内压薄壁容器应力测试试验研究*

侯国安，闫 爽, 何国辉，杨 杰

(银川能源学院，宁夏 银川 750015)

在石油化工、制药、轻工、食品、能源等行业，压力容器得到广泛应用。压力容器内的介质通常压力高、温度高、有毒以及易燃易爆，这对压力容器的安全造成很大威胁[1-3]。为了保证压力容器的安全，对筒壁应力分布的测量就显得十分重要，常用的测量方法之一就是应力应变测量法[4-5]。

过程装备与控制工程是培养化工行业人员的一个非常重要的专业，其培养目标之一就是培养压力容器行业人员，内压薄壁容器应力测试试验是过控专业的核心实验之一，需要学生会选用合适的应变片，会根据自己的设计实验要求，正确粘贴应变片，连线，会采用一些方法使电桥平衡，会进行数据测量和数据处理。

实验采用DH3815N 静态应变测试仪，它是以电阻应变片作为测量传感器，采用屏蔽线进行连接，通过DH3815N采集箱采集信息[6]。

1 DH3815N静态应变测试分析系统

实验采用的是江苏东华测试公司的DH3815N静态应变测试分析系统，该系统的主要元件之一是应力应变片，通过屏蔽线把粘贴在压力容器上的应变片和信息采集箱连接在一起，采用1/4桥，完成应力应变的测量。

1.1 系统组成

DH3815N静态应变测试仪上有16个通道，可以测量256个点。测量前需对每一个通道进行平衡操作。1/4桥外接应变片接线示意图如图1所示。

图1 1/4桥外接应变片接线示意图Fig.1 Schematic diagram of connection of 1/4 bridge external strain gauge

图1中的下方为测点，共分两排，每排最左边一排为补偿点，后面八排为工作测点，为一至八号测点，第二排为九至十六号测点，测点上可以接1/4桥、半桥、全桥形式布置的应变片。

1.2 主要技术指标

(1)每个数据采样箱可测16个通道；

(2)每个测试系统最多可控制8个数据采集箱(即128个通道)；

(3)每台计算机最多可控制16个测试系统(即4096个通道)；

(4)采样速率：1 Hz/通道(连续采样)；

(5)采样时间：1 s(完成所有通道)；

(6)适用应变计电阻值：60～20000 Ω任意设定；

(7)应变计灵敏度系数：1.0～3.0自动修正；

(8)供桥电压(DC)：2 V分档切换；

(9)测量应变范围：±19999 με；

(10)最高分辨率：1 με；

(11)系统准确度：不大于0.5%±3 με(满度值的0.1%)；

(12)零漂：不大于4 με/4 h；

(13)自动平衡范围：±15000 με(应变计阻值的±1.5%)；

(14)导线电阻修正范围：0～100 Ω；

(15)仪器工作电源：220 V±10%,50 Hz±2%，功率120；

(16)使用环境：适用于GB6587.1-86-Ⅱ组条件。

1.3 桥路的连接

桥路分1/4桥、半桥和全桥。接线时，将接线鼻子置于金属压片下方，拧紧镙钉。应变测试仪有内部电阻。在1/4桥、半桥连接时，内部电阻和外接应变片一起组成惠斯通测量电桥。本实验采用1/4桥。

图2 DH3815N采集箱Fig.2 DH3815N collection box

采集箱上的每个测点共有六个接点，第一个接点为+Eg(正桥压输入)，第二个测点为Vi+(正信号输出)、第四个接点为-Eg(负桥压输入)，第五个测点为Vi+(负信号输出)，第六个测点为屏蔽端G，在第八、十六号测点后面有标记。每种桥路方式对应的采集箱面板上的铜片的布置方式(插入或拔出)以及所应接的接点各不相同。

1/4桥需要接补偿片，一片补偿片可以补偿一排共八个测点。补偿片接入+Eg、Vi+，工作片也接入+Eg、Vi+。如果使用的应变片外接长导线带有屏蔽线，则接入G端。

2 应力测定实验装置

薄壁容器椭圆封头应力测定实验装置示意图如图3所示。

图3 薄壁容器椭圆封头应力测定实验装置Fig.3 Experimental device for measuring stress of elliptic head of thin-wall vessel

卧式内压实验容器椭圆长轴320 mm，短轴160 mm，壁厚3 mm，材质0Cr18Ni9，为了测定椭圆形封头的应力状况，从椭圆形封头的顶部开始，沿着轴截面与外表面的交线粘贴 8组应变片，每组两个应变片分别与交线平行和垂直。贴片位置见图4所示。

图4 椭圆形封头应变片贴片位置示意图Fig.4 Schematic diagram of strain gauge patch position with oval head

3 实验方法与数据处理

3.1 实验操作方法

(1)先调平衡，再向容器充水加压。

(2)试验加压顺序为：压力P为0.1～0.2～0.3 MPa，加压应缓慢平衡，且待压力稳定后再进行测量，并记录压力等级下的应变值。

(3)卸压时要缓慢卸压，直至压力降为0。

3.2 数据处理

分别对1号和2号薄壁压力容器采用 DH3815N测试系统进行测试。1号和2号应变片在椭圆形封头的粘贴位置是互相垂直的。

(1)1号压力容器

以薄壁容器工作压力 p=0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa 为例，实验测得各8个点的应力值如表1所示。

表1 1号压力容器椭圆封头数据表Table 1 Oval head data table of pressure vessel No.1

图5 1号压力容器椭圆封头应力分布曲线分布图Fig.5 Stress distribution curve of elliptic head of no.1 pressure vessel

将表1中的实验数据绘制成曲线，横坐标是压力容器各测点至椭圆形封头顶点距离，纵坐标是径向应力和周向应力。如图5所示。

由图5应力分布曲线分布图可知，1号压力容器在p=0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa压力下，容器在顶部的径向应力和周向应力大小差不多，在筒体部分周向应力是径向应力的两倍。

(2)2号压力容器

将表2中的实验数据绘制成曲线，如图6所示。

表2 2号压力容器椭圆封头数据表Table 2 oval head data table of no. 2 pressure vessel

图6 2号压力容器椭圆封头应力分布曲线分布图Fig.6 Stress distribution curve of elliptic head of No.2 pressure vessel

由图6应力分布曲线分布图可知，2号压力容器在p=0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa压力下，容器在顶部的径向应力和周向应力大小差不多，在筒体部分周向应力是径向应力的两倍。

比较图5和图6两台压力容器椭圆封头应力分布曲线分布图可知，1号和2号两台压力容器测点至椭圆形封头顶点距离都为0、40、80 mm，但互为垂直方向，相同距离处测得的周向和径向应力相同，说明在椭圆相同圆周处，径向和周向应力是相同的；其余处两台压力容器应力测试的距离不同，在筒体部分周向应力是径向应力的两倍，但还是存在一定范围内的误差。

测量结果随着时间在不断的变化，而且变化无规律，时大时小，不能准确的确定该点的应力值，这主要是由于现场温度在不断的变化，且温差大造成的。

引起测试结果存在误差的主要原因可能主要有以下两点：

(1)该测试系统的组成元件精度不够，引起测量误差。

(2)在测量前，未对导线的灵敏系数进行修正，导致测量误差。

在现实的应变测试中，该应变测试系统还受温度、空气湿度、 电磁、电压等的影响。

5 结 论

通过实施薄壁椭圆封头应力测定实验，除了可以帮助学生完成常规的电阻应变法应力测量知识与技能训练之外，还可以帮助提高综合运用所学知识解决工程问题的能力。通过实验可知，两台压力容器应力测试的部位不同，但靠近顶部的径向应力和周向应力大小差不多，在筒体部分周向应力是径向应力的两倍，实验和理论基本相一致。