动态应变仪测试气瓶残余变形率的技术应用

伊 新

（新疆特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

一、气瓶检测方法的比较

目前气瓶检测的各道工序中，水压试验是检验气瓶性能最直接和最有效的手段，GB13004和GB/T9251规定对高压气瓶进行水压试验的同时测定气瓶的容积残余变形率。如果钢质无缝气瓶的容积残余变形率超过全变形的6%时，应测定瓶体的最小壁厚，若最小壁厚小于设计壁厚的90%，或气瓶容积残余变形超过全变形的10%时，气瓶应报废。

GB/T9251规定气瓶容积残余变形率的测试方法有两种：外测法气瓶容积变形试验(简称外测法试验)；内测法气瓶容积变形试验(简称内测法试验)。内测法是从气瓶内部测定气瓶在耐压试验时的容积残余变形率。内测法试验装置比较简单，在试压过程中，若气瓶有泄露，较易被发现。但使用内测法受试验条件的影响较大，例如水的压缩性、气瓶内壁粘附有油污或其他杂质(如铁锈等)、装水后瓶壁附有一些小气泡、试验用水溶解气体较多、加压泵存在泄漏及管路残留跑冒滴漏等，这些因素都会导致内测法水压试验产生误差。外测法是在气瓶外部测量它在水压试验时的容积变形。使用外测法不易受试验条件的影响，即使有诸如温度不一致因素的影响，在实际操作中也是可以克服的。

外测法与内测法试验在测试高压气瓶容积残余变形率的操作性方面存在明显的不足之处。而电测法兼具两者优点，又可避开其缺点。电测法原理是：金属电阻丝承受拉伸或压缩变形时，电阻也将生改变。将电阻丝绕成特殊形状(如栅状)，就可做成电阻应变片。测量前，将电阻应变片用特殊的胶合剂粘贴在被测应变的部位，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。可见，电阻的变化与应变有一定的对应关系。通过动态或静态型电阻应变仪，就可测得相应的应变，也可根据理论计算出该处应力情况。

二、电测法应用实例分析计算

1.原始参数

实验容器：在用的车用无缝CNG瓶

实验设备封头尺寸直径Di=267mm；厚S=8.0~18.0mm

实验设备筒体尺寸直径Di=267mm；厚S=8.0mm；长L=863mm

实验设备材料：37Mn；弹性模量E=210 000MPa；泊松比μ=0.3

电阻应变片灵敏系数：K=2.0

2.实验钢瓶贴片图(见图1)

3.实验数据

(1)原始数据：

GB17258 TS2210146 CNGA6535030空罐重量W=66.6kg，设计压力TP=33.4MPa，设计容积V=50.9L，工作压力P w=20MPa，设计壁厚S=7.8mm。

(2)实测数据(利用超声波测厚仪测试壁厚)：

W空=66.4kg，充装水后W重=116.6kg，实测容积V=50.2L，实测壁厚S=8.0mm，外径φ267mm，高H=1 180mm，工作压力P w=20MPa。

(3)测量值：

筒段长度863mm，钢瓶容积(试压前满瓶水量)50.2L，升压时间2.5min，升压用水量930ml，保压压力33.4MPa，保压时间2min，泄压后瓶内压力0MPa，泄压时间90s，泄压排水量930ml；ΔV1=0；残余变形率=0。

4.Excel报表(表1、表2)

表1 采样点应变测试数据

表2 各压力状态下用内测法对应量筒水位的变化

5.ANSYS模拟(如图2、图3所示)

6.残余变形率的计算(传统与应变法)

(1)按照量筒水位计算。

残余变形计算公式：

式中：ρhβt为温度的函数，选择20℃的值ρhβt=0.013 08，进水量A=930ml，管道承压进水量B=10ml，V=50 200ml，△V=0ml。可得△V=251.35ml；η=0。

η<10%，满足合格要求。

(2)按照应变计算：

现场观测量筒中有水溢出，实验计算值符合观测结果。

三、结论

1.通过应变法和水压法的对比计算结论

(1)该钢瓶的残余变形率符合国家标准，检验合格。

(2)用应变法计算的体积变化比用水压法测定的体积变化率大，这是因为所选点为钢瓶中点，是钢瓶外表面位移变化最大点。

(3)应变法计算测量的是钢瓶的外表面特征，更加符合国标要求。

(4)用应变法计算的残余变形率，结果精度更高。

2.本课题研究的创新点

(1)第一次将应变片电测法引入到高压气瓶容积残余率的检测行业。

(2)第一次将电测法从原本是对结构件或工件局部应力应变的二维测试方法，升级推广到了三维回转体的整体容积测定方面。这是从理论到实践的一次全面自主创新。

(3)扩大了静态应变仪，动态应变仪的使用范围，使它们可以交叉应用，不需要单独再购买功能模块。为以后行业大规模应用提供了节约、快捷或应急的测试对策。

(4)可以用应变仪标定水测法机器，这是在大量实验数据校验基础上得出的结论。

(5)此项科研成果可以检测定型各种型号的CNG钢瓶。

(6)先采用ANSYS/UG等软件理论分析某型受测瓶的应力应变特征点，进而实际测试验证，再理论模拟分析、简化特征点、实验测试验证，重复上述环节，直至简化到壳体几何中心(筒体中央处)的一、二个特征点。用这一、二个特征点的检测应变值，代入考虑了材料、形状、三维等诸元因素的公式(自主创新)，即可得到容积残余变形率η值。为应变仪真正投入实际应用，提供了理论依据和操作方法。

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