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
纤维区紧接断裂源，是断裂的发源地。

矩形截面试样或板材断裂的纤维区域呈椭圆形。

在此区裂纹的形成和扩展是比较缓慢的。

纤维区的表面呈现粗糙的纤维状；颜色常为暗灰色。

它所在的宏观平面（即裂纹扩展的宏观平面）垂直于拉伸应力方向。

放射区紧接着纤维区。

它是裂纹达到临界尺寸后高速断裂的区域，放射区存在人字形放射花纹，它是脆性断裂最主要的宏观特征之一。

人字形花纹的尖顶必然指向纤维区，指向断裂源。

剪切唇是最后断裂的区域，靠近表面。

在此区域中，裂纹扩展也是快速的。

但它是一种剪切断裂。

剪切唇表面光滑。

无闪耀的金晨光泽，与拉伸主应力方向成450角。

根据断口三区的相对比例可判断构件材料的断裂特征、此比例主要由材料的性质，板厚以及温度决定。

材料越脆，板厚较大，温度越低，则纤维区、剪切唇越小，放射区越大。

反
之材料塑性韧性越好，板厚越小，温度越高，则纤维区剪切唇愈大，放射区越小。

甚至出现
全剪切唇断口。

六、试件
钢质无缝气瓶；
材料：4OMn2A；
设计压力：14.7 MPa；
公称容积：40 L；
公称直径（外径）：φ219 mm；
计算壁厚6.5mm；
气瓶材料实测机械性能实验前提供。

七、实验步骤
1、实测试件直径及各点壁厚，找出最小壁厚部位。

予定起爆位置；
2、将试件内充满水，然后接到高压泵上，并应设法排尽系统或气瓶中残余空气；
3、在实验前应再次检查安全防护措施，并确定观测、读数、记录人员的分工。

经指导教师同意后，才可进行实验；
4、开泵升压，升压速度应时宜（在整体屈服前不得大于0.5MPa）。

在升压过程中观察压力上升情况，读出各压力下的升压时间及相应的进水量，最后读出爆破压力值；
5、观察、测绘并纪录试件爆破后的的断口情况。

八、实验报告
1、画出爆破后的试件外形简图，标明破口的尺寸、断口源；
2、画出断口表面简图，并进行宏观分析；
3、画出P---Q(进水量) P---t 线,定出Ps 、Pt值；
4、运用强度条件及有关标准，计算Ps 、Pt值；
5、讨论。