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壓力容器出廠(chǎng)前一般要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以檢驗(yàn)壓力容器受壓元件、部件的嚴(yán)密性和強(qiáng)度或整臺(tái)容器系統(tǒng)的嚴(yán)密性和強(qiáng)度。對(duì)于一些重要的設(shè)備，還要求在水壓試驗(yàn)時(shí)對(duì)某些部位進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量。本文介紹了一臺(tái)大型儲(chǔ)氣筒在水壓加載到4.5、5.4、6.0、6.5、7.8、9.0、9.7MPa等不同壓力水平時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試過(guò)程以及結(jié)果分析，了解其應(yīng)力分布特別是焊縫處以及開(kāi)孔接管附近的應(yīng)力分布情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行比較分析。

水壓試驗(yàn)的方法和步驟

測(cè)定方法以及測(cè)點(diǎn)選擇

儲(chǔ)氣筒在進(jìn)行水壓試驗(yàn)之前，對(duì)其進(jìn)行了外觀(guān)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氣筒除了個(gè)別地方有些很小的凹坑之外，整體均較平整。該儲(chǔ)氣筒的內(nèi)徑為2200mm，壁厚60mm，總長(zhǎng)10200mm，材料為16MnR鋼。筒上有4個(gè)開(kāi)孔接管。（見(jiàn)圖1）

N₁為封頭上的人孔，N₂，N₅和N₇為圓筒壁上的接管開(kāi)孔。

為了全面了解大型儲(chǔ)氣筒在受壓后的應(yīng)力分布情況，本文在水壓狀態(tài)下對(duì)該儲(chǔ)氣筒進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)量，分別在3條縱焊縫、4條環(huán)焊縫、接管開(kāi)孔處以及焊縫熱影響區(qū)進(jìn)行了布片。布片點(diǎn)說(shuō)明如下（見(jiàn)圖2）：

A. 環(huán)焊縫上1點(diǎn)在焊縫處，3點(diǎn)和5點(diǎn)分別在焊縫中心的上下各25mm處；

B. 環(huán)焊縫、縱焊縫相交點(diǎn)只布一個(gè)片，如A_1-1；

C. 接管開(kāi)孔周?chē)嗽诤缚p中心和上下各25mm處布片外，在接管過(guò)渡圓弧中心處也布片；

D. 其他4點(diǎn)中，Q₁、Q₂兩點(diǎn)分別距離N₅、N₇上的測(cè)點(diǎn)2位置50mm；Q₃、Q₄兩點(diǎn)分別距離Q₁和Q₂水平弧線(xiàn)距離50mm。

應(yīng)變儀介紹

試驗(yàn)中所使用的儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀，軟件式操作，功能強(qiáng)大，可對(duì)力、扭矩、位移等物理量進(jìn)行采集。應(yīng)變值實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)保存，可自動(dòng)生成報(bào)表。

測(cè)試步驟

A. 先對(duì)儲(chǔ)氣筒筒壁布點(diǎn)位置進(jìn)行定位、打磨、貼片。

B. 往容器里注滿(mǎn)水但先不加壓，檢查容器是否正常以及應(yīng)變片是否完好。

C. 為了消除溫度影響，在同種材料的試板上貼了溫度補(bǔ)償片，進(jìn)行溫度補(bǔ)償；

D. 對(duì)容器進(jìn)行一次0→3→0MPa的壓力循環(huán)，以消除系統(tǒng)誤差；

E. 按4.5、5.4、6.0、6.5、7.8、8.9、9.7MPa的壓力水平進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，每級(jí)壓力下先穩(wěn)壓3min，并測(cè)取數(shù)據(jù)；

F. 在9.7MPa壓力下穩(wěn)壓30min后卸壓，在卸壓過(guò)程中繼續(xù)測(cè)出在9.8、7.8、6.0MPa壓力下的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

總體分析

從測(cè)試結(jié)果可以看出，所有點(diǎn)的壓力應(yīng)力曲線(xiàn)近似一條直線(xiàn)，這說(shuō)明容器在1.25倍設(shè)計(jì)壓力的水壓試驗(yàn)范圍內(nèi)處于*全彈性范圍內(nèi)，無(wú)塑性變形。應(yīng)力相對(duì)較高的部位主要在4個(gè)大接管即N₁、N₂、N₅和N₇部位及附近部位Q₁、Q₂、Q₃和Q₄測(cè)點(diǎn)，其中*大應(yīng)力為N₁接管的第6點(diǎn)部位的環(huán)向應(yīng)力，在壓力為9.7MPa時(shí)測(cè)得該點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力為362MPa?？v向焊縫和環(huán)向焊縫各部位測(cè)得的應(yīng)力相對(duì)較低，在壓力為9.7MPa時(shí)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均在200MPa以下。由筒體焊縫位置和接管開(kāi)孔附近區(qū)域應(yīng)力分布情況可知，由于接管開(kāi)孔引起的應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部應(yīng)力增大。

局部分析

由以上結(jié)果可知，容器的應(yīng)力較大值只出現(xiàn)在接管開(kāi)孔處，從N_1-6點(diǎn)隨壓力變化的應(yīng)力值可以看出，環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力隨壓力變化近似線(xiàn)性關(guān)系。從圖3可知，N_1-6點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力比值基本在1.5，而A_1-2點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力比值基本在1.8，接近2.0，這與理論值較為符合。同時(shí)處在筒體縱焊縫上的A_1-2點(diǎn)比處在接管開(kāi)孔附近N_1-6點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力比值更接近2.0，說(shuō)明開(kāi)孔是導(dǎo)致應(yīng)力增大的根本原因，而它們的比值都小于2說(shuō)明了焊縫也是引起應(yīng)力增大的原因。

從圖4可以看出，縱、環(huán)焊縫相交各點(diǎn)軸向應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與理論值基本一致，而環(huán)向應(yīng)力除了A_1-1、A_3-6兩點(diǎn)處也比較接近。對(duì)于A_1-1、A_3-6兩點(diǎn)，由于其位于封頭和筒體的交界上，理論值應(yīng)該為0，這里分別為54MPa和66MPa，考慮到焊縫引起的殘余應(yīng)力影響，可以認(rèn)為是合理的。

圖5表明，熱影響區(qū)附近的應(yīng)力遠(yuǎn)小于焊縫處的應(yīng)力，接管圓弧中心最小甚至出現(xiàn)了壓應(yīng)力，說(shuō)明焊縫金屬的力學(xué)性能對(duì)應(yīng)變測(cè)試有很大的影響。另外，應(yīng)力的*大值不是位于焊縫中心，而是在距離焊縫中心25mm處的6點(diǎn)。在離焊縫更遠(yuǎn)的Q₂、Q₄點(diǎn)，應(yīng)力開(kāi)始減小，說(shuō)明距離6點(diǎn)越遠(yuǎn)，應(yīng)力值逐漸減小，即受接管開(kāi)孔引起應(yīng)力集中影響逐漸減小。

結(jié)束語(yǔ)

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，加壓過(guò)程平穩(wěn)，應(yīng)變片以及導(dǎo)線(xiàn)狀態(tài)良好。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫以及接管開(kāi)孔引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致了局部應(yīng)力增大，焊縫金屬的力學(xué)性能對(duì)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試產(chǎn)生了極大的影響。試驗(yàn)測(cè)得大型儲(chǔ)氣筒的應(yīng)力分布情況與理論分析基本接近，容器處于*全彈性范圍內(nèi)，它的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是合理的。