微试样液压鼓胀测试技术

左志全

摘要：随着承压设备高参数要求的不断提高，在役承压设备构件材料的力学性能测试显得尤为重要。微试样液压鼓胀测试作为微损测试技术，满足对大型在役设备微损取样、制样测试材料力学性能的需求，进而对设备整体状态进行评估。本文介绍了微试样液压鼓胀测试技术产生的背景以及测试系统，为深入理论研究材料的力学性能提供了测试技术。

关键词：微试样；液压鼓胀测试；承压设备

目前，承压设备的性能劣化涉及到电力、核工业、石油化工、煤化工等行业，而随着应用工况的日益苛刻，温度、压力以及材料介质适用要求的不断提高，如何进行恶劣工况下服役材料的全信息分析以及寿命预测是目前亟待解决的问题；同时在传质、传热、流动、反应、分离等设备中，实际服役结构往往具有较小的尺寸以及几何不连续和冶金不连续部位，很难取得标准试样，因此必须考虑非标准试样拘束度的影响，建立非标准试样的断裂力学测量技术，以实现对服役结构的安全评定。

传统的检测方法有无损检测法以及常规取样检测法，而两者却有着各自的局限性。前者快速、无损，但所获的信息不全面，也不够精确；后者测量的数据准确可靠，但由于取样繁琐，并且试样尺寸过大对在役设备会造成很大的破坏性。因此，发展非传统的力学性能试验方法，特别是发展适用于在役设备评定的微试样断裂测试方法是目前亟待解决的问题。相比于传统的力学性能试验，微损试验技术因其微试样的特点使得取样可直接在服役设备构件上进行，不影响构件的完整性。同时，微损试验技术可应用于常规力学性能试验不适用的领域，并与传统的实验结果有很强的关联性，可以对材料在服役条件下的多种性能进行安全稳定的预测，以保障在极端工况下服役设备长周期安全运行。

微试样液压鼓胀测试技术作为微损测试技术的一种，开始逐渐得到众多研究者的研究。曹学刚[1]根据初始的材料模型及参数（应力-应变关系），通过有限元方法进行模拟，得出试件承载时的极顶挠度 H 及轮廓形状。通过与实际实验测量值的比较，判断 H 的变化是否在允许范围内，如果不符合要求，则调整材料模型及参数，重复上面所叙述的过程，最终获得材料真应力-真应变关系。董樑[2]微试样液压爆破法是一种可用于测试核压力容器辐照监督试样的微试样测试技术，该技术借鉴爆破片工作原理，对圆形薄片试样进行液压加压，使薄片鼓胀并爆破，在试验过程中记录载荷-圆薄片中心点位移曲線，通过曲线上的特征载荷以及试样变形关联材料常规拉伸性能。通过比较不同的近似解析法得到了适合于该型微试样试验技术的屈服强度、抗拉强度的计算方法，在上述研究的基础上对核电常用材料国产A508进行了液压爆破试验，得到了材料的强度特性，与常规单轴拉伸数据高度吻合。王存益[3]采用夹持器椭圆度分别为0、1/3、1/2和2/3 的鼓胀试验方法研究金属薄板力学性能。结合单向拉伸实验能准确测量出金属薄板处于弹性阶段时应力应变关系这一特性，通过有限元模拟鼓胀试验，反求出金属薄板材料处于双向拉伸状态下真实应力应变关系。综合分析试验数据与模拟试验反求数据，对不同主应力比状态下金属薄板进行力学性能研究，得出定椭圆度的金属薄板所受的主应力比不是一固定值；鼓胀试验试件最大应变与椭圆度之间存在反比例关系，而主应力比与椭圆度呈正比例关系。从以上研究者工作内容来看，共同点是都需要测量微试样在加压下拱高-压力的关系，两者关系的测得则要通过液压鼓胀试验台获得。

微试样液压鼓胀测试技术原理如图1：

微试样液压鼓胀系统由测量系统和液压鼓胀系统组成，测量系统由光学引伸计、导杆、数据采集卡、计算机组成，液压鼓胀系统由液压泵、基座、压盖、压力表组成。本系统可以测量时间-压力、压力-导杆位移数据，可以测出微试样爆破瞬间的爆破压力。本系统基座试样槽有两种规格，分别为10*10（mm）和20*20（mm），可以测试不同厚度微试样的鼓胀参数。图2是本系统测试软件的操作界面，可以直接显示压力-时间、位移-时间曲线，显示整个试验状态，并且给出爆出压力。这套系统测试的原始数据可用于理论分析，进而求解材料的力学性能。

参考文献：

[1]曹学刚，高光藩，孙亮，等. 鼓胀试验的有限元反求应用研究[J]. 机械设计与制造， 2013， （12）： 262-263， 266.

[2]董樑，惠虎，汤晓英. 基于微试样液压爆破法测试核压力容器用钢力学性能[J]. 原子能科学技术， 2015， （12）： 2227-2233.

[3]王存益，高光藩，毛海瑞，等. 金属薄板不同主应力比状态下力学性能研究[J]. 机械设计与制造， 2017， （2）： 157-160.