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壓力容器出廠前一般要進行水壓試驗，以檢驗壓力容器受壓元件、部件的嚴密性和強度或整臺容器系統的嚴密性和強度。對于一些重要的設備，還要求在水壓試驗時對某些部位進行應力應變測量。本文介紹了一臺大型儲氣筒在水壓加載到4.5、5.4、6.0、6.5、7.8、9.0、9.7MPa等不同壓力水平時的應力、應變測試過程以及結果分析，了解其應力分布特別是焊縫處以及開孔接管附近的應力分布情況，并對試驗結果與理論結果進行比較分析。

水壓試驗的方法和步驟

測定方法以及測點選擇

儲氣筒在進行水壓試驗之前，對其進行了外觀檢測，發現儲氣筒除了個別地方有些很小的凹坑之外，整體均較平整。該儲氣筒的內徑為2200mm，壁厚60mm，總長10200mm，材料為16MnR鋼。筒上有4個開孔接管。（見圖1）

N₁為封頭上的人孔，N₂，N₅和N₇為圓筒壁上的接管開孔。

 

為了全面了解大型儲氣筒在受壓后的應力分布情況，本文在水壓狀態下對該儲氣筒進行了應力測量，分別在3條縱焊縫、4條環焊縫、接管開孔處以及焊縫熱影響區進行了布片。布片點說明如下（見圖2）：

A. 環焊縫上1點在焊縫處，3點和5點分別在焊縫中心的上下各25mm處；

B. 環焊縫、縱焊縫相交點只布一個片，如A_1-1；

C. 接管開孔周圍除了在焊縫中心和上下各25mm處布片外，在接管過渡圓弧中心處也布片；

D. 其他4點中，Q₁、Q₂兩點分別距離N₅、N₇上的測點2位置50mm；Q₃、Q₄兩點分別距離Q₁和Q₂水平弧線距離50mm。

應變儀介紹

試驗中所使用的儀器采用聚航科技生產的JHYC靜態應變儀，軟件式操作，功能強大，可對力、扭矩、位移等物理量進行采集。應變值實時顯示，實時保存，可自動生成報表。

測試步驟

A. 先對儲氣筒筒壁布點位置進行定位、打磨、貼片。

B. 往容器里注滿水但先不加壓，檢查容器是否正常以及應變片是否完好。

C. 為了消除溫度影響，在同種材料的試板上貼了溫度補償片，進行溫度補償；

D. 對容器進行一次0→3→0MPa的壓力循環，以消除系統誤差；

E. 按4.5、5.4、6.0、6.5、7.8、8.9、9.7MPa的壓力水平進行應變測試，每級壓力下先穩壓3min，并測取數據；

F. 在9.7MPa壓力下穩壓30min后卸壓，在卸壓過程中繼續測出在9.8、7.8、6.0MPa壓力下的應變數據。

測試結果及數據分析

總體分析

從測試結果可以看出，所有點的壓力應力曲線近似一條直線，這說明容器在1.25倍設計壓力的水壓試驗范圍內處于*全彈性范圍內，無塑性變形。應力相對較高的部位主要在4個大接管即N₁、N₂、N₅和N₇部位及附近部位Q₁、Q₂、Q₃和Q₄測點，其中*大應力為N₁接管的第6點部位的環向應力，在壓力為9.7MPa時測得該點的環向應力為362MPa。縱向焊縫和環向焊縫各部位測得的應力相對較低，在壓力為9.7MPa時各測點的應力均在200MPa以下。由筒體焊縫位置和接管開孔附近區域應力分布情況可知，由于接管開孔引起的應力集中，導致局部應力增大。

局部分析

由以上結果可知，容器的應力較大值只出現在接管開孔處，從N_1-6點隨壓力變化的應力值可以看出，環向應力和軸向應力隨壓力變化近似線性關系。從圖3可知，N_1-6點環向應力與軸向應力比值基本在1.5，而A_1-2點環向應力與軸向應力比值基本在1.8，接近2.0，這與理論值較為符合。同時處在筒體縱焊縫上的A_1-2點比處在接管開孔附近N_1-6點的環向應力與軸向應力比值更接近2.0，說明開孔是導致應力增大的根本原因，而它們的比值都小于2說明了焊縫也是引起應力增大的原因。

 

從圖4可以看出，縱、環焊縫相交各點軸向應力實驗值與理論值基本一致，而環向應力除了A_1-1、A_3-6兩點處也比較接近。對于A_1-1、A_3-6兩點，由于其位于封頭和筒體的交界上，理論值應該為0，這里分別為54MPa和66MPa，考慮到焊縫引起的殘余應力影響，可以認為是合理的。

圖5表明，熱影響區附近的應力遠小于焊縫處的應力，接管圓弧中心最小甚至出現了壓應力，說明焊縫金屬的力學性能對應變測試有很大的影響。另外，應力的*大值不是位于焊縫中心，而是在距離焊縫中心25mm處的6點。在離焊縫更遠的Q₂、Q₄點，應力開始減小，說明距離6點越遠，應力值逐漸減小，即受接管開孔引起應力集中影響逐漸減小。

結束語

在整個測試過程中，加壓過程平穩，應變片以及導線狀態良好。試驗結果表明，焊縫以及接管開孔引起的應力集中導致了局部應力增大，焊縫金屬的力學性能對應力應變測試產生了極大的影響。試驗測得大型儲氣筒的應力分布情況與理論分析基本接近，容器處于*全彈性范圍內，它的強度設計是合理的。