应变仪在大型储气筒水压试验中的应用

压力容器出厂前一般要进行水压试验，以检验压力容器受压元件、部件的严密性和强度或整台容器系统的严密性和强度。对于一些重要的设备，还要求在水压试验时对某些部位进行应力应变测量。本文介绍了一台大型储气筒在水压加载到4.5、5.4、6.0、6.5、7.8、9.0、9.7MPa等不同压力水平时的应力、应变测试过程以及结果分析，了解其应力分布特别是焊缝处以及开孔接管附近的应力分布情况，并对试验结果与理论结果进行比较分析。

水压试验的方法和步骤

测定方法以及测点选择

储气筒在进行水压试验之前，对其进行了外观检测，发现储气筒除了个别地方有些很小的凹坑之外，整体均较平整。该储气筒的内径为2200mm，壁厚60mm，总长10200mm，材料为16MnR钢。筒上有4个开孔接管。（见图1）

N₁为封头上的人孔，N₂，N₅和N₇为圆筒壁上的接管开孔。

为了全面了解大型储气筒在受压后的应力分布情况，本文在水压状态下对该储气筒进行了应力测量，分别在3条纵焊缝、4条环焊缝、接管开孔处以及焊缝热影响区进行了布片。布片点说明如下（见图2）：

A. 环焊缝上1点在焊缝处，3点和5点分别在焊缝中心的上下各25mm处；

B. 环焊缝、纵焊缝相交点只布一个片，如A_1-1；

C. 接管开孔周围除了在焊缝中心和上下各25mm处布片外，在接管过渡圆弧中心处也布片；

D. 其他4点中，Q₁、Q₂两点分别距离N₅、N₇上的测点2位置50mm；Q₃、Q₄两点分别距离Q₁和Q₂水平弧线距离50mm。

应变仪介绍

试验中所使用的仪器采用聚航科技生产的JHYC静态应变仪，软件式操作，功能强大，可对力、扭矩、位移等物理量进行采集。应变值实时显示，实时保存，可自动生成报表。

测试步骤

A. 先对储气筒筒壁布点位置进行定位、打磨、贴片。

B. 往容器里注满水但先不加压，检查容器是否正常以及应变片是否完好。

C. 为了消除温度影响，在同种材料的试板上贴了温度补偿片，进行温度补偿；

D. 对容器进行一次0→3→0MPa的压力循环，以消除系统误差；

E. 按4.5、5.4、6.0、6.5、7.8、8.9、9.7MPa的压力水平进行应变测试，每级压力下先稳压3min，并测取数据；

F. 在9.7MPa压力下稳压30min后卸压，在卸压过程中继续测出在9.8、7.8、6.0MPa压力下的应变数据。

测试结果及数据分析

总体分析

从测试结果可以看出，所有点的压力应力曲线近似一条直线，这说明容器在1.25倍设计压力的水压试验范围内处于完全弹性范围内，无塑性变形。应力相对较高的部位主要在4个大接管即N₁、N₂、N₅和N₇部位及附近部位Q₁、Q₂、Q₃和Q₄测点，其中最大应力为N₁接管的第6点部位的环向应力，在压力为9.7MPa时测得该点的环向应力为362MPa。纵向焊缝和环向焊缝各部位测得的应力相对较低，在压力为9.7MPa时各测点的应力均在200MPa以下。由筒体焊缝位置和接管开孔附近区域应力分布情况可知，由于接管开孔引起的应力集中，导致局部应力增大。

局部分析

由以上结果可知，容器的应力较大值只出现在接管开孔处，从N_1-6点随压力变化的应力值可以看出，环向应力和轴向应力随压力变化近似线性关系。从图3可知，N_1-6点环向应力与轴向应力比值基本在1.5，而A_1-2点环向应力与轴向应力比值基本在1.8，接近2.0，这与理论值较为符合。同时处在筒体纵焊缝上的A_1-2点比处在接管开孔附近N_1-6点的环向应力与轴向应力比值更接近2.0，说明开孔是导致应力增大的根本原因，而它们的比值都小于2说明了焊缝也是引起应力增大的原因。

从图4可以看出，纵、环焊缝相交各点轴向应力实验值与理论值基本一致，而环向应力除了A_1-1、A_3-6两点处也比较接近。对于A_1-1、A_3-6两点，由于其位于封头和筒体的交界上，理论值应该为0，这里分别为54MPa和66MPa，考虑到焊缝引起的残余应力影响，可以认为是合理的。

图5表明，热影响区附近的应力远小于焊缝处的应力，接管圆弧中心最小甚至出现了压应力，说明焊缝金属的力学性能对应变测试有很大的影响。另外，应力的最大值不是位于焊缝中心，而是在距离焊缝中心25mm处的6点。在离焊缝更远的Q₂、Q₄点，应力开始减小，说明距离6点越远，应力值逐渐减小，即受接管开孔引起应力集中影响逐渐减小。

结束语

在整个测试过程中，加压过程平稳，应变片以及导线状态良好。试验结果表明，焊缝以及接管开孔引起的应力集中导致了局部应力增大，焊缝金属的力学性能对应力应变测试产生了极大的影响。试验测得大型储气筒的应力分布情况与理论分析基本接近，容器处于完全弹性范围内，它的强度设计是合理的