魏志浩，劉 召,高 飛,張衛(wèi)社,戴行濤,由宏新

(1.大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧大連 116024；2.西亞洲際(北京)智能傳感科技有限公司，北京 100020；3.大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院有限公司，遼寧大連 116016)

0 引言

壓力容器、壓力管道和特種設(shè)備涉及到社會(huì)生產(chǎn)和人民生活的各個(gè)方面,其安全及可靠性問題受到國家和各級(jí)政府的高度重視[1]。受內(nèi)壓的氣瓶在壓力容器中占有很大的比例，其中既有長(zhǎng)期固定使用的，如在建筑中無需移動(dòng)的消防氣瓶，也有移動(dòng)式儲(chǔ)罐或在移動(dòng)裝置上作為附件使用的，如壓縮天然氣汽車或氫能汽車上的燃料儲(chǔ)存設(shè)備等。它們的安全使用除了通過周期性的檢驗(yàn)保證以外，還可通過無損安全檢測(cè)來保證[2-5]。對(duì)消防長(zhǎng)期使用難以搬運(yùn)的氣瓶或固定在移動(dòng)運(yùn)載裝置上難以拆卸的氣瓶，更需提出一種長(zhǎng)期在線的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。氣瓶的安全監(jiān)測(cè)，由于氣瓶?jī)?nèi)存放著高壓介質(zhì)，應(yīng)具備在氣瓶發(fā)生破壞失效時(shí)提前預(yù)警的功能，以便對(duì)氣瓶?jī)?nèi)的介質(zhì)泄壓或采取其他安全措施。

比較常用的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)有聲發(fā)射[6-7]、光纖傳感[8-10]、紅外熱成像[11-12]、圖像[13-17]等，這些技術(shù)都有非常好的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏、直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但整體復(fù)雜、成本高等特點(diǎn)的存在，限制了聲發(fā)射、光纖傳感等技術(shù)在氣瓶這一大量使用的壓力容器上的使用，需要探索原理簡(jiǎn)單，安裝、使用更為方便的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

文獻(xiàn)[18]介紹了在消防氣瓶上繞絲報(bào)警的基本工作原理與簡(jiǎn)單的試驗(yàn)結(jié)果，已有的研究表明，受內(nèi)壓時(shí)，含缺陷圓筒型容器的截面由圓變形為橢圓，其周長(zhǎng)增加，外繞的0.8 mm鎳絲監(jiān)測(cè)到這一變化直至金屬絲斷裂，觸發(fā)與金屬絲相連的報(bào)警器報(bào)警。在試驗(yàn)條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)僅存在0.2 mm以下的圓度誤差時(shí)，也可報(bào)警。但繞絲報(bào)警技術(shù)有許多需要進(jìn)一步研究之處，如有缺陷存在的情況下，是否能在宏觀低變形下報(bào)警；在氣瓶反復(fù)充裝的工況中，缺陷持續(xù)發(fā)展，繞絲能否耐久且在結(jié)構(gòu)失效前報(bào)警，是亟待研究與解決的問題。

為進(jìn)一步研究繞絲報(bào)警的性能，以含裂紋缺陷的鋼瓶為核心，疲勞試驗(yàn)與爆破試驗(yàn)相結(jié)合，研究繞絲報(bào)警在循環(huán)加載工況下，整體的可靠性與爆破時(shí)的安全裕量。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)采用公稱外徑279 mm的30CrMo調(diào)質(zhì)處理的氣瓶管段，管材筒體的名義厚度為8 mm，筒體長(zhǎng)度400 mm。用直徑0.15 mm的鉬絲在筒體內(nèi)壁沿軸線方向，以線切割預(yù)制沿筒體軸向的人工缺陷，裂紋的徑向深度為4 mm；在筒體一端焊接帶進(jìn)水孔的端板，其上中心有開孔可接管線，試件的另一端焊接封閉的盲板。試件加工后，用周徑尺測(cè)量試件中心處的周長(zhǎng)為886 mm。

取管段相同氣瓶的余下部分，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2002《金屬材料 室溫試驗(yàn)方法》做拉伸試件，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

對(duì)所制備的試件外表面噴砂、打磨并涂覆絕緣環(huán)氧樹脂底漆，底漆厚度小于0.1 mm，其發(fā)生的變形可以忽略不計(jì)，能夠起到良好的傳導(dǎo)變形的作用；待底漆固化后，于試件外表面底漆上螺旋纏繞變形量探測(cè)線，由中間兩根0.8 mm報(bào)警線和外側(cè)兩根1.5 mm普通導(dǎo)電絲組成，每組之間的螺距為38 mm。普通導(dǎo)電絲較粗不易斷，可以防止外在損傷導(dǎo)致誤報(bào)警。繞線時(shí)預(yù)緊張力的大小直接決定了報(bào)警線斷裂的靈敏度，對(duì)不同柱狀容器可以通過改變預(yù)緊張力的大小調(diào)整報(bào)警臨界值，本文設(shè)置為200 g。最后，將4根探測(cè)線通過固定于試件表面的電路板與24 V報(bào)警器相連，報(bào)警器內(nèi)含繼電器控制系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)探測(cè)線的通斷情況。

1.2 試驗(yàn)步驟

利用超聲波探傷儀確定具體的缺陷位置，并做好相應(yīng)標(biāo)記。以筒體圓心為基點(diǎn)，缺陷所在位置標(biāo)記為0°，環(huán)向間隔15°，45°做標(biāo)記布置應(yīng)變片；縱向位置以裂紋的中心為基點(diǎn)，間隔5 cm布置應(yīng)變片，每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置包含對(duì)應(yīng)環(huán)向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的兩枚應(yīng)變片。為減少試驗(yàn)誤差，設(shè)置兩枚溫度補(bǔ)償片分別對(duì)應(yīng)環(huán)氧樹脂底漆與鋼材，應(yīng)變片布置圖及對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)序號(hào)如圖1所示。在焊接完應(yīng)變片測(cè)量導(dǎo)線后連接應(yīng)變測(cè)量?jī)x。

圖1 應(yīng)變片布置

應(yīng)變片為BE120-5AA型，應(yīng)變儀為24點(diǎn)的DH3818Y靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀，在測(cè)量時(shí)采用1/4橋(三線制自補(bǔ)償)接線法進(jìn)行測(cè)量。

將試件按要求與疲勞試驗(yàn)設(shè)備連接，并固定牢靠；啟動(dòng)壓力循環(huán)裝置，壓力介質(zhì)為液壓油，將試件按照升壓至循環(huán)壓力上限(15 MPa)→上限保壓→降壓至循環(huán)壓力下限(0.4 MPa)→下限保壓的順序?qū)υ囼?yàn)氣瓶施加循環(huán)壓力，使預(yù)制裂紋自然增長(zhǎng)，模擬真實(shí)裂紋的生成過程；循環(huán)頻率不超過10次/min；直至探測(cè)線斷裂報(bào)警，記錄報(bào)警壓力及各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化情況。

報(bào)警后，卸下試件并放油充水，以水為介質(zhì)進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)以較為平穩(wěn)的升壓速率升壓，不超過0.5 MPa/s，直至試件爆破，記錄爆破壓力及進(jìn)水量。

圖2示出所用的壓力循環(huán)裝置、試件、應(yīng)變采集系統(tǒng)與報(bào)警器。壓力循環(huán)試驗(yàn)采用了符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9251—2011《氣瓶水壓試驗(yàn)方法》、GB/T 15385—2011《氣瓶水壓爆破試驗(yàn)方法》要求的方法與試驗(yàn)設(shè)備。

圖2 壓力循環(huán)試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備與試件

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸試驗(yàn)

兩個(gè)調(diào)質(zhì)30CrMo拉伸試件在拉伸后所得的拉伸曲線見圖3。材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，以及屈服前、拉斷前的應(yīng)變見表1。

表1 30CrMo的強(qiáng)度與特征應(yīng)變

圖3 30CrMo拉伸曲線

2.2 疲勞試驗(yàn)

當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到1 012次，在循環(huán)壓力的上限15 MPa，繞絲報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警器動(dòng)作，終止疲勞試驗(yàn)。圖4為報(bào)警前70 s內(nèi)壓力循環(huán)試驗(yàn)裝置記錄的壓力曲線。

圖4 報(bào)警前受試試件的壓力變化曲線

圖5示出疲勞試驗(yàn)過程中應(yīng)變采集系統(tǒng)直接輸出的部分測(cè)點(diǎn)的原始應(yīng)變值，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為應(yīng)變。經(jīng)溫度補(bǔ)償計(jì)算后，取報(bào)警時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值，即極限應(yīng)變值繪制圖表，如圖6所示。由圖6知測(cè)點(diǎn)1，即裂紋缺陷中點(diǎn)處外壁環(huán)向應(yīng)變值最大，這也是導(dǎo)致探測(cè)線斷裂的直接原因。對(duì)測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)變值進(jìn)行展開，如圖7所示，在壓力循環(huán)過程中連續(xù)采集應(yīng)變，密集的曲線形成了數(shù)據(jù)帶，其中每次循環(huán)壓力上限時(shí)，應(yīng)變達(dá)到最大值，由此可以清晰地觀察到疲勞過程中的應(yīng)變變化趨勢(shì)，也一定程度上反映了裂紋的逐步擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定的臨界值，氣瓶整體的環(huán)向變形量超出探測(cè)線的塑性承載能力，即斷裂并報(bào)警。繞絲報(bào)警時(shí)最大環(huán)向應(yīng)變?yōu)?.004 8，軸向應(yīng)變?yōu)?0.000 23，此時(shí)氣瓶還未破壞失效。

圖5 壓力循環(huán)試驗(yàn)時(shí)部分測(cè)點(diǎn)原始應(yīng)變

圖6 測(cè)點(diǎn)-極限應(yīng)變值

圖7 測(cè)點(diǎn)1應(yīng)變曲線

壓力循環(huán)試驗(yàn)表明，外繞絲可在氣瓶處于交變載荷、整體應(yīng)力較低、最大處應(yīng)變接近屈服應(yīng)變的情況下有效地報(bào)警，起到了安全監(jiān)控的作用。

疲勞試驗(yàn)后，觀察試件的形狀，宏觀上沒有較為明顯的變化，即繞絲報(bào)警是有效的，而對(duì)于其安全裕量及可行性，還需進(jìn)行進(jìn)一步的爆破試驗(yàn)以驗(yàn)證其未過早報(bào)警或誤報(bào)。

2.3 爆破試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)進(jìn)行完畢后，為確定試件的安全裕量(實(shí)際爆破壓力與報(bào)警壓力的差值)，對(duì)試件進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)。升壓過程中用天平稱量打入試件內(nèi)水的質(zhì)量，通過記錄打入試件內(nèi)的進(jìn)水量，檢測(cè)容積的變化。圖8為爆破裝置記錄的爆破過程中壓力與進(jìn)水量的關(guān)系曲線，圖9為爆破后試件的宏觀形貌。

圖8 爆破壓力與進(jìn)水量

圖9 爆破后試件外觀

試件的爆破壓力為17.65 MPa，與報(bào)警壓力或工作壓力15 MPa相比，爆破壓力高于報(bào)警壓力2.65 MPa，說明繞絲報(bào)警不僅有效，且報(bào)警后，給受保護(hù)的壓力設(shè)備留有一定的壓力空間，就如拉伸試驗(yàn)一樣，在屈服與斷裂失效間有一定的載荷增加空間，即安全裕度，方便對(duì)即將失效的設(shè)備做出相應(yīng)的處理措施。

打入試件內(nèi)的水量為6.2 L。在試件預(yù)充水后，隨著打入水量的線性增加，壓力也線性增加。試件爆破后，用周徑尺測(cè)量試件中心處周長(zhǎng)為889 mm，相比原始周長(zhǎng)增加了3 mm，相當(dāng)于沿圓周方向產(chǎn)生了0.33%的永久變形。環(huán)向0.33%的永久變形說明繞絲報(bào)警能在小變形情況下報(bào)警，可有效地保護(hù)在破壞前產(chǎn)生的環(huán)向變形小于0.5%的設(shè)備，如含裂紋缺陷的受內(nèi)壓設(shè)備的安全。

3 結(jié)語

為檢驗(yàn)繞絲報(bào)警技術(shù)的有效性與可行性，在材料拉伸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)含裂紋性缺陷的調(diào)質(zhì)30CrMo氣瓶進(jìn)行壓力循環(huán)試驗(yàn)與爆破試驗(yàn)研究。壓力循環(huán)試驗(yàn)中，氣瓶筒體上的應(yīng)變測(cè)試表明外繞絲能于壓力循環(huán)工況下，在整體應(yīng)力較低、局部應(yīng)力較大、最大處應(yīng)變接近材料屈服應(yīng)變的條件下有效地報(bào)警，起到安全監(jiān)控的作用。報(bào)警后所監(jiān)控的鋼瓶還能承載，經(jīng)爆破試驗(yàn)表明，鋼瓶存在2.65 MPa的安全裕量。繞絲報(bào)警技術(shù)的普適性，需進(jìn)一步對(duì)其余低變形失效模式加以探索，為危險(xiǎn)容器的安全處理留有一定的空間與時(shí)間。