高压爆破实验室doc.docx

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高压爆破实验室

高压爆破实验室简介主要进行压力容器内压爆破实验和外压容器失稳实验，是过程设备设计课程中的重要实验课，也是过程装备与控制工程培养中的重要实验。

高压爆破实验机、外压试验装置等实验设备。

压力容器内压爆破实验

一、实验目的

1、初步掌握压力容器整体爆破的实验方法及装置；观察并分析实验过程中所出现的各种现象。

2、测定容器的整体屈服压力并与理论计算值进行比较。

3、对容器的爆破口及断口做出初步的宏观分析。

4、对爆破容器的性能进行评价的初步训练。

二、实验意义

整体构件爆破实验是压力容器研究、设计、制造中的一个综合性实验方法，是考核构件材料的各项机械性能，结构设计的合理性，安全储备以及其它方面性能的直观性很强的实验方法。

有以下几个方面的应用：

1、产品定型：

新设计压力容器的选材、结构及制造工艺合理性验证。

这也包括新产品的试制，材料更新，结构型式改变以及制造工艺更动时为确保产品质量而进行的实验。

2、质量监控：

对已定型的压力容器，为了监控在生产中由于生产工艺的波动等因素而引起的质量波动所进行的实验，模具的变形，热处理炉温的波动，原材料质量波动以及焊接工艺条件的波动等都能引起压力容器产品质量的波动。

3、科学研究：

科研及其它用途的评定性实验。

压力容器爆破实验属于破坏性实验，耗费较高。

因此确定是否需要进行这类实验时要慎重考虑。

三、实验方法及原理

压力容器的爆破实验分模拟构件爆破实验和产品抽样实验两种：

1、模拟构件的爆破实验；按照一定的模拟条件制造模拟构件，进行爆破实验，以推断实际容器的爆破性能，此法多用于研究、制造费用高的单件重要容器。

此法的关键是建立准确的模拟条件。

2、产品抽样实验：

从一定数量的产品中随机抽取若干只进行爆破实验。

此法适用于成本相对比较低的大批量生产容器。

整个实验过程是由压力源向容器内注入压力介质直至容器爆破。

压力介质可为气体或液体两种。

由于气压爆破所释放的能量比液压爆破所释放的能量大得多，相对而言气压爆破比较危险，因此一般都采用液压爆破，但即使用液压爆破，仍有一定的危险性，需要安全防护措施，以保证人员及设备的安全。

在爆破实验过程中，随着容器内压力的增高，容器经历弹性变形阶段，进而出现局部屈服、整体屈服、材料硬化、容器过度变形直至爆破失效。

为了表征容器爆破实验过程中各阶段的变化规律，可用压力～进水量、压力～升压时间、压力～筒体直径变化量等曲线进行描述，这些参数可借助于压力表，水位计等在实验中测得。

图5-1即为钢质无缝气瓶爆破实验中测定的压力～升压时间曲线，根据这些曲线所提供的信息即可分析构件材料的力学性能，并确定该容器的整体屈服压力。

图5-1 钢质无缝气瓶爆破实验压力-升压时间曲线

整体屈服压力Ps的测定：

1、进水量不断增加而压力表指针基本上停滞不动时所对应的压力；

2、在压力～进水量等曲线上对应于整体屈服的平台阶段所对应的压力；

爆破压力Pb的测定：

容器爆破的瞬间容器内的压力。

爆破实验的典型实验装置如图5-2所示。

图5-2爆破实验装置简图

高压泵：

98MPa柱塞泵，介质为水（或超高压泵：

600MPa柱塞泵，介质为煤油和变压器油）。

压力表：

量程为100MPa，l.5级；秒表，测量仪等用具。

四、圆筒形容器整体屈服压力PS和爆破压力片Pb的理论计算

根据受内压圆筒的应力分析结果可知，当内压升到某一数值时。

内壁表层材料首先开始屈服，随着压力的升高，塑性区向外发展直至整个壁厚全部屈服。

此时所对应的压力为整体屈服压力，由于此时材料全部进人塑性，因此表现出有较大的塑性变形发生。

当变形发展到一定程度时材料进入硬化阶段，随着塑性变形的不断发生。

容器壁厚不断减薄。

当壁内应力达到材料的强度限时容器发生爆破。

根据不同的压力分布假设以及不同的屈服准则，可推导出不同的PS、Pb计算公式，具有代表性的有以下几种：

1、基于理想弹-塑性材料，按厚壁圆园筒分析得出的公式

①用TreSea屈服准则：

Ps=4sσs/3Dm；Pb=4sσb/3Dm

式中k＝D0/Di（圆筒外、内径之比），σs、σb分别为材料的屈服应力和抗拉应力。

②用Mises屈服准则：

2、修正公式

福贝尔和史文森根据前述基于理想弹性材料推导出的Pb公式。

考虑到材料的应变硬化或屈服比（σs/σb）对爆破压力Pb的影响，分别提出修正公式：

①福贝尔公式：

②史文森公式：

式中：

e—自然对数底，n—材料应变硬化指数。

3、基于薄壁分析的公式

当容器壁厚相对较薄（k<1.2）时。

可接薄膜理论进行分析：

①用Tresea屈服准则：

Ps=4sσs/3Dm                Pb=4sσb/3Dm

式中：

Dm为中径（即内外壁平均直径），S为壁厚。

②用Mises屈服准则

实际上圆筒形容器都不可避免地带有壁厚偏差，不圆等几何偏差，其受压变形规律与理想化的均匀壁厚圆筒分析不尽相同。

但仍可找出反映筒体总变形意义下的Ps和Pb。

根据理论分析及实验验证，不圆偏差对Ps和Pb影响不大。

当筒体存在壁厚偏差时。

筒体强度主要取决于筒体的最薄侧（Smin处）,因此应将有壁厚偏差筒体视为壁厚等于Smin外径不变的均匀圆筒处理。

将Smin和K=D0／（D0－2Smin）分别代替上述各公式中的S和K进行计算。

五、破坏方式及断口分析

试件爆破后，根据破口的形状，有无碎片，爆破源处金属的变形及爆破断口的宏观分析等诸方面来定性地分析构件材料的断裂特征。

对于准静态一次性加压爆破的容器而言。

可能发生的破裂形式为韧性破裂或脆性破裂。

对于压力容器用钢一般要求塑性和韧性均比较好。

若构件材料有较好的韧性；不存在宏观冶金缺陷或裂纹，无热处理不当；且使用（实验）温度不低于材料的冷脆转变温度，则构件的破裂形式应为韧性破裂。

前述的计算PS、Pb的公式即是针对此种情况的。

但是若构件材料有一定的缺陷，韧性较差，同时存在其他不利因素，例如：

应力集中、残余应力、环境温度过低等，则可能发生脆性破裂。

韧 性 破 裂

脆性破裂

破口形状

一般无碎片，仅有裂口。

圆筒形容器主裂口沿筒体轴向

有碎片

塑性变形

比较大

几乎无

名义应力水平Pb

与常规强度计算值接近

较低

韧性破裂和脆性破裂鉴别：

1、破口的宏观特征

2、端口宏观特征

构件断口的宏观分析主要解决主断面的情况，如变形程度、断面形貌、断裂源的分析等。

金属的拉伸断口，一般都是由三个区组成。

即纤维区、放射区和剪切唇，称为断口三要素。

如图5-3示。

图5-3断口三要素示意图

 纤维区紧接断裂源，是断裂的发源地。

矩形截面试样或板材断裂的纤维区域呈椭圆形。

在此区裂纹的形成和扩展是比较缓慢的。

纤维区的表面呈现粗糙的纤维状；颜色常为暗灰色。

它所在的宏观平面（即裂纹扩展的宏观平面）垂直于拉伸应力方向。

放射区紧接着纤维区。

它是裂纹达到临界尺寸后高速断裂的区域，放射区存在人字形放射花纹，它是脆性断裂最主要的宏观特征之一。

人字形花纹的尖顶必然指向纤维区，指向断裂源。

剪切唇是最后断裂的区域，靠近表面。

在此区域中，裂纹扩展也是快速的。

但它是一种剪切断裂。

剪切唇表面光滑。

无闪耀的金晨光泽，与拉伸主应力方向成45度角。

根据断口三区的相对比例可判断构件材料的断裂特征，此比例主要由材料的性质、板厚以及温度决定。

材料越脆，板厚越大，温度越低，则纤维区、剪切唇越小，放射区越大。

反之材料塑性韧性越好，板厚越小，温度越高，则纤维区剪切唇越大，放射区越小，甚至出现全剪切唇断口。

薄壁容器韧性断裂外观

厚壁容器脆性断裂外观

六、试件

钢质无缝气瓶；

材料：

4OMn2A；

设计压力：

14.7MPa；

公称容积：

40L；

公称直径（外径）：

φ219mm；

计算壁厚：

6.5mm；

气瓶材料实测机械性能实验前提供。

七、实验步骤

（1）、高压爆破实验机操作说明步骤

1、卸压阀10与11（既面板上左右两只阀），观察仪器面板上的油标，看油缸有足够多的介质油，若油缸中油不足，可从导油杯2中直接加油（一般机油即可）。

2、启动电机，待欲爆破试件接口3处有油溢出，再关闭电机。

3、将欲爆破的厚壁圆筒试件预先灌满油（排除里面的空气）倒转后迅速选到爆破试件接口上，用管子钳上紧，罩好保护罩，开动电机。

4、仔细观察压力表，十分钟左右，介质油充满了高压管路及爆破试件中，压力表计数开始慢慢上升。

5、慢慢观察压力表，记下试件的屈服压力（压力保持不变的一段时间），屈服后试件还需要一段时间才会爆破。

6、试验中途若停止给试件加压，或试件与接口连接处有泄漏，此时必须关闭电机，打开卸压阀，待压力表读数为零，方可卸下试件或继续给试件上紧。

7、对试验机每次运动中的十字头滑块、活塞杆等磨损部必须及时加油润滑。

流程原理图如下：

（2）、高压爆破实验操作步骤

1、选取试件

2、关闭高压爆破实验机面板上左右两只卸荷阀，观察仪器面板上的油标，看油缸中是否有足够的介质油，若油缸中油不足，可从导油杯中直接加油（一般机油即可）。

3、在实验前应再次检查安全防护措施，并确定观测、读数、记录人员的分工。

经指导教师同意后，才可进行实验。

4、启动电机，待爆破试件接口处有油溢出，再关闭电机。

5、将欲爆破的厚壁圆筒试件预先灌满油（排除里面的空气）倒转后迅速旋转到爆破试件接口上，用管子钳上紧，罩好保护罩，开动电机。

6、仔细观察压力表，十分钟左右，介质油充满了高压管路及爆破试件中，压力表读数开始慢慢上升。

7、慢慢观察压力表，记下试件在屈服压力（压力保持不变的一段时间），屈服后试件还需要一段时间才会爆破。

8、实验中途若需停止给试件加压，或试件与接口连接处泄漏，此时必须关闭电机，打开卸压阀，待压力表读数为零时，方可卸下试件或继续将试件上紧。

9、试件爆破后，计算机也完成相应的数据采集和处理，打印输出所需的压力—时间曲线。

 外压容器失稳实验

一、实验目的

1、观察圆筒型试件在外压作用下的失稳过程和失稳破坏后的形状。

2、验算圆筒形试件失稳破坏时的临界压力并与试件失稳的实测值比较。

3、验算上述圆筒形试件中部设有加强圈后的波形数与临界外压。

二、基本理论

在外压作用下的薄壁容器器壁内的应力还未达到材料的屈服极限时。

容器会突然产生现象而丧失容器原有形状。

使容器丧失稳定性的外压力称为该容器的临界压力Pcr．圆筒形容器变形后的形状呈多波形其波形数。

可能是2、3、4…

容器承受临界外压作用而丧失稳定性。

并不是由于壳体的不圆度或材料不均匀等所致，即使壳体的几何形状很规整，材料很均匀。

当外压力达到一定数值时。

也会产生失稳现象。

当然壳体不圆，材料不均匀能使其失稳的临界压力值降低。

外压容器失稳的临界压力Pcr的大小取在于容器长度与直径之比（L/D）和容器壁辱与直径之比（S/D）。

圆筒形容器按失稳后的破坏情况可分为三类：

1、长圆筒----这种圆筒得L/D值比较大，临界压力Pcr仅与S/D有关,

而与L/D无关,失稳后的波形数为2；

2、短圆筒----筒体两端的边界影响显著，临界压力不仅与S/D有关,而且与L/D也有关,失稳后的波形数n为大于2的整数；

3、刚性圆筒----此圆筒的破坏系由于器壁内的应力超过材料的屈服极限所致，在这之前不会发生失稳，计算时满足强度要求即可。

三、临界压力Pcr理论计算公式

1、临界长度：

Lcr=1.11Do

4、许用外压力：

[p]=BSe/Do

四、实验装置及试件

1、实验装置

本实验使用的装置如图1所示。

图7-1外压试验装置图

1-气瓶；2-气瓶瓶阀；3-减压阀；4-放空阀；5-进气阀；6-下端盖；7-试件；

8-支撑架；9-支撑座；10-小盖；11-上端盖；12-透明简体；13-压力表

     实验装置的主体会透明有机玻璃圆筒和平顶盖构成，实验时可将试件装在试件支承座上，并用橡胶密封图把试件的内外腔隔开。

试件支承座的中心开有透气孔能使试件内脏与大气相通，实验进行时将有机玻璃罐与压力源接通，罐内压力就逐渐升高。

试验罐内的试件就处于承受外压载荷的状态。

当压力升高到某一值时，试件就会突然发生失稳破坏．

为了消除轴向载荷对试件失稳压力的影响，在试件内可以放入支撑架，还可利用有中间加强环的支撑架进行减小试件长度后的失稳实验。

2、试件

罐头盒桶坯材质：

镀锡薄铁皮

公称尺寸：

直径φ70mm，长度80mm或115mm，壁厚0.2～0.25mm。

五、实验步骤

实验前应先检查气源,为此应向逆时针方向旋松减压阀的手柄。

开启实验装置上的放空阀，关闭送气阀。

确认上述操作无误时，按逆时针方向开启高压气瓶顶端的气瓶瓶阀，若减压阀上的高压压力表指示出的压力高于室温下二氧化碳的饱和蒸汽压时，表示气瓶内有足够的液态二氧化碳可供实验使用。

实验的具体步骤如下：

1、在试件的底部编写编号；

2、测量并记录试件的外径和长度，测量外径时应注意防止试件发生变形；

3、从实验罐上取出支撑座，在支撑座上组装支撑架，测量支撑架的有效高度；

4、将试件装到支撑座上，注意使密封圈嵌入试件的口内；

5、把试件装入试验罐，用小盖把支撑座压紧到上盖上，旋紧螺母时注意应使各螺栓均匀受力，防止支撑座被压偏；

6、按逆时针方向旋松减压阀手柄，关闭试验罐的放空阀和开启进气阀；

7、按顺时针方向转动减压阀手柄，使试验罐内的压力平稳上升。

升压速度不宜过快，以免读不准该件的实测失稳压力，升压要注意压力表的指示值和试件。

当观察到试件失稳时即停止升压并读出压力指表示出的最高压力，此即试件的实测失稳压力，应记入记录；

8、按逆时针方向旋松减压阀手柄，关闭试验罐的进气阀和开启放空阀；

9、从试验罐内取出失稳后的试件，取出试件内的支撑架，测量并记录试件的壁厚，观察并记录试件失稳后的波形数；

10、实验完毕后关闭气瓶上的瓶阀

六、注意事项

实验进行过程中。

只当试验罐内为常压时才允许接近试验罐。

当试验罐内的压力高于大气压力时只允许隔着有机玻璃屏风观察试验罐内的试件。