董 斌

（太原煤炭氣化 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司 焦化廠，山西 太原 030024）

1 概述

高壓容器在石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，而高壓容器的爆破實(shí)驗(yàn)主要用于生產(chǎn)實(shí)踐過程中容器的質(zhì)量檢測及對(duì)新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的高壓容器的設(shè)計(jì)研究。高壓容器中承受壓力的殼體多為厚壁圓柱形筒體，因此，一般選用無縫鋼管厚壁圓筒為高壓容器試件。

壓力容器爆破實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校過程裝備與控制工程專業(yè)（原化機(jī)專業(yè)）的基本實(shí)驗(yàn)之一，是學(xué)習(xí)壓力容器專業(yè)課時(shí)直觀認(rèn)知壓力容器整體強(qiáng)度、綜合性能及相關(guān)知識(shí)和增強(qiáng)教學(xué)效果的一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)［1］。本實(shí)驗(yàn)主要用于測定厚壁圓筒的爆破壓力，觀察厚壁圓筒爆破失效過程。由于高壓容器爆破實(shí)驗(yàn)所具有的特殊性，就要求必須保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程是安全的，同時(shí)又可以讓學(xué)生清晰地觀看到容器升壓、屈服、膨脹變形直至爆破這一實(shí)驗(yàn)的全過程。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于高壓容器的爆破實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備儀器的操作及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、計(jì)算處理、結(jié)果顯示，全程采用計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使學(xué)生掌握壓力容器整體爆破實(shí)驗(yàn)的方法及裝置［2］。

2 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

高壓容器爆破實(shí)驗(yàn)裝置工作原理如圖1所示，它由3部分組成：①機(jī)械部分，包括電機(jī)、減速器、高壓泵、單向閥、壓力表等；②試件（試件筒體長為170 mm，內(nèi)徑為Φ30mm，外徑為Φ38mm，材料為20號(hào)無縫鋼管）及防護(hù)罩；③計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)，它由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集箱、計(jì)算機(jī)接口、計(jì)算機(jī)及ADCRAS 測試軟件組成。實(shí)驗(yàn)裝置的作用就是為實(shí)驗(yàn)厚壁圓筒提供壓力，并通過計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控試件內(nèi)壓與筒體變形的情況，顯示筒體壓力與時(shí)間變化曲線，描繪出整個(gè)爆破的過程，并計(jì)算出爆破壓力。

圖1 高壓容器爆破實(shí)驗(yàn)裝置工作原理

2.2 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作過程

在高壓爆破實(shí)驗(yàn)裝置中高壓泵為往復(fù)式柱塞泵，泵的工作介質(zhì)為油。其升壓原理為：柱塞泵4的活塞柱在缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，油從油槽1中通過進(jìn)口單向閥3被吸入柱塞泵缸內(nèi)，當(dāng)活塞柱向缸內(nèi)推進(jìn)時(shí)，進(jìn)口單向閥3關(guān)閉，此時(shí)油通過出口單向閥5經(jīng)三通管件被壓進(jìn)爆破試件9中（支路中裝有壓力傳感器11），泵通過活塞腔容積的周期性往復(fù)工作，使爆破試件中的內(nèi)壓不斷升高。三通管件的另一端經(jīng)過單向閥6接到壓力表7，其作用是在試件瞬間爆破時(shí)保護(hù)壓力表（試件爆破后壓力表數(shù)值仍舊保持）。

計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試中的壓力信號(hào)是由IP65型壓力傳感器11捕捉到的信號(hào)，輸入到數(shù)據(jù)采集箱12中，采集箱是集模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)輸入為一體的數(shù)據(jù)采集接口裝置，并設(shè)有程控放大。通過采集箱處理后的信號(hào)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量，輸入到計(jì)算機(jī)13中，利用數(shù)據(jù)采集及處理軟件ADCRAS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在屏幕上可以顯示出整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程壓力－時(shí)間的關(guān)系變化曲線圖。

3 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作步驟

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，打開“CRASV5.1 隨機(jī)信號(hào)與振動(dòng)分析系統(tǒng)”文件夾；進(jìn)入“數(shù)據(jù)采集及處理ADCRAS”；選擇“CRAS”界面；在該界面下，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)。在“參數(shù)設(shè)置”中，“采集頻率”選擇1 280（或2 560）Hz；“工程單位”選擇MPa；“校正因子”選擇40。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器準(zhǔn)備

關(guān)閉試件卸壓閥10 和壓力表卸壓閥2；啟動(dòng)電機(jī)，用導(dǎo)油杯8注油，待爆破試件接口處有油溢出，關(guān)閉電機(jī)；將爆破的厚壁圓筒試件預(yù)先灌滿油（排除里面的空氣），貼上薄紙倒轉(zhuǎn)后旋到爆破試件接口上，用管鉗上緊，罩好保護(hù)罩。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

打開“趨勢圖”主菜單，有4個(gè)子菜單。在“設(shè)置時(shí)間”子菜單中，“請(qǐng)輸入總時(shí)間”輸入600s，“間隔記錄時(shí)間（≥200ms）”輸入200；在“設(shè)置截距”子菜單中，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的零工程單位毫伏數(shù)設(shè)為1 000，對(duì)應(yīng)通道數(shù)選1；打開“趨勢采集”子菜單，計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒。

開啟高壓泵電源，開始緩慢升壓，此時(shí)壓力傳感器、計(jì)算機(jī)等進(jìn)入自動(dòng)跟蹤壓力變化狀態(tài)，將全程自動(dòng)跟蹤記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的壓力變化情況直至爆破。打開“趨勢顯示”子菜單，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的壓力－時(shí)間變化關(guān)系曲線圖，最后打印爆破壓力實(shí)驗(yàn)曲線。

圖2為壓力－時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖。由圖2可以觀察到材料的彈性變形、屈服、強(qiáng)化和爆破過程。厚壁圓筒承受內(nèi)部壓力后，筒壁產(chǎn)生應(yīng)力和變形，隨著壓力的增大，應(yīng)力和變形不斷增加，在彈性階段，筒壁應(yīng)力較小，產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)筒壁應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限時(shí)，筒體內(nèi)壁首先屈服；在彈塑性變形階段，隨著內(nèi)壓的繼續(xù)升高，材料從內(nèi)壁向外壁屈服，此時(shí)，一方面因塑性變形而使材料強(qiáng)化導(dǎo)致承壓能力提高，另一方面因厚度不斷減小而使承壓能力下降，當(dāng)兩作用相接近時(shí)，對(duì)應(yīng)的壓力為容器所能承受的最大壓力；在爆破階段，容積突然急劇增大，壓力相應(yīng)減小，直至容器爆破，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值為厚壁圓筒的爆破壓力值。

圖2 壓力－時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖

4 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的重要意義

傳統(tǒng)的測試方法是依據(jù)人為目測實(shí)驗(yàn)裝置上的壓力表來確定爆破壓力，不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確記錄壓力容器試件在連續(xù)壓力變化下的壓力－時(shí)間的變化關(guān)系。再則由于容器爆破實(shí)驗(yàn)所加的壓力都是高壓或超高壓，必須在確保學(xué)生的人身安全環(huán)境下操作，因此學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察點(diǎn)距高壓爆破試件較遠(yuǎn)，更無法直接觀看到容器試件整個(gè)爆破的全過程。

將計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用在壓力容器爆破實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，把先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理、輸出顯示等融為一體，通過計(jì)算機(jī)屏幕顯示的壓力－時(shí)間的變化曲線圖，使學(xué)生更加直觀地看到壓力容器升壓、屈服、膨脹變形直至爆破這一實(shí)驗(yàn)歷程，同時(shí)使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)境更為安全，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠。

［1］ 孫力.高壓容器爆破試件裝置的改進(jìn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2000（2）：99－101.

［2］ 周勇軍，顧海明，朱廷風(fēng)，厚壁圓筒容器爆破試驗(yàn)裝置的研制［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23（2）：33－34.