【摘 要】水壓試驗是氣瓶檢驗的主要項目，將容積殘余變形率超過10%作為氣瓶報廢的標(biāo)準(zhǔn)沿用至今。筆者通過實驗，分析了氣瓶水壓試驗現(xiàn)行評定標(biāo)準(zhǔn)存在的問題，并對采用容積彈性變形作為評定指標(biāo)進行了探討，以期為制訂更合理的水壓試驗標(biāo)準(zhǔn)提供有益的啟示。

【關(guān)鍵詞】水壓試驗 合格標(biāo)準(zhǔn) 容積殘余變形率 容積彈性變形

1 引 言

氣瓶水壓試驗是氣瓶檢驗的必檢項目，也是公認(rèn)的全面檢驗氣瓶綜合性能較理想的方法。水壓試驗的合格評定標(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)外也有較長時間的實踐經(jīng)驗，但并是很科學(xué)的。試驗證明，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，將容積殘余變形率不大于10%規(guī)定為合格標(biāo)準(zhǔn)，并非一個十分嚴(yán)密的數(shù)據(jù)。實際上，容積殘余變形常常受到測量誤差的影響，特別是采用內(nèi)側(cè)法試驗裝置時。對此，有關(guān)專家進行過論證，提出了一些建議和設(shè)想。筆者在實驗基礎(chǔ)上，對無縫高壓氣瓶水壓試驗合格標(biāo)準(zhǔn)存在的問題進行了分析和探討。

2 現(xiàn)行水壓試驗合格評定標(biāo)準(zhǔn)存在的問題

2.1 水壓試驗合格標(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評定指標(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，簡體部分長度為L。在試驗壓力下,氣瓶的容積彈性變形(V_E為：

(V_E=(V_E筒體＋(V_E封頭=(R²（1＋ (_t）²·L（1+(_x）＋×(R³（1＋(₀）<sup>3<\sup>－(R2L－×(R3簡化,略去(的高次項得：

(V_E=(R2L(2(_t＋(_z）＋2(R3(₀

當(dāng)氣瓶的長度大于半徑的10倍，即L(10R時，半球封頭的彈性變形2(R3(₀相對于筒體部分的變形來說很小，可忽略不計。因此，氣瓶的彈性變形為：(V_E=(R2L（2(_t＋(_z）

氣瓶在試驗壓力下產(chǎn)生的容積殘余變形為：

(V_P=(R2(1＋(' _t2<\sup>－(R2L

簡化，略去(_t的高次項后得：

(V_P=2(R2L( ' _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＋(V_P=(R2L(2(_x＋(_x＋2( '<sub>t)

因此，容積殘余變形率為：

(==

對于薄壁容器：

(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=500/2.1×105=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，若氣瓶水壓試驗時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 實驗分析和研究

為了分析水壓試驗時容積殘余變形率與瓶壁應(yīng)力及應(yīng)變之間的關(guān)系，筆者對公稱工作壓力為14.7MPa、直徑為219mm、容積分別為40L和41L的兩個中碳錳鋼制（42Mn2，屈服極限(s=500MPa）縫氣瓶在不同的試驗壓力下進行了水壓試驗。水壓試驗采用內(nèi)側(cè)法，通過測定瓶內(nèi)在試驗壓力下所進入的水量與卸壓后由瓶內(nèi)排出的水量來計算它的容積全變形和容積殘余變形，并由此計算出容積殘余變形率。進行水壓試驗的同時，在兩個氣瓶外壁的中部各選一點進行應(yīng)變測試。在每一點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，測試其在不同試驗壓力下的應(yīng)變值及卸壓后殘余應(yīng)變值。測試和計算結(jié)果列于表1。

@5001

@5101

按設(shè)計要求，氣瓶水壓試驗時瓶壁應(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0.9(s時，即瓶壁周向應(yīng)力(t=0.9, (s=450Mpa時，兩瓶體的周向殘余應(yīng)變分別為0.0024%和0.0055%，所對應(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)力達到屈服極限時，由于材料具有明顯的屈服平臺，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。試驗表明，隨試驗壓力的逐增，量筒水位逐降，即進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)試驗壓力增至34.0MPa時，進水量、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，對中碳錳鋼制氣瓶在水壓試驗中，當(dāng)瓶壁的應(yīng)力水平未達到屈服極限時，即使在接近屈服極限時，其容積殘余變形率始終很小，當(dāng)應(yīng)力達到屈服極限，變形急劇增大，容積殘余變形率遠遠超過合格標(biāo)準(zhǔn)。

筆者認(rèn)為，以容積殘余變形率作為氣瓶水壓試驗的合格評定指標(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。試驗中，當(dāng)試驗壓力為30MPa時，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)(達到10%時，瓶壁的周向應(yīng)力很可能已超過屈服極限。因此，對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?BR />
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。

為證實此現(xiàn)象，筆者對兩只最小壁厚車至3mm(偏心度為1.0)和4.5mm（偏心度為2.0）的新氣瓶進行試驗，同一試驗壓力下瓶壁各處的應(yīng)力值相差很大。對于最小壁厚為3mm的氣瓶，當(dāng)容積殘余變形率為2%和4.6%時，測得壁厚3mm處的周圍向應(yīng)力分別為503.3MPa和546.8MPa；對于最小壁厚為4.5mm的氣瓶，當(dāng)容積殘余變形率為1.1%和1.6%時，測得壁厚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，薄壁處的周向應(yīng)力均已達到或超過材料的屈服極限，且偏心度越大，薄壁處應(yīng)力達到屈服極限時所對應(yīng)的容積殘余變形率越小。故現(xiàn)行的水壓試驗容積殘余變形率((10%的合格標(biāo)準(zhǔn)對于存在壁厚偏差的氣瓶是不合適的。

第三，試驗還發(fā)現(xiàn)，氣瓶某次水壓試驗所測得的容積殘余變形率較高，而同樣試驗壓力下再次水壓試驗，容積殘余變形率反而比前次小。為證實這一結(jié)果，又對四個水壓試驗不合格（已發(fā)生屈服變形）的氣瓶再次進行水壓試驗，測得的容積殘余變形率分別為0.12%、0.23%、0.46%、0.82%。在實際工作中，也常常碰到這種情況。有的單位在水壓試驗時，第一次測得的殘余變形率超過合格標(biāo)準(zhǔn)，就再測試一次，結(jié)果第二次殘余變形率減小，因此，就判定該瓶檢驗合格并繼續(xù)投入使用。這種做法大大影響了試驗結(jié)果的可靠性。

目前水壓試驗判定方法，只規(guī)定了單次試驗中殘余變形率的容許上限，而未規(guī)定水壓試驗的容評次數(shù)。氣瓶每三年檢驗一次，經(jīng)若干次水壓試驗后，所測得的容積殘余變形率已不能反映瓶體真實的應(yīng)力狀況；同時由于氣瓶每次水壓試驗時都會產(chǎn)生一定的容積殘余變形，氣瓶經(jīng)有限次水壓試驗后，雖然當(dāng)次殘余變形率較小，但其累計數(shù)值往往可能超過10%。因此，用每次水壓試驗時所測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?BR />
第四，國內(nèi)水壓試驗多采用內(nèi)側(cè)法，在實測和計算中誤差較大。造成測量誤差的因素較多，如試壓系統(tǒng)管路及瓶內(nèi)的氣體未排盡；試壓系統(tǒng)有微量泄漏；試驗裝置不合理；讀數(shù)誤差等等。試驗壓力下氣瓶容積殘余變形量較小，而測定的容積殘余變形率誤差較大，易造成錯判。

通過以上實驗分析，筆者認(rèn)為，在對氣瓶水壓試驗結(jié)果進行評定時，繼續(xù)沿用容積殘余變形率((10%這個評定標(biāo)準(zhǔn)是不合適的，應(yīng)該探索更為科學(xué)合理的評定指標(biāo)。

3 以容積彈性變形作為高壓氣瓶檢驗評定指標(biāo)的探討

氣瓶在試驗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，水壓試驗時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</sub></sup>