內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)研究*

侯國(guó)安，閆 爽, 何國(guó)輝，楊 杰

(銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川 750015)

在石油化工、制藥、輕工、食品、能源等行業(yè)，壓力容器得到廣泛應(yīng)用。壓力容器內(nèi)的介質(zhì)通常壓力高、溫度高、有毒以及易燃易爆，這對(duì)壓力容器的安全造成很大威脅[1-3]。為了保證壓力容器的安全，對(duì)筒壁應(yīng)力分布的測(cè)量就顯得十分重要，常用的測(cè)量方法之一就是應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量法[4-5]。

過(guò)程裝備與控制工程是培養(yǎng)化工行業(yè)人員的一個(gè)非常重要的專(zhuān)業(yè)，其培養(yǎng)目標(biāo)之一就是培養(yǎng)壓力容器行業(yè)人員，內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)是過(guò)控專(zhuān)業(yè)的核心實(shí)驗(yàn)之一，需要學(xué)生會(huì)選用合適的應(yīng)變片，會(huì)根據(jù)自己的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求，正確粘貼應(yīng)變片，連線，會(huì)采用一些方法使電橋平衡，會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。

實(shí)驗(yàn)采用DH3815N 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀，它是以電阻應(yīng)變片作為測(cè)量傳感器，采用屏蔽線進(jìn)行連接，通過(guò)DH3815N采集箱采集信息[6]。

1 DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的是江蘇東華測(cè)試公司的DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要元件之一是應(yīng)力應(yīng)變片，通過(guò)屏蔽線把粘貼在壓力容器上的應(yīng)變片和信息采集箱連接在一起，采用1/4橋，完成應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量。

1.1 系統(tǒng)組成

DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀上有16個(gè)通道，可以測(cè)量256個(gè)點(diǎn)。測(cè)量前需對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行平衡操作。1/4橋外接應(yīng)變片接線示意圖如圖1所示。

圖1 1/4橋外接應(yīng)變片接線示意圖Fig.1 Schematic diagram of connection of 1/4 bridge external strain gauge

圖1中的下方為測(cè)點(diǎn)，共分兩排，每排最左邊一排為補(bǔ)償點(diǎn)，后面八排為工作測(cè)點(diǎn)，為一至八號(hào)測(cè)點(diǎn)，第二排為九至十六號(hào)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)上可以接1/4橋、半橋、全橋形式布置的應(yīng)變片。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)每個(gè)數(shù)據(jù)采樣箱可測(cè)16個(gè)通道；

(2)每個(gè)測(cè)試系統(tǒng)最多可控制8個(gè)數(shù)據(jù)采集箱(即128個(gè)通道)；

(3)每臺(tái)計(jì)算機(jī)最多可控制16個(gè)測(cè)試系統(tǒng)(即4096個(gè)通道)；

(4)采樣速率：1 Hz/通道(連續(xù)采樣)；

(5)采樣時(shí)間：1 s(完成所有通道)；

(6)適用應(yīng)變計(jì)電阻值：60～20000 Ω任意設(shè)定；

(7)應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)：1.0～3.0自動(dòng)修正；

(8)供橋電壓(DC)：2 V分檔切換；

(9)測(cè)量應(yīng)變范圍：±19999 με；

(10)最高分辨率：1 με；

(11)系統(tǒng)準(zhǔn)確度：不大于0.5%±3 με(滿(mǎn)度值的0.1%)；

(12)零漂：不大于4 με/4 h；

(13)自動(dòng)平衡范圍：±15000 με(應(yīng)變計(jì)阻值的±1.5%)；

(14)導(dǎo)線電阻修正范圍：0～100 Ω；

(15)儀器工作電源：220 V±10%,50 Hz±2%，功率120；

(16)使用環(huán)境：適用于GB6587.1-86-Ⅱ組條件。

1.3 橋路的連接

橋路分1/4橋、半橋和全橋。接線時(shí)，將接線鼻子置于金屬壓片下方，擰緊鏍釘。應(yīng)變測(cè)試儀有內(nèi)部電阻。在1/4橋、半橋連接時(shí)，內(nèi)部電阻和外接應(yīng)變片一起組成惠斯通測(cè)量電橋。本實(shí)驗(yàn)采用1/4橋。

圖2 DH3815N采集箱Fig.2 DH3815N collection box

采集箱上的每個(gè)測(cè)點(diǎn)共有六個(gè)接點(diǎn)，第一個(gè)接點(diǎn)為+Eg(正橋壓輸入)，第二個(gè)測(cè)點(diǎn)為Vi+(正信號(hào)輸出)、第四個(gè)接點(diǎn)為-Eg(負(fù)橋壓輸入)，第五個(gè)測(cè)點(diǎn)為Vi+(負(fù)信號(hào)輸出)，第六個(gè)測(cè)點(diǎn)為屏蔽端G，在第八、十六號(hào)測(cè)點(diǎn)后面有標(biāo)記。每種橋路方式對(duì)應(yīng)的采集箱面板上的銅片的布置方式(插入或拔出)以及所應(yīng)接的接點(diǎn)各不相同。

1/4橋需要接補(bǔ)償片，一片補(bǔ)償片可以補(bǔ)償一排共八個(gè)測(cè)點(diǎn)。補(bǔ)償片接入+Eg、Vi+，工作片也接入+Eg、Vi+。如果使用的應(yīng)變片外接長(zhǎng)導(dǎo)線帶有屏蔽線，則接入G端。

2 應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置

薄壁容器橢圓封頭應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。

圖3 薄壁容器橢圓封頭應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device for measuring stress of elliptic head of thin-wall vessel

臥式內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)容器橢圓長(zhǎng)軸320 mm，短軸160 mm，壁厚3 mm，材質(zhì)0Cr18Ni9，為了測(cè)定橢圓形封頭的應(yīng)力狀況，從橢圓形封頭的頂部開(kāi)始，沿著軸截面與外表面的交線粘貼 8組應(yīng)變片，每組兩個(gè)應(yīng)變片分別與交線平行和垂直。貼片位置見(jiàn)圖4所示。

圖4 橢圓形封頭應(yīng)變片貼片位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of strain gauge patch position with oval head

3 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

3.1 實(shí)驗(yàn)操作方法

(1)先調(diào)平衡，再向容器充水加壓。

(2)試驗(yàn)加壓順序?yàn)椋簤毫為0.1～0.2～0.3 MPa，加壓應(yīng)緩慢平衡，且待壓力穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量，并記錄壓力等級(jí)下的應(yīng)變值。

(3)卸壓時(shí)要緩慢卸壓，直至壓力降為0。

3.2 數(shù)據(jù)處理

分別對(duì)1號(hào)和2號(hào)薄壁壓力容器采用 DH3815N測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。1號(hào)和2號(hào)應(yīng)變片在橢圓形封頭的粘貼位置是互相垂直的。

(1)1號(hào)壓力容器

以薄壁容器工作壓力 p=0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa 為例，實(shí)驗(yàn)測(cè)得各8個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力值如表1所示。

表1 1號(hào)壓力容器橢圓封頭數(shù)據(jù)表Table 1 Oval head data table of pressure vessel No.1

圖5 1號(hào)壓力容器橢圓封頭應(yīng)力分布曲線分布圖Fig.5 Stress distribution curve of elliptic head of no.1 pressure vessel

將表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線，橫坐標(biāo)是壓力容器各測(cè)點(diǎn)至橢圓形封頭頂點(diǎn)距離，縱坐標(biāo)是徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力。如圖5所示。

由圖5應(yīng)力分布曲線分布圖可知，1號(hào)壓力容器在p=0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa壓力下，容器在頂部的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力大小差不多，在筒體部分周向應(yīng)力是徑向應(yīng)力的兩倍。

(2)2號(hào)壓力容器

將表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖6所示。

表2 2號(hào)壓力容器橢圓封頭數(shù)據(jù)表Table 2 oval head data table of no. 2 pressure vessel

圖6 2號(hào)壓力容器橢圓封頭應(yīng)力分布曲線分布圖Fig.6 Stress distribution curve of elliptic head of No.2 pressure vessel

由圖6應(yīng)力分布曲線分布圖可知，2號(hào)壓力容器在p=0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa壓力下，容器在頂部的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力大小差不多，在筒體部分周向應(yīng)力是徑向應(yīng)力的兩倍。

比較圖5和圖6兩臺(tái)壓力容器橢圓封頭應(yīng)力分布曲線分布圖可知，1號(hào)和2號(hào)兩臺(tái)壓力容器測(cè)點(diǎn)至橢圓形封頭頂點(diǎn)距離都為0、40、80 mm，但互為垂直方向，相同距離處測(cè)得的周向和徑向應(yīng)力相同，說(shuō)明在橢圓相同圓周處，徑向和周向應(yīng)力是相同的；其余處兩臺(tái)壓力容器應(yīng)力測(cè)試的距離不同，在筒體部分周向應(yīng)力是徑向應(yīng)力的兩倍，但還是存在一定范圍內(nèi)的誤差。

測(cè)量結(jié)果隨著時(shí)間在不斷的變化，而且變化無(wú)規(guī)律，時(shí)大時(shí)小，不能準(zhǔn)確的確定該點(diǎn)的應(yīng)力值，這主要是由于現(xiàn)場(chǎng)溫度在不斷的變化，且溫差大造成的。

引起測(cè)試結(jié)果存在誤差的主要原因可能主要有以下兩點(diǎn)：

(1)該測(cè)試系統(tǒng)的組成元件精度不夠，引起測(cè)量誤差。

(2)在測(cè)量前，未對(duì)導(dǎo)線的靈敏系數(shù)進(jìn)行修正，導(dǎo)致測(cè)量誤差。

在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)變測(cè)試中，該應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)還受溫度、空氣濕度、 電磁、電壓等的影響。

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)施薄壁橢圓封頭應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，除了可以幫助學(xué)生完成常規(guī)的電阻應(yīng)變法應(yīng)力測(cè)量知識(shí)與技能訓(xùn)練之外，還可以幫助提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，兩臺(tái)壓力容器應(yīng)力測(cè)試的部位不同，但靠近頂部的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力大小差不多，在筒體部分周向應(yīng)力是徑向應(yīng)力的兩倍，實(shí)驗(yàn)和理論基本相一致。