气瓶水压试验合格标准实验研究思维导图

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实践经验，但并是很科学的。试验证明，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，特别是采用内侧法试验装置时。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。

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(一般情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：

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相对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）

(VP=(R2(1＋(' t2<\sup>－(R2L

(VP=2(R2L( ' t

(V= (VE＋(VP=(R2L(2(x＋(x＋2( 't)

(==

(t=－(=(1－1/2(),

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。水压试验采用内侧法，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，采用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

按设计要求，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，由于材料具有明显的屈服平台，瓶体便产生明显的塑性变形，其容积残余变形率迅速增加。试验表明，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，对于这种弹塑性良好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用冲拔拉伸工艺制成的，这类气瓶普通存在着壁厚偏差。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。

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，也常常碰到这种情况。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。

第四，国内水压试验多采用内侧法，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。

气瓶在试验压力下的容积弹

压试验合格评定指标应根据它试压时的应力水平来确定，所以，用容积弹性变形作为水压试验的主要评定指标是比较合理的。

前面已推导出气瓶在试验压力下的弹性变形为

(VE=(R2L（2(t＋(z）

则弹性变形率为

=2(t＋(z

将应力一应变的关系式代入，则容积弹性变形率为

=（5－4(）=F(t

式中，F一气瓶应力一容积变形系数，它只与制造气瓶所用材料物理性能（E，(）有关，用一定材料制成的气瓶，应力一容积变形系数是固定不变的，这样可以根据规定的许用应力值确定气瓶的容积弹性变形允许值。另外，考虑到气瓶由于制造偏心或受严重腐蚀而致壁厚大面积减薄时造成壁厚偏差，导致瓶壁较薄处的应力增大，可引入一壁厚偏差系数。因此，根据气瓶设计许用应力确定其水压试验时容积弹性变形允许值时，可以按下式计算：

式中，[(VE]----容积弹性变形允许值，ml；Np -----气瓶试验压力与设计压力之比；F-----气瓶的应力---容积变形系数，MPaEs-----气瓶壁厚偏差系数。当壁厚较均匀时，系数为1；当壁厚偏差较大时，系数为最薄处的壁厚与平均壁厚之比。

(VE =(V－(Vp (([(VEBR> 4 结束语