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壓力容器出廠前一般要進行水壓試驗，以檢驗壓力容器受壓元件、部件的嚴(yán)密性和強度或整臺容器系統(tǒng)的嚴(yán)密性和強度。對于一些重要的設(shè)備，還要求在水壓試驗時對某些部位進行應(yīng)力應(yīng)變測量。本文介紹了一臺大型儲氣筒在水壓加載到4.5、5.4、6.0、6.5、7.8、9.0、9.7MPa等不同壓力水平時的應(yīng)力、應(yīng)變測試過程以及結(jié)果分析，了解其應(yīng)力分布特別是焊縫處以及開孔接管附近的應(yīng)力分布情況，并對試驗結(jié)果與理論結(jié)果進行比較分析。

水壓試驗的方法和步驟

測定方法以及測點選擇

儲氣筒在進行水壓試驗之前，對其進行了外觀檢測，發(fā)現(xiàn)儲氣筒除了個別地方有些很小的凹坑之外，整體均較平整。該儲氣筒的內(nèi)徑為2200mm，壁厚60mm，總長10200mm，材料為16MnR鋼。筒上有4個開孔接管。（見圖1）

N₁為封頭上的人孔，N₂，N₅和N₇為圓筒壁上的接管開孔。

 

為了全面了解大型儲氣筒在受壓后的應(yīng)力分布情況，本文在水壓狀態(tài)下對該儲氣筒進行了應(yīng)力測量，分別在3條縱焊縫、4條環(huán)焊縫、接管開孔處以及焊縫熱影響區(qū)進行了布片。布片點說明如下（見圖2）：

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

B. 環(huán)焊縫、縱焊縫相交點只布一個片，如A_1-1；

C. 接管開孔周圍除了在焊縫中心和上下各25mm處布片外，在接管過渡圓弧中心處也布片；

D. 其他4點中，Q₁、Q₂兩點分別距離N₅、N₇上的測點2位置50mm；Q₃、Q₄兩點分別距離Q₁和Q₂水平弧線距離50mm。

應(yīng)變儀介紹

試驗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，功能強大，可對力、扭矩、位移等物理量進行采集。應(yīng)變值實時顯示，實時保存，可自動生成報表。

測試步驟

A. 先對儲氣筒筒壁布點位置進行定位、打磨、貼片。

B. 往容器里注滿水但先不加壓，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償片，進行溫度補償；

D. 對容器進行一次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的壓力水平進行應(yīng)變測試，每級壓力下先穩(wěn)壓3min，并測取數(shù)據(jù)；

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

測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

總體分析

從測試結(jié)果可以看出，所有點的壓力應(yīng)力曲線近似一條直線，這說明容器在1.25倍設(shè)計壓力的水壓試驗范圍內(nèi)處于*全彈性范圍內(nèi)，無塑性變形。應(yīng)力相對較高的部位主要在4個大接管即N₁、N₂、N₅和N₇部位及附近部位Q₁、Q₂、Q₃和Q₄測點，其中*大應(yīng)力為N₁接管的第6點部位的環(huán)向應(yīng)力，在壓力為9.7MPa時測得該點的環(huán)向應(yīng)力為362MPa。縱向焊縫和環(huán)向焊縫各部位測得的應(yīng)力相對較低，在壓力為9.7MPa時各測點的應(yīng)力均在200MPa以下。由筒體焊縫位置和接管開孔附近區(qū)域應(yīng)力分布情況可知，由于接管開孔引起的應(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)在接管開孔處，從N_1-6點隨壓力變化的應(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性關(guān)系。從圖3可知，N_1-6點環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力比值基本在1.5，而A_1-2點環(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。同時處在筒體縱焊縫上的A_1-2點比處在接管開孔附近N_1-6點的環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力比值更接近2.0，說明開孔是導(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)焊縫相交各點軸向應(yīng)力實驗值與理論值基本一致，而環(huán)向應(yīng)力除了A_1-1、A_3-6兩點處也比較接近。對于A_1-1、A_3-6兩點，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，可以認為是合理的。

圖5表明，熱影響區(qū)附近的應(yīng)力遠小于焊縫處的應(yīng)力，接管圓弧中心最小甚至出現(xiàn)了壓應(yīng)力，說明焊縫金屬的力學(xué)性能對應(yīng)變測試有很大的影響。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。在離焊縫更遠的Q₂、Q₄點，應(yīng)力開始減小，說明距離6點越遠，應(yīng)力值逐漸減小，即受接管開孔引起應(yīng)力集中影響逐漸減小。

結(jié)束語

在整個測試過程中，加壓過程平穩(wěn)，應(yīng)變片以及導(dǎo)線狀態(tài)良好。試驗結(jié)果表明，焊縫以及接管開孔引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致了局部應(yīng)力增大，焊縫金屬的力學(xué)性能對應(yīng)力應(yīng)變測試產(chǎn)生了極大的影響。試驗測得大型儲氣筒的應(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)，它的強度設(shè)計是合理的。