一种对真空绝热深冷压力容器的接管应变强化监测的方法与流程

本发明涉及应变强化监测技术领域，尤其是一种对真空绝热深冷压力容器的接管应变强化监测的方法。

背景技术：

应变强化技术在真空绝热深冷压力容器制造行业已得到广泛应用。奥氏体不锈钢材料的屈强比较低，屈服强度与抗拉强度间具有较大的塑性延伸区域，塑形储备充足，应变强化技术充分利用奥氏体不锈钢材料这种的特性，使其承受一个大于屈服强度的拉伸应力，卸载拉伸应力后材料将会产生一定量的塑性变形；当再次加载拉伸应力时，材料的所承受的应力及发生的应变将沿卸载路径保持线弹性的关系，直至拉伸应力大于强化应力时，这时材料才会产生新的塑性变形，如图1所示。奥氏体不锈钢容器经应变强化处理后是否达到所要求的目标，主要从强化后容器主体结构的应力是否达到强化应力、壁厚的减薄率以及应变是否在应变限制条件内来判断。

应变强化有常温应变强化和低温应变强化两种模式。常温应变强化的过程是：容器制造完毕后，在室温下进行水压试验，使容器在特定的强化压力下产生一定的塑性变形，从而达到提高屈服强度的目的。该技术于20世纪中叶出现在欧洲，已有半个多世纪的历史。1956年，瑞典avesta公司开始研制应变强化压力容器，1959年生产出第一台应变强化压力容器产品，该方法称为avesta模式。应变强化低温压力容器制造企业的应变强化实施在gb/t18442.7-2017中作了具体规定。

应变测量一般采用两种方法，一是借助引伸计，测量结果为宏观应变，相当于整个测量标定范围内的应变平均值。二是借助应变片，测量结果为局部应变，但因操作复杂、不规则路径贴合不佳等造成局部应变测量不准。

目前深冷容器应变强化的监测手段主要为筒体平均应变量的测量，gb/t18442.7-2017标准并未关注接管或其他结构不连续处的应变测量。目前主要应变强化的监测手段如图2所示，应变强化过程中，通常在各个筒节最大变形截面处悬挂卷尺，卷尺一端自由，通过定时记录尺子的测量结果，来计算容器的周长应变率，如图2中1－1、2－2、3－3和4－4为不同筒节的测试截面，均位于各节筒体的中心部位。现有的生产制造企业的应变强化测量方法的测试区域只有筒体局部，该方法主要着眼于变形最大处，但是并未关注接管等结构不连续处的应变强化状态，而真空绝热深冷容器上的接管连接处是低温容器的薄弱环节，一旦接管发生泄露，将影响真空度，进而影响设备安全。

数字图像相关(digitalimagecorrelation，简称dic)测量技术是应用计算机视觉技术的一种图像测量方法，是一种非接触的、用于全场形状、变形、运动测量的方法。随着先进测量技术的不断发展，全场数字相关dic应变测量技术从研究领域开始向工程应用领域进行拓展。传统的应变测量主要依赖于应变片的检测，该方法不仅操作复杂，并且仅能获得个别点位置单一方向的应变值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种对真空绝热深冷压力容器的接管应变强化监测的方法。

本发明采用的技术方案是：

一种对真空绝热深冷压力容器的接管应变强化监测的方法，包括以下步骤：

步骤一、在应变强化前，在需要监测的接管表面涂涂料进行散斑处理；

步骤二、随着应变强化压力的加载，跟踪物体表面变形前后两幅散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移向量，得到试件表面的全场位移；

步骤三、在实验过程中对试件表面在加载前后的图像进行采集并存入计算机；

步骤四、利用软件程序采取相关的算法得到试件表面的位移、应变、变形信息；

步骤五、将各个像素点的信息数据汇成三维云图，显示其应变情况。

步骤一中涂料为普通涂料，散斑后要求散斑点与底色对比度大、不反光。优选涂料底色白、散斑点黑且散斑点分布均匀。

采用的计算原理为：

三维应变测量一般分为三个步骤，即照相测量系统的标定、图像立体匹配及三维坐标重建。dic应变计算的基本原理是通过图像匹配的方法分析试样表面变形前后的散斑图像，来跟踪试件表面上几何点的运动并得到位移场，在此基础上计算测量对象得到应变场。

物理学中描述物体运动的方式有两种：拉格朗日描述和欧拉描述，拉格朗日法是研究流体各个质点的运动参数(位置坐标、速度、加速度等)随时间的变化规律；欧拉法是通过观察在流动空间中的每一个空间点上运动要素随时间的变化，把足够多的空间点综合起来而得出的整个流体的运动情况。dic测量原理为捕捉不同时刻物体的位置，因此采用拉格朗日描述方式。

在笛卡尔坐标系中使用公式计算测量对象表面像素点的三维相对位移：

式1中，(xt,yt,zt)和(x0,y0,z0)分别为像素点测量前后的坐标点。

随后以各像素点的坐标为自变量，位移为因变量，采用式2对位移场进行二次曲面拟合得到位移函数：

式2中，a，b和c分别为多项式系数。在得到位移函数表达式之后，对其求偏导，代入应变梯度张量中，最终得到式3的拉格朗日应变张量的对角元素和非对角元素：

其中，对角项(式3中的前三项)用于描述沿每个坐标轴的延伸；非对角项(式3中的最后一项)用于描述线段之间夹角的变化。

软件测量计算系统对试验中捕捉的每个像素点进行重建，由此得到物体表面变形的三维应变分布，应变云图上的点为局部真实应变。

试验中对试件表面在加载前后的图像进行采集并存入计算机，最后利用软件程序采取相关的算法得到试件表面的位移、应变、变形信息，并将数据汇成三维云图，显示其应变情况。

真空绝热深冷压力容器的应变强化往往采用预超载方法使设备产生塑性变形提高低温设备的承载能力并实现低温设备的轻量化，其关键问题是使设备产生塑性应变。由于真空绝热深冷压力容器存在结构的不连续以及应力集中现象，设备不同位置处的应变量是不均匀的。应变强化过程中，太小的应变量不能够达到强化的目的，但是过大的应变量又会造成材料的损伤影响其韧性与安全性。传统的应变强化的控制主要采用卷尺等量具对强化过程中可能产生最大变形的截面的周长进行测量，并通过数学计算截面的周长变化率。

该方法主要着眼于变形最大处，但是并未关注接管等结构不连续处的应变强化状态，而真空绝热深冷容器上的接管连接处是低温容器的薄弱环节，一旦接管发生泄露，将影响真空度，进而影响设备安全。

采用非接触式应变测量系统，开发低温设备在应变强化过程中应力与应变集中位置的应变实时监测技术，重点聚焦应变强化过程中结构不连续处，特别是接管的应变强化情况。从而保障低温设备实现应变强化满足合适的塑性应变量要求，保障应变强化低温设备的轻量化与安全性的统一。

采用dic应变测量系统对低温设备的应变强化过程进行局部结构不连续处的应变监测，直接获取应变强化过程中低温设备的真实应变状态响应，从而更加真实的表征低温设备应变场随应变强化的演化规律，为保障应变强化低温设备的经济性与安全性提供重要依据。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、三维数字散斑动态应变测量分析系统采用两个工业摄像头，实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，利用图形相关算法进行物体表面变形点的立体匹配，重建出匹配点的三维空间坐标，从而实现快速、高精度、实时、非接触式的三维位移与应变测量；

2、dic全场应变测量系统是应变测量方法的一个技术革新，运用dic技术能够获得关键区域的三维应变场云图，能够全面表征重点区域在应变强化过程中的三维应变场响应；

3、采用非接触式应变测量系统，开发低温设备在应变强化过程中应力与应变集中位置的应变实时监测技术，重点聚焦应变强化过程中结构不连续处，特别是接管的应变强化情况，从而保障低温设备实现应变强化满足合适的塑性应变量要求，保障应变强化低温设备的轻量化与安全性的统一。

附图说明

图1是奥氏体不锈钢单向拉伸应力-应变曲线图；

图2是现有应变测量装置示意图；

图3是本发明的监测流程图；

图4是本发明真空绝热深冷压力容器的内筒体接管中像素点a的dic应变测量示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图3所示，一种对真空绝热深冷压力容器的接管应变强化监测的方法，包括以下步骤：

步骤一、在应变强化前，在需要监测的接管表面涂涂料进行散斑处理；

步骤二、随着应变强化压力的加载，跟踪物体表面变形前后两幅散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移向量，得到试件表面的全场位移；

步骤三、在实验过程中对试件表面在加载前后的图像进行采集并存入计算机；

步骤四、利用软件程序采取相关的算法得到试件表面的位移、应变、变形信息；

步骤五、将获取的各个像素点的信息数据汇成三维云图，显示其应变情况。

采用的计算原理为：

在笛卡尔坐标系中使用公式计算测量对象表面像素点的三维相对位移：

式1中，(xt,yt,zt)和(x0,y0,z0)分别为像素点测量前后的坐标点。

随后以各像素点的坐标为自变量，位移为因变量，采用式2对位移场进行二次曲面拟合得到位移函数：

式2中，a，b和c分别为多项式系数。在得到位移函数表达式之后，对其求偏导，代入应变梯度张量中，最终得到式3的拉格朗日应变张量的对角元素和非对角元素：

其中，对角项(式3中的前三项)用于描述沿每个坐标轴的延伸；非对角项(式3中的最后一项)用于描述线段之间夹角的变化。

软件测量计算系统对试验中捕捉的每个像素点进行重建，由此得到物体表面变形的三维应变分布，应变云图上的点为局部真实应变。

试验中对试件表面在加载前后的图像进行采集并存入计算机，最后利用软件程序采取相关的算法得到试件表面的位移、应变、变形信息，并将数据汇成三维云图，显示其应变情况。