CN104198294B - 一种压力管道元件非爆破型式试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力管道元件非爆破型式试验方法，包括以下步骤：对三通管件进行加压测量，得到应变片在不同压力下应变值ε₁、ε₂、ε₃；计算得到各试验点在各加载内压下的第一主应力σ₁、第二主应力σ₂以及σ_mises应力的值；对于三通和弯管对比比较部分点第一主应力σ₁和理论第一主应力的值，以判断试验数据的有效性；选取最大加载内压下应力最大点分析加载过程中加载内压P与σ_mises应力关系，按线性拟合结果预测发生屈服时的内压P_pred；对于不同管道形式，根据理论推导其屈服时最大承载内压Ps，如果P_pred>P_s，则管道元件的实际承载压力大于理论预测内压，满足强度要求；否则，测试结果不满足要求。

Description

一种压力管道元件非爆破型式试验方法

技术领域

本发明涉及一种工程元件的试验方法，特别是一种压力管道元件非爆破型式试验方法。

背景技术

管道广泛应用于石油化工行业中，随着技术的发展，管道应力的分析水平也在进步并已有了很多成熟的理论和经验，这为管道的设计与制造提供了良好的基础。根据实际需求，管道需要连接三通，由于三通几何结构的特殊性，数学分析困难，各国设计标准也大多采用压力面积法等经验手段计算，但并不能完整的得到三通的应力分布，从而无法从整体上分析三通的结构和材料性能是否符合条件。弯管由于制造工艺的限制，壁厚大小不一致，弯曲端口呈椭圆形，应力分布不符合理想情况的分布，同样也无法分析弯管结构及材料性能是否符合使用情况

传统的爆破试验的目的是检查压力容器的各项机械性能、结构设计的合理性与可靠性，以及实际安全裕度的大小和其它方面性能。但是爆破试验是一种破坏性试验，试验后的元件无法再次使用，造成浪费；随着技术的发展，超高压、超高温的压力容器和管道元件使用越来越多，元件的壁厚也越来越厚，如果进行爆破试验需要可能上百甚至更高的压力，试验条件要求很高，花费也比较大；随着化学工艺和新型材料的发展，特种材料也广泛应用于压力容器以及管道中，由于其特殊性，特材三通、弯管大多由国外指定厂商制造，加工工艺复杂，造价昂贵，进行破坏性的爆破试验元件产生不可逆的后果，无法再次使用，对工厂造成了时间和效益上的损失。

发明内容

本发明的目的是针对现有爆破型式试验存在的问题和特材压力容器、管件发展的需求，运用材料在弹性状态下载荷和应力符合线性的特性，可以推导出实际情况下元件达到屈服时的承载压力的大小，与理论和经验公式比较，从而可以定量评价元件的结构和材料性能是否符合要求。

本发明公开了一种压力管道元件非爆破型式试验方法，用于三通或弯管管件，包括以下步骤：

(1)首先依照布片方案对压力管道元件的各试验点进行测量厚度、贴应变片，然后根据加压方案对三通或弯管管件进行加压测量，得到各试验点在各加载内压下在0°、90°、45°三个角度上应变片各自对应的应变值ε₁、ε₂、ε₃；

(2)利用(1)步骤的ε₁、ε₂、ε₃，根据广义胡克定律和Mises应力准则计算第一主应力σ₁和第二主应力σ₂：

${\mathrm{\σ}}_1=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2(1-\mathrm{\μ})}+\frac{\sqrt{2}}{2(1+\mathrm{\μ})}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2})$

${\mathrm{\σ}}_2=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2(1-\mathrm{\μ})}-\frac{\sqrt{2}}{2(1+\mathrm{\μ})}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2})$

计算测试点的Mises应力σ_mises：

${\mathrm{\σ}}_{mises}=\sqrt{\frac{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2}{2}}$

式中，E为材料的弹性模量；

μ为材料的泊松系数；

(3)根据步骤(2)得到的第一主应力σ₁和第二主应力σ₂，验证试验结果的有效性：

若压力管道元件的外直径与内直径的比值(Do/Di)max≤1.1～1.2，则称为薄壁圆柱壳或薄壁圆筒，反之，则称为厚壁圆柱壳或厚壁圆筒；

对于薄壁圆筒，理论第一主应力

对于厚壁圆筒，理论第一主应力

其中，t为实际测量壁厚，p为设计压力，R为薄壁圆筒内径，K为厚壁圆筒内径与外径之比；

对于三通：

选取三通腹部圆筒部位的试验点，分别比较在各个内压下得到第一主应力σ₁和理论第一主应力的值；

对于弯管：

选取弯管段与直管段相邻的试验点，分别比较在各个内压下得到第一主应力σ₁和理论第一主应力的值；

对于三通和弯管，如果则判定在此压力下的试验结果有效，否则判定试验结果无效；如果试验结果无效，排除该加载内压的压力值；

(4)选取步骤(2)中最大内压下Mises应力σ_mises最大点，分析加压过程中加载内压与Mises应力关系，按线性拟合结果σ_mises＝a+bP，P为加载内压，a、b为线性拟合的参数，50≤a≤300，-10≤b≤10；计算发生屈服时的加载内压P_Pred：

$P_{\mathrm{Pr}ed}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s-a}{b},$

σ_s为室温下材料的屈服强度；

(5)按屈服强度，计算管道元件的理论最大加载内压：

对于弯管，理论最大加载内压P_s计算公式为：

$P_s=\frac{2{\mathrm{\σ}}_{s}S}{d_o},$

其中σ_s为室温下弯管材料的屈服强度，S为设计的壁厚，d_o为弯管的外径；

对于三通：

根据压力面积补强计算理论最大加载内压P_s：

$P_s\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{\[\frac{A_p}{A_s}+\frac{1}{2}\]},$

式中：

A_S为补强范围内三通纵断面上的承载面积，单位为平方毫米；

A_P为补强范围内三通纵断面上的承压截面积，单位为平方毫米；

Ps为单位为兆帕；

σ_s为室温下三通材料的屈服强度，单位为兆帕；

比较(4)步骤中得到的P_Pred和P_s的大小，如果P_pred＞P_s，则管道元件的实际最大加载压力大于理论预测最大加载内压，满足强度要求；否则，测试结果不满足要求。

步骤(1)中所述的依照布片方案对各试验点进行测厚、贴片，布片按照理论计算和模拟计算得到。然后在加载前先在弹性范围内进行2次预载，以消除应变片滞后现象；以后每增加一个载荷增量后，采集应变数据，然后继续加载，直到管件设计压力的1.5倍以保证试验在材料弹性范围内进行；加压步骤加压次数不少于5次，每次保压时间不低于5分钟；同时，应测量卸压时的结构应变，作为加压时应变的对照。

步骤(5)中所述三通利用压力补强法求三通在屈服条件下的承载压力的，该计算公式来自GBT20801.3-2006:压力管道规范；弯管采用圆筒的最大周向应力公式求屈服条件下的承载压力。

本发明的积极进步效果在于：

本发明是一种压力管道元件非爆破型式试验方法，利用元件材料在弹性范围内载荷和应力符合线性关系推算元件应力最大点在达到屈服时的载荷压力，然后对比理论推导的结果以此来评价元件的设计结构和材料是否合乎使用。

本发明避免了爆炸型式试验对元件造成的破坏性后果，节约了时间，尤其对于造价昂贵特种材料的元件，避免了高昂的采购费用和材料浪费。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明风险分析的流程示意图。

图2是本发明中三通的布片图。

图3是本发明中弯管的布片图。

图4是本发明中三通压力补强示意图。

具体实施方式

本发明提供一种压力管件非爆破型式试验方法，包括以下步骤：

(1)首先依照布片方案对压力管道元件的各试验点进行测厚、贴片，然后根据加压方案对三通、弯管管件进行加压测量，得到各点在各加载内压下0°、90°、45°应变片的应变值ε₁、ε₂、ε₃；

布片方案如附图2、图3所示，具体要求如下：

对于三通，布片方案为：

点1为肩处，点3为三通腹部0°弧bb’和主管中线aa’的相交点，2点为1、3连线的中线，点4、5和点1、2关于主管中心线aa’对称。点6、7把3点到直管段gg’之间的主管中线均匀分为三段。点8、9和10、12和13、15分布布置在三通腹部0°、45°、90°弧bb’、cc’、dd’与直管段ee’、ff’的连接处，点11和点14分别为点10、12和点13、15连线的中点，如图2所示，三通的肩部、和主管中线处作为三通的结构不连续处，在加压过程中随着内压的增大，Mises应力比较大，所以作为试验的重点对象。三通腹部的点可以作为圆筒处的点进行理论计算，以便进行试验结果的有效性。

对于弯管，布片方案：

如图3所示，从内弧处开始沿着0°、45°、90°、180°弧依次贴片，每个弧按照弯管尺寸均匀贴片，从弯管开始端布片，每段弧六个应变片把弯管段均匀分为5等分。由于弯管加工特性，制造弯管过程中内弧壁加厚，外弧壁减薄，且弯管截面呈椭圆形，加压过程中内外弧处应力比较大，所以内外弧处是试验的重点。弯管和直管段相邻的点可以近似的作为圆筒上的点进行理论计算，以便进行试验结果的有效性。

加压方案按照三通或弯管的设计压力确定。加载前先在弹性范围内进行2次预载，以消除应变片滞后现象。以后每增加一个载荷增量后，采集应变数据，然后继续加载，直到管件设计压力的1.5倍以保证试验在材料弹性范围内进行。加压次数不少于5次，每次保压时间不低于5分钟。同时，应测量卸压时的结构应变。

(2)利用(1)步骤的ε₁、ε₂、ε₃，根据广义胡克定律和Mises应力准则：

${\mathrm{\σ}}_1=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2(1-\mathrm{\μ})}+\frac{\sqrt{2}}{2(1+\mathrm{\μ})}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2})$

${\mathrm{\σ}}_2=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2(1-\mathrm{\μ})}-\frac{\sqrt{2}}{2(1+\mathrm{\μ})}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2})$

计算测试点的Mises应力：

${\mathrm{\σ}}_{mises}=\sqrt{\frac{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2}{2}}$

式中:σ₁为第一主应力；

σ₂为第二主应力；

E为材料的弹性模量；

μ为材料的泊松系数；

ε₁为0°应变片的应变值；

ε₂为90°应变片的应变值；

ε₃为45°应变片的应变值；

σ_mises为Mises应力。

得到各试验点在各加载内压下的第一主应力σ₁、第二主应力σ₂以及σ_mises应力的值；

(3)根据步骤(2)得到的σ₁与σ₂的值，需要验证试验结果的有效性。

根据设计条件，若外直径与内直径的比值(Do/Di)max≤1.1～1.2，则称为薄壁圆柱壳或薄壁圆筒，反之，则称为厚壁圆柱壳或厚壁圆筒。对于薄壁圆筒，即理论第一主应力对于厚壁圆筒，其中，t为壁厚，p为设计压力，R为薄壁圆筒内径，K为厚壁圆筒内径与外径之比。

对于三通：

选取三通腹部圆筒部位的试验点，然后分别比较在各个内压下得到第一主应力σ₁和理论第一主应力的值；

对于弯管：

选取弯管与直管段相邻的试验点，然后分别比较在各个内压下得到第一主应力σ₁、和理论第一主应力的值；

对于三通和弯管，如果则判定在此压力下的试验数据有效，否则判定试验数据无效；如果试验数据无效，排除该压力；

(4)选取(2)步骤中最大内压下σ_mises最大点，分析加压过程中加载内压与Mises应力σ_mises关系，按线性拟合结果σ_mises＝a+bP，50≤a≤300，-10≤b≤10；P为加载内压，σ_mises为Mises应力，a、b为线性拟合的参数。计算发生屈服时的内压P_Pred：

σ_s为室温下材料的屈服强度，a、b为线性拟合的参数。

(5)按屈服强度，计算管道元件的理论最大加载内压：

对于弯管，理论最大加载内压P_s计算公式为：

$P_s=\frac{2{\mathrm{\σ}}_{s}S}{d_o},$

其中σ_s为室温下弯管材料的屈服强度，S为设计的壁厚，d_o为弯管的外径；

对于三通：

根据压力面积补强计算：

$P_s\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{\[\frac{A_p}{A_s}+\frac{1}{2}\]},$

式中：

A_S——补强范围内三通纵断面上的承载面积。单位为平方毫米(mm²)；

A_P——补强范围内三通纵断面上的承压截面积，单位为平方毫米(mm²)；

Ps——理论最大加载内压，单位为兆帕(MPa)；

σ_s——室温下三通材料的屈服强度，单位为兆帕(MPa)；

比较(4)步骤中得到的P_Pred和P_s的大小，如果P_pred＞P_s，则管道元件的实际承载内压大于理论预测内压，满足强度要求；否则，测试结果不满足要求。

实施例：

以下通过两个实际应用的案例来具体说明本技术方案。

一、三通

某化工厂开展alloy20材料制三通非爆破型式试验，采用应变片测量结构应力，以研究该三通的安全性，三通如附图2所示，三通外径为88.9mm，壁厚为3.05mm。加压方案表和壁厚分布如下表：

表1.1Alloy20三通加压方案表(MPa)

表1.2试验三通各试验点壁厚

(由于三通肩部区域弧度比较大以及测厚仪探头大小限制，故1、2、4、5点壁厚无法测出)

1、试验测试过程

管件需进行灌水，将容器出水口封死，一头加上加压管，载荷由活塞式压缩机提供，并进行排气保压作业，以防贴好应变片后移动对应变片有损伤，压力容器摆放到位以后进行试验准备工作，具体的过程如下：

1)金属表面处理

先将容器外壁需要贴片的表面打磨光洁平整并露出金属光泽，并用丙酮清洗贴片位置及附近的金属表面，以达到去油污的目的。

2)划线

根据贴片方案图，找出准确的贴片位置，用划针在金属表面轻轻划线，以保证贴片的位置和方向的准确性，尽量减少试验误差。

3)贴片

用502胶按图2布片方案将应变片粘贴到筒体上，尽量使应变片与划线位置和方向对齐，胶水涂抹要适量并尽量均匀。等胶水固化后，再逐一检查所贴应变片有无翘曲、脱落或者中间留气泡等现象，若有，则取下应变片重贴。

4)贴胶带

用绝缘胶带先在应变片引线处的下方紧临贴片处的筒体上贴上胶带，以防止应变片的引线和筒体接触而短路，再在应变片的引出线根部贴上较小的胶带以固定引线，防止电线连接时将应变片的引出线拉脱。

5)贴覆铜板(绝缘端子)

用502胶水把覆铜板贴在胶带附近的筒体上，贴覆铜板要求整齐，并方便接线、编号和检查。

6)焊接引线、检查应变片

用电烙铁将应变片引出线焊接在覆铜板上，并剪去引出线多余部分。最后用万用表逐一检查应变片的电阻值。

7)将编好号的导线的一端焊到覆铜板上，另一端接到转换箱上。用万用表测量引出导线之间的电阻值和其与筒体之间的绝缘情况，检查接线是否正常。

8)将智能应变仪、转换箱及计算机按说明书连接组成应变数据采集系统，并检查好接线情况，运行智能接口软件，设置好参数，最后按照说明进行调零处理。至此，试验的硬件准备都已完成。

加压载荷由活塞式压缩机提供，加压步骤按照加压方案逐步加载。加载前先在弹性范围内进行2次预载，以消除应变片滞后现象。以后每增加一个载荷增量后，采集应变数据，然后继续加载，直到计划的压力，得到各点在各压力下0°、90°、45下的应变值ε₁、ε₂、ε₃。

2、应力测试结果处理

利用(1)步骤的ε₁、ε₂、ε₃，根据广义胡克定律和Mises应力准则：

${\mathrm{\σ}}_1=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2(1-\mathrm{\μ})}+\frac{\sqrt{2}}{2(1+\mathrm{\μ})}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2})$

${\mathrm{\σ}}_2=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2(1-\mathrm{\μ})}-\frac{\sqrt{2}}{2(1+\mathrm{\μ})}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2})$

Mises应力求法用下面公式：

${\mathrm{\σ}}_{mises}=\sqrt{\frac{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2}{2}}$

式中:σ₁为第一主应力；

σ₂为第二主应力；

E为材料的弹性模量，查表取值193Gpa；

μ为材料的泊松系数，查表取值0.3；

ε₁为0°应变片的应变值；

ε₂为90°应变片的应变值；

ε₃为45°应变片的应变值。

3、试验有效性验证

计算薄膜应力的理论值和选取点的实际测量值σ₁进行比较：

表1.3Alloy20材料三通有效性验证表

横向比较规律性比较明显，不同点误差值基本没变，说明此次试验试验数据可靠性是比较高的。纵向比较因为在加压过程中存在厚度变化，厚度不均，表面倾斜，贴片角度不精确等问题，所以会有一定误差。

4、最高内压下的应力分布

三通的试验最高内压为1.77MPa，根据实际情况选取在1.77MPa下的Mises应力数值：

表1.4三通在1.77MPa下Mises应力状况

从三通肩部的1～5点呈现应力小～大～小的趋势，支管轴线到主管腹部(6～7～3～11～14)也呈现应力小～大～小的趋势，且在7点应力最大，为89.0Mpa，Alloy20在室温下的许用应力为160MPa，满足强度要求。

5、承载能力分析

依据ASTMB729，Alloy20(UNSN08020)材料常温下的屈服强度不低于240MPa，抗拉强度不低于550MPa，。根据厂家提供的质保书，材料抗拉强度为581MPa，屈服强度为283MPa。根据相关资料，外壁应力最大点处出现在主管中线上方处，试验结果与之相符，本次试验过程中，设计压力下的结构最大应力为89.0MPa，Alloy20在室温下的许用应力为160MPa，该结构能够满足设计温度下的强度要求。

选取应力测试过程中Mises应力最大点分析加载过程中的结构应力变化进行拟合，拟合得到方程σ_mises＝1.85033+48.44471P，相关系数达0.99844。

由于Alloy20材料的价格昂贵，无法采用结构爆破的方法测试承载能力，本次试验非爆破方式进行，分析结构屈服时的承载能力。

该三通加压成型并采用补强，根据相关标准，采用压力面积补强计算，已知强度条件：

$S\≥p\[\frac{A_p}{A_s}+\frac{1}{2}\]$

式中：

A_S——补强范围内三通纵断面上的承载面积。单位为平方毫米(mm²)；

A_P——补强范围内三通纵断面上的承压截面积，单位为平方毫米(mm²)；

D_b——三通支管外直径，单位为毫米(mm)，这里取88.9mm；

D_h——三通主管外直径，单位为毫米(mm)，这里取88.9mm；

L₄——三通主管外侧补强范围高度，单位为毫米(mm)；

L₆——三通主管外侧补强范围宽度，单位为毫米(mm)：

P——设计压力，单位为兆帕(MPa)；

S——设计温度下三通材料的许用应力，单位为兆帕(MPa)；

T_eb——支管有效厚度，单位为毫米(mm)，考虑材料厚度负偏差和腐蚀裕量,这里取2.6mm；

T_eh——主管有效厚度，单位为毫米(mm)，考虑材料厚度负偏差和腐蚀裕量,这里取2.6mm。

按屈服强度计算，测试结构发生屈服时的内压为：

$P_s\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{\[\frac{A_p}{A_s}+\frac{1}{2}\]}=\frac{283}{\frac{3606.8}{66.5}+0.5}=5.17MPa$

式中：

A_S——补强范围内三通纵断面上的承载面积。单位为平方毫米(mm²)；

A_P——补强范围内三通纵断面上的承压截面积，单位为平方毫米(mm²)；

Ps——理论最大加载内压，单位为兆帕(MPa)；

σ_s——室温下三通材料的屈服强度，单位为兆帕(MPa)；

按测试结果推测，该结构发生屈服时的载荷(内压)为：

$P_{\mathrm{Pr}ed}=\frac{283-1.85033}{48.44471}=5.80MPa$

显然，该结构能够承受的载荷大于理论值，该结构的整体强度是满足要求的。

6、结论

根据壁厚分布表，7点壁厚较小，外壁应力最大点处出现在主管中线上方处，最大应力为89.0MPa，Alloy20在150℃下的R_p0.2为240MPa，说明该三通在此使用条件下可以安全使用。

按屈服强度计算，测试结构的承载内压至少为5.17MPa，按实际测试结果外推，结构发生局部屈服时的内压为5.80MPa，该结构整体强度是满足要求的。

二、弯管

某化工厂开展锆材制90°弯管的非爆破型式试验，采用应变片测量结构应力，以研究弯管结构的安全性，弯管结构如附图3所示，弯管外径为609.6mm，壁厚为6.35mm，弯曲半径为914.4mm，弯曲角度90度。加压表和壁厚分布如下表：

表2.1锆材弯管加压表(MPa)

表2.2试验弯管各试验点壁厚

1、试验测试过程

管件需进行灌水，将容器出水口封死，一头加上加压管，载荷由活塞式压缩机提供，并进行排气保压作业，以防贴好应变片后移动对应变片有损伤，压力容器摆放到位以后进行试验准备工作，具体的过程如下：

1)金属表面处理

先将容器外壁需要贴片的表面打磨光洁平整并露出金属光泽，并用丙酮清洗贴片位置及附近的金属表面，以达到去油污的目的。

2)划线

根据贴片方案图，找出准确的贴片位置，用划针在金属表面轻轻划线，以保证贴片的位置和方向的准确性，尽量减少试验误差。

3)贴片

用502胶按图3布片方案将应变片粘贴到筒体上，尽量使应变片与划线位置和方向对齐，胶水涂抹要适量并尽量均匀。等胶水固化后，再逐一检查所贴应变片有无翘曲、脱落或者中间留气泡等现象，若有，则取下应变片重贴。

4)贴胶带

用绝缘胶带先在应变片引线处的下方紧临贴片处的筒体上贴上胶带，以防止应变片的引线和筒体接触而短路，再在应变片的引出线根部贴上较小的胶带以固定引线，防止电线连接时将应变片的引出线拉脱。

5)贴覆铜板(绝缘端子)

用502胶水把覆铜板贴在胶带附近的筒体上，贴覆铜板要求整齐，并方便接线、编号和检查。

6)焊接引线、检查应变片

用电烙铁将应变片引出线焊接在覆铜板上，并剪去引出线多余部分。最后用万用表逐一检查应变片的电阻值。

7)将编好号的导线的一端焊到覆铜板上，另一端接到转换箱上。用万用表测量引出导线之间的电阻值和其与筒体之间的绝缘情况，检查接线是否正常。

8)将智能应变仪、转换箱及计算机按说明书连接组成应变数据采集系统，并检查好接线情况，运行智能接口软件，设置好参数，最后按照说明进行调零处理。至此，试验的硬件准备都已完成。

加压载荷由活塞式压缩机提供，加压步骤按照加压方案逐步加载。加载前先在弹性范围内进行2次预载，以消除应变片滞后现象。以后每增加一个载荷增量后，采集应变数据，然后继续加载，直到计划的压力，得到各点在各压力下0°、90°、45下的应变值ε₁、ε₂、ε₃。

2、应力测试结果处理

利用(1)步骤的ε₁、ε₂、ε₃，根据广义胡克定律和Mises应力准则：

${\mathrm{\σ}}_1=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2(1-\mathrm{\μ})}+\frac{\sqrt{2}}{2(1+\mathrm{\μ})}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2})$

${\mathrm{\σ}}_2=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2(1-\mathrm{\μ})}-\frac{\sqrt{2}}{2(1+\mathrm{\μ})}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2})$

Mises应力求法用下面公式：

${\mathrm{\σ}}_{mises}=\sqrt{\frac{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2}{2}}$

式中:σ₁为第一主应力；

σ₂为第二主应力；

E为材料的弹性模量，查表取值99Gpa；

μ为材料的泊松系数，查表取值0.3；

ε₁为0°应变片的应变值；

ε₂为90°应变片的应变值；

ε₃为45°应变片的应变值。

3、试验有效性验证

计算薄膜应力的理论值和选取点的实际测量值σ₁进行比较：

表2.3锆材材料90°弯管有效性验证表

横向比较规律性比较明显，不同点误差值基本没变，说明此次试验试验数据可靠性是比较高的。纵向比较因为在加压过程中存在厚度变化，厚度不均，表面倾斜，贴片角度不精确等问题，所以会有一定误差。

4、最高加载内压下的应力分布

弯管的试验最高内压为1.38MPa，根据实际情况选取在1.38MPa下的Mises应力数值：

表2.4弯管在1.38MPa下Mises应力状况

编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													Mises(MPa)	～	～	70.9	～	72.5	59.0	～	～	67.4	69.5	～	～
编号	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
													Mises(MPa)	56.2	32.4	24.3	21.3	32.4	24.2	41.9	33.6	44.0	39.3	30.2	46.2

从弯管的内弧-中弧-外弧呈现应力大-小趋势，并且沿各个弧的方向应力大小变化不大。内弧上应力最大，其最大应力为72.5MPa。锆材在室温下的许用应力为126MPa，满足强度要求。

5、承载能力分析

依据ASTMB658，Zirconium(UNSR60702)材料室温下的屈服强度不低于205MPa，抗拉强度不低于380MPa，。根据厂家提供的质保书，料抗拉强度为379MPa，屈服强度为207MPa。本次试验过程中，设计压力下的结构最大应力为72.5MPa，材料在室温下的许用应力为126Mpa，该结构能够满足设计温度下的强度要求。

选取应力测试过程中应力最大点分析加载过程中的结构应力变化，拟合得到方程σ_mises＝4.55073+50.378356P，相关系数达0.99664。

由于锆材料的价格昂贵，无法采用结构爆破的方法测试承载能力，本次试验非爆破方式进行，分析结构屈服时的承载能力。

按屈服强度计算，测试结构发生屈服时加载内压为：

$P_s=\frac{2{\mathrm{\σ}}_{s}S}{d_o}=\frac{2\×207\×6.35}{609.6}=3.59MPa$

按测试结果推测，该结构发生屈服时的加载内压为：

$P_{\mathrm{Pr}ed}=\frac{207-4.55073}{50.378356}=4.01MPa$

显然，该结构能够承受的载荷大于理论值，该结构的整体强度是满足要求的。

6、结论

根据弯管壁厚分布表，壁厚从内拱到外供分布比较均匀，均匀壁厚弯头的最大应力点发生在内弯处，应力数值由内弧侧到外弧侧逐渐减小，且沿弯曲半径方向变化不大，应力依内拱到外拱应力分布依次减小，靠近内弧处应力最大，最大应力为72.5MPa，锆材在室温下的R_p0.2为207MPa，说明该弯管在此使用条件下可以安全使用。

按屈服强度计算，测试结构的承载能力(内压)至少为3.59MPa，按实际测试结果外推，结构发生局部屈服时的压力为4.01MPa，该结构整体强度是满足要求的。

本发明提供了一种压力管道元件非爆破型式试验方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种压力管道元件非爆破型式试验方法，其特征在于，用于三通或弯管管件，包括以下步骤：

(1)首先依照布片方案对压力管道元件的各试验点进行测量厚度、贴应变片，然后根据加压方案对三通或弯管管件进行加压测量，得到各试验点在各加载内压下在0°、90°、45°三个角度上应变片各自对应的应变值ε₁、ε₂、ε₃；

(2)利用(1)步骤的ε₁、ε₂、ε₃，根据广义胡克定律和Mises应力准则计算第一主应力σ₁和第二主应力σ₂：

${\mathrm{\σ}}_1=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2\left(1-\mathrm{\μ}\right)}+\frac{\sqrt{2}}{2\left(1+\mathrm{\μ}\right)}\sqrt{{\left({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3\right)}^2+{\left({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3\right)}^2})$

${\mathrm{\σ}}_2=E(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2\left(1-\mathrm{\μ}\right)}-\frac{\sqrt{2}}{2\left(1+\mathrm{\μ}\right)}\sqrt{{\left({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3\right)}^2+{\left({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3\right)}^2})$

计算测试点的Mises应力σ_mises：

${\mathrm{\σ}}_{mises}=\sqrt{\frac{{\left({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2\right)}^2+{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2}{2}}$

式中，E为材料的弹性模量；

μ为材料的泊松系数；

(3)根据步骤(2)得到的第一主应力σ₁和第二主应力σ₂，验证试验结果的有效性：

若压力管道元件的外直径与内直径的比值(Do/Di)max≤1.1，则称为薄壁圆柱壳或薄壁圆筒，反之，则称为厚壁圆柱壳或厚壁圆筒；

对于薄壁圆筒，理论第一主应力

对于厚壁圆筒，理论第一主应力

其中，t为实际测量壁厚，p为设计压力，R为薄壁圆筒内径，K为厚壁圆筒内径与外径之比；

对于三通：

选取三通腹部圆筒部位的试验点，分别比较在各个内压下得到第一主应力σ₁和理论第一主应力的值；

对于弯管：

选取弯管段与直管段相邻的试验点，分别比较在各个内压下得到第一主应力σ₁和理论第一主应力的值；

对于三通和弯管，如果则判定在此压力下的试验结果有效，否则判定试验结果无效；如果试验结果无效，排除该加载内压的压力值；

(4)选取步骤(2)中最大内压下Mises应力σ_mises最大点，分析加压过程中加载内压与Mises应力关系，按线性拟合结果σ_mises＝a+bP，P为加载内压，a、b为线性拟合的参数，50≤a≤300，-10≤b≤10；计算发生屈服时的加载内压P_Pred：

$P_{\mathrm{Pr}ed}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s-a}{b},$

σ_s为室温下材料的屈服强度；

(5)按屈服强度，计算管道元件的理论最大加载内压：

对于弯管，理论最大加载内压P_s计算公式为：

$P_s=\frac{2{\mathrm{\σ}}_{s}S}{d_o},$

其中σ_s为室温下弯管材料的屈服强度，S为设计的壁厚，d_o为弯管的外径；

对于三通：

根据压力面积补强法计算理论最大加载内压P_s：

$P_s\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{\[\frac{A_p}{A_s}+\frac{1}{2}\]},$

式中：

A_S为补强范围内三通纵断面上的承载面积，单位为平方毫米；

A_P为补强范围内三通纵断面上的承压截面积，单位为平方毫米；

Ps为单位为兆帕；

σ_s为室温下三通材料的屈服强度，单位为兆帕；

比较(4)步骤中得到的P_Pred和P_s的大小，如果P_pred＞P_s，则管道元件的实际最大加载压力大于理论预测最大加载内压，满足强度要求；否则，测试结果不满足要求。

2.如权利要求1所述的一种压力管道元件非爆破型式试验方法，其特征在于，步骤(1)中所述的依照布片方案对各试验点进行测厚、贴片，布片按照理论计算和模拟计算得到，然后在加载前先在弹性范围内进行2次预载，以消除应变片滞后现象；以后每增加一个载荷增量后，采集应变数据，然后继续加载，直到管件设计压力的1.5倍以保证试验在材料弹性范围内进行；加压步骤加压次数不少于5次，每次保压时间不低于5分钟；同时，应测量卸压时的结构应变，作为加压时应变的对照。

3.如权利要求2所述的一种压力管道元件非爆破型式试验方法，其特征在于，步骤(5)中所述三通利用压力面积补强法求三通在屈服条件下的承载压力的，该计算公式来自GBT20801.3-2006:压力管道规范；弯管采用圆筒的最大周向应力公式求屈服条件下的承载压力。