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        微試樣液壓鼓脹測試技術(shù)

        2018-04-04 09:27:58左志全
        魅力中國 2018年46期

        左志全

        摘要:隨著承壓設(shè)備高參數(shù)要求的不斷提高,在役承壓設(shè)備構(gòu)件材料的力學(xué)性能測試顯得尤為重要。微試樣液壓鼓脹測試作為微損測試技術(shù),滿足對大型在役設(shè)備微損取樣、制樣測試材料力學(xué)性能的需求,進而對設(shè)備整體狀態(tài)進行評估。本文介紹了微試樣液壓鼓脹測試技術(shù)產(chǎn)生的背景以及測試系統(tǒng),為深入理論研究材料的力學(xué)性能提供了測試技術(shù)。

        關(guān)鍵詞:微試樣;液壓鼓脹測試;承壓設(shè)備

        目前,承壓設(shè)備的性能劣化涉及到電力、核工業(yè)、石油化工、煤化工等行業(yè),而隨著應(yīng)用工況的日益苛刻,溫度、壓力以及材料介質(zhì)適用要求的不斷提高,如何進行惡劣工況下服役材料的全信息分析以及壽命預(yù)測是目前亟待解決的問題;同時在傳質(zhì)、傳熱、流動、反應(yīng)、分離等設(shè)備中,實際服役結(jié)構(gòu)往往具有較小的尺寸以及幾何不連續(xù)和冶金不連續(xù)部位,很難取得標(biāo)準(zhǔn)試樣,因此必須考慮非標(biāo)準(zhǔn)試樣拘束度的影響,建立非標(biāo)準(zhǔn)試樣的斷裂力學(xué)測量技術(shù),以實現(xiàn)對服役結(jié)構(gòu)的安全評定。

        傳統(tǒng)的檢測方法有無損檢測法以及常規(guī)取樣檢測法,而兩者卻有著各自的局限性。前者快速、無損,但所獲的信息不全面,也不夠精確;后者測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,但由于取樣繁瑣,并且試樣尺寸過大對在役設(shè)備會造成很大的破壞性。因此,發(fā)展非傳統(tǒng)的力學(xué)性能試驗方法,特別是發(fā)展適用于在役設(shè)備評定的微試樣斷裂測試方法是目前亟待解決的問題。相比于傳統(tǒng)的力學(xué)性能試驗,微損試驗技術(shù)因其微試樣的特點使得取樣可直接在服役設(shè)備構(gòu)件上進行,不影響構(gòu)件的完整性。同時,微損試驗技術(shù)可應(yīng)用于常規(guī)力學(xué)性能試驗不適用的領(lǐng)域,并與傳統(tǒng)的實驗結(jié)果有很強的關(guān)聯(lián)性,可以對材料在服役條件下的多種性能進行安全穩(wěn)定的預(yù)測,以保障在極端工況下服役設(shè)備長周期安全運行。

        微試樣液壓鼓脹測試技術(shù)作為微損測試技術(shù)的一種,開始逐漸得到眾多研究者的研究。曹學(xué)剛[1]根據(jù)初始的材料模型及參數(shù)(應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系),通過有限元方法進行模擬,得出試件承載時的極頂撓度 H 及輪廓形狀。通過與實際實驗測量值的比較,判斷 H 的變化是否在允許范圍內(nèi),如果不符合要求,則調(diào)整材料模型及參數(shù),重復(fù)上面所敘述的過程,最終獲得材料真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系。董樑[2]微試樣液壓爆破法是一種可用于測試核壓力容器輻照監(jiān)督試樣的微試樣測試技術(shù),該技術(shù)借鑒爆破片工作原理,對圓形薄片試樣進行液壓加壓,使薄片鼓脹并爆破,在試驗過程中記錄載荷-圓薄片中心點位移曲線,通過曲線上的特征載荷以及試樣變形關(guān)聯(lián)材料常規(guī)拉伸性能。通過比較不同的近似解析法得到了適合于該型微試樣試驗技術(shù)的屈服強度、抗拉強度的計算方法,在上述研究的基礎(chǔ)上對核電常用材料國產(chǎn)A508進行了液壓爆破試驗,得到了材料的強度特性,與常規(guī)單軸拉伸數(shù)據(jù)高度吻合。王存益[3]采用夾持器橢圓度分別為0、1/3、1/2和2/3 的鼓脹試驗方法研究金屬薄板力學(xué)性能。結(jié)合單向拉伸實驗?zāi)軠?zhǔn)確測量出金屬薄板處于彈性階段時應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系這一特性,通過有限元模擬鼓脹試驗,反求出金屬薄板材料處于雙向拉伸狀態(tài)下真實應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。綜合分析試驗數(shù)據(jù)與模擬試驗反求數(shù)據(jù),對不同主應(yīng)力比狀態(tài)下金屬薄板進行力學(xué)性能研究,得出定橢圓度的金屬薄板所受的主應(yīng)力比不是一固定值;鼓脹試驗試件最大應(yīng)變與橢圓度之間存在反比例關(guān)系,而主應(yīng)力比與橢圓度呈正比例關(guān)系。從以上研究者工作內(nèi)容來看,共同點是都需要測量微試樣在加壓下拱高-壓力的關(guān)系,兩者關(guān)系的測得則要通過液壓鼓脹試驗臺獲得。

        微試樣液壓鼓脹測試技術(shù)原理如圖1:

        微試樣液壓鼓脹系統(tǒng)由測量系統(tǒng)和液壓鼓脹系統(tǒng)組成,測量系統(tǒng)由光學(xué)引伸計、導(dǎo)桿、數(shù)據(jù)采集卡、計算機組成,液壓鼓脹系統(tǒng)由液壓泵、基座、壓蓋、壓力表組成。本系統(tǒng)可以測量時間-壓力、壓力-導(dǎo)桿位移數(shù)據(jù),可以測出微試樣爆破瞬間的爆破壓力。本系統(tǒng)基座試樣槽有兩種規(guī)格,分別為10*10(mm)和20*20(mm),可以測試不同厚度微試樣的鼓脹參數(shù)。圖2是本系統(tǒng)測試軟件的操作界面,可以直接顯示壓力-時間、位移-時間曲線,顯示整個試驗狀態(tài),并且給出爆出壓力。這套系統(tǒng)測試的原始數(shù)據(jù)可用于理論分析,進而求解材料的力學(xué)性能。

        參考文獻:

        [1]曹學(xué)剛,高光藩,孫亮,等. 鼓脹試驗的有限元反求應(yīng)用研究[J]. 機械設(shè)計與制造, 2013, (12): 262-263, 266.

        [2]董樑,惠虎,湯曉英. 基于微試樣液壓爆破法測試核壓力容器用鋼力學(xué)性能[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2015, (12): 2227-2233.

        [3]王存益,高光藩,毛海瑞,等. 金屬薄板不同主應(yīng)力比狀態(tài)下力學(xué)性能研究[J]. 機械設(shè)計與制造, 2017, (2): 157-160.

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