Определение напряжений в стенках газового баллона методом рентгеновской дифракции

Измерение давления в баллоне стальном малого объема для газов Pp≤14,7 Мпа (150 кгс/см2) по ГОСТ 949-73

Цель работы:

Определение напряжений в стенке t=4,4 мм малого баллона d=140 мм, находящегося под действием внутреннего давления, методом рентгеновской дифракции при помощи установки «НеРКА» производства компании «РаДиаТех», и сравнение с напряжениями, полученными расчетным путем.

Рис.1. Баллон.

1 – опорный башмак; 2 – корпус баллона;

3 – кольцо горловины; 4 – вентиль;

5 – предохранительный колпак; s – толщина стенки;

L – высота

Расчет:

Где                    𝜎𝑡 – окружное напряжение;

𝜎𝑚 – меридианное напряжение; P – давление в баллоне;

r – радиус баллона;

t – толщина стенки баллона.

Измерения могут проходить как в меридианном, так и в окружном направлении, т.к. численно они отличаются ровно в 2 раза.

Подготовка поверхности контроля методом №1:

Для измерения относительных значений напряжений на поверхности необходимо зачистить наждачной бумагой поверхность на стенке баллона площадью не более 4 см2 в направлении измеряемых напряжений. Таким методом на контролируемую поверхность будут внесены сжимающие напряжения (в среднем -30 кг/мм2 ±10 кг/мм2) независимо от внутреннего давления в баллоне. При изменении внутреннего давления значения напряжений на поверхности изменяются прямо пропорционально значению давления.

Измерения по методу №1

Надпись: Механическое напряжение стенки
баллона, кг/кв.мм
Таблица 1

№, п/пДавление в баллоне Р, кг/кв.смДавление в баллоне Р, кгс/кв.ммσ(t) расчетное, кгс/кв.ммσ(t) измеренное, кгс/кв.ммРазница, кгс/кв.мм  Примечания
11321,3220,99-41,962,89 
2900,9014,31-4862,31 
3750,7511,93-5061,93 
4500,507,95-55,663,55 
5270,274,29-61,365,59 
600,000,00-66,966,90 
     63,86среднее

Вывод метода №1:

Метод может быть использован для измерения абсолютных значений напряжений в том случае, когда известно давление и произведено измерение напряжения на поверхности. Тогда можно определить разницу между напряжением расчетным и измеренным и в дальнейших измерениях ее учитывать при произвольном изменении внутреннего давления.

Также метод может быть использован для выявления динамики или изменений внутреннего давления путем измерения относительных значений напряжений на поверхности.

Подготовка поверхности контроля методом №2:

Для проведения измерений необходимо подготовить поверхность на стенке баллона площадью не более 4 см2.

  1. Зачистка грубой наждачной бумагой (P120). Снятие защитного покрытия (краски), ржавчины, окалины и пр.
  2. Электрохимическое травление:
    1. Подготавливается электролит Н3PO4 (85%) – 59 %

H2SO4 – 12 % CrO3 – 7 % H2O – 22 %

Объем для электрохимического травления около 20 мл.

  • Анодное травление («+» на баллоне) I=0,5 А/см2. Для эффективного отвода тепла катод желательно иметь массивный.

S(катода)=7,5 см2 (Шляпка болта М22х70 из нержавеющей стали, опущенная в электролит наполовину).

I=3,5-4,0 А. U=7-8 В.

Время травления 1 час.

Глубина травления ~300 мкм (стенка стала 4,1 мм).

Для снятия напряжений после обработки шлифовальной бумагой в принципе достаточно 15 минут травления.

Рис. 2. Электрохимическое травление

Измерения по методу №2

Рис.3. Процесс измерений

Таблица 2

№, п/пДавление в баллоне Р, кг/кв.смДавление в баллоне Р, кгс/кв.ммσ(t) расчетное, кгс/кв.ммσ(t) измеренное, кгс/кв.ммРазница, кгс/кв.мм  Примечания
11161,1619,7220,06-0,34 
21001,0017,0018,26-1,26 
3800,8013,6012,850,75 
4600,6010,208,951,25 
5400,406,807,12-0,32 
6300,305,105,050,05 
7200,23,404,26-0,86 
8000,000,41-0,41 
     -0,14среднее

Надпись: Мезаническое напряжение стенки
баллона, кг/кв.мм

Вывод метода №2:

При подготовленной поверхности электрохимическим травлением можно мерить абсолютные значения напряжений на поверхности стенки на баллоне (баллон отожжен, и при отсутствии внутреннего давления напряжения на поверхности стенки тоже нулевые). Из графиков видно, что значения, полученные расчетным путем и измеренные, совпадают.

Для определения давления в баллоне можно пользоваться выражением:

Рис. 4. Программное обеспечение обработки данных измерений

Подпишитесь на новости компании