屈服壓力并與理論計算值進行比較；

3、對容器的爆破口及斷口做出初步的宏觀分析；

4、對爆破容器的性能進行評價的初步訓練。

二、實驗意義

整體構件爆破實驗是壓力容器研究、設計、制造中的一個綜合性實驗方法，是考核構件材料的各項機械性能，結構設計的合理性，安全儲備以及其它方面性能的直觀性很強的實驗方法。

有以下幾個方面的應用：

1、定型：新設計壓力容器的選材、結構及制造工藝合理性驗證。

這也包括新產品的試制，材料更新，結構型式改變以及制造工藝更動時為確保產品質量而進行的實驗。

2、質量監(jiān)控：對已定型的壓力容器，為了監(jiān)控在生產中由于生產工藝的波動等因素而引起的質量波動所進行的實驗，模具的變形，熱處理爐溫的波動，原材料質量波動以及焊接工藝條件的波動等都能引起壓力容器產品質量的波動。

3、科研及其它用途的評定性實驗。

壓力容器爆破實驗屬于破壞性實驗，耗費較高。因此確定是否需要進行這類實驗時要慎重考慮。

三、實驗方法及原理

壓力容器的爆破實驗分模擬構件爆破實驗和產品抽樣實驗兩種：

1、模擬構件的爆破實驗；按照一定的模擬條件制造模擬構件，進行爆破實驗，以推斷實際容器的爆破性能，此法多用于研究、制造費用高的單件重要容器。此法的關鍵是建立準確的模擬條件。

2、產品抽樣實驗：從一定數量的產品中隨機抽取若干只進行爆破實驗。此法適用于成本相對比較低的大批量生產容器。

整個實驗過程是由壓力源向容器內注入壓力介質直至容器爆破。壓力介質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，相對而言氣壓爆破比較危險，因此一般都采用液壓爆破，但即使用液壓爆破，仍有一定的危險性，需要安全防護措施，以保證人員及設備的安全。

在爆破實驗過程中，隨著容器內壓力的增高，容器經歷彈性變形階段，進而出現局部屈服、整體屈服、材料硬化、容器過度變形直至爆破失效。為了表征容器爆破實驗過程中各階段的變化規(guī)律，可用壓力～進水量、壓力～升壓時間、壓力～筒體直徑變化量等曲線進行描述，這些參數可借助于壓力表，水位計等在實驗中測得。圖5-1即為鋼質無縫氣瓶爆破實驗中測定的壓力～升壓時間曲線，根據這些曲線所提供的信息即可分析構件材料的力學性能，并確定該容器的整體屈服壓力。

圖5-1  鋼質無縫氣瓶爆破實驗壓力-升壓時間曲線

整體屈服壓力 Ps的測定：

1、進水量不斷增加而壓力表指針基本上停滯不動時所對應的壓力；

2、在壓力～進水量等曲線上對應于整體屈服的平臺階段所對應的壓力；

爆破壓力Pb的測定：

容器爆破的瞬間容器內的壓力。爆破實驗的典型實驗裝置如圖5-2所示。

圖5-2 爆破實驗裝置簡圖

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

壓力表：量程為100MPa，l.5級；秒表，測量儀等用具。

四、圓筒形容器整體屈服壓力PS和爆破壓力片Pb的理論計算

根據受內壓圓筒的應力分析結果可知，當內壓升到某一數值時。內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)展直至整個壁厚全部屈服。此時所對應的壓力為整體屈服壓力，由于此時材料全部進人塑性，因此表現出有較大的塑性變形發(fā)生。當變形發(fā)展到一定程度時材料進入硬化階段，隨著塑性變形的不斷發(fā)生。容器壁厚不斷減薄。當壁內應力達到材料的強度限時容器發(fā)生爆破。

根據不同的壓力分布假設以及不同的屈服準則，可推導出不同的PS、Pb計算公式，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屈服準則

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

②用Mises屈服準則：

      Ps=2σs lnK/   Pb＝2σb lnK/

2、修正公式

福貝爾和史文森根據前述基于理想彈性材料推導出的Pb公式?？紤]到材料的應變硬化或屈服比（σs/σb）對爆破壓力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—自然對數底，n—材料應變硬化指數。

3、基于薄壁分析的公式

當容器壁厚相對較?。╧<1.2）時?？山颖∧だ碚撨M行分析：

①用Tresea屈服準則：

Ps=2Sσb /Dm   Pb＝2Sσb /Dm

式中：Dm為中徑（即內外壁平均直徑），S為壁厚。

②用Mises屈服準則

實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。根據理論分析及實驗驗證，不園偏差對Ps和Pb影響不大。當筒體存在壁厚偏差時。筒體強度主要取決于筒體的最薄側（Smin處）,因此應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進行計算。

五、破壞方式及斷口分析

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

對于準靜態(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。對于壓力容器用鋼一般要求塑性和韌性均比較好。若構件材料有較好的韌性；不存在宏觀冶金缺陷或裂紋，無熱處理不當；且使用（實驗）溫度不低于材料的冷脆轉變溫度，則構件的破裂形式應為韌性破裂。前述的計算PS、Pb的公式即是針對此種情況的。但是若構件材料有一定的缺陷，韌性較差，同時存在其他不利因素，例如：應力集中、殘余應力、環(huán)境溫度過低等，則可能發(fā)生脆性破裂。

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)裂紋的形成和擴展是比較緩慢的。纖維區(qū)的表面呈現粗糙的纖維狀；顏色常為暗灰色。它所在的宏觀平面（即裂紋擴展的宏觀平面）垂直于拉伸應力方向。

放射區(qū)緊接著纖維區(qū)。它是裂紋達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，裂紋擴展也是快速的。但它是一種剪切斷裂。剪切唇表面光滑。無閃耀的金晨光澤，與拉伸主應力方向成 450角。

根據斷口三區(qū)的相對比例可判斷構件材料的斷裂特征、此比例主要由材料的性質，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。甚至出現全剪切唇斷口。

六、試件

鋼質無縫氣瓶；

材料：4OMn2A；

設計壓力：14.7 MPa；

公稱容積：40 L；

公稱直徑（外徑）：φ219 mm；

計算壁厚 6.5mm；

氣瓶材料實測機械性能實驗前提供。

七、實驗步驟

1、實測試件直徑及各點壁厚，找出最小壁厚部位。予定起爆位置；

2、將試件內充滿水，然后接到高壓泵上，并應設法排盡系統或氣瓶中殘余空氣；

3、在實驗前應再次檢查安全防護措施，并確定觀測、讀數、記錄人員的分工。經指導教師同意后，才可進行實驗；

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

5、觀察、測繪并紀錄試件爆破后的的斷口情況。

八、實驗報告

1、畫出爆破后的試件外形簡圖，標明破口的尺寸、斷口源；

2、畫出斷口表面簡圖，并進行宏觀分析；

3、畫出P---Q(進水量)   P---t 線 ,定出Ps 、Pt值；

4、運用強度條件及有關標準，計算Ps 、Pt值；

5、討論。