氣瓶液壓試驗(yàn)進(jìn)液量分析

危書(shū)濤

(1. 合肥通用機(jī)械研究院有限公司,安徽 合肥 230031； 2. 合肥通用機(jī)械研究院特種設(shè)備檢驗(yàn)站有限公司,安徽 合肥 230031)

氣瓶是用來(lái)儲(chǔ)存高壓氣體的壓力容器，在工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中發(fā)揮著重要作用，由于其存在壓力高、用量大和可移動(dòng)性等特點(diǎn)，一旦發(fā)生泄漏或爆炸，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)將造成重大損失，因此對(duì)氣瓶的質(zhì)量控制較為嚴(yán)苛【1】。液壓試驗(yàn)(一般用水作為液壓介質(zhì)，故通常稱水壓試驗(yàn))是氣瓶質(zhì)量檢驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，而液壓試驗(yàn)進(jìn)液量是表征氣瓶整體結(jié)構(gòu)塑韌性程度的重要指標(biāo)。在氣瓶液壓試驗(yàn)和疲勞脈沖試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)選型時(shí)，需要根據(jù)氣瓶在試驗(yàn)壓力下的實(shí)際進(jìn)液量估算液壓泵的流量和試驗(yàn)周期，方可保證設(shè)計(jì)制造出滿足需求的試驗(yàn)裝置【2】。氣瓶液壓試驗(yàn)進(jìn)水量通常依靠液壓試驗(yàn)機(jī)自帶的測(cè)試系統(tǒng)，在氣瓶液壓試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量得到，增加了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。對(duì)于一些有特殊要求的氣瓶，液壓試驗(yàn)后殘留的液壓介質(zhì)還會(huì)帶來(lái)額外干擾。本文針對(duì)鋼質(zhì)氣瓶，通過(guò)理論分析推導(dǎo)出氣瓶液壓試驗(yàn)進(jìn)液量的計(jì)算公式，經(jīng)實(shí)例試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了理論計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，為直接、快速、精確地獲取氣瓶液壓試驗(yàn)進(jìn)液量提供了有效方法。

1 氣瓶進(jìn)液量的理論分析

液壓試驗(yàn)過(guò)程中，氣瓶由初始常壓狀態(tài)升壓至液壓試驗(yàn)壓力，所需要的進(jìn)液量容積包含兩部分【3】：1)氣瓶在內(nèi)壓作用下發(fā)生變形而引起體積膨脹所產(chǎn)生的形變?cè)隽咳莘e；2)液壓介質(zhì)自身存在可壓縮性，填充氣瓶?jī)?nèi)容積的液體和加壓過(guò)程中泵入的液體都會(huì)受內(nèi)壓作用而產(chǎn)生壓縮變形，需泵入更多的介質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充，由此而產(chǎn)生的壓縮量容積。對(duì)于氣瓶而言，體積膨脹產(chǎn)生的形變?cè)隽靠杉?xì)分為直筒段形變?cè)隽亢蛢啥朔忸^段形變?cè)隽俊?/p>

1.1 氣瓶直筒段形變?cè)隽咳莘e【4-5】

氣瓶直筒段內(nèi)徑為Di(mm)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)(mm)。受壓過(guò)程中，某一時(shí)刻直筒段瓶體軸向應(yīng)變?yōu)棣舲(με)，環(huán)向應(yīng)變?yōu)棣舤(με)，則此時(shí)直筒段瓶體內(nèi)徑和長(zhǎng)度分別為：

(1)

直筒段形變?cè)隽咳莘eΔV(mL)為：

(2)

將式(1)代入式(2)，略去高次項(xiàng)，得到直筒段形變?cè)隽咳莘eΔV為：

(3)

1.2 氣瓶?jī)啥朔忸^段形變?cè)隽咳莘e

氣瓶通常由無(wú)縫管經(jīng)旋壓收口工藝制造而成，兩端封頭在旋壓收口成形過(guò)程中會(huì)明顯增厚【6】，而收口后封頭最終形狀通常類似于半球形、半橢球形或半尖球形，因此兩端封頭處的應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于直筒段，形變量極小。同時(shí)考慮到兩端封頭段長(zhǎng)度占?xì)馄靠傞L(zhǎng)度的比例較小，故氣瓶?jī)啥朔忸^段的形變?cè)隽咳莘e可以忽略不計(jì)。

1.3 液壓介質(zhì)的壓縮量容積

液壓試驗(yàn)時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)液壓介質(zhì)的壓縮量為：

ΔVp=(V+ΔV)×p×βt

(4)

式中：ΔVp——壓縮量，mL;

V——?dú)馄咳莘e，mL;

p——試驗(yàn)壓力，MPa；

βt——試驗(yàn)介質(zhì)在試驗(yàn)壓力和試驗(yàn)溫度下的壓縮系數(shù)。

由上述分析計(jì)算得到液壓試驗(yàn)過(guò)程中氣瓶進(jìn)液量ΔVi(mL)與應(yīng)變的關(guān)系為：

(5)

式(5)中直筒段瓶體軸向應(yīng)變?chǔ)舲和環(huán)向應(yīng)變?chǔ)舤可利用式(6)計(jì)算得到。

(6)

式中：t——?dú)馄恐蓖捕纹骄诤?mm；

μ——?dú)馄坎牧喜此杀龋?/p>

E——?dú)馄坎牧蠌椥阅Ａ?MPa。

將式(6)代入式(5)，得到氣瓶進(jìn)液量與試驗(yàn)壓力的關(guān)系式為：

×(1+pβt)+Vpβt

(7)

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)描述

以某大容積高壓鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶為例，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行液壓試驗(yàn)，驗(yàn)證理論計(jì)算公式的正確性。圖1為試驗(yàn)氣瓶的幾何結(jié)構(gòu)， 其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。以水為液壓介質(zhì)， 采用液壓試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)氣瓶進(jìn)行液壓試驗(yàn)， 試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)記錄系統(tǒng)進(jìn)水量和試驗(yàn)壓力值。在氣瓶直筒段中部外壁粘貼應(yīng)變片， 設(shè)置2個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)， 沿外壁周向均勻分布。試驗(yàn)過(guò)程中， 每升壓一定壓力間隔， 短暫停機(jī)保壓， 采集各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值， 直至液壓試驗(yàn)結(jié)束。本試驗(yàn)所用應(yīng)變片為某機(jī)械研究院生產(chǎn)的B×120-3BA型兩向電阻應(yīng)變計(jì)，柵長(zhǎng)×柵寬為3 mm×2 mm，靈敏系數(shù)為2.08±1%，應(yīng)變值經(jīng)UCAM-60B靜態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)變儀讀取。

圖1 氣瓶幾何結(jié)構(gòu)示意

表1 氣瓶主要技術(shù)參數(shù)

2.2 結(jié)果分析與討論

實(shí)例以水為液壓介質(zhì)(此時(shí)進(jìn)液量為進(jìn)水量)，水的壓縮系數(shù)βt按照式(8)計(jì)算【7】：

βt=(K×105-6.8p)×10-7

(8)

式中：K——與溫度有關(guān)的系數(shù)，可通過(guò)查文獻(xiàn)【7】附表得到。

以2個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)得的軸向應(yīng)變?chǔ)舲和環(huán)向應(yīng)變?chǔ)舤平均值作為氣瓶直筒段的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變值，將各參數(shù)代入式(5)，得到對(duì)應(yīng)壓力下進(jìn)水量的理論計(jì)算值A(chǔ)，將試驗(yàn)壓力和氣瓶參數(shù)代入式(7)得到對(duì)應(yīng)壓力下進(jìn)水量的理論計(jì)算值B。進(jìn)水量的試驗(yàn)值和理論計(jì)算值與壓力的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，隨著進(jìn)水量的增加，壓力線性增加，進(jìn)水量的理論值A(chǔ)和理論值B均與試驗(yàn)測(cè)量值非常吻合，表明了理論計(jì)算公式的可靠性。表2分別列出了氣瓶在試驗(yàn)壓力達(dá)到公稱壓力40 MPa和水壓試驗(yàn)壓力60 MPa時(shí)，進(jìn)水量試驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值的誤差。由表2可以看出，通過(guò)式(5)計(jì)算得到的理論值A(chǔ)與試驗(yàn)值的誤差值為2.7%和3.3%，通過(guò)式(7)計(jì)算得到的理論值B與試驗(yàn)值的誤差為2.0%和2.3%，誤差很小。由圖2和表2綜合分析表明，盡管隨著試驗(yàn)壓力的增高，進(jìn)水量的試驗(yàn)值與理論值A(chǔ)和B之間的差值逐漸增大，但在壓力達(dá)到氣瓶水壓試驗(yàn)壓力、理論計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差達(dá)到最大時(shí)，僅為3.3%和2.3%，誤差仍較小，這進(jìn)一步驗(yàn)證了進(jìn)水量理論計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。對(duì)比理論值A(chǔ)和理論值B與進(jìn)水量試驗(yàn)值的誤差，顯然理論值B與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值更為接近，表明經(jīng)式(7)計(jì)算得到的進(jìn)水量更精確可靠。究其原因，是因?yàn)槔碚撝礎(chǔ)是根據(jù)氣瓶外表面的應(yīng)變值計(jì)算得到的，而理論值B是依據(jù)氣瓶中徑處的應(yīng)變計(jì)算值計(jì)算得到的，氣瓶雖簡(jiǎn)化為薄壁結(jié)構(gòu)，但實(shí)際仍存在一定厚度和徑比，誤差亦在所難免。就實(shí)際操作而言，由于理論值A(chǔ)需要實(shí)測(cè)氣瓶瓶體直筒段外壁的應(yīng)變，增加了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，而通過(guò)式(7)計(jì)算進(jìn)液量更加直接，因此式(7)更適合作為氣瓶液壓試驗(yàn)進(jìn)液量的理論計(jì)算式。

圖2 壓力-進(jìn)水量曲線

表2 進(jìn)水量試驗(yàn)值與理論值的誤差比較

依據(jù)前述理論分析，將式(7)給出的進(jìn)液量分解為兩部分，即氣瓶的形變?cè)隽喀和試驗(yàn)介質(zhì)——水的壓縮量ΔVp。式(9)為分解計(jì)算式：

(9)

圖3給出了氣瓶總進(jìn)水量及分解部分與壓力的關(guān)系曲線。由圖3可以看出，該氣瓶水壓試驗(yàn)進(jìn)水量中，水的壓縮量約占總進(jìn)水量的80%，起主導(dǎo)作用，而氣瓶?jī)?nèi)被壓縮的水量中，氣瓶初始內(nèi)容積相比氣瓶形變?cè)隽咳莘e明顯大很多，是導(dǎo)致總進(jìn)水量較大的主要因素。因此，針對(duì)該氣瓶，若試圖減少氣瓶在壓力試驗(yàn)過(guò)程中的進(jìn)水量，比如在耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)或液壓疲勞試驗(yàn)時(shí)擬依靠減少進(jìn)水量來(lái)降低試驗(yàn)周期、提高試驗(yàn)效率，則需要采取減小氣瓶初始有效內(nèi)容積的措施(如容積填充法【5】)，方可起到較為明顯的效果。

圖3 氣瓶各部分進(jìn)水量與壓力關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1) 通過(guò)理論分析得到了氣瓶液壓試驗(yàn)進(jìn)液量計(jì)算公式[式(7)]，可在已知?dú)馄炕緟?shù)情況下估算氣瓶在一定壓力下(限氣瓶彈性變形范圍內(nèi))的液壓試驗(yàn)進(jìn)水量，經(jīng)實(shí)例試驗(yàn)，最大誤差僅為2.3%，證明計(jì)算公式準(zhǔn)確可靠，為獲取氣瓶液壓試驗(yàn)進(jìn)液量提供了快速有效的方法。

2) 將氣瓶液壓試驗(yàn)進(jìn)液量分解為形變?cè)隽亢驮囼?yàn)介質(zhì)壓縮量，并給出了分解公式[式(9)]，為分析進(jìn)液量的組成占比提供了理論依據(jù)。