搪玻璃壓力容器爆瓷失效因素探析范文

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搪玻璃壓力容器作為壓力容器的一個重要分支，不但具有常規壓力容器的共性，而且具有耐腐蝕性、不粘性、絕緣性及隔離性等特性，被廣泛應用于化工、醫藥、冶金及食品等行業。搪玻璃壓力容器的失效通常源于搪玻璃層的破損，制造過程中搪玻璃產品發生的爆瓷事故約占總事故的90%以上，其中約有40%發生在產品結構的R處，占爆瓷事故的第一位;另有28%的爆瓷事故發生在產品結構的焊接處［1］。搪玻璃層是一種非常脆的非金屬材料，其延伸率近似為0，抗拉強度的上限小于金屬基體的許用應力。搪玻璃層受到外加載荷產生的機械應力過大或其熱應力和內部應力過大均會使其破裂。爆瓷失效主要分為應力爆瓷和鱗爆［2］，由物理應力引起的爆瓷稱為應力爆瓷，由氫引起的爆瓷稱為鱗爆，但兩者均由主應力超過瓷層強度引起，并與搪玻璃設備的結構設計、材料及制造工藝等方面引起的應力有關。筆者從結構設計與制造兩方面研究分析了搪玻璃壓力容器爆瓷失效的應力來源與影響因素，并提出相應的改進措施。

1結構設計

在工程中常出現殼體接管R處搪玻璃層發生爆瓷，這與R處應力的大小和分布有關。壓力容器管口接管附近的局部范圍內，因結構不連續產生較高的不連續應力，從而形成局部高應力區。很多案例的有限元分析表明，接管R處金屬基體的最大主應力出現位置與搪玻璃層的最大主應力出現位置相同，主應力超標是搪玻璃層開裂最主要的原因［3］。搪玻璃層試樣的拉伸試驗表明其崩潰不僅與應力的大小有關，還與應力的方向有關，在受多向應力作用時搪玻璃層更易受到損傷［4］。在接管R外圓弧處瓷層受到壓應力的同時還受到一個與壓應力垂直向外的張應力［5］。因此接管R處搪玻璃層的穩定性較平面的差，是最易出現搪玻璃層破壞的區域。降低接管R處應力是預防爆瓷的有效方法，GB25025-2010規定［6］:設備基體搪玻璃層不應存在非連續結構，所有轉角部位應圓滑過渡，搪玻璃設備金屬基體的管口應采用頂孔翻邊對接形式。搪玻璃管口形式從外形上可分為A型(圖1a、c)和B型(圖1b、d);從管口與殼體的連接形式上可分為對接式(圖1a、b)和嵌入式(圖1c、d)。隨著我國搪玻璃行業整體制造水平的提高，在HG/T2371～2372-1992《搪玻璃攪拌容器》中B型管口被大量采用;對接式結構相比于嵌入式結構，其容器的整體受力情況更好，因此HG/T2143-1991《搪玻璃設備管口》中搪玻璃設備零部件廢止了嵌入式管口，而采用對接式管口。通過采用大圓弧或形狀優化等方式降低大開孔邊緣、非徑向接管及布管集中區域等不連續結構高應力區的應力水平，接管采用帶圓弧過渡的頂孔對接式結構，可有效降低金屬基體的應力水平，從而降低搪玻璃層的應力。

2制造過程

2．1材料化學成分金屬材料化學成分對搪玻璃層爆瓷的影響主要表現為:一方面制造過程中有害元素產生氫等氣體，搪燒時因材料組織相變而使其溶氫能力產生差異，使氫等氣體滯留在材料內部空穴積聚，當壓力超過搪玻璃層強度極限時發生爆瓷;另一方面含C量高的材料的相轉變溫度低，搪燒時材料結構變形量大，致使結構應力增大從而引起爆瓷。鋼的C含量越高，搪燒時產生的CO、CO2、H2越多;Mn含量大于0．6%、S含量大于0．055%時搪玻璃層的透水性急劇增加［7］，搪燒時產生的H2也越多，同時Mn含量高還會降低相轉變溫度;Si、Cr含量過高也會增加爆瓷機率。在900℃搪燒溫度下，搪玻璃壓力容器用鋼Q235B和Q345R會發生鐵素體α相→奧氏體γ相的轉變，有過量的氫進入γ相的晶格間隙中;而在冷卻過程中發生γ→α相的轉變后，由于溶氫能力不同(γ相約為α相的1．5倍)，氫會重新釋放出來聚集在材料內部空穴處。為了降低爆瓷概率，在金屬材料選材上應合理控制材料的化學成分，降低氫等氣體的形成概率，C含量宜控制在0．12%以下，應按標準控制鋼材中Mn與S含量，適當增加Ni及P等抗鱗爆元素;通過添加元素(如Ti、Zr及B等元素)設置化學氫陷，降低因相組織的溶氫能力不同而使氫等氣體滯留在材料內部空穴積聚;搪玻璃設備制造所用鋼材應為搪玻璃專用鋼。

2．2形狀偏差壓力容器殼體形狀不連續(如表面凹凸不平、截面不圓及接縫錯邊等)會在殼體內部形成附加彎曲應力和剪應力，導致局部區域應力過高。搪玻璃壓力容器橢圓度過大，殼體在壓應力的作力下產生變形(向圓的方向擴張)，搪玻璃層在變形應力作用下易發生爆瓷。搪燒過程中高溫使鋼材剛度大幅下降，筒體過薄、搪燒溫度過高、多次覆搪、搪燒變形控制不好及變形校正技術差等原因均會造成搪玻璃設備橢圓度增大。因此，必須嚴格控制殼體的橢圓度，搪玻璃設備內圓最大直徑和最小直徑差(圓度公差)應小于0．01DN［6］。厚度差(如筒體和封頭的厚度不一致)也會導致搪玻璃層大面積開裂，一方面是因幾何結構不連續，該部位局部應力過高;另一方面是搪燒時因厚度不一致產生溫度梯度并形成很大的熱應力，從而導致產生微裂紋;同時，較薄的部位在搪燒時升溫快、高溫時段長，使瓷面搪燒過火、瓷面韌性降低、脆性加大，使用時極易發生爆瓷。

2．3焊接及熱處理焊接處是搪玻璃層爆瓷的高發部位，這是與焊接處形成的應力有關。搪燒后焊接部位存在較大的相變應力，對搪玻璃層產生一定的附加應力;同時，在搪燒過程中焊縫部位吸收并聚集了比母材多的氫等氣體，在冷卻過程中未及時得到徹底釋放，搪玻璃層與焊縫間的應力比母材與搪玻璃層間的應力大。在相變應力形成的附加應力與H2形成的應力雙重作用下，焊接處極易發生爆瓷。為降低焊接處的爆瓷概率，應制定合理的焊接工藝，降低H2含量，消除相變應力。焊接過程中氫等氣體的形成與焊材中的有機物存在密切關系。一般酸性焊條的藥皮中加有有機物，因此熔敷金屬的含氧量和含氫量較高;堿性焊條的藥皮中不加有機物，含氧量和含氫量較低。同時，使用酸性焊條產生的非金屬夾雜物要比堿性焊條的多。焊縫中的非金屬夾雜物在焊縫中不是均勻分布的，而是以偏析狀態分布，它們的存在為搪燒加熱過程中氣體的吸收、儲存提供了十分有利的條件，是焊縫吸收的氣體多于母材的主要原因。使用堿性焊條能減少焊縫吸入的氣體量，且堿性焊條施焊速度不會太快，改善了金屬晶體結構，減少焊接產生的組織缺陷。試驗研究表明，單獨采用酸性焊條焊接與采用酸性焊條打底、堿性焊條蓋面的焊接工藝相比較，后者的管口部位焊接處爆瓷概率明顯降低，增強了搪燒成效。在制造過程中，由于鋼板卷筒、沖壓和焊接會產生大量的內應力，因此在搪燒底釉前應采用熱處理將其消除，如未進行熱處理或熱處理不徹底，將致使設備殘留大量應力，在接管R處和焊縫部位極易產生爆瓷。

2．4搪燒工藝搪燒是一個復雜的物理化學過程，也是搪玻璃壓力容器制造的一個關鍵工序。影響搪燒質量的因素主要有濕度和搪燒工藝參數控制。濕度過大容易因氫壓力產生的應力超過玻璃層強度而發生爆瓷;搪燒工藝不合理因較大的殘余應力超過玻璃層強度而發生爆瓷。

2．4．1濕度鱗爆易受季節性的影響，濕度大的環境容易引發鱗爆，特別是梅雨季節出現鱗爆的概率遠高于其他時間段。濕度大的環境為氫提供了來源，一方面在制造過程中，因鋼材的透水性會有水分進入鋼材;另一方面爐壁潮濕、釉漿噴涂層未烘干及采用煤/油為熱源等增加了爐內濕度，在搪燒時汽化成水蒸氣，水蒸氣與碳、鐵反應生成氫，搪燒溫度超過350℃時氫被鋼材大量吸收［7］，冷卻時大量的氫在其空穴內積滯形成較高的內壓，當應力超過玻璃層強度時發生爆瓷。因此，在搪玻璃設備制造過程中應保證各制造環節的干燥，從源頭上防止鱗爆的產生。

2．4．2工藝參數控制搪玻璃復合層是玻璃層與金屬基材在800～900℃溫度下燒成后復合的，由于材料物理性能的差異，降溫過程中玻璃釉的收縮變化率與溫度呈非線性關系，而鋼的收縮變化率與溫度可視為線性變化關系，因此搪玻璃復合層中存在殘余應力。研究表明，殘余應力是引起爆瓷最主要的原因［8］。搪燒過程一般可分為升溫過程和降溫過程。升溫過程是工件從室溫進爐后受熱升溫至搪玻璃釉完全玻璃化的溫度;降溫過程是工件從搪玻璃釉完全玻璃化的溫度降至室溫。搪燒固化溫度和冷卻溫度決定了瓷層中應力的大小和方向。搪玻璃設備由于結構復雜，產品各部位受熱不均勻、溫差大、各處瓷釉成形質量不一。出爐冷卻過程是搪玻璃層殘余應力形成的過程，冷卻速度越快，釉層的殘余應力越大。傳統搪燒工藝采用線性快速升降溫法，主要控制最低搪燒溫度與最高搪燒溫度。目前，國外搪玻璃設備公司普遍采用受控搪燒技術，它的特點是可根據產品的形狀、瓷釉和鋼材物化參數設定非線性升降溫曲線，采用搪燒后緩冷方法降低殘余應力和最大限度地釋放鋼材中的氫氣，研究表明，受控搪燒技術較傳統搪燒工藝，搪玻璃層的殘余應力可降低39%［9］。因此，改善搪燒工藝可以提升搪瓷質量，降低爆瓷概率。

3結束語

筆者從結構設計和制造兩方面分析了搪玻璃壓力容器搪玻璃層爆瓷失效的應力來源和影響因素，發現導致爆瓷的應力來源主要有結構應力、氫等氣體形成的應力、相變應力和殘余應力。結構設計不合理和制造過程形狀偏差均會產生結構應力，當結構應力超過搪玻璃層強度極限時發生爆瓷;材料化學成分不合理、焊接工藝不當、濕度過大均會因氫等氣體形成的應力超過搪玻璃層強度極限發生爆瓷;搪燒時材料發生相變產生相變應力，當相變應力超過搪玻璃層強度極限時發生爆瓷;因搪燒工藝參數控制不當產生的殘余應力超過搪玻璃層強度極限時發生爆瓷。為了降低搪玻璃壓力容器制造過程中的爆瓷概率，在結構設計方面，對大開孔邊緣、非徑向接管及布管集中區等高應力區域盡量采用大圓弧或經形狀優化的特殊曲線過渡來降低其應力水平;在制造方面，搪玻璃設備制造所用的鋼材應為搪玻璃專用鋼，并需嚴格控制Mn及S等有害元素的含量，要合理控制橢圓度和厚度差，選擇合理的焊接工藝與熱處理工藝，嚴格控制搪玻璃設備各制造環節的濕度，采用受控搪燒工藝，提升搪瓷質量。

作者：陳海云 邢璐 丁無極 盛水平 單位：杭州市特種設備檢測研究院