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外压荷载检测

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发布时间：2025-06-02 02:38:03 更新时间：2025-06-01 02:38:03

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

外压荷载检测：确保工程结构安全的关键技术

外压荷载检测是评估管道、压力容器、地下管廊、储罐以及其他封闭或半封闭结构在外界压力作用下力学性能和稳定性的核心检测项目。这类检测主要模拟结构在服役过程中可能承受的外部压力环境，例如土壤压力、水压、真空负压或机械挤压等，旨在验证其抗外压失稳能力（屈曲稳定性）、强度极限以及长期服役下的变形特性。通过科学严谨的检测，能够有效预防结构因外压过大导致的塌陷、皱褶、破裂等灾难性失效，为工程设计、选材、制造质量控制及安全运行提供至关重要的数据支撑。随着新材料和新结构形式的广泛应用，以及工程安全标准的不断提高，外压荷载检测在石油化工、市政建设、海洋工程、航空航天等领域的地位愈发凸显。

核心检测项目

外压荷载检测通常涵盖以下关键项目：

临界屈曲压力检测： 确定结构（如管道、罐体）在均匀或非均匀外压作用下开始发生失稳（屈曲）时的极限压力值。
极限抗压强度检测： 测试结构在持续增加的外压下，直至发生破坏（如破裂、严重塑性变形）时所能承受的最大压力。
变形特性检测：

监测并记录结构在外压加载过程中的变形（径向收缩、椭圆度变化、局部凹陷等）随压力变化的规律。

稳定性校核： 验证结构在设计压力或特定工况压力下是否保持稳定，不发生屈曲。
循环外压疲劳检测： 评估结构在反复交变外压作用下的疲劳寿命和抗疲劳性能。
蠕变性能检测（长期外压下）： 考察材料或结构在恒定外压长期作用下的缓慢变形（蠕变）行为。

关键检测仪器

进行外压荷载检测需要依赖高精度、高可靠性的专用设备：

大型外压试验机/压力舱： 核心设备，用于容纳试件并施加可控的均匀（或特定分布）外压。通常为圆柱形或方形的密封耐压容器，配备压力介质（水、油或气体）注入和控制系统。
高压泵站及伺服控制系统： 提供精确、稳定、可编程的压力加载能力，实现恒压、增压、保压、卸压等复杂加载程序。
高精度压力传感器与变送器： 实时、准确地测量并反馈试验舱内的压力值。
位移传感器（LVDT, 激光位移计等）： 用于测量试件关键部位（如管壁中部、端部）的径向位移、轴向位移或整体变形量。
应变片/应变采集系统： 粘贴在试件表面，用于测量局部的应变分布和变化。
数据采集与分析系统： 同步采集压力、位移、应变等信号，进行实时显示、记录、处理和分析，绘制压力-位移、压力-应变等曲线。
安全防护系统： 包括超压保护、紧急泄压、安全屏蔽等，确保试验人员和设备安全。

主要检测方法

根据检测目的和试件特点，常用方法包括：

方法名称	基本原理	适用场景	特点
静水外压试验	将试件置于压力舱内，注入液体（水或油）并逐步增压，模拟均匀外压环境。	管道、管件、压力容器、小型储罐、球体等的临界屈曲压力、极限强度、变形测量。	压力分布均匀，结果可靠，是标准方法；适用于中小型试件。
气压外压试验	使用压缩气体（通常为空气或氮气）作为压力介质施加外压。	大型薄壁结构（如大型储罐穹顶）、对液体敏感或需要快速试验的场景。	加载/卸载快；压力精确控制要求高；安全风险相对较大（需严格防护）；介质可压缩性影响需考虑。
径向挤压试验	使用特定夹具（如V型块、弧形压头）或柔性带从外部对试件（通常是管段）施加径向集中或局部载荷。	评估管道抵抗外部机械损伤（如挖掘机冲击、落石撞击）的能力，或模拟非均匀载荷。	模拟特定工况；载荷分布非均匀；常用于抗凹陷性能测试。
真空负压试验	对密闭容器内部抽真空，利用大气压作为外压作用于容器外壁。	储罐、船舱、负压容器等在真空状态下的稳定性验证。	设备相对简单；压力上限约0.1 MPa (1个大气压)；需确保容器密封性。
有限元分析辅助测试	结合物理试验与计算机模拟（FEA），预测屈曲模态、优化测点布置、进行参数研究。	复杂结构、降低成本、研究设计参数影响。	经济高效；需要精确的模型和材料参数；结果需试验验证。

遵循的检测标准

外压荷载检测必须依据国内外权威标准进行，确保检测结果的科学性、可比性和法律效力。常用标准包括：

国际/国外标准：
- ASTM D2924: 标准试验方法：使用外部载荷测定塑料管道的刚度特性（径向压缩法）。
- ASTM D2412: 标准试验方法：平行板加载塑料管材外载特性。
- ISO 13966: 热塑性塑料管材和管件 - 公称环刚度的测定。
- ASME Boiler & Pressure Vessel Code (BPVC), Section VIII, Division 1 & 2: 对压力容器外压设计、计算和试验验证（如稳定性校核）有详细规定。
- API Spec 5L / API RP 1111: 管线钢管规范及海上管道设计与建设的推荐作法，包含外压设计要求。
- EN 13480 (Metallic industrial piping) / EN 13445 (Unfired pressure vessels): 欧洲工业管道和无缝压力容器标准，包含外压设计计算和试验要求。
中国国家标准(GB/T)及行业标准：
- GB/T 19624: 在用含缺陷压力容器安全评定（涉及外压稳定性评估）。
- GB/T 19472.1/2: 埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统第1/2部分：聚乙烯双壁波纹管材/缠绕结构壁管材（包含环刚度、环柔性等外压性能测试要求）。
- GB/T 9647: 热塑性塑料管材环刚度的测定。
- GB/T 18477.1/2/3: 埋地排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)结构壁管道系统（包含环刚度、外压载荷试验）。
- GB 150 (压力容器) / GB 50235 (工业金属管道工程施工规范) / GB 50332 (给水排水工程管道结构设计规范)：相关国家标准中对特定产品或工程的外压设计、计算和试验有引用或规定。
- 石油天然气行业标准(SY/T) / 城镇建设行业标准(CJ/T)：针对油气输送管、市政排水排污管等有具体的外压性能要求和试验方法标准（如SY/T 6662、CJ/T 270等）。