应变法在CNG气瓶检测中的应用研究*

黎玉萍，孟永彪，文洪江，李 悦

（新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐830046）

应变法在CNG气瓶检测中的应用研究*

黎玉萍，孟永彪，文洪江，李 悦

（新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐830046）

利用应变法对在用压缩天然气钢瓶（compressed nature gas，CNG）的水压试验过程进行了研究。钢瓶受压状态下，针对整体容积残余变形率这一安全指标，对比了应变法与传统内测法的优劣，并总结了应变法的部分影响因素。

CNG钢瓶；应变法；水压试验；整体容积残余变形率

鉴于气瓶是储存和运输气体的可重复性充装的移动式压力容器，而充装介质一般都具有压力、可燃性、氧化性、毒性、腐蚀性及化学不稳定性等特点，是具有潜在危险性的特种容器。所以要防止气瓶事故的发生，要采取很多措施，其中对气瓶进行定期全面检验检测[1-2]可及时发现气瓶隐患，防止事故发生。根据GB12135-89《气瓶定期检验站技术条件》[1]，气瓶的定期检验是根据瓶装气体的性质以及气瓶使用条件及环境，缺点在用气瓶每间隔一定期限，由气瓶检验站采样适当而有效的方法对气瓶进行一次全面的检查和必要试验。定期检查不仅要进行外观检查，还要拆掉瓶阀进行内部检查，更重要的是要进行水压试验和气密试验。

电测法在水压试验中（传统方法采用内测法或外测法），其中弹塑性失效是高压气瓶金属材料的一种主要破坏形式，国标中把10%残余变形率[1-3]做为高压气瓶安全与否的判定标准，利用DASP软件[4]所测得的应力变形数值来计算气瓶的残余变形率，用于表征在用气瓶是否安全。

利用UG、ANSYS软件对气瓶进行受压建模分析，可得出气瓶可能存在危险的特征点。运用精度很高的动态应力应变仪，测试对应特征点在受压前后气瓶的应力应变，再将气瓶表面局部结构的应变回归到气瓶整体残余变形率这个指标，对比内测法与电测法的效果，并分析用电测法分析气瓶残余变形率的影响因素关系。

1 实验原理[5-7]

金属电阻丝承受拉伸或压缩变形时，电阻也将生改变，产生电阻应变效应，即金属丝电阻随机械变形而改变的物理现象。在不同方向的外力作用下，所产生的形变量ε不同。对于一根普通电阻丝，有（dR/R=Kε，其中K为电阻应变片的灵敏系数，K=（1+2 μ）+dρ/（ρε）），可知应变ε与载荷有关，即在应变片粘贴在试件上会随着受载变形电阻值发生相应的变化。这样，应变片就完成了一个由载荷表示的机械量转变为电压值。

测量前，将电阻应变片用特殊的胶合剂粘贴在气瓶欲测应变的部位，当壳体受到载荷作用发生变形时，电阻应变片中的电阻丝随之一起变形，导致电阻丝长度及截面积的改变，从而引起其电阻值的变化。通过动态或静态型电阻应变仪，就可测得相应特征点的应变，利用创新理论将气瓶表面局部结构的二维应变推演出气瓶整体三维容积形变，推算出钢瓶整体残余变形率。

2 实验部分

2.1 特征点的选取

利用气瓶应力应变结论分析并用超声波测厚仪测量各点厚度，利用UG建立气瓶模型，利用WorkB eanth接口，将UG中建好的模型导入ANSYS进行分析，可以得出各点的应力-应变云图。如图1。

图1 ANSYS建模分析气瓶各特征点的等效弹性应变Fig.1 Equivalent elastic strainonthe characteristic points of CNG

可以得出几个特征点应变分布情况，在筒体中心处的应变达到最大，但是在封头部位，由于厚度很大及封头加强圈的作用，应变反而很小。

2.2 实验仪器

实验仪器为BZ2210多通道动态应变仪、数据采集仪、DASP数据处理软件。

2.3 实验方法

通过薄壁容器理论分析主应力方向为气瓶环向方向，用砂纸沿与主应力方向成45°角打磨直至气瓶表面打磨擦拭干净。在各特征点处划线并粘贴应变片[10]。待贴片粘贴牢固，选择16芯的纯铜导线与应变片引线焊接，注意绝缘。再检查阻值、接线，进行应、软件调试，再进行示波采样。

2.4 实验分析方法

利用数据采集仪采集粘贴在CNG气瓶中心线的应变片应变变化量并显示在DASP功能窗口中，可得出对应波形在一个时段的平均值，定为该测点该状态下的应变值。根据差分及积分理论，可计算出气瓶在该状态下对应的残余变形率。

3 实验结果及讨论

3.1 实验结果

（1）DASP软件模拟气瓶受压前后的动态过程（0～20 MPa）见图2。

图2 DASP软件模拟气瓶受压前后的动态过程Fig.2 Dynamic process during the hydraulic pressure process from0 MPato 20 MPasimulatedby DASPsoftware

（2）气瓶中心线的环向应变的数据统计见表1。

表1 气瓶中心线处的环向应变数据统计Table 1 Statistical dataof hoopstrainatCNGvessel centerline

表2 气瓶中心线处的轴向应变数据统计Table 2 Statistical dataof axial strainatCNGvessel centerline

（3）气瓶中心线处的轴向应变数据统计见表2。

3.2 实验结果讨论

根据表1，表2做出Excel折线图如图3，图4。

初始状况下气瓶中心线各点的应变并不一致，主要是因为接线与仪表的误差，但对于με精度而言是可以忽略的。升压至2 MPa主要是为了排除气瓶内可能存在气泡，会产生误差。在压力升至33.4 MPa，分别采了3次样，可知在保压过程中，形变不稳定，并有减小趋势，且斜率越来越小。从33.4 MPa卸压至0 MPa过程中，气瓶的回复并不完全。卸压后的零状态与初始状态比较，没有回复到起始位置，说明气瓶的回复需要一定的时间，据统计：在气瓶经过破坏性实验后，气瓶弹性回复大约需要一个月，即在这段时间内不宜进行第二次破坏性水压实验。

由图3、4所示，气瓶中心线环向应变基本上是轴向应变的4倍。根据薄壁容器理论[8]，对于球形封头的气瓶，筒体的环向应力为轴向应力的2倍，而封头区由于厚度和加强圈的作用，封头的环向应力与轴向应力相等。

图3 气瓶中心线处的环向应变εFig.3 HoopstrainatCNGvessel centerline

图4 气瓶中心线处的轴向应变εFig.4 Axial strainatCNGvessel centerline

气瓶钢材存在抗变形能力方向性[9]。回转体容器原材料一般为板材或管材，轧制方向不同，组织的方向纤维性就不同，耐受外力压力能力也呈现出方向性。例如，正常加工的合格钢瓶，其环向组织耐受力就是轴向组织耐受力的两倍。

电测法与内测法相比，气瓶的残余变形率更为精确，即用部分特征点应变回归分析整体电测法与内测法相比，气瓶的残余变形率更为精确，即用部分特征点应变回归分析整体容积变化是理想的。结果如图5所示。

但是部分实测的应变与理论应变还是存在一些偏差，影响的可能因素包括应变片的误差、环境温度及电磁噪声干扰、气瓶钢材结构误差等。所有这些影响的叠加效应使得应变法测得的残余变形率与内测法存在一定的差值，在实验过程中尽力避免则可以明显减小误差。

图5 对比2种方法测试的气瓶残余变形率Fig.5 Comparisonof two methods fordetectionof the residual deformationrate of CNGvessel

4 结论

气瓶检验测试水压试验过程中，利用电测法检测所计算的气瓶残余变形率比传统的内测法有很大的进步。实验发现：

（1）利用应变法测试CNG气瓶水压试验中的残余变形率比传统方法精确。

（2）应变法测试结果相关的影响因素较传统方法少且小。

[1]GB12135-89，气瓶定期检验站技术条件[S].1989.

[2]GB19533-2004，汽车用压缩天然气钢瓶定期检验与评定[S].2005.

[3]孙平辉，马昌华.气瓶检验[M].北京：中国劳动出版社，1993.

[4]东方振动和噪声技术研究所.DASP E.T.软件操作使用说明书[M].北京：东方振动和噪声技术研究所,2005.

[5]修维红，张海波.粘贴式高温应变片电测技术及其在锆复合板设备应变测量中的应用[J].压力容器，2007，24（9）：52-55.

[6]郑俊，赵红旺，朵兴茂.应力应变测试方法综述[J].汽车科技，2009，1：5-8.

[7]夏祁寒.应变片测试原理及在实际工程中的应用[J].山西建筑，2008，34（28）：99-100.

[8]周详，刘益虹.工程结构检测[M].北京：北京大学出版社，2007：2.

[9]郑津洋，董其伍，桑芝富，等.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[10]戴娟，汪大鹏，陈蕾，等.电测应力实验中应变计的粘贴技巧[J].湖南工程学院学报，2003，13（3）：55-57.

[11]缪华山.应变片贴片方位误差及计算机辅助分析[J].浙江海洋学院学报，2001，20（2）：143-146.

Application of Strain Method in Inspection of CNG Vessel

LI Yu-Ping，MENGYong-Biao，WEN Hong-Jiang，LIYue
（College of Chemistry and chemical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Hydraulic pressure experiment process of CNGvessel was studied with the strainmethod . Aiming at residual volumetric deformation of CNG vessel under pressured state，the strain method was compared with traditional test method ，and some influence factors of the strainmethod were summarized.

CNGvessel；Strainmethod；Hydraulic pressure experiment；Rate of residual volumetric deformation

TQ050.7

A

1671-0460（2010）04-0383-04

2010-03-15

黎玉萍（1982-），女，四川内江人，硕士研究生。E-mail：lypwhj@sina.com。