1、高壓爆破實驗室高壓爆破實驗室簡介主要進行壓力容器內壓爆破實驗和外壓容器失穩實驗，是過程設備設計課程中的重要實驗課，也是過程裝備與控制工程培養中的重要實驗。高壓爆破實驗機、外壓試驗裝置等實驗設備。壓力容器內壓爆破實驗一、實驗目的1、初步掌握壓力容器整體爆破的實驗方法及裝置；觀察并分析實驗過程中所出現的各種現象。2、測定容器的整體屈服壓力并與理論計算值進行比較。3、對容器的爆破口及斷口做出初步的宏觀分析。4、對爆破容器的性能進行評價的初步訓練。二、實驗意義整體構件爆破實驗是壓力容器研究、設計、制造中的一個綜合性實驗方法，是考核構件材料的各項機械性能，結構設計的合理性，安全儲備以及其它方面性能的直觀

2、性很強的實驗方法。有以下幾個方面的應用：1、產品定型：新設計壓力容器的選材、結構及制造工藝合理性驗證。這也包括新產品的試制，材料更新，結構型式改變以及制造工藝更動時為確保產品質量而進行的實驗。2、質量監控：對已定型的壓力容器，為了監控在生產中由于生產工藝的波動等因素而引起的質量波動所進行的實驗，模具的變形，熱處理爐溫的波動，原材料質量波動以及焊接工藝條件的波動等都能引起壓力容器產品質量的波動。3、科學研究：科研及其它用途的評定性實驗。壓力容器爆破實驗屬于破壞性實驗，耗費較高。因此確定是否需要進行這類實驗時要慎重考慮。三、實驗方法及原理壓力容器的爆破實驗分模擬構件爆破實驗和產品抽樣實驗兩種：1、

3、模擬構件的爆破實驗；按照一定的模擬條件制造模擬構件，進行爆破實驗，以推斷實際容器的爆破性能，此法多用于研究、制造費用高的單件重要容器。此法的關鍵是建立準確的模擬條件。2、產品抽樣實驗：從一定數量的產品中隨機抽取若干只進行爆破實驗。此法適用于成本相對比較低的大批量生產容器。整個實驗過程是由壓力源向容器內注入壓力介質直至容器爆破。壓力介質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，相對而言氣壓爆破比較危險，因此一般都采用液壓爆破，但即使用液壓爆破，仍有一定的危險性，需要安全防護措施，以保證人員及設備的安全。在爆破實驗過程中，隨著容器內壓力的增高，容器經歷彈性變形階段，

4、進而出現局部屈服、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驗過程中各階段的變化規律，可用壓力進水量、壓力升壓時間、壓力筒體直徑變化量等曲線進行描述，這些參數可借助于壓力表，水位計等在實驗中測得。圖5-1即為鋼質無縫氣瓶爆破實驗中測定的壓力升壓時間曲線，根據這些曲線所提供的信息即可分析構件材料的力學性能，并確定該容器的整體屈服壓力。圖5-1  鋼質無縫氣瓶爆破實驗壓力-升壓時間曲線整體屈服壓力 Ps的測定：1、進水量不斷增加而壓力表指針基本上停滯不動時所對應的壓力；2、在壓力進水量等曲線上對應于整體屈服的平臺階段所對應的壓力；爆破壓力Pb的測定：容器爆破的瞬間容

5、器內的壓力。爆破實驗的典型實驗裝置如圖5-2所示。圖5-2 爆破實驗裝置簡圖高壓泵：98MPa柱塞泵，介質為水（或超高壓泵：600MPa柱塞泵，介質為煤油和變壓器油）。壓力表：量程為100MPa，l.5級；秒表，測量儀等用具。四、圓筒形容器整體屈服壓力PS和爆破壓力片Pb的理論計算根據受內壓圓筒的應力分析結果可知，當內壓升到某一數值時。內壁表層材料首先開始屈服，隨著壓力的升高，塑性區向外發展直至整個壁厚全部屈服。此時所對應的壓力為整體屈服壓力，由于此時材料全部進人塑性，因此表現出有較大的塑性變形發生。當變形發展到一定程度時材料進入硬化階段，隨著塑性變形的不斷發生。容器壁厚不斷減薄。當壁內應力達

6、到材料的強度限時容器發生爆破。根據不同的壓力分布假設以及不同的屈服準則，可推導出不同的PS、Pb計算公式，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屈服準則：Ps=4ss/3Dm；Pb=4sb/3Dm式中kD0/Di（圓筒外、內徑之比），s、b分別為材料的屈服應力和抗拉應力。用Mises屈服準則：      2、修正公式福貝爾和史文森根據前述基于理想彈性材料推導出的Pb公式。考慮到材料的應變硬化或屈服比（s/b）對爆破壓力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、自然對數底，n材料應變硬化指數。3、基于薄壁分析的公式當容器壁厚相對較薄（k<1.2）時。可接薄膜理論進行分析：用Tresea屈服準則：Ps=4ss/3Dm                 Pb=4sb/3Dm式中：Dm為中徑（即內外壁平均直徑），S為壁厚。用Mises屈服準則實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

8、理論分析及實驗驗證，不圓偏差對Ps和Pb影響不大。當筒體存在壁厚偏差時。筒體強度主要取決于筒體的最薄側（Smin處）,因此應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進行計算。五、破壞方式及斷口分析試件爆破后，根據破口的形狀，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件材料的斷裂特征。對于準靜態一次性加壓爆破的容器而言。可能發生的破裂形式為韌性破裂或脆性破裂。對于壓力容器用鋼一般要求塑性和韌性均比較好。若構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；且使用（實驗）溫度

9、不低于材料的冷脆轉變溫度，則構件的破裂形式應為韌性破裂。前述的計算PS、Pb的公式即是針對此種情況的。但是若構件材料有一定的缺陷，韌性較差，同時存在其他不利因素，例如：應力集中、殘余應力、環境溫度過低等，則可能發生脆性破裂。 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力水平Pb與常規強度計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，一般都是由三個區組成。即纖維區、

10、放射區和剪切唇，稱為斷口三要素。如圖5-3示。圖5-3 斷口三要素示意圖  纖維區緊接斷裂源，是斷裂的發源地。矩形截面試樣或板材斷裂的纖維區域呈橢圓形。在此區裂紋的形成和擴展是比較緩慢的。纖維區的表面呈現粗糙的纖維狀；顏色常為暗灰色。它所在的宏觀平面（即裂紋擴展的宏觀平面）垂直于拉伸應力方向。放射區緊接著纖維區。它是裂紋達到臨界尺寸后高速斷裂的區域，放射區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，指向斷裂源。剪切唇是最后斷裂的區域，靠近表面。在此區域中，裂紋擴展也是快速的。但它是一種剪切斷裂。剪切唇表面光滑。無閃耀的金晨光澤，與拉伸主應力方

11、向成45度角。根據斷口三區的相對比例可判斷構件材料的斷裂特征，此比例主要由材料的性質、板厚以及溫度決定。材料越脆，板厚越大，溫度越低，則纖維區、剪切唇越小，放射區越大。反之材料塑性韌性越好， 板厚越小，溫度越高，則纖維區剪切唇越大，放射區越小，甚至出現全剪切唇斷口。薄壁容器韌性斷裂外觀厚壁容器脆性斷裂外觀六、試件鋼質無縫氣瓶； 材料：4OMn2A； 設計壓力：14.7 MPa； 公稱容積：40 L； 公稱直徑（外徑）：219 mm；計算壁厚： 6.5mm；氣瓶材料實測機械性能實驗前提供。七、實驗步驟  (1)、高壓爆破實驗機操作說明步驟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，看油缸有足夠多的介質油，若油缸中油不足，可從導油杯2中直接加油（一般機油即可）。2、啟動電機，待欲爆破試件接口3處有油溢出，再關閉電機。3、將欲爆破的厚壁圓筒試件預先灌滿油（排除里面的空氣）倒轉后迅速選到爆破試件接口上，用管子鉗上緊，罩好保護罩，開動電機。4、仔細觀察壓力表，十分鐘左右，介質油充滿了高壓管路及爆破試件中，壓力表計數開始慢慢上升。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間），屈服后試件還需要一段時間才會爆破。6、試驗中途若停止給試件加壓，或試件與接口連接處有泄漏，此時必須關閉電機，打開卸壓閥，待壓力表讀數為零，方可卸下試件或繼續給試件上緊。7

13、、對試驗機每次運動中的十字頭滑塊、活塞桿等磨損部必須及時加油潤滑。流程原理圖如下：    (2)、高壓爆破實驗操作步驟1、選取試件2、關閉高壓爆破實驗機面板上左右兩只卸荷閥，觀察儀器面板上的油標，看油缸中是否有足夠的介質油，若油缸中油不足，可從導油杯中直接加油（一般機油即可）。3、在實驗前應再次檢查安全防護措施，并確定觀測、讀數、記錄人員的分工。經指導教師同意后，才可進行實驗。4、啟動電機，待爆破試件接口處有油溢出，再關閉電機。5、將欲爆破的厚壁圓筒試件預先灌滿油（排除里面的空氣）倒轉后迅速旋轉到爆破試件接口上，用管子鉗上緊，罩好保護罩，開動電機。6、仔

14、細觀察壓力表，十分鐘左右，介質油充滿了高壓管路及爆破試件中，壓力表讀數開始慢慢上升。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間），屈服后試件還需要一段時間才會爆破。8、實驗中途若需停止給試件加壓，或試件與接口連接處泄漏，此時必須關閉電機，打開卸壓閥，待壓力表讀數為零時，方可卸下試件或繼續將試件上緊。9、試件爆破后，計算機也完成相應的數據采集和處理，打印輸出所需的壓力時間曲線。  外壓容器失穩實驗一、實驗目的1、觀察圓筒型試件在外壓作用下的失穩過程和失穩破壞后的形狀。2、驗算圓筒形試件失穩破壞時的臨界壓力并與試件失穩的實測值比較。3、驗算上述圓筒形試件中部設有加強圈

15、后的波形數與臨界外壓。二、基本理論在外壓作用下的薄壁容器器壁內的應力還未達到材料的屈服極限時。容器會突然產生現象而喪失容器原有形狀。使容器喪失穩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。可能是2、3、4容器承受臨界外壓作用而喪失穩定性。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整，材料很均勻。當外壓力達到一定數值時。也會產生失穩現象。當然殼體不圓，材料不均勻能使其失穩的臨界壓力值降低。外壓容器失穩的臨界壓力Pcr的大小取在于容器長度與直徑之比（L/D）和容器壁辱與直徑之比（S/D）。圓筒形容器按失穩后的破壞情況可分為三類：1、長圓筒-這

16、種圓筒得L/D值比較大，臨界壓力Pcr僅與S/D有關,而與L/D無關,失穩后的波形數為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,而且與L/D也有關,失穩后的波形數n為大于2的整數；3、剛性圓筒-此圓筒的破壞系由于器壁內的應力超過材料的屈服極限所致，在這之前不會發生失穩，計算時滿足強度要求即可。三、臨界壓力Pcr理論計算公式1、臨界長度：Lcr=1.11Do4、許用外壓力：p=BSe/Do四、實驗裝置及試件1、實驗裝置本實驗使用的裝置如圖1所示。圖7-1 外壓試驗裝置圖1-氣瓶；2-氣瓶瓶閥；3-減壓閥；4-放空閥；5-進氣閥；6-下端蓋；7-試件；8-支撐架；9-支撐座

17、；10-小蓋；11-上端蓋；12-透明簡體；13-壓力表     實驗裝置的主體會透明有機玻璃圓筒和平頂蓋構成，實驗時可將試件裝在試件支承座上，并用橡膠密封圖把試件的內外腔隔開。試件支承座的中心開有透氣孔能使試件內臟與大氣相通，實驗進行時將有機玻璃罐與壓力源接通，罐內壓力就逐漸升高。試驗罐內的試件就處于承受外壓載荷的狀態。當壓力升高到某一值時，試件就會突然發生失穩破壞為了消除軸向載荷對試件失穩壓力的影響，在試件內可以放入支撐架，還可利用有中間加強環的支撐架進行減小試件長度后的失穩實驗。2、試件罐頭盒桶坯材質：鍍錫薄鐵皮公稱尺寸：直徑70mm，長

18、度80mm或115mm，壁厚0.20.25mm。  五、實驗步驟實驗前應先檢查氣源,為此應向逆時針方向旋松減壓閥的手柄。開啟實驗裝置上的放空閥，關閉送氣閥。確認上述操作無誤時，按逆時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，表示氣瓶內有足夠的液態二氧化碳可供實驗使用。實驗的具體步驟如下：1、在試件的底部編寫編號；2、測量并記錄試件的外徑和長度，測量外徑時應注意防止試件發生變形；3、從實驗罐上取出支撐座，在支撐座上組裝支撐架，測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；5、把試件裝入試驗罐，用小蓋把支撐座壓緊到上蓋上，旋緊螺母時注意應使各螺栓均勻受力，防止支撐座被壓偏；6、按逆時針方向旋松減壓閥手柄，關閉試驗罐的放空閥和開啟進氣