特種鋼質無縫氣瓶水壓試驗評定指標探討

萬有貴

【摘要】針對使用較多的特種鋼質無縫氣瓶，通過從應力、應變、偏心等方面對其容積變形進行了分析計算，對水壓試驗的判廢指標進行了論證，提出了作者的建議和意見，希望能對該類無縫氣瓶的水壓試驗判廢指標的制訂提供有力的依據和參考。

【關鍵詞】氣瓶；水壓試驗；指標

引言

氣瓶耐壓試驗的試驗壓力，要比一般壓力容器的試驗壓力高。原因是氣瓶耐壓試驗是關鍵項目，重大缺陷要通過耐壓試驗來發現；氣瓶在使用過程中，使用場所不固定，周圍環境比較差，容易受碰撞和沖擊，存在的裂紋等缺陷容易擴展。但是僅僅提高耐壓試驗的試驗壓力并不是保證氣瓶安全使用的可靠方法。相反，氣瓶進行高壓試驗，可使瓶壁應力超過材料的屈服極限，產生塑性變形，使材料韌性降低，使缺陷進一步擴展，致使氣瓶在以后使用中破裂爆炸。因此，對于高壓氣瓶，應在耐壓試驗的同時，確地測定它的全變形或殘余變形，以掌握氣瓶在耐壓試驗時的應力情況。外測法水壓試驗是對受試氣瓶進行耐壓試驗的同時從受試氣瓶外測測星其容積殘余變形率。

1.外測法水壓試驗及合格指標概述

外測法水壓試驗是把氣瓶放進1只完全充滿水的容器內，安裝在該容器上的適當裝置，分別測量出氣瓶承壓時和卸壓后，由于氣瓶膨脹，從水套內排出的水量來達到測量氣瓶的殘余變形率。從容積殘余變形率則可以了解氣瓶的水壓試驗壓力是否己經接近或超過了氣瓶的整體屈服壓力所以，容積變形就成為評定氣瓶耐壓試驗是否合格的一個重要指標。目前，國際上常用的大容積鋼質無縫氣瓶標準有：美國運輸部規范49CFR.§178.37，§178.45，國際標準化組織編制的適合于全球使用的氣瓶標準ISO11120《150L～3000L無縫鋼質氣瓶設計、制造和試驗》，這2個標準均采用外測法水壓試驗，均要求永久體積膨脹量，卸壓后的體積膨脹量，不能超過試驗壓力下總膨脹體積的10%為合格。GB/T9251-1997《水壓試驗方法》規定了試驗方法、試驗裝置的基本要求及試驗操作要點，GB5099-1994《鋼質無縫氣瓶》沒有規定具體的試驗方法，因該標準適用的公稱容積為0.480L，容積較小，標準只規定了中容積瓶體的容積殘余變形率，不得大于3%。對于大容積鋼質無縫氣瓶，我國雖然在2000年版《氣瓶安全技術監察規程》將氣瓶容積擴展到了3000L，但目前還沒有大容積鋼質無縫氣瓶國家標準，在制造時只有依據經核備案的企業標準。

2.外測法水壓試驗殘余變形產生的原因

在試驗過程中出現的殘余變形存在以下可能：

（1）系統誤差。

（2）在試驗過程中，瓶體受內壓，承受周向彎矩，使瓶體產生趨圓效應。

（3）組織不均勻，局部屈服強度低，產生局部變形。

（4）鋼瓶整體強度不夠，當承受內壓時，瓶體內的應力超過最低屈服極限，產生變形。

（5）用于制造氣瓶的材料均為塑性材料，在計算瓶體壁厚時，通常近似認為塑性材料在未達到彈性極限前都處于完全彈性狀態，實際上完全彈性體是不存在的。一般情況是，有一部分（彈性變形）是隨著外力的去除而變形消失，另一部分（塑性變形）隨著外力的消除變形保留下來，這種變形就是殘余變形。

3.偏心度對殘余變形率的影響

實際情況，氣瓶并不是理想狀態的均勻壁厚，而是存在著較大的幾何偏差，其中偏心占80%左右，該類特種高壓無縫氣瓶也不例外。由于偏心現象的存在，使得在同一試驗壓力下，瓶體各部分的應力應變相差很大。若將試驗壓力繼續增大，當氣瓶上壁厚較薄的部位在試驗壓力作用下已經發生了彈塑性變形甚至塑性變形時，其余部位仍處于彈性變形階段。由于與容積殘余變形率相對應的殘余變形不是沿周向均勻分布的，而主要集中在壁厚較薄的部位。因此，當薄邊的應力已經超過允許值時，總體的殘余變形率還不大，尚未超過1000，但薄邊此時會先于其它較厚部位發生變形。

4.試驗方法的影響

常用的水壓試驗方法是內測法和外測法。內測法是反映氣瓶內部容積的變化，更接近于氣瓶殼體變化的實際過程。外測法反映了氣瓶體積的變化情況。在一定的壓力下，外壁尚處于彈性階段，而內壁卻產生了殘余變形，使得內測法和外測法測得的氣瓶容積殘余變形率有較大的差異。

5.避免殘余變形超標的方法

（1）校驗系統，要定期對系統進行校驗，保證數據的準確性。

（2）在原材料供應及制造過程中，盡量避免變形，如熱處理過程中熱源及支撐的均勻性，都可能導致瓶體變形，不圓度超標。因此，在布置熱源及支撐位置時要充分考慮這些問題。

（3）原材料或制造過程中，雖然經過測厚，但很難全部檢測到每一點，壁厚不均勻的現象可能存在，薄弱點在承受內壓時先屈服，首先出現局部變形?？赏ㄟ^100%超聲測厚，檢測出不符合最小厚度要求的原材料或半成品，避免由于局部厚度不足造成的局部高應力，降低鋼瓶的生產成本。

（4）要求公司認真檢查所使用的氣瓶制造模具，并采用另外材料制成的模具逐步更換了生產線上的銅模具，從根本上保證這種情況不會再次發生。

（5）明確相關崗位檢驗人員責任，加強瓶坯外觀質量和氣瓶肩部外觀質量檢查，發現異常及時進行處理。

（6）對生產線各崗位操作人員和檢驗人員，而尤其是瓶坯檢驗、收口、水壓試驗等關鍵崗位的人員進行培訓和教育，并加強管理。

6.結語

對氣瓶進行水壓試驗是氣瓶定期檢驗的主要項目，其評判標準是關鍵所在。在水壓試驗過程中，氣瓶的容積彈性變形與瓶壁產生的應力成正比關系，瓶壁應力越大，容積彈性變形也越大。容積彈性變形量的大小直接反映了瓶壁應力水平的大小，而氣瓶材料強度則是與其所能承受的應力是密切相關的，能承受的應力大，則其彈性變形量大，材料強度就大。因此，對某部所屬特種鋼質高壓無縫氣瓶進行水壓試驗時，以容積彈性變形作為氣瓶判廢的主要評定指標是比較合理的。

參考文獻：

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[2]周婉珍，等.壓力容器安全[m]北京：中國勞動出版社，2001.

[3]北京經濟學院勞動保護工程系.壓力容器安全工程學[M].1983.