計算機輔助系統在壓力容器爆破實驗中的應用

董 斌

（太原煤炭氣化 （集團）有限責任公司 焦化廠，山西 太原 030024）

1 概述

高壓容器在石油化工等工業生產中得到了廣泛的應用，而高壓容器的爆破實驗主要用于生產實踐過程中容器的質量檢測及對新材料、新工藝、新結構的高壓容器的設計研究。高壓容器中承受壓力的殼體多為厚壁圓柱形筒體，因此，一般選用無縫鋼管厚壁圓筒為高壓容器試件。

壓力容器爆破實驗是高等學校過程裝備與控制工程專業（原化機專業）的基本實驗之一，是學習壓力容器專業課時直觀認知壓力容器整體強度、綜合性能及相關知識和增強教學效果的一項重要實驗［1］。本實驗主要用于測定厚壁圓筒的爆破壓力，觀察厚壁圓筒爆破失效過程。由于高壓容器爆破實驗所具有的特殊性，就要求必須保證整個實驗過程是安全的，同時又可以讓學生清晰地觀看到容器升壓、屈服、膨脹變形直至爆破這一實驗的全過程。隨著電子技術和計算機技術的迅速發展，計算機輔助實驗系統在各領域得到了廣泛的應用。將先進的計算機輔助實驗系統用于高壓容器的爆破實驗中，實現了對設備儀器的操作及實驗數據的采集、分析、計算處理、結果顯示，全程采用計算機輔助實驗系統進行控制，使學生掌握壓力容器整體爆破實驗的方法及裝置［2］。

2 計算機輔助實驗系統組成及工作原理

2.1 計算機輔助實驗系統組成

高壓容器爆破實驗裝置工作原理如圖1所示，它由3部分組成：①機械部分，包括電機、減速器、高壓泵、單向閥、壓力表等；②試件（試件筒體長為170 mm，內徑為Φ30mm，外徑為Φ38mm，材料為20號無縫鋼管）及防護罩；③計算機測試系統，它由壓力傳感器、數據采集箱、計算機接口、計算機及ADCRAS 測試軟件組成。實驗裝置的作用就是為實驗厚壁圓筒提供壓力，并通過計算機輔助實驗系統實時監控試件內壓與筒體變形的情況，顯示筒體壓力與時間變化曲線，描繪出整個爆破的過程，并計算出爆破壓力。

圖1 高壓容器爆破實驗裝置工作原理

2.2 計算機輔助實驗系統的工作過程

在高壓爆破實驗裝置中高壓泵為往復式柱塞泵，泵的工作介質為油。其升壓原理為：柱塞泵4的活塞柱在缸內做往復運動，油從油槽1中通過進口單向閥3被吸入柱塞泵缸內，當活塞柱向缸內推進時，進口單向閥3關閉，此時油通過出口單向閥5經三通管件被壓進爆破試件9中（支路中裝有壓力傳感器11），泵通過活塞腔容積的周期性往復工作，使爆破試件中的內壓不斷升高。三通管件的另一端經過單向閥6接到壓力表7，其作用是在試件瞬間爆破時保護壓力表（試件爆破后壓力表數值仍舊保持）。

計算機輔助實驗系統測試中的壓力信號是由IP65型壓力傳感器11捕捉到的信號，輸入到數據采集箱12中，采集箱是集模數轉換和信號輸入為一體的數據采集接口裝置，并設有程控放大。通過采集箱處理后的信號已經轉換成計算機能識別的數字量，輸入到計算機13中，利用數據采集及處理軟件ADCRAS系統進行數據處理。在屏幕上可以顯示出整個實驗過程壓力－時間的關系變化曲線圖。

3 計算機輔助實驗系統的實驗操作步驟

3.1 實驗參數設置

啟動計算機，打開“CRASV5.1 隨機信號與振動分析系統”文件夾；進入“數據采集及處理ADCRAS”；選擇“CRAS”界面；在該界面下，設置實驗參數。在“參數設置”中，“采集頻率”選擇1 280（或2 560）Hz；“工程單位”選擇MPa；“校正因子”選擇40。

3.2 實驗設備儀器準備

關閉試件卸壓閥10 和壓力表卸壓閥2；啟動電機，用導油杯8注油，待爆破試件接口處有油溢出，關閉電機；將爆破的厚壁圓筒試件預先灌滿油（排除里面的空氣），貼上薄紙倒轉后旋到爆破試件接口上，用管鉗上緊，罩好保護罩。

3.3 實驗數據采集

打開“趨勢圖”主菜單，有4個子菜單。在“設置時間”子菜單中，“請輸入總時間”輸入600s，“間隔記錄時間（≥200ms）”輸入200；在“設置截距”子菜單中，每個通道對應的零工程單位毫伏數設為1 000，對應通道數選1；打開“趨勢采集”子菜單，計算機輔助實驗系統準備就緒。

開啟高壓泵電源，開始緩慢升壓，此時壓力傳感器、計算機等進入自動跟蹤壓力變化狀態，將全程自動跟蹤記錄整個實驗過程中的壓力變化情況直至爆破。打開“趨勢顯示”子菜單，在計算機屏幕上顯示出整個實驗過程的壓力－時間變化關系曲線圖，最后打印爆破壓力實驗曲線。

圖2為壓力－時間的變化關系曲線圖。由圖2可以觀察到材料的彈性變形、屈服、強化和爆破過程。厚壁圓筒承受內部壓力后，筒壁產生應力和變形，隨著壓力的增大，應力和變形不斷增加，在彈性階段，筒壁應力較小，產生彈性變形；當筒壁應力達到材料屈服極限時，筒體內壁首先屈服；在彈塑性變形階段，隨著內壓的繼續升高，材料從內壁向外壁屈服，此時，一方面因塑性變形而使材料強化導致承壓能力提高，另一方面因厚度不斷減小而使承壓能力下降，當兩作用相接近時，對應的壓力為容器所能承受的最大壓力；在爆破階段，容積突然急劇增大，壓力相應減小，直至容器爆破，此時對應的壓力值為厚壁圓筒的爆破壓力值。

圖2 壓力－時間的變化關系曲線圖

4 實驗中應用計算機輔助系統的重要意義

傳統的測試方法是依據人為目測實驗裝置上的壓力表來確定爆破壓力，不能實時準確記錄壓力容器試件在連續壓力變化下的壓力－時間的變化關系。再則由于容器爆破實驗所加的壓力都是高壓或超高壓，必須在確保學生的人身安全環境下操作，因此學生實驗觀察點距高壓爆破試件較遠，更無法直接觀看到容器試件整個爆破的全過程。

將計算機輔助實驗系統應用在壓力容器爆破實驗教學中，把先進的過程控制系統和數據采集、分析系統及數據處理、輸出顯示等融為一體，通過計算機屏幕顯示的壓力－時間的變化曲線圖，使學生更加直觀地看到壓力容器升壓、屈服、膨脹變形直至爆破這一實驗歷程，同時使學生的實驗環境更為安全，實驗數據更加準確、可靠。

［1］ 孫力.高壓容器爆破試件裝置的改進［J］.實驗室研究與探索，2000（2）：99－101.

［2］ 周勇軍，顧海明，朱廷風，厚壁圓筒容器爆破試驗裝置的研制［J］.實驗室研究與探索，2004，23（2）：33－34.