过程装备与控制工程专业 《过程设备设计基础》 实验指导书 陈兵编改 西安石油大学机械工程学院 二00三年六月
过程装备与控制工程专业 《过程设备设计基础》 实验指导书 陈 兵 编改 西安石油大学机械工程学院 二 00 三年六月
目录 实验目的与要求 二学生实验手册 实验一内压薄壁容器的应力测定实验 1239 实验二外压薄壁圆筒形容器失稳实验… 实验三厚壁圆筒爆破及测试实验 实验四高压容器内外壁应力测定
目录 一.实验目的与要求.......................................................................................................1 二.学生实验手册...........................................................................................................2 实验一.内压薄壁容器的应力测定实验.......................................................................3 实验二.外压薄壁圆筒形容器失稳实验.......................................................................9 实验三.厚壁圆筒爆破及测试实验.............................................................................12 实验四.高压容器内外壁应力测定.............................................................................17
实验目的与要求 《过程设备设计基础》课程所属的实验是过程装备与控制工程专业的重要教学环节之 ,它的目的是: 1.巩固,加深理解所学的理论知识 2.培养学生掌握一些最基本的专业实验方法和测量技术,培养和提高观察现象,分析数据 和整理实验结果的能力 3.锻炼和培养成学生“三严”的科学作风即严肃的态度,严格的要求,严密的方法。 为此,要求学生做到 1.实验前做好充分准备,根据实验指导书认真做好预习;明确每次实验的目的与要求;考 虑好实验所需的设备、仪器、工具及其它物品的名称、规格、数量、弄清楚实验的步骤 以及由实验所需要的数据。 2.在实验过程中,必须严格按“操作规程”进行,要求发挥主观能动性,充分利用有限的 时间,精心操作,周密观察,发现问题,深入细致的考虑问题。 实验完备后,认真整理所得的数据,结合实际情况加以分析,写出实验报告并提出自己 的看法和见解
1 一、实验目的与要求 《过程设备设计基础》课程所属的实验是过程装备与控制工程专业的重要教学环节之 一，它的目的是： 1． 巩固，加深理解所学的理论知识； 2． 培养学生掌握一些最基本的专业实验方法和测量技术，培养和提高观察现象，分析数据 和整理实验结果的能力； 3． 锻炼和培养成学生“三严”的科学作风即严肃的态度，严格的要求，严密的方法。 为此，要求学生做到： 1． 实验前做好充分准备，根据实验指导书认真做好预习；明确每次实验的目的与要求；考 虑好实验所需的设备、仪器、工具及其它物品的名称、规格、数量、弄清楚实验的步骤 以及由实验所需要的数据。 2． 在实验过程中，必须严格按“操作规程”进行，要求发挥主观能动性，充分利用有限的 时间，精心操作，周密观察，发现问题，深入细致的考虑问题。 3． 实验完备后，认真整理所得的数据，结合实际情况加以分析，写出实验报告并提出自己 的看法和见解
二、学生实验手册 1.实验前,预习实验指导书,经教师提问检査合格后,方可进行实验 2.实验时,必须使用指定的仪器、设备和工具,不得随便动用本实验无关的其它东西 3.实验时,必须先熟悉机器、设备和操作规程,开动机器及设备,应先经指导教师检查同意, 不懂、不会时严禁操作 4发生不正常的现象或事故,必须立即切断电源(指电器设备),保护现场,报告老师 5.实验完备后,整理各仪器设备,清洁场地
2 二、学生实验手册 1.实验前，预习实验指导书，经教师提问检查合格后，方可进行实验； 2.实验时，必须使用指定的仪器、设备和工具，不得随便动用本实验无关的其它东西； 3.实验时，必须先熟悉机器、设备和操作规程，开动机器及设备，应先经指导教师检查同意， 不懂、不会时严禁操作； 4.发生不正常的现象或事故，必须立即切断电源（指电器设备），保护现场，报告老师； 5.实验完备后，整理各仪器设备，清洁场地
实验一内压薄壁容器的应力测定实验 实验目的: 1.了解薄壁容器在内压作用下,筒体的应力分布情况:;验证薄壁容器筒体应力计算的理论 公式。 2.熟悉和掌握电阻应变片粘贴技术的方法和步骤 3.掌握用应变数据采集测量仪器测量应变的原理和操作方法 二、实验原理 1.理论计算 根据薄壁壳体的无力矩理论可以求得受内压的薄壁容器筒体部分的应力值: 经向应力(轴向应力) ⊥P(D4+) 4 环向应力(周向应力) p(D1+1) 式中:P一容器所受内压力(MPa) D一容器内直径(mm) 【一容器壁厚(mm) 经向应力 Oa-环向应力 2.实验测定: (1)应力测定的基本原理 薄壁容器受内压后,器壁各点均处于两向受力状态,当其变形在弹性范围以内,容 器壁各点的应力应变符合虎克定律,即: E x1-2(6,+E) E 故只要测得容器壁的径向应变和环向应变,即可根据虎克定律求得x和G (2)用电阻应力仪测量应变的原理:
3 实验一内压薄壁容器的应力测定实验 一、实验目的： 1．了解薄壁容器在内压作用下，筒体的应力分布情况；验证薄壁容器筒体应力计算的理论 公式。 2．熟悉和掌握电阻应变片粘贴技术的方法和步骤。 3．掌握用应变数据采集测量仪器测量应变的原理和操作方法。 二、实验原理 1．理论计算 根据薄壁壳体的无力矩理论可以求得受内压的薄壁容器筒体部分的应力值： 经向应力（轴向应力） t p D t i 4 ( ) 环向应力（周向应力） t p D t i 2 ( ) 式中： p —容器所受内压力（MPa） Di －容器内直径（mm） t －容器壁厚（mm） －经向应力 －环向应力 2．实验测定： （1）应力测定的基本原理： 薄壁容器受内压后，器壁各点均处于两向受力状态，当其变形在弹性范围以内，容 器壁各点的应力应变符合虎克定律，即： ( ) 1 x 2 x t E ( ) 1 t 2 t x E 故只要测得容器壁的径向应变和环向应变，即可根据虎克定律求得 x 和 t 。 （2）用电阻应力仪测量应变的原理：
电阻应变测量法是测定压力容器筒壁应 变的常用方法之一。其测量装置由三部分组 成:即电阻应变片,连接导线和电阻应变仪。 常用的电阻应变片是很细的金属电阻丝粘于 绝缘的薄纸上而成。见图一所示,将此电阻片薄绝缘纸 电阻丝 用特殊的胶合剂贴在容器壁欲测之部位。当容 图1应变片结构简图 器受内压作用发生变形时,电阻丝随之而变 形。电阻丝长度及截面的改变引起其电阻值的相应改变,则可以用电阻应变仪测出电阻的改 变,再换算成应变,直接由应变仪上读出。 电阻丝的应变与电阻的改变有如下的关系 △R R △R 式 P电阻丝单位电阻改变 电阻丝单位长度改变(如电阻片与器壁完全一起变形,即无器壁之应变。) K一灵敏系数,与电阻丝的物理性质有关,对于一定的电阻片而言,K为常数。 由于电阻丝的电阻R和K值对于一定的电阻片为一已知值,故只要测得△R(电阻丝电 阻改变)就可以求出E值。电阻应变仪是采用电桥测量原理测出△R并换成AE(即为10°) 的变形量。 简单的电桥测量原理见图2 图中:R-测量电阻 Rk-补偿电阻 R-桥臂电阻 R2-保护电阻 R-可调桥臂电阻 图2电桥测量原理图 当电桥平衡(即检流计中无电流通过)时: RMK或RM K R 当Rn有△R变动时(如电阻应变片电阻丝由于变形而发生阻值的改变),可调电阻R 改变△R后使电桥重新达到平衡。把△R换算成AE,就可以直接在应变仪上读出 补偿电阻R用以消除因温度影响而产生的测量误差,它与测量电阻R阻值相同并在
4 电阻应变测量法是测定压力容器筒壁应 变的常用方法之一。其测量装置由三部分组 成：即电阻应变片，连接导线和电阻应变仪。 常用的电阻应变片是很细的金属电阻丝粘于 绝缘的薄纸上而成。见图一所示，将此电阻片 用特殊的胶合剂贴在容器壁欲测之部位。当容 器受内压作用发生变形时，电阻丝随之而变 形。电阻丝长度及截面的改变引起其电阻值的相应改变，则可以用电阻应变仪测出电阻的改 变，再换算成应变，直接由应变仪上读出。 电阻丝的应变与电阻的改变有如下的关系： l l K R R 式中： R R —电阻丝单位电阻改变 l l —电阻丝单位长度改变（如电阻片与器壁完全一起变形，即无器壁之应变。） K —灵敏系数，与电阻丝的物理性质有关，对于一定的电阻片而言， K 为常数。 由于电阻丝的电阻 R 和 K 值对于一定的电阻片为一已知值，故只要测得ΔR（电阻丝电 阻改变）就可以求出 值。电阻应变仪是采用电桥测量原理测出ΔR 并换成 （即为 6 1 10 ） 的变形量。 简单的电桥测量原理见图 2. 图中： RM 测量电阻 RK 补偿电阻 R1 桥臂电阻 RZ－保护电阻 R 可调桥臂电阻 当电桥平衡（即检流计中无电流通过）时： R1 R R RM K 或 K R R R K M 1 当 RM 有△ RM 变动时（如电阻应变片电阻丝由于变形而发生阻值的改变），可调电阻 R 改变△R 后使电桥重新达到平衡。把△R 换算成 ，就可以直接在应变仪上读出。 补偿电阻 RK 用以消除因温度影响而产生的测量误差，它与测量电阻 RM 阻值相同并在 图 1 应变片结构简图 图 2 电桥测量原理图
同一温度条件下,但不承受载荷,故对RM受温度影响有补偿作用。 、实验装置 实验容器的筒体用DN325,壁厚为8mm的无缝管制造,具体尺寸如图3所示: 540 4 图3实验容器A和容器B 四、实验步骤: 1.了解实验装置(包括管路、阀门、容器、压力自控泵等在实验装置中的功能和操作方法) 及电阻片粘贴位置,测量电气线路,转换旋钮等。 2.电阻片的粘贴步骤和方法: (1)根据选择的测点位置,用砂纸打光;再按筒体的经线和纬线方向用划针或铅笔划出 测点的位置及方向:以后再用棉球、丙酮等除去污垢。 (2)测量电阻应变片的电阻值,记录电阻片的灵敏系数,以便将应变仪灵敏系数点放在 相应的位置上(实验室已准备好)。 (3)将“502”胶液均匀分布在电阻片的背面(注意:胶液均均匀涂在电阻片反面,不可
5 同一温度条件下，但不承受载荷，故对 RM 受温度影响有补偿作用。 三、实验装置 实验容器的筒体用 DN325 ，壁厚为 8mm 的无缝管制造，具体尺寸如图 3 所示： 四、实验步骤： 1．了解实验装置（包括管路、阀门、容器、压力自控泵等在实验装置中的功能和操作方法） 及电阻片粘贴位置，测量电气线路，转换旋钮等。 2．电阻片的粘贴步骤和方法： （1）根据选择的测点位置，用砂纸打光；再按筒体的经线和纬线方向用划针或铅笔划出 测点的位置及方向；以后再用棉球、丙酮等除去污垢。 （2）测量电阻应变片的电阻值，记录电阻片的灵敏系数，以便将应变仪灵敏系数点放在 相应的位置上（实验室已准备好）。 （3）将“502”胶液均匀分布在电阻片的背面（注意：胶液均均匀涂在电阻片反面，不可 图 3 实验容器 A 和容器 B
太多,引出线须向上)。随即将电阻片粘贴在欲测部位,并用滤纸垫上,施加接触压 力,挤出贴合面多余胶水及气泡(注意:电阻丝方向应与测量方向一致,用手指按紧 至两分钟)。 (4)在电阻片引出线下垫接线端子(用胶液粘贴),用于电阻应变片的引出线和测量导线 的焊接连接(测量导线和仪器的连接以及补偿片的粘贴已由实验室准备好)。 (5)电阻片的粘贴步骤和方法可由指导教师讲清要点和示范粘贴后再进行,所有粘贴的 电阻片和焊接接线经指导教师检査合格后,再进入应变测量仪器测量的调节步骤 3.了解】J一31型静态电阻应变仪和P20R-25型预调平衡箱的使用方法。 P208-25型予调平衡箱 主机工作片接点 @@@回 显示 @的國@魯 @@◎ 主机各点调零电位器 @@" ⑥◎ 上海华东电子仪器厂 主机各点时应旋组 图四y-31型静态电阻应变仪正面图 图五P20R-25型预调平衡箱正面图 J一31型静态电阻应变仪和P20R-25型预调平衡箱如图4和图5所示,使用方法 (1)半桥测量时将DDD2点用连接片连接起来并旋紧(已连接好),开关置于“本机”状态 将标准电阻分别与A、B、C接线柱相连,A与C接线颜色相同。 (2)按下“基零”键,仪表显示“000”或“-000”(表示内部已调好)。 (3)按下“测量”键,显示测量值,调节面板“调零”旋钮,将测量值调到“0000″或“-0000″ (4)按下“标定”键,显示一10000附近值(内部已调好,灵敏系数按工作应变片的标准 已由实验室调好) (5)“本机、切换”开关置于“切换”状态,进行10点测量不用P20R-25型预调平衡箱 时,将测量导线接在主机工作片接点上,升压前,将主机按钮切换开关分别置于“1~10 档,调节主机相应电阻平衡调零电位器,使应变仪显示为“+0000 (6)进行多点测量时将被测量的的应变片分别与对应点的A、B、C接线柱相连,而主机 的A、B、C接线柱上的标准电阻去掉。被测量的的应变片与仪器连接方式,与接在主机工 作片上的接点连接方式相同,如图六所示。 (7)将P20R-25型静态电阻应变仪的“选 择开关”置于“转换”档 卜偿片 (8)将“测量基零”开关置于“测量”档, 将P20R-25型预调平衡箱切换开关分别置 图六电阻应变片与仪器连接图
6 太多，引出线须向上）。随即将电阻片粘贴在欲测部位，并用滤纸垫上，施加接触压 力，挤出贴合面多余胶水及气泡（注意：电阻丝方向应与测量方向一致，用手指按紧 一至两分钟）。 （4）在电阻片引出线下垫接线端子（用胶液粘贴），用于电阻应变片的引出线和测量导线 的焊接连接（测量导线和仪器的连接以及补偿片的粘贴已由实验室准备好）。 （5）电阻片的粘贴步骤和方法可由指导教师讲清要点和示范粘贴后再进行，所有粘贴的 电阻片和焊接接线经指导教师检查合格后，再进入应变测量仪器测量的调节步骤。 3．了解YJ —31 型静态电阻应变仪和 P20R －25 型预调平衡箱的使用方法。 YJ —31 型静态电阻应变仪和 P20R －25 型预调平衡箱如图 4 和图 5 所示，使用方法 如下： （1）半桥测量时将 D1DD2点用连接片连接起来并旋紧(已连接好)，开关置于“本机”状态。 将标准电阻分别与 A、B、C 接线柱相连，A 与 C 接线颜色相同。 （2）按下“基零”键，仪表显示“000”或“-000”（表示内部已调好）。 （3）按下“测量”键，显示测量值，调节面板“调零”旋钮，将测量值调到“0000”或“-0000”。 （4）按下“标定”键，显示—10000 附近值（内部已调好，灵敏系数按工作应变片的标准 已由实验室调好）。 （5）“本机、切换”开关置于“切换”状态，进行 10 点测量不用 P20R －25 型预调平衡箱 时，将测量导线接在主机工作片接点上，升压前，将主机按钮切换开关分别置于“1～10” 档，调节主机相应电阻平衡调零电位器，使应变仪显示为“+0000”。 （6）进行多点测量时将被测量的的应变片分别与对应点的 A、B、C 接线柱相连，而主机 的 A、B、C 接线柱上的标准电阻去掉。被测量的的应变片与仪器连接方式，与接在主机工 作片上的接点连接方式相同，如图六所示。 （7）将 P20R －25 型静态电阻应变仪的“选 择开关”置于“转换”档。 （8）将“测量基零”开关置于“测量”档， 将 P20R －25 型预调平衡箱切换开关分别置 图四 YJ —31 型静态电阻应变仪正面图 图五 P20R －25 型预调平衡箱正面图 图六 电阻应变片与仪器连接图 补偿片 工作片
于“1~20”档,调节相应电阻平衡调零电位器,使应变仪显示为“+0000 (9)反复步骤(8),在零压力的情况下,使各工作片接点的电桥平衡 (10)加载用自控泵对容器加压,并通过放水泄漏阀对容器降压,分别在10、1.5、20、25、 3.0、2.5、2.0、15、10(MPa)停留,记下各测点(即贴片点)的应变值(pE)。 五、注意事项: 1.对仪器、工具、药品等要注意爱惜,节约使用滤纸、棉球、丙酮、胶水、电阻片等消 耗品:实验结束后,药品、工具等要加以整理和清洁 2.应变仪属于精密电子仪器,故在转动开关及调节盘宜时要轻巧缓慢,禁止在尚未熟悉 使用仪器前任意拨动开关 3.实验准备及仪器调试完备,经指导老师检查后方可升压进行测量;测量过程中应避免 设备、导线移动,以免引起接触电阻的改变。 4.容器加、减压应缓慢进行,待压力稳定后再进行测量。 5.各组实验结果最后须经指导老师检查并认可,整理好仪器设备,打扫现场方可离开实 验现场。 六、实验报告: 1.列表记载各项数据(附表记载内压薄壁容器应变值测定结果)。 2.根据测定结果计算出各点压力时筒体的经向及环向应力 3.比较实验测得的应力值与理论值之间的偏差并分析和讨论
7 于“1～20”档，调节相应电阻平衡调零电位器，使应变仪显示为“+0000”. （9）反复步骤（8），在零压力的情况下，使各工作片接点的电桥平衡。 （10）加载用自控泵对容器加压，并通过放水泄漏阀对容器降压，分别在 1.0、1.5、2.0、2.5、 3.0、2.5、2.0、1.5、1.0（MPa）停留，记下各测点（即贴片点）的应变值（ ）。 五、注意事项： 1． 对仪器、工具、药品等要注意爱惜，节约使用滤纸、棉球、丙酮、胶水、电阻片等消 耗品；实验结束后，药品、工具等要加以整理和清洁。 2． 应变仪属于精密电子仪器，故在转动开关及调节盘宜时要轻巧缓慢，禁止在尚未熟悉 使用仪器前任意拨动开关。 3． 实验准备及仪器调试完备，经指导老师检查后方可升压进行测量；测量过程中应避免 设备、导线移动，以免引起接触电阻的改变。 4． 容器加、减压应缓慢进行，待压力稳定后再进行测量。 5． 各组实验结果最后须经指导老师检查并认可，整理好仪器设备，打扫现场方可离开实 验现场。 六、实验报告： 1． 列表记载各项数据（附表记载内压薄壁容器应变值测定结果）。 2． 根据测定结果计算出各点压力时筒体的经向及环向应力。 3． 比较实验测得的应力值与理论值之间的偏差并分析和讨论
附表: 西安石油大学过程装备与控制工程专业一内压薄壁容器应变测定实验结果 班级 实验小组 应变片电阻值灵敏系数 仪器号 压力(MP)1.015202.5302.5 1510备注 点片 方向 应变值(pE)
8 附表： 西安石油大学过程装备与控制工程专业—内压薄壁容器应变测定实验结果 班级 实验小组 应变片电阻值灵敏系数 仪器号 压力（ MPa ） 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2.5 20. 1.5 1.0 备注 点 号 片 号 方向 应变值（ ）