特种钢质无缝气瓶水压试验评定指标探讨

万有贵

【摘要】针对使用较多的特种钢质无缝气瓶，通过从应力、应变、偏心等方面对其容积变形进行了分析计算，对水压试验的判废指标进行了论证，提出了作者的建议和意见，希望能对该类无缝气瓶的水压试验判废指标的制订提供有力的依据和参考。

【关键词】气瓶；水压试验；指标

引言

气瓶耐压试验的试验压力，要比一般压力容器的试验压力高。原因是气瓶耐压试验是关键项目，重大缺陷要通过耐压试验来发现；气瓶在使用过程中，使用场所不固定，周围环境比较差，容易受碰撞和冲击，存在的裂纹等缺陷容易扩展。但是仅仅提高耐压试验的试验压力并不是保证气瓶安全使用的可靠方法。相反，气瓶进行高压试验，可使瓶壁应力超过材料的屈服极限，产生塑性变形，使材料韧性降低，使缺陷进一步扩展，致使气瓶在以后使用中破裂爆炸。因此，对于高压气瓶，应在耐压试验的同时，确地测定它的全变形或残余变形，以掌握气瓶在耐压试验时的应力情况。外测法水压试验是对受试气瓶进行耐压试验的同时从受试气瓶外测测星其容积残余变形率。

1.外测法水压试验及合格指标概述

外测法水压试验是把气瓶放进1只完全充满水的容器内，安装在该容器上的适当装置，分别测量出气瓶承压时和卸压后，由于气瓶膨胀，从水套内排出的水量来达到测量气瓶的残余变形率。从容积残余变形率则可以了解气瓶的水压试验压力是否己经接近或超过了气瓶的整体屈服压力所以，容积变形就成为评定气瓶耐压试验是否合格的一个重要指标。目前，国际上常用的大容积钢质无缝气瓶标准有：美国运输部规范49CFR.§178.37，§178.45，国际标准化组织编制的适合于全球使用的气瓶标准ISO11120《150L～3000L无缝钢质气瓶设计、制造和试验》，这2个标准均采用外测法水压试验，均要求永久体积膨胀量，卸压后的体积膨胀量，不能超过试验压力下总膨胀体积的10%为合格。GB/T9251-1997《水压试验方法》规定了试验方法、试验装置的基本要求及试验操作要点，GB5099-1994《钢质无缝气瓶》没有规定具体的试验方法，因该标准适用的公称容积为0.480L，容积较小，标准只规定了中容积瓶体的容积残余变形率，不得大于3%。对于大容积钢质无缝气瓶，我国虽然在2000年版《气瓶安全技术监察规程》将气瓶容积扩展到了3000L，但目前还没有大容积钢质无缝气瓶国家标准，在制造时只有依据经核备案的企业标准。

2.外测法水压试验残余变形产生的原因

在试验过程中出现的残余变形存在以下可能：

（1）系统误差。

（2）在试验过程中，瓶体受内压，承受周向弯矩，使瓶体产生趋圆效应。

（3）组织不均匀，局部屈服强度低，产生局部变形。

（4）钢瓶整体强度不够，当承受内压时，瓶体内的应力超过最低屈服极限，产生变形。

（5）用于制造气瓶的材料均为塑性材料，在计算瓶体壁厚时，通常近似认为塑性材料在未达到弹性极限前都处于完全弹性状态，实际上完全弹性体是不存在的。一般情况是，有一部分（弹性变形）是随着外力的去除而变形消失，另一部分（塑性变形）随着外力的消除变形保留下来，这种变形就是残余变形。

3.偏心度对残余变形率的影响

实际情况，气瓶并不是理想状态的均匀壁厚，而是存在着较大的几何偏差，其中偏心占80%左右，该类特种高压无缝气瓶也不例外。由于偏心现象的存在，使得在同一试验压力下，瓶体各部分的应力应变相差很大。若将试验压力继续增大，当气瓶上壁厚较薄的部位在试验压力作用下已经发生了弹塑性变形甚至塑性变形时，其余部位仍处于弹性变形阶段。由于与容积残余变形率相对应的残余变形不是沿周向均匀分布的，而主要集中在壁厚较薄的部位。因此，当薄边的应力已经超过允许值时，总体的残余变形率还不大，尚未超过1000，但薄边此时会先于其它较厚部位发生变形。

4.试验方法的影响

常用的水压试验方法是内测法和外测法。内测法是反映气瓶内部容积的变化，更接近于气瓶壳体变化的实际过程。外测法反映了气瓶体积的变化情况。在一定的压力下，外壁尚處于弹性阶段，而内壁却产生了残余变形，使得内测法和外测法测得的气瓶容积残余变形率有较大的差异。

5.避免残余变形超标的方法

（1）校验系统，要定期对系统进行校验，保证数据的准确性。

（2）在原材料供应及制造过程中，尽量避免变形，如热处理过程中热源及支撑的均匀性，都可能导致瓶体变形，不圆度超标。因此，在布置热源及支撑位置时要充分考虑这些问题。

（3）原材料或制造过程中，虽然经过测厚，但很难全部检测到每一点，壁厚不均匀的现象可能存在，薄弱点在承受内压时先屈服，首先出现局部变形。可通过100%超声测厚，检测出不符合最小厚度要求的原材料或半成品，避免由于局部厚度不足造成的局部高应力，降低钢瓶的生产成本。

（4）要求公司认真检查所使用的气瓶制造模具，并采用另外材料制成的模具逐步更换了生产线上的铜模具，从根本上保证这种情况不会再次发生。

（5）明确相关岗位检验人员责任，加强瓶坯外观质量和气瓶肩部外观质量检查，发现异常及时进行处理。

（6）对生产线各岗位操作人员和检验人员，而尤其是瓶坯检验、收口、水压试验等关键岗位的人员进行培训和教育，并加强管理。

6.结语

对气瓶进行水压试验是气瓶定期检验的主要项目，其评判标准是关键所在。在水压试验过程中，气瓶的容积弹性变形与瓶壁产生的应力成正比关系，瓶壁应力越大，容积弹性变形也越大。容积弹性变形量的大小直接反映了瓶壁应力水平的大小，而气瓶材料强度则是与其所能承受的应力是密切相关的，能承受的应力大，则其弹性变形量大，材料强度就大。因此，对某部所属特种钢质高压无缝气瓶进行水压试验时，以容积弹性变形作为气瓶判废的主要评定指标是比较合理的。

参考文献：

[1]GB13004-1999，钢质无缝气瓶定期检验与评定[s]

[2]周婉珍，等.压力容器安全[m]北京：中国劳动出版社，2001.

[3]北京经济学院劳动保护工程系.压力容器安全工程学[M].1983.