气瓶水压试验方法的比较及应用分析.doc

气瓶水压试验方法的比较及应用分析
范俊明1，袁克俭2
(1．四川大学化工学院，四川成都610041；2．成都格瑞特高压容器有限责任公司，四川成都
610051)
摘要：综合分析了气瓶在批量生产条件下，气瓶水压外测法和气瓶水压内测法的优缺点。通过改
变气瓶水压内测法中受试瓶的试验状态，同时采用计算机控制技术，克服气瓶水压内测法试验受试
验条件影响大的缺点，从而提高测量精度，以适合批量生产的条件。
关键词：气瓶水压外测法；气瓶水压内测法；容积残余变形率；缺陷；泄漏
中图分类号：T一652；TQ053．2 文献标识码：B 文章编号：1001-4837【2009)12一0054一06
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2009．12．013
Test Method for the Production of Hydraulic
Cylinders Application Analysis
FAN Jun—min91．YUAN Ke—jian2
(1．Chemical College of Siehuan University，Chengdu 610041，China；2．Chengdu High Pressure Vessel
Co。，Ltd．，Chengdu 610051，China)
Abstract：In this paper，a comprehensive analysis of the cylinder under the conditions of the production，
which have the advantages and disadvantages of cylinders hydraulic method in outside measured and inner
measured．Changed the testing subjects bottles in hydraulic inner measured method，and using computer
controlling technology，which to overcome the testing shortcomings by the expefimentM conditions affect·
ing，and enhance the measurement accuracy，which to meet mass production condition．
Key words：cylinder’S hydraulic outside measured；cylinder’S hydraulic inner measured；deformation rate
of the residual volume；defect；leakage
1 引言
GB／T 925I一1997《气瓶水压试验方法》⋯规定
了气瓶水压试验方法、试验装置的基本要求及试验
操作要点。标准中规定水压试验方法为内测法和外
侧法。
目前，GB 5099{钢质无缝气瓶》忙3面临标准的
修改和更新，而标准中对气瓶水压试验方法是强制
·54·
实施水压外测法还是内测法与外测法均可的规定，
引起了广泛的关注与争论。哪种试验方法更合理、
更利于保证气瓶的安全和批量生产，成为各方争论
的焦点。
文中结合理论计算并通过在实验室和批量生产
两种状态进行试验比较，详细阐述了这两种试验方
法的优缺点，提出了在水压内测法的基础上，兼顾气
瓶水压内测法装置可靠、测试方便的特点，改变受试
瓶的试验状态，采用计算机控制技术，从而提高测量
万方数据
第26卷第12期压力容器总第205期
精度，以适合批量生产的条件。
2气瓶水压试验的理论条件分析
将气瓶看成是壳体容器，壳体容器分为薄壳容
器和厚壳容器。薄壁容器强度设计的理论基础是旋
转薄壳的无力矩理论，采用了直法线假定；由此计算
的应力都是沿壁厚均匀分布的薄膜应力，是一种近
似计算方法旧1。几乎所有气瓶标准的适用范围(≤
35 MPa)均为薄壳容器。这些标准的设计方法和试
验方法均遵循无力矩理论，即弯曲变形比薄膜变形
小得多，而达到弯矩可以忽略的条件。满足弯矩可
以忽略的条件如下i4|：
(1)容器厚度应小于最小曲率半径；
(2)容器的中面是连续面而且是以中线旋转的
旋转体；
(3)容器的外径D0与其内径B之比K=D。／D；
≤1．2：
(4)承受连续分布的轴对称载荷。
GB 5099规定的气瓶、调质状态的无缝结构容
器均要求水压的容积残余变形率不得大于3％，但
是前提条件为：产品变形应一致，局部无明显变形，
产品任意处无渗漏、无泄漏。超出这个条件，外测法
与内测法均不适用。
3 内测法与外测法测量误差分析
GB／T 9251～1997《气瓶水压试验方法》规定受
试瓶的容积残余变形率的计算公式：
田=AV／V×100％
式中，7——受试瓶的容积残余变形率，％ △卜瓶容积残余变值，mL
卜受试瓶容积全变形值，mL
内测法与外测法计算容积残余变形率的公式一
样，对于采集受试瓶容积残余变形值AV的原理与
方式一样，在排除外在因素影响的情况下视为两种
测量值相同。两种测量的区别主要来自受试瓶容积
全变形值AV，而这正是两种测量方法争论的焦点。
现就理论计算与试验测定相结合来阐述两者的测量
误差。
3．1理论计算
设气瓶的半径为R(内径R。，外径R。)，筒体部
分长度为L，气瓶的水压试验压力为P。在此压力
条件下，设筒体部分的轴向、径向与半球封头的周向
的弹性变形分别为占：，占，，占，，则气瓶的全变形值V
为简体的全变形值与封头的全变形值之和，即
为‘引：
V=叮『[Rf(1+占f)]2 L(1+占：)
+4／3,rr[Rf(1+占，)]3一订Ri2L一4／3-rrRi3
由于是薄壁容器，不考虑弯矩的情况，故根据广
义虎克定律，应力与应变的关系为：
8,-=l／E(03一go"：)
占：=1／E(盯：一Izor_『)
即=l／E(o-／)
式中盯i——筒体部分的径向应力
or：——筒体部分的轴向应力盯，-封头处的周向应力
对于圆柱形壳体：盯i=PD／28，or：=PD／48
对于球形封头：o'／=PD／48
式中P——壳体承受的内压
D——简体直径
6——筒体擘厚
以某公司生产的50／35 MPa的产品为例(新版
GB 5099的上限压力为35 MPa)：50／35 MPa的钢瓶
设计安全系数为3，公称壁厚为14 mm，产品外径
219 mm，实测产品最小壁厚12．7 mm，产品重量
125．2 kg，产品长度1980 mm，筒体长度L=1690
mm，水压试验压力52．5 MPa。
在水压条件下计算：
orj=PD／28=410．63 MPa
O"z=PD／48=205．32 MPa
orf=PD／48=205．32 MPa
由于该产品材料为35CrMo，材料的弹性模量E
；210 GPa，材料的泊松比弘=0．3。
将上面已知条件带人广义虎克定律得：
巳=1．66×10—3
占：=3．91 x 10—4
6f=9．78×10—4
‘计算气瓶的全变形值y得：
V=169175 mm3=169 mL
即公称壁厚为14 mm的50／35 MPa的产品在
52．5 MPa水压的理论全变形值为169 mL。
3．2 实验室条件试验对比
已知产品水压的理论全变形值，通过在实验室
条件下两种试验方法测定实际的全变形值和残余变
形值进行对比。为了克服外界因素影响测试结果，
·55-
万方数据
CPVT 气瓶水压试验方法的比较及应用分析
试验方法完全按照GB／T 9251—1997《气瓶水压试
验方法》规定进行操作，即视为实验室条件。在内
测法试验时，将钢瓶内装满水静置12 h，在静置过程
中不断用木制榔头敲击瓶体。试验之前测定管道的
占值，同时保证管道残余变形值归零，避免因为管道
的残余变形值记入钢瓶的残余变形值而影响测量结
果，试验前测水温，得出试验温度下水的平均压缩系
数。而且试验前反复排空，确保试验过程中无气泡。
对于外测法，采用与产品相似的标准瓶进行校对，确
保设备校对归零，同时保证试验用水无温度差，同样
在试验时反复排空。对两只50／35 MPa进行了3次
残余变形率。虽然薄壳容器忽略了弯矩的因素，但
弯矩必然存在，所以外体积容积残余变形率并不等
于内空容积的残余变形率。当容器内壁变形时，容
器外壁将阻止内壁变形，产生弯矩。所以容器内壁
的变形量将大于外壁的变形量，这也就是为什么内
测法测出的全变形值大于外测法测出的全变形值的
根本原因。
通过上述试验和分析可以得出：内测法的试验
状态和试验模型更符合气瓶容积残余变形率测定的
要求，就测量原理而言，内测法更能反映产品水压试
验条件下的真实情况，更为科学合理。
试验和测量，试验参数与测量平均值见表1。
表1 4 内测法与外测法在批量生产条件下优缺点
项目数值
试验瓶瓶号1 2
试验温度(℃) 12 12
试验瓶实测容积(L) 52．6 51．8
实测最小壁厚(mm) 13．3 13．5
试验瓶重量(kg) 125．6 127．3
内测法管道B值43 43
内测法全变形量(mL) 179．8 183．6
内测法残余变形量(mL) 2．26 3．O
内测法残余变形率1．25 1．63
外测法全变形量(mL) 154．7 143．4
外测法残余变形量(mL) 1．94 2．26
外测法残余变形率1．25 1．57
通过上述试验与GB／T 9251对比，可以认为是
将外界影响因素降到了较低的水平，但是通过表1
可以看出，外测法与内测法测出的残余变形值差别
不大，平均误差也只有0．3～0．4 mL左右。理论上
讲两种试验方法采集受试瓶容积残余变形值的原
理、方式一样，如果排除测量因素的影响，则采集值
应相同，上述试验印证了这种分析。但是比较两种
试验方法采集的全变形值差别就大了，偏差达到30
mL左右。比较数据，内测法测出的全变形值更接近
计算的理论值，而且略大于理论值；外测法测出的全
变形值与理论值偏差相对较大，而且略小于理论值。
结果是内测法测出的残余变形率相对较大。
因为标准要求测量容积残余变形率，它是容器
产品内空容积的残余变形率，而不是指外体积容积
·56·
GB／T 9251一1997《气瓶水压试验方法》规定气
瓶内测法试验用水必须静置一段时间，静置过程中
不断用木制榔头敲击瓶体，消除试验用水中的气泡。
但在批量生产中，这个条件难以满足。在试验时采
用反复排空，以达到消除气泡的目的，同时测量过程
中，发现气泡便重新测量。而外测法则按GB／T
925l一1997《气瓶水压试验方法》规定进行操作。
现在按批量生产的条件下再进行内测法与外测法的
试验，将上面两只钢瓶编号，混入批量生产的产品
中，与批量产品一起进行试验，反复3次，试验结果
见表2。
表2
全变形值残余变形值
试验方法瓶号残余变形率
(mL) (mL)
1 184。5 2。45 l。33
2 190．03 3．55 1．87
1 188．1 2．67 1．42
内测法
2 193．4 3．52 1．82
1 186．3 2．“ 1．3l
L 188．8 3．04 1．6l
l 150．2 1．77 1．18
2 141．8 2．32 1．64
l 143．5 1．56 1．09
外测法
2 139．7 2．18 1．56
1 146．6 1．76 1．20
2 137．5 2．16 1．57
万方数据
第26卷第12期压力容器总第205期
是内测法都与理论计算和实验室状态有较大的偏
差。与实验室状态比较，在批量生产条件下内测法
的残余变形率更大，而外测法的则更小。
分析其原因，由于在采用内测法时钢瓶是卧放
状态，即便是采用多次排空，钢瓶内壁上的气泡不能
完全排除，当内压增大时，部分气泡便溶解到水中，
待试验完泄压后气泡又溢出。所以测量结果为全变
形值、残余变形值均增大，但是气泡对残余变形值影
响相对大一些，从而计算出的残余变形率变得稍大；
和其它批量产品一样，1，2号钢瓶表面有油污、灰
尘，同时接头处有死角，故在#I-N法测量时不可避免
有气泡，即便是排空也不可能将这些气泡排除。而
由于气泡容积的变化而抵消一部分钢瓶的全变形
值，使得钢瓶的全变形值变小。同时气泡的原因使
残余变形值也变小，但是气泡对残余变形值影响相
对大一些，从而计算出的残余变形率变得稍小，详细
分析见后。
而以上的比较是基于待试瓶是合格的基础上
的：待试瓶无泄漏、无渗漏，瓶体表面无明显变形、无
异常声响。而实际情况远比上述复杂，下面结合批
量生产的实际情况分析比较两种试验方法各自的优
缺点。
4．1 内测法的优缺点
气瓶水压外测法试验简单、设备价值相对较低，
符合批量生产的要求。通过理论分析，内测法的试
验状态和试验模型更符合气瓶容积残余变形率的测
定要求，能反映产品试验的真实情况，更为科学合
理。即便在批量生产有气泡影响的情况下，内测法
也是将产品的残余变形率放大，不会将残余变形率
本来超差的产品放过，故要求更为严格，安全性能更
高。加之，在气瓶水压试验中测量残余变形率只是
其中的一个部分。无论是美国DOT规范、ISO
11439、BS 5045等国外标准，还是我国的GB 5099、
GB 17258等气瓶标准，均明确要求在水压过程中气
瓶任何部位无泄漏、无渗漏，瓶体表面无明显变形、
无异常声响任一情况产生。气瓶水压内测法由于没
有视线障碍，可以直观反映这些缺陷，符合标准要
求。
气瓶水压内测法的缺点：气瓶及试压管道内存
在气体且这些气体不易排除掉；试验时水温的差别
使计算时水的平均压缩系数与实际不符；没有校订
归零管道的残余变形率，而将管道的残余变形率计
入气瓶的残余变形率。
由于气瓶及试压系统内装满水后仍然存在气
泡，无论采取何种排空方式均不能将其消除。当系
统压力升高，一部分气体被高压水溶解，而其它部分
则被压缩，故进水量的一部分将填充这些气泡原来
的空间使进水量加大，而多出来的进水量被计人全
变形量，使计量的全变形量比实际的全变形量大。
当泄压后，这部分气泡基本恢复原状，一部分与水返
回量筒进入大气，这样泄压后使回水减少，即残余变
形值增大，但是气泡对残余变形值影响相对大一些，
从而计算出的残余变形率比实际要大，这便造成本
来残余变形率合格的产品可能被视为不合格，加大
了产品报废的危险。
试验表明，气瓶内测法总压入水量中水的压缩
量占70％～75％，所以水的压缩系数选择是否正确
对计算结果影响较大。但实际生产中，计算时的水
温与实际试验水温不一定相符，这便会产生误差。
气瓶水压内测法中没有考虑受压管道的残余变
形率(标准中同样没有规定)，只是考虑了管道的B
值，认为受压管道的残余变形率为零。而受压管道
的残余变形率没有经过校订就认为为零是不准确
的，虽然很小，但必然存在，而这部分的残余变形率
被计入了气瓶本身，同样增大了计算的残余变形率。
4．2外测法的优缺点
气瓶水压外测法试验时，全变形值可以直接通
过量筒读出，不需要通过复杂的计算，不需要测定管
道的B值，同样不受温度对水的平均压缩系数的影
响。同时试压管道中与气瓶内的气体对测量结果几
乎没有影响∞o。
水压外测法的缺点：不能反映水压时瓶体的泄
漏、明显变形、异常声响等缺陷；由于水套、水套与气
瓶、气瓶与接头之间存在较多死角，无法排空；操作
复杂，设备价值较高，不利于批量生产；受限制的因
素太多，阻碍了气瓶及压力容器行业的正常发展。
如上所述，无论是美国DOT规范、ISO 11439、
BS 5045等国外标准，还是我国的GB 5099、GB
17258等气瓶标准，均明确要求在水压过程中气瓶
任何部位无泄漏、无渗漏，瓶体表面无明显变形、无
异常声响任一情况发生，这是进行残余变形率测定
的前提条件。而外测法是将钢瓶装在水套中，利用
水套溢出的水量变化确定气瓶的残余变形率，这就
决定了在试验过程中水套是将气瓶完全盖住而不可
能直接用肉眼观测气瓶外表面的变化。而外测法对
泄漏的判定依据是在静置时全变形值增加或者压力
·57·
万方数据
CPVT 气瓶水压试验方法的比较及应用分析
表指针回降来显示。试验过程中全变值的增加包括
瓶体本身的泄漏和接头处的泄漏，所以仅靠全变形
值增加判定气瓶泄漏是不可行的。如果需要全变形
值增加能够显示瓶体泄漏，则这种泄漏量已经很大
了，而在实际生产中这种情况几乎不会出现。而出
现最多的是泄露，就是我们常说的“发汗”。由予这
种“发汗”的量很小，外测法是根本不可能检测出来
的。同理，泄露量很小的“发汗”要通过压力表指针
回降来显示也是不可能实现的。加之，气瓶在水套
内被水覆盖，上面用压盖密封，即使受压瓶体出现明
显的异常声响，在水套外面也不可能听见。再者，假
设在瓶体受压局部出现明显变形，而其它地方弹性
变形很小(局部壁厚偏差较大而测厚没有发现)，当
泄压时，这些变形几乎复原，所以测量出来的残余变
形率町能合格。对外测法测量而言，发生了上述情
况的产品是合格的，但实际上这些产品不但不合格，
而且使用是非常危险的。对气瓶使用而言，在水压
时出现明显变形、异常声响、泄漏、渗漏的安全隐患
远胜残余变形值超差。而气瓶水压外测法却不能发
现这些缺陷。
受安装偏差的影响，外测法水套上盖的密封面
不可能是绝对水平，当密封盖与水套密封后，水套的
上水面与密封盖之间必定会存在一个空气腔；同时，
水套内部、水套与气瓶、气瓶与接头之间存在较多死
角，在死角处的空气必然存在；在批量生产时气瓶外
表面不可避免染上油污、灰尘，所以气瓶在水套中外
表面将不可避免形成空气膜。而所有这些空气也不
可能通过放水排空阀完全排除，特别是气瓶外表面
的空气膜。在试压时，由于钢瓶受压外表面受压膨
胀使状态发生变化，附着在外表面的一部分气体溢
出和其他地方的气体融合变大，与挤出的水一起带
出水套并释放到大气中，所以全变形的水量一部分
填充了原来的气泡而没有显示到量筒(量杯)中，使
得全变形量减小，当泄压后，钢瓶外表面状态再次发
生变化，气瓶外表面的一部分空气再次溢出，从量筒
(量杯)释放到大气中，使回水量变多，即量筒(量
杯)中显示的残余变形值减小。但是气泡对残余变
形值影响相对大一些，从而计算出的残余变形率变
得更小。通过上述试验与分析得出：理论计算的残
余变形率就比气瓶实际要小，而批量生产测出来的
残余变形率更小。这就可能造成某些残余变形率超
差的产品被检测合格而产生错检，安全性、可靠性降
低。
·58．
气瓶水压外测法的操作复杂，每隔2 h必须用
标准瓶校验设备；往水套中安装受试瓶过程繁琐；水
套中排气不能目测观察；检漏受影响因素太多，只能
依靠排除法，可能会造成多次反复试压、检漏的情
况；拆除水套中的受试瓶过程繁琐等。实际生产表
明，在同样的生产条件下，气瓶水压外测法比内测法
功效至少低一倍以上，因此有些气瓶生产厂家将水
压外测法装置改作内测法使用——利用外测法的试
压泵加装内测法的测量装置。加之，水压外测法装
置价值较高，这些都阻碍了气瓶的批量生产需要。
GB／T 9251--1997((气瓶水压试验方法》规定气
瓶水压外测法使用的标准瓶必须与受试瓶容积、外
径、压力等参数相同，意味着每一规格的气瓶产品必
须对应一种标准瓶。而我国没有专门标准瓶的生产
和校订机构，所需标准瓶完全依赖进口，价格非常昂
贵，这便造成标准瓶的配套严荤滞后，极大影响了我
国气瓶及压力容器行业的正常发展。
5结论及改进方法
通过在实验室状态与批量生产状态的试验对比
分析，气瓶水压外测法不能反映水压时瓶体的泄漏、
明显变形、异常声响等缺陷；无论是理论状态、试验
室状态，还是批量生产状态测出的气瓶实际的残余
变形率比实际产品要小，就可能造成某些残余变形
率超差的产品被检测合格而产生错检。同时由于其
操作复杂，设备价值较高，受限制的因素太多，不利
于批量生产，也阻碍了气瓶及压力容器行业的正常
发展。而且这些缺陷是气瓶水压外测法原理性缺
陷，不能通过技术改进而得到解决。
反之，气瓶水压内测法中气瓶及试压管道内存
在气体且这些气体不易排除掉；试验时水温的差别
使计算时水的平均压缩系数与实际不符；没有校订
归零管道的残余变形率，而将管道的残余变形率计
入气瓶的残余变形率，这些都会使计算出的残余变
形率比实际大，造成本来残余变形率合格的产品可
能被视为不合格。但是可以理解为内测法要求更为
严格。所以内测法没有原理性缺陷，即便有也只是
测茸精度的缺陷。而要提高测量精度可以通过技术
改进而得到控制，比如改变气瓶水压内测法中受试
瓶的试验状态；采用计算机控制技术等。
气瓶水压内测法中的气泡在批量生产中不易完
全排除。传统的水压试验因为生产线的原因，大多
万方数据
第26卷第12期压力容器总第205期
采用气瓶卧放，这种试验状态不利于泄压将气泡带
出去。如果将受试瓶立放，由于气瓶内表面圆滑过
渡，立放可以将气泡至于最顶端接头连接处，泄压时
气泡容易与回水一起被带出瓶体，便可大大地改善
气泡对测量的影响。
采用计算机控制技术采集总压入水量、残余变
形值，采用GB／T 9251推荐的称重法测量量杯中水
量的变化，电子衡器的最大量程为0～2000 g，在测
量范围内精度为0．01 g【7J。程序设置升压泄压的排
气动作为反复两次，排气结束后，计算机自动采集初
始水量，当达到保压时间后，再自动采集此状态的水
量，并自动计算总压入水量，数据存人数据库。当试
验结束后，再自动采集此状态的水量，并自动计算残
余变形值，数据存人数据库。由于计算机数据库中
已经设置相应温度下的水的平均压缩系数(小数点
的温度值采用插值法已经求出)，在试验管道上设
置温度传感器，直接采集试验用水的温度并由计算
机实时生成水的平均压缩系数。在试验过程中，每
隔一段时间自动测定管道曰值和校验归零管道的
残余变形率，并将这些数据存人数据库。待试验完
成后，计算机自动计算受试瓶的残余变形率。这样
便可减少B值的误差和水的平均压缩系数的误差，
同时排除管道残余变形率的影响，便可大大提高水
压内测法的测量精度，使之能真正适应批量生产。
参考文献：
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[2]GB 5099--1994，钢质无缝气瓶[s]．
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收稿日期：2009一09—25 2009—11—16
作者简介：范俊明(1973一)，男，主要从事压力容器及流体
传输设备的设计，通讯地址：610051四川省成都市跳蹬河南
路9号成都格瑞特高压容器有限责任公司，E—mail：
[e-mail]
(上接第60页)
(5)应征论文中的计量单位和符号、缩略词用
国家标准和国际通用符号。确切数字和年月日用阿
拉伯数字。
四、时间
提交应征论文摘要的最后期限：2010年2月20
日；提交应征论文全文的最后期限：2010年5月31
日。
五、联系地址
地址：安徽合肥市长江西路888号合肥通用机
械研究院，电话／传真：[phone]，
13805516217，E—mail：[e-mail]，联系
人：徐佩珠。
(上接第63页)
期号页码
埋地钢质管道综合检测评价技术与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 9 54
MSR管子管板封13焊⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 9 59
带翅片焊接超声波导波杆在高温管道壁厚在线
1l 54
检测中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
钛材及钛设备的无损检测技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1l 57
征文通知
关于召开第七届全国压力容器学术会议征集论文的
2 61
通知⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
期号页码
关于召开第四届全国管道技术学术交流会议
12 60
征集论文的通知⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
简讯
《压力容器》杂志再次被评定为中文核心期刊⋯⋯⋯⋯ 1 63
联合征订
欢迎订阅2010年度《流体机械》杂志(月刊)等⋯⋯⋯ 9 64
欢迎订阅2010年度《化工设备与管道》杂志等⋯⋯⋯ 10 63
工程建设项目信息l—12
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万方数据
气瓶水压试验方法的比较及应用分析
作者： 范俊明， 袁克俭， FAN Jun-ming， YUAN Ke-jian
作者单位： 范俊明,FAN Jun-ming(四川大学,化工学院,四川,成都,610041)， 袁克俭,YUAN Ke-jian(成
都格瑞特高压容器有限责任公司,四川,成都,610051)
刊名：
压力容器
英文刊名： PRESSURE VESSEL TECHNOLOGY
年，卷(期)： 2009，26(12)
被引用次数： 0次
参考文献(7条)
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