萬有貴

【摘要】針對(duì)使用較多的特種鋼質(zhì)無縫氣瓶，通過從應(yīng)力、應(yīng)變、偏心等方面對(duì)其容積變形進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)水壓試驗(yàn)的判廢指標(biāo)進(jìn)行了論證，提出了作者的建議和意見，希望能對(duì)該類無縫氣瓶的水壓試驗(yàn)判廢指標(biāo)的制訂提供有力的依據(jù)和參考。

【關(guān)鍵詞】氣瓶；水壓試驗(yàn)；指標(biāo)

引言

氣瓶耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力，要比一般壓力容器的試驗(yàn)壓力高。原因是氣瓶耐壓試驗(yàn)是關(guān)鍵項(xiàng)目，重大缺陷要通過耐壓試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)；氣瓶在使用過程中，使用場所不固定，周圍環(huán)境比較差，容易受碰撞和沖擊，存在的裂紋等缺陷容易擴(kuò)展。但是僅僅提高耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力并不是保證氣瓶安全使用的可靠方法。相反，氣瓶進(jìn)行高壓試驗(yàn)，可使瓶壁應(yīng)力超過材料的屈服極限，產(chǎn)生塑性變形，使材料韌性降低，使缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，致使氣瓶在以后使用中破裂爆炸。因此，對(duì)于高壓氣瓶，應(yīng)在耐壓試驗(yàn)的同時(shí)，確地測定它的全變形或殘余變形，以掌握氣瓶在耐壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力情況。外測法水壓試驗(yàn)是對(duì)受試氣瓶進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的同時(shí)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(yàn)及合格指標(biāo)概述

外測法水壓試驗(yàn)是把氣瓶放進(jìn)1只完全充滿水的容器內(nèi)，安裝在該容器上的適當(dāng)裝置，分別測量出氣瓶承壓時(shí)和卸壓后，由于氣瓶膨脹，從水套內(nèi)排出的水量來達(dá)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(yàn)壓力是否己經(jīng)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(píng)定氣瓶耐壓試驗(yàn)是否合格的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，國際上常用的大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)有：美國運(yùn)輸部規(guī)范49CFR.§178.37，§178.45，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織編制的適合于全球使用的氣瓶標(biāo)準(zhǔn)ISO11120《150L～3000L無縫鋼質(zhì)氣瓶設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)》，這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均采用外測法水壓試驗(yàn)，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(yàn)壓力下總膨脹體積的10%為合格。GB/T9251-1997《水壓試驗(yàn)方法》規(guī)定了試驗(yàn)方法、試驗(yàn)裝置的基本要求及試驗(yàn)操作要點(diǎn)，GB5099-1994《鋼質(zhì)無縫氣瓶》沒有規(guī)定具體的試驗(yàn)方法，因該標(biāo)準(zhǔn)適用的公稱容積為0.480L，容積較小，標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了中容積瓶體的容積殘余變形率，不得大于3%。對(duì)于大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶，我國雖然在2000年版《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》將氣瓶容積擴(kuò)展到了3000L，但目前還沒有大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶國家標(biāo)準(zhǔn)，在制造時(shí)只有依據(jù)經(jīng)核備案的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.外測法水壓試驗(yàn)殘余變形產(chǎn)生的原因

在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的殘余變形存在以下可能：

（1）系統(tǒng)誤差。

（2）在試驗(yàn)過程中，瓶體受內(nèi)壓，承受周向彎矩，使瓶體產(chǎn)生趨圓效應(yīng)。

（3）組織不均勻，局部屈服強(qiáng)度低，產(chǎn)生局部變形。

（4）鋼瓶整體強(qiáng)度不夠，當(dāng)承受內(nèi)壓時(shí)，瓶體內(nèi)的應(yīng)力超過最低屈服極限，產(chǎn)生變形。

（5）用于制造氣瓶的材料均為塑性材料，在計(jì)算瓶體壁厚時(shí)，通常近似認(rèn)為塑性材料在未達(dá)到彈性極限前都處于完全彈性狀態(tài)，實(shí)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(duì)殘余變形率的影響

實(shí)際情況，氣瓶并不是理想狀態(tài)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(xiàn)象的存在，使得在同一試驗(yàn)壓力下，瓶體各部分的應(yīng)力應(yīng)變相差很大。若將試驗(yàn)壓力繼續(xù)增大，當(dāng)氣瓶上壁厚較薄的部位在試驗(yàn)壓力作用下已經(jīng)發(fā)生了彈塑性變形甚至塑性變形時(shí)，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(duì)應(yīng)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(dāng)薄邊的應(yīng)力已經(jīng)超過允許值時(shí)，總體的殘余變形率還不大，尚未超過1000，但薄邊此時(shí)會(huì)先于其它較厚部位發(fā)生變形。

4.試驗(yàn)方法的影響

常用的水壓試驗(yàn)方法是內(nèi)測法和外測法。內(nèi)測法是反映氣瓶內(nèi)部容積的變化，更接近于氣瓶殼體變化的實(shí)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(nèi)壁卻產(chǎn)生了殘余變形，使得內(nèi)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(biāo)的方法

（1）校驗(yàn)系統(tǒng)，要定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）在原材料供應(yīng)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(dǎo)致瓶體變形，不圓度超標(biāo)。因此，在布置熱源及支撐位置時(shí)要充分考慮這些問題。

（3）原材料或制造過程中，雖然經(jīng)過測厚，但很難全部檢測到每一點(diǎn)，壁厚不均勻的現(xiàn)象可能存在，薄弱點(diǎn)在承受內(nèi)壓時(shí)先屈服，首先出現(xiàn)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(yīng)力，降低鋼瓶的生產(chǎn)成本。

（4）要求公司認(rèn)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(chǎn)線上的銅模具，從根本上保證這種情況不會(huì)再次發(fā)生。

（5）明確相關(guān)崗位檢驗(yàn)人員責(zé)任，加強(qiáng)瓶坯外觀質(zhì)量和氣瓶肩部外觀質(zhì)量檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行處理。

（6）對(duì)生產(chǎn)線各崗位操作人員和檢驗(yàn)人員，而尤其是瓶坯檢驗(yàn)、收口、水壓試驗(yàn)等關(guān)鍵崗位的人員進(jìn)行培訓(xùn)和教育，并加強(qiáng)管理。

6.結(jié)語

對(duì)氣瓶進(jìn)行水壓試驗(yàn)是氣瓶定期檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目，其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵所在。在水壓試驗(yàn)過程中，氣瓶的容積彈性變形與瓶壁產(chǎn)生的應(yīng)力成正比關(guān)系，瓶壁應(yīng)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(yīng)力水平的大小，而氣瓶材料強(qiáng)度則是與其所能承受的應(yīng)力是密切相關(guān)的，能承受的應(yīng)力大，則其彈性變形量大，材料強(qiáng)度就大。因此，對(duì)某部所屬特種鋼質(zhì)高壓無縫氣瓶進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，以容積彈性變形作為氣瓶判廢的主要評(píng)定指標(biāo)是比較合理的。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB13004-1999，鋼質(zhì)無縫氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定[s]

[2]周婉珍，等.壓力容器安全[m]北京：中國勞動(dòng)出版社，2001.

[3]北京經(jīng)濟(jì)學(xué)院勞動(dòng)保護(hù)工程系.壓力容器安全工程學(xué)[M].1983.