摘要：锅炉及压力容器中很多受压元件都是由几个不同形状的壳体焊接而成的,如封头、过渡段与筒体的连接等。在不同形状壳体的连接处受压元件的几何形状是不连续的。为了满足连接处的变形协调条件,连接处将产生弯矩及横向力,从而导致在连接处附近区域产生局部应力,并且这个应力要比薄膜应力大得多,但这种现象只发生在二者连接处的边缘地区.所以称之为“边缘应力”。在理论可采用薄膜理论和有力矩理论进行求解,对于一个复杂结构,边缘应力的求解算法过于烦琐。本文研制一种自动测试实验装置，将平盖封头、椭圆形封头、锥形封头和球形封头等4个典型的封头与筒体焊接在一起,采用PID控制来调节容器内的压力,将手工测试和计算机自动测试技术相结合,建立了实验装置。
关键词：封头边缘应力；自动测试实验装置；研制
前言：
阐述了封头边缘应力自动测试实验装置的研制过程,并将过程控制技术和先进的检测手段相结合,介绍了该实验装置主要组成部分的操作原理,在完成其组装和调试后,对封头边缘过渡区的应力分布规律进行了测试,所得结果的分布曲线规律与有限元分析结果的分布规律相吻合,可以满足实验的需要。
1实验测试装置的组成
本实验装置的整体结构主要由五大部分组成,即容器组合平台、油路控制系统、恒压控制系统、数据采集系统和用户操作界面等。
1.1油路控制系统
油路控制系统由贮油槽、油泵、电机、电磁换向阀、溢流阀、阀门和油路等组成。其中换向阀用于给容器加压、保压和卸载的换向,通过调节溢流阀可以控制容器内的最高工作压力,以保障容器在许可压力下工作。其工作原理为:在测试之前,先要将容器内装满液压油。当要进行测试时,先将管路上的阀门打开到需要的位置,开动电动机,带动油泵工作,并将贮油槽中的油抽出,控制电磁换向阀到加压位置,开始给容器增压,当容器内的压力达到预先给定的压力时,再次控制换向阀到保压的位置,当压力保持一定的时间后,开始从应变仪中读出各测点的应变值。在读数完成后,关闭电动机,并控制换向阀到卸载位置,将容器内的压力卸载到零,完成测试工作。
1.2恒压控制系统
为了保持容器内压力的恒定,实现在许可压力范围内的任意压力工作情况下,容器外壁应力的测试,在本实验装置中引入了PID控制系统。它由压力传感器、变送器、变频器、PID控制器、电机以及油路系统等组成。其工作过程为:当油泵给容器泵油时,在容器内的压力传感器采集到容器内的压力数值,并将该信号经变送器变为电信号后,送到PID调节器,然后与预设定值进行比较,产生一个反馈信号送到变频器,改变其输出频率,该频率送到电机后,使电机的转速发生变化,从而引起油泵的泵油量发生变化。当容器内的压力值与PID控制器上预设的压力值相等时,PID控制反馈输出信号达到极限值,将使变频器的输出频率保持在一个固定的值,这时整个系统保持稳定。当通过PID控制器改变预设定压力值时,整个系统又开始新一轮平衡工作,直到容器内的压力值与预定值相等为止。
1.3数据采集系统
数据采集系统是本实验装置的关键所在,为了提高用户的动手能力,又要体现实验装置的先进性,在本实验装置中采用了两套实验数据采集系统。一套是采用手工进行数据采集,用户通过手工进行平衡,然后加载后记录数据;另一套是计算机自动数据采集系统,将数据采集设备与计算机接口相连,利用计算机进行自动平衡,采集数据也直接送入到计算机内,然后再进行处理输出。其操作过程为:在容器确定粘贴应变片的位置,并作上记号,按照粘贴应变片的操作规程,将应变片粘贴在确定的位置。用导线与应变片的引出端焊接在一起,并将导线的另一端与电阻平衡箱的接头相连,平衡箱的引出信号线与静态电阻应变仪相连,在静态电阻应变仪上对测试点作平衡调节,当所有的粘贴应变片都调至零后,开始给容器加压,达到预定值后,保持一定时间,从静态电阻应变仪上读取数据。也可以将平衡箱输出的信号线与A/D卡相连,再将A/D卡的输出数据送到计算机接口,采用计算机进行自动数据采集。
1.4用户操作界面
为了利用计算机能完成数据的采集和处理工作,本文作者利用VB语言开发了一个用户操作界面。同时为了使用户在实验之前对边缘应力的分布规律有一定的了解,利用AN SYS有限元分析软件对这四个封头进行了分析,并将其分布规律用彩色云图表示。该操作界面主要由数据采集、分布云图浏览、测试数据浏览、数据在模型上的分布和实验操作说明等五个部分组成。整个操作界面类似于WINDOW S界面,其操作命令既有工具栏图标,又有下拉式操作菜单。可以采用鼠标和按键(Alt+括号内的字母)操作,简单直观,极为方便用户操作。
2测试结果评价
利用上述实验装置完成了对四个容器在不同压力下的测试调节工作,为了节省篇幅,在这里仅列出椭圆封头和平盖封头在0.4MPa工作压力下,测量值与有限元分析计算应力值沿路径的分布曲线,可见过渡区的应力分布曲线规律与有限元分析所得的规律基本吻合。对于椭圆形封头来说,在过渡部分有环向应力为零,轴向应力与筒体的薄膜应力相当,而在筒体部分则轴向应力与环向应力之比为1∶2。这个规律在平盖封头上同样体现出来。但在图中也可以看到,有个别的测试点的结果与分析结果不相符,引起的原因可能有:容器的形状可能存在局部不规则,壁厚可能在加工时出现了拉伸减薄,测试误差以及应变片粘贴的误差等。尽管如此,本实验装置的测试结果满意。
3结语
将先进的数据采集系统和过程控制系统集于本实验装置中,保持了实验装置的先进性和新颖性,由测试的实验数据结果显示,该实验装置能够满足实验的需要。
参考文献：
[1]黄荣杰,杨朝瑞,胡林,等.管板堆焊层开裂的成因分析及处理措施[J].压力容器,2018,29(5)：66-70.
[2]高炳军，刘志伟，闫文军，等．椭圆封头不连续应力的讨论[J]．河北工业大学学报，2018，29(2)：65—69．