基于非爆破方法的弯头型式试验分析研究——文献学习体会

文献概况与研究动机

本文发表于2019年《石油和化工设备》期刊，作者来自江苏省特种设备安全监督检验研究院和南京工业大学，提出了一种以应力应变测试替代爆破试验的弯头型式试验方法。压力管道元件型式试验是元件本质安全的重要保障，传统爆破试验是检验管道元件承压能力的综合指标，但对于大尺寸、大壁厚、高压力、贵金属制管道元件，爆破试验成本高、设备要求高、风险大。

型式试验的法规背景

根据TSG D0001-2009《压力管道元件制造许可规则》和TSG D0002-2009《压力管道元件监督检验规则》，压力管道元件需进行型式试验，包括压力试验、爆破试验、材料性能试验等。ASME B16.9标准要求管件进行压力试验，试验压力为规定压力（MAOP）的1.5倍。对于特殊管件，还需进行爆破试验以确定其爆破压力系数。

应力应变测试方法的技术原理

本文提出的方法采用电阻应变测量法，在弯头关键部位粘贴应变片，通过逐步加载内压获取结构真实应力与内压之间的关系曲线。核心步骤如下：

1. 应变片布置：在弯头内表面、外弧侧、直边段等关键部位布置轴向和环向应变片，形成完整的应变测量网络。
2. 压力加载：采用液压加载装置，以恒定速率逐步升高内压，记录各加载阶段的压力值和应变响应。
3. 应力计算：根据胡克定律和广义胡克定律，由应变数据计算实际应力状态，考虑弯头的几何非线性效应。
4. 屈服压力预测：根据应力-应变曲线的拐点或屈服准则（如Von Mises准则），预测弯头发生屈服时的内压值。
5. 安全裕度评估：将预测屈服压力与理论屈服强度对比，计算安全系数，判断弯头的安全性能。

理论屈服强度的计算方法

弯头在纯内压作用下的理论屈服强度可通过以下方法计算：

• 薄壁理论：对于D/t>20的薄壁弯头，采用薄壁压力容器公式计算环向应力和轴向应力。
• 厚壁理论：对于D/t≤20的厚壁弯头，采用Lamé厚壁圆筒公式计算径向应力分布。
• 有限元分析：建立弯头三维实体模型，考虑材料非线性（弹塑性本构关系）和几何非线性（大变形），通过数值模拟获取精确的应力分布。

对于90°弯头，由于曲率效应，外弧侧的环向应力高于内弧侧，应力集中系数可达1.3～1.6。在有限元分析中，需采用适当的网格划分策略，特别是在曲率变化剧烈的区域进行网格加密，以确保计算精度。

与爆破试验的对比验证

文献通过对比应力应变测试方法与爆破试验结果，验证了非爆破方法的可靠性。对于常规尺寸的弯头，两种方法得出的安全性能评价基本一致。对于大尺寸高值管件，应力应变测试方法的优势更加明显：

• 经济性：避免了爆破试验所需的特殊设备和场地，试验成本可降低60%以上。
• 安全性：非破坏性试验消除了高压爆破带来的安全风险。
• 信息量：应力应变曲线提供了完整的载荷-响应关系，而爆破试验仅提供极限压力一个数据点。
• 可重复性：同一试件可进行多次加载-卸载循环试验，研究材料循环特性。

工程应用中的注意事项

在实际工程应用中，应力应变测试方法需注意以下问题：

1. 应变片粘贴质量：应变片的粘贴工艺直接影响测量精度，需严格按照应变片厂家提供的工艺规程操作。
2. 温度补偿：在温度变化环境下，需采用温度补偿应变片或双片桥路，消除温度引起的虚假应变。
3. 加载速率控制：加载速率过快会导致应力波效应，影响测量结果的准确性，建议采用准静态加载。
4. 数据同步采集：压力传感器和应变采集系统需同步工作，确保压力值与应变值的时间对应关系准确。

学习心得与启示

本文提出的非爆破方法代表了压力管道元件试验技术的重要发展方向。随着特种设备安全监管的日益严格和高端管件需求的不断增加，传统爆破试验的局限性愈发明显。应力应变测试方法不仅适用于型式试验，还可推广至在役管道的安全评估，通过实测应力数据修正有限元模型，实现管道完整性管理的定量化。对于从事管道元件检验的工程师而言，掌握应力应变测试技术是提升专业能力的必要途径。