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气瓶水压试验合格标准实验研究
【摘 要】水压试验是气瓶检验的主要项目，将容积残余变形率超过10%作为气瓶报废的标准沿用至今。笔者通过实验，分析了气瓶水压试验现行评定标准存在的问题，并对采纳容积弹性变形作为评定指标进行了探讨，以期为制订更合理的水压试验标准提供有益的启发。

【关键词】水压试验 合格标准 容积残余变形率 容积弹性变形

1 引 言

气瓶水压试验是气瓶检验的必检项目，也是公认的全面检验气瓶综合性能较理想的方法。水压试验的合格评定标准，我国规定为容积残余变形率(〔容积残余变形与容积全变形的比率〕不大于10%。此规定虽有某些理论依据，在国内外也有较长时间的施行经验，但并是很科学的。试验证实，容积残余变形率并不能准确地反映瓶壁应力水平；同时，将容积残余变形率不大于10%规定为合格标准，并非一个十分严密的数据。实际上，容积残余变形常常受到测量误差的影响，特别是采纳内侧法试验装置时。对此，有关专家进行过论证，提出了一些建议和设想。笔者在实验基础上，对无缝高压气瓶水压试验合格标准存在的问题进行了分析和探讨。

2 现行水压试验合格评定标准存在的问题

2.1 水压试验合格标准确实定依据

以容积残余变形率作为气瓶水压试验评定指标，是因其与瓶壁应力、应变之间存在着一定的关系。高压气瓶可看作一端为平底封头、一端为半球形封头的薄壁圆筒形容器；筒体部分在试验压力作用下，壳壁处于两向应力状态，即轴向应力(z、周向应力(t；其轴向、周向弹性变形分别为(z、(t，周向残余变形为('t(一般状况无轴向的残余变形)；半球封头的周向弹性变形(0。

设气瓶的半径为R，简体部分长度为L。在试验压力下,气瓶的容积弹性变形(VE为：

(VE=(VE筒体＋(VE封头=(R2〔1＋ (t〕2·L〔1+(x〕＋×(R3〔1＋(0〕3\sup－(R2L－×(R3简化,略去(的高次项得：

(VE=(R2L(2(t＋(z〕＋2(R3(0

当气瓶的长度大于半径的10倍即L(10R时，半球封头的弹性变形2(R3(0相关于筒体部分的变形来说很小，可忽略不计。因此，气瓶的弹性变形为：(VE=(R2L〔2(t＋(z〕

气瓶在试验压力下产生的容积残余变形为：

(VP=(R2(1＋(' t2\sup－(R2L

简化，略去(t的高次项后得：

(VP=2(R2L( ' t

气瓶的容积全变形包括容积弹性变形和容积残余变形的部分，即容积全变形 (V为：

(V= (VE＋(VP=(R2L(2(x＋(x＋2( 't)

因此，容积残余变形率为：

(==

关于薄壁容器：

(t=－(=(1－1/2(),

(z=(z/E－((t/E=(t(1/2－()/E

式中，(为泊松比。将(=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)

假设容积残余变形率(((10%，则([2]((0.124(t

×105Mpa ,则

××

××0.001=0.0295%。

××10-3((0.0295% 。

由此可见，假设气瓶水压试验时容积残余变形率不超过10%，则瓶壁产生的最大残余变形(' t，也不超过0.03%,也就是气瓶在水压试验压力下瓶壁的最大应力在材料的弹性极限范围内。

2.2 实验分析和研究

为了分析水压试验时容积残余变形率与瓶壁应力及应变之间的关系，笔者对公称工作压力为14.7MPa、直径为219mm、容积分别为40L和41L的两个中碳锰钢制〔42Mn2，屈服极限(s=500MPa〕缝气瓶在不同的试验压力下进行了水压试验。水压试验采纳内侧法，通过测定瓶内在试验压力下所进入的水量与卸压后由瓶内排出的水量来计算它的容积全变形和容积残余变形，并由此计算出容积残余变形率。进行水压试验的同时，在两个气瓶外壁的中部各选一点进行应变测试。在每一点上沿瓶体的轴向和周向各贴一片电阻应变片，采纳YJD-1型电阻应变仪并配有P20R-1型预调平衡箱，测试其在不同试验压力下的应变值及卸压后残余应变值。测试和计算结果列于表1。

@5001

@5101

按制定要求，气瓶水压试验时瓶壁应力水平不超过材料屈服极限的90%。从表1、2中看到，当瓶壁的应力水平达0.9(s时，即瓶壁周向应力(t=0.9, (s=450Mpa时，两瓶体的周向残余应变分别为0.0024%和0.0055%，所对应的容积残余变形率分别为1.1和2.8%。此数值大大小于10%的合格标准。从表中可见，当应力达到屈服极限时，由于材料具有显然的屈服平台，瓶体便产生显然的塑性变形，其容积残余变形率迅速增加。试验说明，随试验压力的逐增，量筒水位逐降，即进水量与压力按一定的比例增加；应变仪指示的应变值也逐渐增大。当试验压力增至34.0MPa时，进水量、回水量急剧增大，应变值及残余变形值均显著增大。由此看出，对中碳锰钢制气瓶在水压试验中，当瓶壁的应力水平未达到屈服极限时，即使在接近屈服极限时，其容积残余变形率始终很小，当应力达到屈服极限，变形急剧增大，容积残余变形率远远超过合格标准。

笔者认为，以容积残余变形率作为气瓶水压试验的合格评定指标存在着局限性。

首先，它控制的应力范围比较小，且与应力水平相对应的值很小。即在材料的弹性阶段内，(值很小，几乎反映不出来。试验中，当试验压力为30MPa时，1#瓶、2#瓶的周向应力分别为458.3MPa和457.3MPa，即接近材料的屈服极限〔(s=500MPa〕，而容积残余变形率仅为1.1%和2.8%。可见当(达到10%时，瓶壁的周向应力很可能已超过屈服极限。因此，关于这种弹塑性合格的材料所制的高压无缝气瓶，沿用(((10%这一合格标准是不妥当的。

第二，目前国内高压气瓶绝大多数是采纳冲拔拉伸工艺制成的，这类气瓶一般存在着壁厚偏差。因壁厚不均，同一试验压力下各处的应变值也不同，表现为气瓶的某些部位在试验压力下已发生塑性变形，而其它部位却仍然牌弹性阶段，即容积残余变形不是沿周向均匀分布的，而主要集中在壁厚较薄的部位。由于气瓶塑性变形局部化现象的存在，使其在试验压力下总体的容积残余变形率虽不大，但薄弱部位的应力往往很高。

为证实此现象，笔者对两只最小壁厚车至3mm(偏心度为1.0)和4.5mm〔偏心度为2.0〕的新气瓶进行试验，同一试验压力下瓶壁各处的应力值相差很大。关于最小壁厚为3mm的气瓶，当容积残余变形率为2%和4.6%时，测得壁厚3mm处的四周向应力分别为503.3MPa和546.8MPa；关于最小壁厚为4.5mm的气瓶，当容积残余变形率为1.1%和1.6%时，测得壁厚4.5mm处的周向应力分别为509.3MPa和577.5MPa。当容积残余变形率还比较小时，薄壁处的周向应力均已达到或超过材料的屈服极限，且偏心度越大，薄壁处应力达到屈服极限时所对应的容积残余变形率越小。故现行的水压试验容积残余变形率((10%的合格标准关于存在壁厚偏差的气瓶是不合适的。

第三，试验还发现，气瓶某次水压试验所测得的容积残余变形率较高，而同样试验压力下再次水压试验，容积残余变形率反而比前次小。为证实这一结果，又对四个水压试验不合格〔已发生屈服变形〕的气瓶再次进行水压试验，测得的容积残余变形率分别为0.12%、0.23%、0.46%、0.82%。在实际工作中，也常常碰到这种状况。有的单位在水压试验时，第一次测得的残余变形率超过合格标准，就再测试一次，结果第二次残余变形率减小，因此，就判定该瓶检验合格并继续投入使用。这种做法大大影响了试验结果的可靠性。

目前水压试验判定方法，只规定了单次试验中残余变形率的容许上限，而未规定水压试验的容评次数。气瓶每三年检验一次，经假设干次水压试验后，所测得的容积残余变形率已不能反映瓶体真实的应力状况；同时由于气瓶每次水压试验时都会产生一定的容积残余变形，气瓶经有限次水压试验后，虽然当次残余变形率较小，但其累计数值往往可能超过10%。因此，用每次水压试验时所测得的容积残余变形率作为判定气瓶能否继续安全使用的依据是不恰当的。

第四，国内水压试验多采纳内侧法，在实测和计算中误差较大。造成测量误差的因素较多，如试压系统管路及瓶内的气体未排尽；试压系统有微量泄漏；试验装置不合理；读数误差等等。试验压力下气瓶容积残余变形量较小，而测定的容积残余变形率误差较大，易造成错判。

通过以上实验分析，笔者认为，在对气瓶水压试验结果进行评按时，继续沿用容积残余变形率((10%这个评定标准是不合适的，应该探究更为科学合理的评定指标。

3 以容积弹性变形作为高压气瓶检验评定指标的探讨

气瓶在试验压力下的容积弹性变形与瓶壁所产生的应力成正比例关系，因此，水压试验时容积弹性变形的大小直接反映出瓶壁应力的大小。气瓶水