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                    𝜎_𝑡 – окружное напряжение;

𝜎_𝑚 – 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

Таблица 1

№, п/п	Давление в баллоне Р, кг/кв.см	Давление в баллоне Р, кгс/кв.мм	σ(t) расчетное, кгс/кв.мм	σ(t) измеренное, кгс/кв.мм	Разница, кгс/кв.мм	Примечания
1	132	1,32	20,99	-41,9	62,89
2	90	0,90	14,31	-48	62,31
3	75	0,75	11,93	-50	61,93
4	50	0,50	7,95	-55,6	63,55
5	27	0,27	4,29	-61,3	65,59
6	0	0,00	0,00	-66,9	66,90
					63,86	среднее

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/п	Давление в баллоне Р, кг/кв.см	Давление в баллоне Р, кгс/кв.мм	σ(t) расчетное, кгс/кв.мм	σ(t) измеренное, кгс/кв.мм	Разница, кгс/кв.мм	Примечания
1	116	1,16	19,72	20,06	-0,34
2	100	1,00	17,00	18,26	-1,26
3	80	0,80	13,60	12,85	0,75
4	60	0,60	10,20	8,95	1,25
5	40	0,40	6,80	7,12	-0,32
6	30	0,30	5,10	5,05	0,05
7	20	0,2	3,40	4,26	-0,86
8	0	0	0,00	0,41	-0,41
					-0,14	среднее

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