【摘 要】水壓試驗(yàn)是氣瓶檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目，將容積殘余變形率超過10%作為氣瓶報(bào)廢的標(biāo)準(zhǔn)沿用至今。筆者通過實(shí)驗(yàn)，分析了氣瓶水壓試驗(yàn)現(xiàn)行評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)存在的問題，并對(duì)采用容積彈性變形作為評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行了探討，以期為制訂更合理的水壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供有益的啟示。

【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(V_E為：

(V_{E=(VE筒體＋(VE封頭=(R^{2（1＋ (t）2·L（1+(x）＋×(R3（1＋(0）3<\sup>－(R2L－×(R3簡(jiǎn)化,略去(的高次項(xiàng)得：}}

(V_{E=(R^{2L(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(R^{3(_{0相對(duì)于筒體部分的變形來說很小，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：

(V_{P=(R^{2(1＋(‘ t2<\sup>－(R2L}}

簡(jiǎn)化，略去(_{t的高次項(xiàng)后得：}

(V_{P=2(R^{2L( ‘ 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= (V_{E＋(VP=(R^{2L(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=500/2.1×10^{5=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10%，則瓶壁產(chǎn)生的最大殘余變形(^{‘ _{t，也不超過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（42Mn_{2，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。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縫氣瓶，沿用(((10%這一合格標(biāo)準(zhǔn)是不妥當(dāng)?shù)摹?/p>}}

第二，目前國內(nèi)高壓氣瓶絕大多數(shù)是采用沖拔拉伸工藝制成的，這類氣瓶普通存在著壁厚偏差。因壁厚不均，同一試驗(yàn)壓力下各處的應(yīng)變值也不同，表現(xiàn)為氣瓶的某些部位在試驗(yàn)壓力下已發(fā)生塑性變形，而其它部位卻仍然牌彈性階段，即容積殘余變形不是沿周向均勻分布的，而主要集中在壁厚較薄的部位。由于氣瓶塑性變形局部化現(xiàn)象的存在，使其在試驗(yàn)壓力下總體的容積殘余變形率雖不大，但薄弱部位的應(yīng)力往往很高。

為證實(shí)此現(xiàn)象，筆者對(duì)兩只最小壁厚車至3mm(偏心度為1.0)和4.5mm（偏心度為2.0）的新氣瓶進(jìn)行試驗(yàn)，同一試驗(yàn)壓力下瓶壁各處的應(yīng)力值相差很大。對(duì)于最小壁厚為3mm的氣瓶，當(dāng)容積殘余變形率為2%和4.6%時(shí)，測(cè)得壁厚3mm處的周圍向應(yīng)力分別為503.3MPa和546.8MPa；對(duì)于最小壁厚為4.5mm的氣瓶，當(dāng)容積殘余變形率為1.1%和1.6%時(shí)，測(cè)得壁厚4.5mm處的周向應(yīng)力分別為509.3MPa和577.5MPa。當(dāng)容積殘余變形率還比較小時(shí)，薄壁處的周向應(yīng)力均已達(dá)到或超過材料的屈服極限，且偏心度越大，薄壁處應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)所對(duì)應(yīng)的容積殘余變形率越小。故現(xiàn)行的水壓試驗(yàn)容積殘余變形率((10%的合格標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于存在壁厚偏差的氣瓶是不合適的。

第三，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，氣瓶某次水壓試驗(yàn)所測(cè)得的容積殘余變形率較高，而同樣試驗(yàn)壓力下再次水壓試驗(yàn)，容積殘余變形率反而比前次小。為證實(shí)這一結(jié)果，又對(duì)四個(gè)水壓試驗(yàn)不合格（已發(fā)生屈服變形）的氣瓶再次進(jìn)行水壓試驗(yàn)，測(cè)得的容積殘余變形率分別為0.12%、0.23%、0.46%、0.82%。在實(shí)際工作中，也常常碰到這種情況。有的單位在水壓試驗(yàn)時(shí)，第一次測(cè)得的殘余變形率超過合格標(biāo)準(zhǔn)，就再測(cè)試一次，結(jié)果第二次殘余變形率減小，因此，就判定該瓶檢驗(yàn)合格并繼續(xù)投入使用。這種做法大大影響了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

目前水壓試驗(yàn)判定方法，只規(guī)定了單次試驗(yàn)中殘余變形率的容許上限，而未規(guī)定水壓試驗(yàn)的容評(píng)次數(shù)。氣瓶每三年檢驗(yàn)一次，經(jīng)若干次水壓試驗(yàn)后，所測(cè)得的容積殘余變形率已不能反映瓶體真實(shí)的應(yīng)力狀況；同時(shí)由于氣瓶每次水壓試驗(yàn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的容積殘余變形，氣瓶經(jīng)有限次水壓試驗(yàn)后，雖然當(dāng)次殘余變形率較小，但其累計(jì)數(shù)值往往可能超過10%。因此，用每次水壓試驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的容積殘余變形率作為判定氣瓶能否繼續(xù)安全使用的依據(jù)是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

第四，國內(nèi)水壓試驗(yàn)多采用內(nèi)側(cè)法，在實(shí)測(cè)和計(jì)算中誤差較大。造成測(cè)量誤差的因素較多，如試壓系統(tǒng)管路及瓶?jī)?nèi)的氣體未排盡；試壓系統(tǒng)有微量泄漏；試驗(yàn)裝置不合理；讀數(shù)誤差等等。試驗(yàn)壓力下氣瓶容積殘余變形量較小，而測(cè)定的容積殘余變形率誤差較大，易造成錯(cuò)判。

通過以上實(shí)驗(yàn)分析，筆者認(rèn)為，在對(duì)氣瓶水壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定時(shí)，繼續(xù)沿用容積殘余變形率((10%這個(gè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是不合適的，應(yīng)該探索更為科學(xué)合理的評(píng)定指標(biāo)。

3 以容積彈性變形作為高壓氣瓶檢驗(yàn)評(píng)定指標(biāo)的探討

氣瓶在試驗(yàn)壓力下的容積彈性變形與瓶壁所產(chǎn)生的應(yīng)力成正比例關(guān)系，因此，水壓試驗(yàn)時(shí)容積彈性變形的大小直接反映出瓶壁應(yīng)力的大小。氣瓶水

壓試驗(yàn)合格評(píng)定指標(biāo)應(yīng)根據(jù)它試壓時(shí)的應(yīng)力水平來確定，所以，用容積彈性變形作為水壓試驗(yàn)的主要評(píng)定指標(biāo)是比較合理的。

前面已推導(dǎo)出氣瓶在試驗(yàn)壓力下的彈性變形為

(V
_{E=(R^{2L（2(t＋(z）}}

則彈性變形率為

=2(_t＋(z

將應(yīng)力一應(yīng)變的關(guān)系式代入，則容積彈性變形率為

=（5－4(）=F(_t

式中，F(xiàn)一氣瓶應(yīng)力一容積變形系數(shù)，它只與制造氣瓶所用材料物理性能（E，(）有關(guān)，用一定材料制成的氣瓶，應(yīng)力一容積變形系數(shù)是固定不變的，這樣可以根據(jù)規(guī)定的許用應(yīng)力值確定氣瓶的容積彈性變形允許值。另外，考慮到氣瓶由于制造偏心或受嚴(yán)重腐蝕而致壁厚大面積減薄時(shí)造成壁厚偏差，導(dǎo)致瓶壁較薄處的應(yīng)力增大，可引入一壁厚偏差系數(shù)。因此，根據(jù)氣瓶設(shè)計(jì)許用應(yīng)力確定其水壓試驗(yàn)時(shí)容積彈性變形允許值時(shí)，可以按下式計(jì)算：

[(V^E(s[(]V

式中，[(V^{E]—-容積彈性變形允許值，ml；Np —–氣瓶試驗(yàn)壓力與設(shè)計(jì)壓力之比；F—–氣瓶的應(yīng)力—容積變形系數(shù)，MPaEs—–氣瓶壁厚偏差系數(shù)。當(dāng)壁厚較均勻時(shí)，系數(shù)為1；當(dāng)壁厚偏差較大時(shí)，系數(shù)為最薄處的壁厚與平均壁厚之比。}

氣瓶容積彈性變形是試驗(yàn)壓力下容積全變形與容積殘余變形之差，若水壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)的容積彈性變形不超過其允許值，則氣瓶檢驗(yàn)合格。故高壓氣瓶水壓試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)：

(V_{E =(V－(Vp (([(VEBR> 4 結(jié)束語}

水壓試驗(yàn)是氣瓶定期檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目，而試驗(yàn)合格評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)更是其中的關(guān)鍵。我國在投無縫氣約500萬只，按每三年檢驗(yàn)一次計(jì)算，每年需要進(jìn)行定期檢驗(yàn)的在用氣瓶約（160～170）萬只，任何漏判或錯(cuò)判都將造成嚴(yán)重后果，所以，選用一個(gè)比較合理的評(píng)定指標(biāo)是非常必要的。目前采用的水壓試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)有其不十分科學(xué)和合理的地方，筆者建議用彈性變形量作為水壓試驗(yàn)的合格評(píng)定指標(biāo)。但這必須有建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)依據(jù)及經(jīng)過實(shí)際工作的檢驗(yàn)，才能對(duì)此評(píng)定方法的可靠性和可行性作出結(jié)論。由于筆者在這方面所做的試驗(yàn)還不多，許多定量的分析尚待大量的實(shí)驗(yàn)研究。希望本文對(duì)氣瓶檢驗(yàn)水平的提高有所助益。

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文章名稱：《氣瓶水壓試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究》

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