1、高壓爆破實(shí)驗(yàn)室高壓爆破實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介主要進(jìn)行壓力容器內(nèi)壓爆破實(shí)驗(yàn)和外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)，是過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程中的重要實(shí)驗(yàn)課，也是過程裝備與控制工程培養(yǎng)中的重要實(shí)驗(yàn)。高壓爆破實(shí)驗(yàn)機(jī)、外壓試驗(yàn)裝置等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。壓力容器內(nèi)壓爆破實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、初步掌握壓力容器整體爆破的實(shí)驗(yàn)方法及裝置；觀察并分析實(shí)驗(yàn)過程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。2、測(cè)定容器的整體屈服壓力并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較。3、對(duì)容器的爆破口及斷口做出初步的宏觀分析。4、對(duì)爆破容器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的初步訓(xùn)練。二、實(shí)驗(yàn)意義整體構(gòu)件爆破實(shí)驗(yàn)是壓力容器研究、設(shè)計(jì)、制造中的一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)方法，是考核構(gòu)件材料的各項(xiàng)機(jī)械性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，安全儲(chǔ)備以及其它方面性能的直觀

2、性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方法。有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：1、產(chǎn)品定型：新設(shè)計(jì)壓力容器的選材、結(jié)構(gòu)及制造工藝合理性驗(yàn)證。這也包括新產(chǎn)品的試制，材料更新，結(jié)構(gòu)型式改變以及制造工藝更動(dòng)時(shí)為確保產(chǎn)品質(zhì)量而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。2、質(zhì)量監(jiān)控：對(duì)已定型的壓力容器，為了監(jiān)控在生產(chǎn)中由于生產(chǎn)工藝的波動(dòng)等因素而引起的質(zhì)量波動(dòng)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，模具的變形，熱處理爐溫的波動(dòng)，原材料質(zhì)量波動(dòng)以及焊接工藝條件的波動(dòng)等都能引起壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)。3、科學(xué)研究：科研及其它用途的評(píng)定性實(shí)驗(yàn)。壓力容器爆破實(shí)驗(yàn)屬于破壞性實(shí)驗(yàn)，耗費(fèi)較高。因此確定是否需要進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)時(shí)要慎重考慮。三、實(shí)驗(yàn)方法及原理壓力容器的爆破實(shí)驗(yàn)分模擬構(gòu)件爆破實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品抽樣實(shí)驗(yàn)兩種：1、

3、模擬構(gòu)件的爆破實(shí)驗(yàn)；按照一定的模擬條件制造模擬構(gòu)件，進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，以推斷實(shí)際容器的爆破性能，此法多用于研究、制造費(fèi)用高的單件重要容器。此法的關(guān)鍵是建立準(zhǔn)確的模擬條件。2、產(chǎn)品抽樣實(shí)驗(yàn)：從一定數(shù)量的產(chǎn)品中隨機(jī)抽取若干只進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)。此法適用于成本相對(duì)比較低的大批量生產(chǎn)容器。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程是由壓力源向容器內(nèi)注入壓力介質(zhì)直至容器爆破。壓力介質(zhì)可為氣體或液體兩種。由于氣壓爆破所釋放的能量比液壓爆破所釋放的能量大得多，相對(duì)而言氣壓爆破比較危險(xiǎn)，因此一般都采用液壓爆破，但即使用液壓爆破，仍有一定的危險(xiǎn)性，需要安全防護(hù)措施，以保證人員及設(shè)備的安全。在爆破實(shí)驗(yàn)過程中，隨著容器內(nèi)壓力的增高，容器經(jīng)歷彈性變形階段，

4、進(jìn)而出現(xiàn)局部屈服、整體屈服、材料硬化、容器過度變形直至爆破失效。為了表征容器爆破實(shí)驗(yàn)過程中各階段的變化規(guī)律，可用壓力進(jìn)水量、壓力升壓時(shí)間、壓力筒體直徑變化量等曲線進(jìn)行描述，這些參數(shù)可借助于壓力表，水位計(jì)等在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得。圖5-1即為鋼質(zhì)無縫氣瓶爆破實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的壓力升壓時(shí)間曲線，根據(jù)這些曲線所提供的信息即可分析構(gòu)件材料的力學(xué)性能，并確定該容器的整體屈服壓力。圖5-1  鋼質(zhì)無縫氣瓶爆破實(shí)驗(yàn)壓力-升壓時(shí)間曲線整體屈服壓力 Ps的測(cè)定：1、進(jìn)水量不斷增加而壓力表指針基本上停滯不動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力；2、在壓力進(jìn)水量等曲線上對(duì)應(yīng)于整體屈服的平臺(tái)階段所對(duì)應(yīng)的壓力；爆破壓力Pb的測(cè)定：容器爆破的瞬間容

5、器內(nèi)的壓力。爆破實(shí)驗(yàn)的典型實(shí)驗(yàn)裝置如圖5-2所示。圖5-2 爆破實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖高壓泵：98MPa柱塞泵，介質(zhì)為水（或超高壓泵：600MPa柱塞泵，介質(zhì)為煤油和變壓器油）。壓力表：量程為100MPa，l.5級(jí)；秒表，測(cè)量?jī)x等用具。四、圓筒形容器整體屈服壓力PS和爆破壓力片Pb的理論計(jì)算根據(jù)受內(nèi)壓圓筒的應(yīng)力分析結(jié)果可知，當(dāng)內(nèi)壓升到某一數(shù)值時(shí)。內(nèi)壁表層材料首先開始屈服，隨著壓力的升高，塑性區(qū)向外發(fā)展直至整個(gè)壁厚全部屈服。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力為整體屈服壓力，由于此時(shí)材料全部進(jìn)人塑性，因此表現(xiàn)出有較大的塑性變形發(fā)生。當(dāng)變形發(fā)展到一定程度時(shí)材料進(jìn)入硬化階段，隨著塑性變形的不斷發(fā)生。容器壁厚不斷減薄。當(dāng)壁內(nèi)應(yīng)力達(dá)

6、到材料的強(qiáng)度限時(shí)容器發(fā)生爆破。根據(jù)不同的壓力分布假設(shè)以及不同的屈服準(zhǔn)則，可推導(dǎo)出不同的PS、Pb計(jì)算公式，具有代表性的有以下幾種：1、基于理想彈-塑性材料，按厚壁圓園筒分析得出的公式 用TreSea屈服準(zhǔn)則：Ps=4ss/3Dm；Pb=4sb/3Dm式中kD0/Di（圓筒外、內(nèi)徑之比），s、b分別為材料的屈服應(yīng)力和抗拉應(yīng)力。用Mises屈服準(zhǔn)則：      2、修正公式福貝爾和史文森根據(jù)前述基于理想彈性材料推導(dǎo)出的Pb公式?？紤]到材料的應(yīng)變硬化或屈服比（s/b）對(duì)爆破壓力Pb的影響，分別提出修正公式：福貝爾公式：史文森公式： 式中：e

7、自然對(duì)數(shù)底，n材料應(yīng)變硬化指數(shù)。3、基于薄壁分析的公式當(dāng)容器壁厚相對(duì)較?。╧<1.2）時(shí)。可接薄膜理論進(jìn)行分析：用Tresea屈服準(zhǔn)則：Ps=4ss/3Dm                 Pb=4sb/3Dm式中：Dm為中徑（即內(nèi)外壁平均直徑），S為壁厚。用Mises屈服準(zhǔn)則實(shí)際上圓筒形容器都不可避免地帶有壁厚偏差，不圓等幾何偏差，其受壓變形規(guī)律與理想化的均勻壁厚圓筒分析不盡相同。但仍可找出反映筒體總變形意義下的Ps和Pb。根據(jù)

8、理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不圓偏差對(duì)Ps和Pb影響不大。當(dāng)筒體存在壁厚偏差時(shí)。筒體強(qiáng)度主要取決于筒體的最薄側(cè)（Smin處）,因此應(yīng)將有壁厚偏差筒體視為壁厚等于Smin外徑不變的均勻圓筒處理。將Smin和K=D0（D02Smin）分別代替上述各公式中的S和K進(jìn)行計(jì)算。五、破壞方式及斷口分析試件爆破后，根據(jù)破口的形狀，有無碎片，爆破源處金屬的變形及爆破斷口的宏觀分析等諸方面來定性地分析構(gòu)件材料的斷裂特征。對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)一次性加壓爆破的容器而言。可能發(fā)生的破裂形式為韌性破裂或脆性破裂。對(duì)于壓力容器用鋼一般要求塑性和韌性均比較好。若構(gòu)件材料有較好的韌性；不存在宏觀冶金缺陷或裂紋，無熱處理不當(dāng)；且使用（實(shí)驗(yàn)）溫度

9、不低于材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度，則構(gòu)件的破裂形式應(yīng)為韌性破裂。前述的計(jì)算PS、Pb的公式即是針對(duì)此種情況的。但是若構(gòu)件材料有一定的缺陷，韌性較差，同時(shí)存在其他不利因素，例如：應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、環(huán)境溫度過低等，則可能發(fā)生脆性破裂。 韌  性  破  裂脆性破裂破口形狀一般無碎片，僅有裂口。圓筒形容器主裂口沿筒體軸向有碎片塑性變形比較大幾乎無名義應(yīng)力水平Pb與常規(guī)強(qiáng)度計(jì)算值接近較低韌性破裂和脆性破裂鑒別：1、破口的宏觀特征2、端口宏觀特征構(gòu)件斷口的宏觀分析主要解決主斷面的情況，如變形程度、斷面形貌、斷裂源的分析等。金屬的拉伸斷口，一般都是由三個(gè)區(qū)組成。即纖維區(qū)、

10、放射區(qū)和剪切唇，稱為斷口三要素。如圖5-3示。圖5-3 斷口三要素示意圖  纖維區(qū)緊接斷裂源，是斷裂的發(fā)源地。矩形截面試樣或板材斷裂的纖維區(qū)域呈橢圓形。在此區(qū)裂紋的形成和擴(kuò)展是比較緩慢的。纖維區(qū)的表面呈現(xiàn)粗糙的纖維狀；顏色常為暗灰色。它所在的宏觀平面（即裂紋擴(kuò)展的宏觀平面）垂直于拉伸應(yīng)力方向。放射區(qū)緊接著纖維區(qū)。它是裂紋達(dá)到臨界尺寸后高速斷裂的區(qū)域，放射區(qū)存在人字形放射花紋，它是脆性斷裂最主要的宏觀特征之一。人字形花紋的尖頂必然指向纖維區(qū)，指向斷裂源。剪切唇是最后斷裂的區(qū)域，靠近表面。在此區(qū)域中，裂紋擴(kuò)展也是快速的。但它是一種剪切斷裂。剪切唇表面光滑。無閃耀的金晨光澤，與拉伸主應(yīng)力方

11、向成45度角。根據(jù)斷口三區(qū)的相對(duì)比例可判斷構(gòu)件材料的斷裂特征，此比例主要由材料的性質(zhì)、板厚以及溫度決定。材料越脆，板厚越大，溫度越低，則纖維區(qū)、剪切唇越小，放射區(qū)越大。反之材料塑性韌性越好， 板厚越小，溫度越高，則纖維區(qū)剪切唇越大，放射區(qū)越小，甚至出現(xiàn)全剪切唇斷口。薄壁容器韌性斷裂外觀厚壁容器脆性斷裂外觀六、試件鋼質(zhì)無縫氣瓶； 材料：4OMn2A； 設(shè)計(jì)壓力：14.7 MPa； 公稱容積：40 L； 公稱直徑（外徑）：219 mm；計(jì)算壁厚： 6.5mm；氣瓶材料實(shí)測(cè)機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)前提供。七、實(shí)驗(yàn)步驟  (1)、高壓爆破實(shí)驗(yàn)機(jī)操作說明步驟1、卸壓閥10與11（既面板上左右兩只閥），觀察

12、儀器面板上的油標(biāo)，看油缸有足夠多的介質(zhì)油，若油缸中油不足，可從導(dǎo)油杯2中直接加油（一般機(jī)油即可）。2、啟動(dòng)電機(jī)，待欲爆破試件接口3處有油溢出，再關(guān)閉電機(jī)。3、將欲爆破的厚壁圓筒試件預(yù)先灌滿油（排除里面的空氣）倒轉(zhuǎn)后迅速選到爆破試件接口上，用管子鉗上緊，罩好保護(hù)罩，開動(dòng)電機(jī)。4、仔細(xì)觀察壓力表，十分鐘左右，介質(zhì)油充滿了高壓管路及爆破試件中，壓力表計(jì)數(shù)開始慢慢上升。5、慢慢觀察壓力表，記下試件的屈服壓力（壓力保持不變的一段時(shí)間），屈服后試件還需要一段時(shí)間才會(huì)爆破。6、試驗(yàn)中途若停止給試件加壓，或試件與接口連接處有泄漏，此時(shí)必須關(guān)閉電機(jī)，打開卸壓閥，待壓力表讀數(shù)為零，方可卸下試件或繼續(xù)給試件上緊。7

13、、對(duì)試驗(yàn)機(jī)每次運(yùn)動(dòng)中的十字頭滑塊、活塞桿等磨損部必須及時(shí)加油潤(rùn)滑。流程原理圖如下：    (2)、高壓爆破實(shí)驗(yàn)操作步驟1、選取試件2、關(guān)閉高壓爆破實(shí)驗(yàn)機(jī)面板上左右兩只卸荷閥，觀察儀器面板上的油標(biāo)，看油缸中是否有足夠的介質(zhì)油，若油缸中油不足，可從導(dǎo)油杯中直接加油（一般機(jī)油即可）。3、在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)再次檢查安全防護(hù)措施，并確定觀測(cè)、讀數(shù)、記錄人員的分工。經(jīng)指導(dǎo)教師同意后，才可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4、啟動(dòng)電機(jī)，待爆破試件接口處有油溢出，再關(guān)閉電機(jī)。5、將欲爆破的厚壁圓筒試件預(yù)先灌滿油（排除里面的空氣）倒轉(zhuǎn)后迅速旋轉(zhuǎn)到爆破試件接口上，用管子鉗上緊，罩好保護(hù)罩，開動(dòng)電機(jī)。6、仔

14、細(xì)觀察壓力表，十分鐘左右，介質(zhì)油充滿了高壓管路及爆破試件中，壓力表讀數(shù)開始慢慢上升。7、慢慢觀察壓力表，記下試件在屈服壓力（壓力保持不變的一段時(shí)間），屈服后試件還需要一段時(shí)間才會(huì)爆破。8、實(shí)驗(yàn)中途若需停止給試件加壓，或試件與接口連接處泄漏，此時(shí)必須關(guān)閉電機(jī)，打開卸壓閥，待壓力表讀數(shù)為零時(shí)，方可卸下試件或繼續(xù)將試件上緊。9、試件爆破后，計(jì)算機(jī)也完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理，打印輸出所需的壓力時(shí)間曲線。  外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察圓筒型試件在外壓作用下的失穩(wěn)過程和失穩(wěn)破壞后的形狀。2、驗(yàn)算圓筒形試件失穩(wěn)破壞時(shí)的臨界壓力并與試件失穩(wěn)的實(shí)測(cè)值比較。3、驗(yàn)算上述圓筒形試件中部設(shè)有加強(qiáng)圈

15、后的波形數(shù)與臨界外壓。二、基本理論在外壓作用下的薄壁容器器壁內(nèi)的應(yīng)力還未達(dá)到材料的屈服極限時(shí)。容器會(huì)突然產(chǎn)生現(xiàn)象而喪失容器原有形狀。使容器喪失穩(wěn)定性的外壓力稱為該容器的臨界壓力Pcr圓筒形容器變形后的形狀呈多波形其波形數(shù)?？赡苁?、3、4容器承受臨界外壓作用而喪失穩(wěn)定性。并不是由于殼體的不圓度或材料不均勻等所致，即使殼體的幾何形狀很規(guī)整，材料很均勻。當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)。也會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)然殼體不圓，材料不均勻能使其失穩(wěn)的臨界壓力值降低。外壓容器失穩(wěn)的臨界壓力Pcr的大小取在于容器長(zhǎng)度與直徑之比（L/D）和容器壁辱與直徑之比（S/D）。圓筒形容器按失穩(wěn)后的破壞情況可分為三類：1、長(zhǎng)圓筒-這

16、種圓筒得L/D值比較大，臨界壓力Pcr僅與S/D有關(guān),而與L/D無關(guān),失穩(wěn)后的波形數(shù)為2；2、短圓筒-筒體兩端的邊界影響顯著，臨界壓力不僅與S/D有關(guān),而且與L/D也有關(guān),失穩(wěn)后的波形數(shù)n為大于2的整數(shù)；3、剛性圓筒-此圓筒的破壞系由于器壁內(nèi)的應(yīng)力超過材料的屈服極限所致，在這之前不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，計(jì)算時(shí)滿足強(qiáng)度要求即可。三、臨界壓力Pcr理論計(jì)算公式1、臨界長(zhǎng)度：Lcr=1.11Do4、許用外壓力：p=BSe/Do四、實(shí)驗(yàn)裝置及試件1、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)使用的裝置如圖1所示。圖7-1 外壓試驗(yàn)裝置圖1-氣瓶；2-氣瓶瓶閥；3-減壓閥；4-放空閥；5-進(jìn)氣閥；6-下端蓋；7-試件；8-支撐架；9-支撐座

17、；10-小蓋；11-上端蓋；12-透明簡(jiǎn)體；13-壓力表     實(shí)驗(yàn)裝置的主體會(huì)透明有機(jī)玻璃圓筒和平頂蓋構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)時(shí)可將試件裝在試件支承座上，并用橡膠密封圖把試件的內(nèi)外腔隔開。試件支承座的中心開有透氣孔能使試件內(nèi)臟與大氣相通，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)將有機(jī)玻璃罐與壓力源接通，罐內(nèi)壓力就逐漸升高。試驗(yàn)罐內(nèi)的試件就處于承受外壓載荷的狀態(tài)。當(dāng)壓力升高到某一值時(shí)，試件就會(huì)突然發(fā)生失穩(wěn)破壞為了消除軸向載荷對(duì)試件失穩(wěn)壓力的影響，在試件內(nèi)可以放入支撐架，還可利用有中間加強(qiáng)環(huán)的支撐架進(jìn)行減小試件長(zhǎng)度后的失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)。2、試件罐頭盒桶坯材質(zhì)：鍍錫薄鐵皮公稱尺寸：直徑70mm，長(zhǎng)

18、度80mm或115mm，壁厚0.20.25mm。  五、實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先檢查氣源,為此應(yīng)向逆時(shí)針方向旋松減壓閥的手柄。開啟實(shí)驗(yàn)裝置上的放空閥，關(guān)閉送氣閥。確認(rèn)上述操作無誤時(shí)，按逆時(shí)針方向開啟高壓氣瓶頂端的氣瓶瓶閥，若減壓閥上的高壓壓力表指示出的壓力高于室溫下二氧化碳的飽和蒸汽壓時(shí)，表示氣瓶?jī)?nèi)有足夠的液態(tài)二氧化碳可供實(shí)驗(yàn)使用。實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下：1、在試件的底部編寫編號(hào)；2、測(cè)量并記錄試件的外徑和長(zhǎng)度，測(cè)量外徑時(shí)應(yīng)注意防止試件發(fā)生變形；3、從實(shí)驗(yàn)罐上取出支撐座，在支撐座上組裝支撐架，測(cè)量支撐架的有效高度；4、將試件裝到支撐座上，注意使密封圈嵌入試件的口內(nèi)；5、把試件裝入試驗(yàn)罐，用小蓋把支撐座壓緊到上蓋上，旋緊螺母時(shí)注意應(yīng)使各螺栓均勻受力，防止支撐座被壓偏；6、按逆時(shí)針方向旋松減壓閥手柄，關(guān)閉試驗(yàn)罐的放空閥和開啟進(jìn)氣