计算机辅助系统在压力容器爆破实验中的应用

董 斌

（太原煤炭气化 （集团）有限责任公司 焦化厂，山西 太原 030024）

1 概述

高压容器在石油化工等工业生产中得到了广泛的应用，而高压容器的爆破实验主要用于生产实践过程中容器的质量检测及对新材料、新工艺、新结构的高压容器的设计研究。高压容器中承受压力的壳体多为厚壁圆柱形筒体，因此，一般选用无缝钢管厚壁圆筒为高压容器试件。

压力容器爆破实验是高等学校过程装备与控制工程专业（原化机专业）的基本实验之一，是学习压力容器专业课时直观认知压力容器整体强度、综合性能及相关知识和增强教学效果的一项重要实验［1］。本实验主要用于测定厚壁圆筒的爆破压力，观察厚壁圆筒爆破失效过程。由于高压容器爆破实验所具有的特殊性，就要求必须保证整个实验过程是安全的，同时又可以让学生清晰地观看到容器升压、屈服、膨胀变形直至爆破这一实验的全过程。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，计算机辅助实验系统在各领域得到了广泛的应用。将先进的计算机辅助实验系统用于高压容器的爆破实验中，实现了对设备仪器的操作及实验数据的采集、分析、计算处理、结果显示，全程采用计算机辅助实验系统进行控制，使学生掌握压力容器整体爆破实验的方法及装置［2］。

2 计算机辅助实验系统组成及工作原理

2.1 计算机辅助实验系统组成

高压容器爆破实验装置工作原理如图1所示，它由3部分组成：①机械部分，包括电机、减速器、高压泵、单向阀、压力表等；②试件（试件筒体长为170 mm，内径为Φ30mm，外径为Φ38mm，材料为20号无缝钢管）及防护罩；③计算机测试系统，它由压力传感器、数据采集箱、计算机接口、计算机及ADCRAS 测试软件组成。实验装置的作用就是为实验厚壁圆筒提供压力，并通过计算机辅助实验系统实时监控试件内压与筒体变形的情况，显示筒体压力与时间变化曲线，描绘出整个爆破的过程，并计算出爆破压力。

图1 高压容器爆破实验装置工作原理

2.2 计算机辅助实验系统的工作过程

在高压爆破实验装置中高压泵为往复式柱塞泵，泵的工作介质为油。其升压原理为：柱塞泵4的活塞柱在缸内做往复运动，油从油槽1中通过进口单向阀3被吸入柱塞泵缸内，当活塞柱向缸内推进时，进口单向阀3关闭，此时油通过出口单向阀5经三通管件被压进爆破试件9中（支路中装有压力传感器11），泵通过活塞腔容积的周期性往复工作，使爆破试件中的内压不断升高。三通管件的另一端经过单向阀6接到压力表7，其作用是在试件瞬间爆破时保护压力表（试件爆破后压力表数值仍旧保持）。

计算机辅助实验系统测试中的压力信号是由IP65型压力传感器11捕捉到的信号，输入到数据采集箱12中，采集箱是集模数转换和信号输入为一体的数据采集接口装置，并设有程控放大。通过采集箱处理后的信号已经转换成计算机能识别的数字量，输入到计算机13中，利用数据采集及处理软件ADCRAS系统进行数据处理。在屏幕上可以显示出整个实验过程压力－时间的关系变化曲线图。

3 计算机辅助实验系统的实验操作步骤

3.1 实验参数设置

启动计算机，打开“CRASV5.1 随机信号与振动分析系统”文件夹；进入“数据采集及处理ADCRAS”；选择“CRAS”界面；在该界面下，设置实验参数。在“参数设置”中，“采集频率”选择1 280（或2 560）Hz；“工程单位”选择MPa；“校正因子”选择40。

3.2 实验设备仪器准备

关闭试件卸压阀10 和压力表卸压阀2；启动电机，用导油杯8注油，待爆破试件接口处有油溢出，关闭电机；将爆破的厚壁圆筒试件预先灌满油（排除里面的空气），贴上薄纸倒转后旋到爆破试件接口上，用管钳上紧，罩好保护罩。

3.3 实验数据采集

打开“趋势图”主菜单，有4个子菜单。在“设置时间”子菜单中，“请输入总时间”输入600s，“间隔记录时间（≥200ms）”输入200；在“设置截距”子菜单中，每个通道对应的零工程单位毫伏数设为1 000，对应通道数选1；打开“趋势采集”子菜单，计算机辅助实验系统准备就绪。

开启高压泵电源，开始缓慢升压，此时压力传感器、计算机等进入自动跟踪压力变化状态，将全程自动跟踪记录整个实验过程中的压力变化情况直至爆破。打开“趋势显示”子菜单，在计算机屏幕上显示出整个实验过程的压力－时间变化关系曲线图，最后打印爆破压力实验曲线。

图2为压力－时间的变化关系曲线图。由图2可以观察到材料的弹性变形、屈服、强化和爆破过程。厚壁圆筒承受内部压力后，筒壁产生应力和变形，随着压力的增大，应力和变形不断增加，在弹性阶段，筒壁应力较小，产生弹性变形；当筒壁应力达到材料屈服极限时，筒体内壁首先屈服；在弹塑性变形阶段，随着内压的继续升高，材料从内壁向外壁屈服，此时，一方面因塑性变形而使材料强化导致承压能力提高，另一方面因厚度不断减小而使承压能力下降，当两作用相接近时，对应的压力为容器所能承受的最大压力；在爆破阶段，容积突然急剧增大，压力相应减小，直至容器爆破，此时对应的压力值为厚壁圆筒的爆破压力值。

图2 压力－时间的变化关系曲线图

4 实验中应用计算机辅助系统的重要意义

传统的测试方法是依据人为目测实验装置上的压力表来确定爆破压力，不能实时准确记录压力容器试件在连续压力变化下的压力－时间的变化关系。再则由于容器爆破实验所加的压力都是高压或超高压，必须在确保学生的人身安全环境下操作，因此学生实验观察点距高压爆破试件较远，更无法直接观看到容器试件整个爆破的全过程。

将计算机辅助实验系统应用在压力容器爆破实验教学中，把先进的过程控制系统和数据采集、分析系统及数据处理、输出显示等融为一体，通过计算机屏幕显示的压力－时间的变化曲线图，使学生更加直观地看到压力容器升压、屈服、膨胀变形直至爆破这一实验历程，同时使学生的实验环境更为安全，实验数据更加准确、可靠。

［1］ 孙力.高压容器爆破试件装置的改进［J］.实验室研究与探索，2000（2）：99－101.

［2］ 周勇军，顾海明，朱廷风，厚壁圆筒容器爆破试验装置的研制［J］.实验室研究与探索，2004，23（2）：33－34.