压力容器爆破实验

压力容器爆破实验

一、实验目的

1．观察高压容器爆破过程的弹性、屈服、强化和破裂等阶段。

2．测定容器整体屈服压力与爆破压力并与理论计算值进行比较。

3．观察破口形状，分析开裂过程。

二、基本原理及实验内容

（一）实验原理

压力容器爆破实验是压力容器研究、设计、制造中的一种直观性很强的综合实验方法。通过爆破实验可以考核结构材料的各项机械性能、结构设计的合理性、可靠性及安全储备和其它方面性能。

塑性材料制造的压力容器在逐渐增大的载荷作用下，会经历从弹性变形到塑性变形直至爆破的过程。

1．屈服压力值的理论计算：

（1） 屈服压力 221

3K K p s s -=σ

（2） 全始屈服压力（材料为理想弹塑性） K p s so ln 32

σ=

2．爆破压力值的理论计算：

承受内压的高压筒体，其爆破压力计算方法有如下几种：

（1） Faupel 公式： K p b

s s b ln )2(32

σσσ-=

（2） 中径公式： 1

12=-=K K p b b σ （3） 最大主应力理论

b b K K p σ)1

1(22+-=

（4） 最大线应变理论

b b K K p σ)4

.03.11(22+-=

（5） 最大剪应力理论

b b K

K p σ)21(22-= （6） 最大变形能理论 b b K K p σ)31(

22-=

在已知材料机械性能（屈服极限和强度极限）的条件下，压力容器在爆破过程中的屈服压力和爆破压力，可以应用不同失效准则的理论公式进行估算，采用最有代表性的是福贝尔（Faupel ）公式，如式（3-1）所示。 （3-1）

式中 s σ ——容器材料的屈服极限，

MPa ；

b σ

——容器材料的强度极限，

MPa ；

K ——容器外径与内径之

比。

3．爆破试验原理过程：

塑性材料制造的压力容器的爆破过程如图一所示，在弹性变形阶段（OA 线段），器壁应力较小，产生弹性变形，内压与容积变化量成

正比，随着压力的增大，应力和变形不断增加；到A 点

时容器内表面开始屈服，与A 点对应的压力为初始屈

服压力s p ；在弹塑性变形阶段（AC 线段），随着内

压的继续提高，材料从内壁向外壁屈服，此时，一方

面因塑性变形而使材料强化导致承压能力提高，另一

图1 压力与流量变化的关系 K p b s s b ln )2(32σσσ-=

方面因厚度不断减小而使承压能力下降，但材料强化作用大于厚度减小作用，到C点时两种作用已接近，C点对应的压力是容器所能承受的最大压力，称为塑性垮塌压力；在爆破阶段（CD线段），容积突然急剧增大，使容器继续膨胀所需要的压力也相应减小，压力降落到D点，容器爆炸，D点所对应的压力为爆破压力

p。

b

（二）实验内容

采用钢制模拟试件作为试件进行爆破实验，通过观察容器在由小至大的压力作用下，压力的数值变化和容器的变形、爆破情况，测定屈服压力、爆破压力、体积膨胀率，并绘制压力—加水量关系曲线，观察爆破断口并进行宏观分析。

三、实验装置与流程

1．实验装置：如图3-1所示。

2．由于容器爆破时具有一定的危险性，所以压力容器整体爆破实验装置必须安全可靠，要有防护措施。要求装置对加水量能进行控制并能准确计量。

压力表精度要求不低于1.5级。

LI101-储油罐液位、LT101-计量管液位传感器、PI101-实验压力表、PT101-实验压力传感器；HV001-手动调压阀、HV0101-储油罐放空阀、 HV0102-储油罐加料阀、HV0103-储油罐出口阀、HV0104-计量管出口阀、HV0105-泄压阀1、HV0106-泄压阀2、HV0107-调压阀、HV0108-试件放空阀、HV0109-回油阀。

2．仪表控制面板

图2-3仪表控制板

四、实验步骤及注意事项

（一）实验步骤：

1．实验前应对容器的内外表面进行宏观检杏，并确定壁厚和外径，找出壁厚的最小位置处（即可能发生爆破的爆破点）。同时，还要测出容器的实际容积。

2．开动高压泵缓慢升压，使容器受力均匀。先升至公称工作压力，打开容器及管路系统上的排气阀，使其排气卸压，这样反复进行数次，利用压力把容器内和管路系统内残余的气体排尽，排尽气体后，在实验软件上点击“开始实验”按钮，再从零压开始，逐级升压，软件会自动记录数据，并同时准确记录每次加入的水量和对应的压力。

3．当加载至预计整体屈服压力时，此时必须注意要同步。这时要读取准确的数据可以用加水量来控制，即当加入一定容积的水以后，立即读出压力表所显示的压力值。由于容器出现屈服，此阶段内压力上升的变化不大。

4．继续定量加水，当容器过了整体屈服阶段后，压力又开始明显上升，此时表明容器已进入材料强化阶段。随着压力缓慢上升，容器的塑性变形继续增大，器壁随之减薄，直至丧失承载能力而发生破裂。在此过程中注意准确读取加水量和对应压力的数据。

5．测量结束后，在实验软件上点击“停止实验”按钮，并且打开泄压阀系统压力卸载，并关闭电动机及其它测量仪器，打开回收发，把液压油回收到储油罐中。

（二）注意事项：

1．必须提供试件材料的机械性能，并估算试件的整体屈服压力与爆破压力。

2．必须在容器上设置排气孔，设法排尽试件内和管路系统内的气体。

3．必须分级加载，缓慢升压，每级稳压1～2分钟，并准确记录压力和对应的加水（油）量。

4．注意观察压力表的变化，正确地读取整体屈服压力和爆破压力。

5．容器爆破后应保护好断口，以利分析。要求对断裂面采取防锈保护，任何时候不能用锉刀锉，更不能用酸洗。

6．正确绘制压力—加水量曲线，计算体积膨胀率，注意破裂位置形状与断口形貌。

7．爆破实验有一定的危险性，所以爆破现场必须有安全防护措施，以保证人身、设备的安全。

五、实验报告

1．实验数据记录、列表。

2．根据爆破实验过程记录的数据（压力和加水量的对应数值），正确绘制压力一加水量曲线图，确定整体屈服压力和爆破压力；

3．将测定的容器整体屈服压力和爆破压力与理论计算值进行比较；

4．计算体积膨胀率，体积膨胀率是容器塑性指标好坏的体现，一般规定应大于10％为合格。

5．观察爆破断口形貌，并初步作出宏观分析；

6．对容器爆破实验结果进行分析评定；

六、思考题

１．分析实测时产生误差的原因？