气瓶水压试验方法的比较及应用分析

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)12一0054一06doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2009．12．013TestMethodfortheProductionofHydraulicCylindersApplicationAnalysisFANJun—min91．YUANKe—jian2(1．ChemicalCollegeofSiehuanUniversity，Chengdu610041，China；2．ChengduHighPressureVesselCo。，Ltd．，Chengdu610051，China)Abstract：Inthispaper，acomprehensiveanalysisofthecylinderundertheconditionsoftheproduction，whichhavetheadvantagesanddisadvantagesofcylindershydraulicmethodinoutsidemeasuredandinnermeasured．Changedthetestingsubjectsbottlesinhydraulicinnermeasuredmethod，andusingcomputercontrollingtechnology，whichtoovercomethetestingshortcomingsbytheexpefimentMconditionsaffect·ing，andenhancethemeasurementaccuracy，whichtomeetmassproductioncondition．Keywords：cylinder’Shydraulicoutsidemeasured；cylinder’Shydraulicinnermeasured；deformationrateoftheresidualvolume；defect；leakage1引言GB／T925I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，GB5099{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(≤35MPa)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。GB5099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／T9251～1997《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)]2L(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50／35MPa的产品为例(新版GB5099的上限压力为35MPa)：50／35MPa的钢瓶设计安全系数为3，公称壁厚为14mm，产品外径219mm，实测产品最小壁厚12．7mm，产品重量125．2kg，产品长度1980mm，筒体长度L=1690mm，水压试验压力52．5MPa。在水压条件下计算：orj=PD／28=410．63MPaOz=PD／48=205．32MPaorf=PD／48=205．32MPa由于该产品材料为35CrMo，材料的弹性模量E；210GPa，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：=3．91x10—46f=9．78×10—4‘计算气瓶的全变形值y得：V=169175mm3=169mL即公称壁厚为14mm的50／35MPa的产品在52．5MPa水压的理论全变形值为169mL。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／T9251—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12h，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50／35MPa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14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12试验温度(℃)1212试验瓶实测容积(L)52．651．8实测最小壁厚(mm)13．313．5试验瓶重量(kg)125．6127．3内测法管道B值4343内测法全变形量(mL)179．8183．6内测法残余变形量(mL)2．263．O内测法残余变形率1．251．63外测法全变形量(mL)154．7143．4外测法残余变形量(mL)1．942．26外测法残余变形率1．251．57通过上述试验与GB／T9251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0．3～0．4mL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30mL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／T9251一1997《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／T925l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)1184。52。45l。332190．033．551．871188．12．671．42内测法2193．43．521．821186．32．“1．3lL188．83．041．6ll150．21．771．182141．82．321．64l143．51．561．09外测法2139．72．181．561146．61．761．202137．52．161．57万方数据第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