最新压力容器爆破实验

压力容器爆破实验

实验五压力容器爆破实验

一、实验目的

1、初步掌握压力容器整体爆破的实验方法及装置；观察并分析实验过程中所出现的各种现象；

2、测定容器的整体屈服压力并与理论计算值进行比较；

3、对容器的爆破口及断口做出初步的宏观分析；

4、对爆破容器的性能进行评价的初步训练。

二、实验意义

整体构件爆破实验是压力容器研究、设计、制造中的一个综合性实验方法，是考核构件材料的各项机械性能，结构设计的合理性，安全储备以及其它方面性能的直观性很强的实验方法。

有以下几个方面的应用：

1、定型：新设计压力容器的选材、结构及制造工艺合理性验证。

这也包括新产品的试制，材料更新，结构型式改变以及制造工艺更动时为确保产品质量而进行的实验。

2、质量监控：对已定型的压力容器，为了监控在生产中由于生产工艺的波动等因素而引起的质量波动所进行的实验，模具的变形，热处理炉温的波动，原材料质量波动以及焊接工艺条件的波动等都能引起压力容器产品质量的波动。

3、科研及其它用途的评定性实验。

压力容器爆破实验属于破坏性实验，耗费较高。因此确定是否需要进行这类实验时要慎重考虑。

三、实验方法及原理

压力容器的爆破实验分模拟构件爆破实验和产品抽样实验两种：

1、模拟构件的爆破实验；按照一定的模拟条件制造模拟构件，进行爆破实验，以推断实际容器的爆破性能，此法多用于研究、制造费用高的单件重要容器。此法的关键是建立准确的模拟条件。

2、产品抽样实验：从一定数量的产品中随机抽取若干只进行爆破实验。此法适用于成本相对比较低的大批量生产容器。

整个实验过程是由压力源向容器内注入压力介质直至容器爆破。压力介质可为气体或液体两种。由于气压爆破所释放的能量比液压爆破所释放的能量大得多，相对而言气压爆破比较危险，因此一般都采用液压爆破，但即使用液压爆破，仍有一定的危险性，需要安全防护措施，以保证人员及设备的安全。

在爆破实验过程中，随着容器内压力的增高，容器经历弹性变形阶段，进而出现局部屈服、整体屈服、材料硬化、容器过度变形直至爆破失效。为了表征容器爆破实验过程中各阶段的变化规律，可用压力～进水量、压力～升压时间、压力～筒体直径变化量等曲线进行描述，这些参数可借助于压力表，水位计等在实

验中测得。图5-1即为钢质无缝气瓶爆破实验中测定的压力～升压时间曲线，根据这些曲线所提供的信息即可分析构件材料的力学性能，并确定该容器的整体屈服压力。

图5-1 钢质无缝气瓶爆破实验压力-升压时间曲线

整体屈服压力 Ps的测定：

1、进水量不断增加而压力表指针基本上停滞不动时所对应的压力；

2、在压力～进水量等曲线上对应于整体屈服的平台阶段所对应的压力；

爆破压力Pb的测定：

容器爆破的瞬间容器内的压力。爆破实验的典型实验装置如图5-2所示。

图5-2 爆破实验装置简图

高压泵：98MPa柱塞泵，介质为水（或超高压泵：600MPa柱塞泵，介质为煤油和变压器油）。

压力表：量程为100MPa，l.5级；秒表，测量仪等用具。

四、圆筒形容器整体屈服压力P S和爆破压力片P b的理论计算

根据受内压圆筒的应力分析结果可知，当内压升到某一数值时。内壁表层材料首先开始屈服，随着压力的升高，塑性区向外发展直至整个壁厚全部屈服。此时所对应的压力为整体

屈服压力，由于此时材料全部进人塑性，因此表现出有较大的塑性变形发生。当变形发展到一定程度时材料进入硬化阶段，随着塑性变形的不断发生。容器壁厚不断减薄。当壁内应力达到材料的强度限时容器发生爆破。

根据不同的压力分布假设以及不同的屈服准则，可推导出不同的P S 、P b 计算公式，具有代表性的有以下几种：

1、基于理想弹-塑性材料，按厚壁圆园筒分析得出的公式

① 用TreSea 屈服准则

式中k ＝D0/Di （圆筒外、内径之比），σs 、σb 分别为材料的屈服应力和抗拉应力。

②用Mises 屈服准则：

Ps=2σs lnK/3 Pb ＝2σb lnK/3

2、修正公式

福贝尔和史文森根据前述基于理想弹性材料推导出的Pb 公式。考虑到材料的应变硬化或屈服比（σs/σb ）对爆破压力Pb 的影响，分别提出修正公式：

①福贝尔公式：

K p b

s s b ln 232

〉-〈=σσσ ②史文森公式：

K n

e n P b n b ln 227.025.0σ〉〉〈⋅〉=〈〈

= 式中：e —自然对数底，n —材料应变硬化指数。 3、基于薄壁分析的公式

当容器壁厚相对较薄（k<1.2）时。可接薄膜理论进行分析：

①用Tresea 屈服准则：

Ps=2S σb /Dm Pb ＝2S σb /Dm

式中：Dm 为中径（即内外壁平均直径），S 为壁厚。

②用Mises 屈服准则

实际上圆筒形容器都不可避免地带有壁厚偏差，不园等几何偏差，其受压变形规律与理想化的均匀壁厚圆筒分析不尽相同。但仍可找出反映筒体总变形意义下的Ps 和Pb 。根据理论分析及实验验证，不园偏差对Ps 和Pb 影响不大。当筒体存在壁厚偏差时。筒体强度主要取决于筒体的最薄侧（Smin 处）,因此应将有壁厚偏

差筒体视为壁厚等于Smin 外径不变的均匀圆筒处理。将Smin 和K=D 0／（D 0－2Smin ）分别代替上述各公式中的S 和K 进行计算。

五、破坏方式及断口分析

试件爆破后，根据破口的形状，有无碎片，爆破源处金属的变形及爆破断口的宏观分析等诸方面来定性地分析构件材料的断裂特征。

对于准静态一次性加压爆破的容器而言。可能发生的破裂形式为韧性破裂或脆性破裂。对于压力容器用钢一般要求塑性和韧性均比较好。若构件材料有较好的韧性；不存在宏观冶金缺陷或裂纹，无热处理不当；且使用（实验）温度不低于材料的冷脆转变温度，则构件的破裂形式应为韧性破裂。前述的计算PS 、Pb 的公式即是针对此种情况的。但是若构件材料有一定的缺陷，韧性较差，同时存在其他不利因素，例如：应力集中、残余应力、环境温度过低等，则可能发生脆性破裂。

韧性破裂和脆性破裂鉴别：

1、破口的宏观特征

2、端口宏观特征

构件断口的宏观分析主要解决主断面的情况，如变形程度；断面形貌；断裂源的分析等。 金属的拉伸断口，一般都是由三个区组成。即纤维区、放射区和剪切唇。称为断口三要素。如图5-3示。

图5-3 断口三要素示意图

韧 性 破 裂 脆性破裂 破口形状

一般无碎片，仅有裂口。 圆筒形容器主裂口沿筒体轴向 有碎片’ 塑性变形

比较大 几乎无 名义应

力水平 Pb

与常规强度计算值接近 较低