陳海云 邢 璐 丁無極 盛水平

(杭州市特種設(shè)備檢測研究院)

搪玻璃壓力容器作為壓力容器的一個(gè)重要分支，不但具有常規(guī)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(yīng)用于化工、醫(yī)藥、冶金及食品等行業(yè)。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(chǎn)品發(fā)生的爆瓷事故約占總事故的90%以上，其中約有40%發(fā)生在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的R處，占爆瓷事故的第一位；另有28%的爆瓷事故發(fā)生在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(qiáng)度的上限小于金屬基體的許用應(yīng)力。搪玻璃層受到外加載荷產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力過大或其熱應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力過大均會使其破裂。爆瓷失效主要分為應(yīng)力爆瓷和鱗爆[2]，由物理應(yīng)力引起的爆瓷稱為應(yīng)力爆瓷，由氫引起的爆瓷稱為鱗爆，但兩者均由主應(yīng)力超過瓷層強(qiáng)度引起，并與搪玻璃設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料及制造工藝等方面引起的應(yīng)力有關(guān)。筆者從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造兩方面研究分析了搪玻璃壓力容器爆瓷失效的應(yīng)力來源與影響因素，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在工程中常出現(xiàn)殼體接管R處搪玻璃層發(fā)生爆瓷，這與R處應(yīng)力的大小和分布有關(guān)。壓力容器管口接管附近的局部范圍內(nèi)，因結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生較高的不連續(xù)應(yīng)力，從而形成局部高應(yīng)力區(qū)。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(yīng)力出現(xiàn)位置與搪玻璃層的最大主應(yīng)力出現(xiàn)位置相同，主應(yīng)力超標(biāo)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(yàn)表明其崩潰不僅與應(yīng)力的大小有關(guān)，還與應(yīng)力的方向有關(guān)，在受多向應(yīng)力作用時(shí)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(yīng)力的同時(shí)還受到一個(gè)與壓應(yīng)力垂直向外的張應(yīng)力[5]。因此接管R處搪玻璃層的穩(wěn)定性較平面的差，是最易出現(xiàn)搪玻璃層破壞的區(qū)域。

降低接管R處應(yīng)力是預(yù)防爆瓷的有效方法，GB 25025- 2010規(guī)定[6]：設(shè)備基體搪玻璃層不應(yīng)存在非連續(xù)結(jié)構(gòu)，所有轉(zhuǎn)角部位應(yīng)圓滑過渡，搪玻璃設(shè)備金屬基體的管口應(yīng)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(yè)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(jié)構(gòu)相比于嵌入式結(jié)構(gòu)，其容器的整體受力情況更好，因此HG/T2143- 1991《搪玻璃設(shè)備管口》中搪玻璃設(shè)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(yōu)化等方式降低大開孔邊緣、非徑向接管及布管集中區(qū)域等不連續(xù)結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力水平，接管采用帶圓弧過渡的頂孔對接式結(jié)構(gòu)，可有效降低金屬基體的應(yīng)力水平，從而降低搪玻璃層的應(yīng)力。

圖1 搪玻璃管口接管形式

2 制造過程

2.1材料化學(xué)成分

金屬材料化學(xué)成分對搪玻璃層爆瓷的影響主要表現(xiàn)為：一方面制造過程中有害元素產(chǎn)生氫等氣體，搪燒時(shí)因材料組織相變而使其溶氫能力產(chǎn)生差異，使氫等氣體滯留在材料內(nèi)部空穴積聚，當(dāng)壓力超過搪玻璃層強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生爆瓷；另一方面含C量高的材料的相轉(zhuǎn)變溫度低，搪燒時(shí)材料結(jié)構(gòu)變形量大，致使結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大從而引起爆瓷。鋼的C含量越高，搪燒時(shí)產(chǎn)生的CO、CO2、H2越多；Mn含量大于0.6%、S含量大于0.055%時(shí)搪玻璃層的透水性急劇增加[7]，搪燒時(shí)產(chǎn)生的H2也越多，同時(shí)Mn含量高還會降低相轉(zhuǎn)變溫度；Si、Cr含量過高也會增加爆瓷機(jī)率。在900℃搪燒溫度下，搪玻璃壓力容器用鋼Q235B和Q345R 會發(fā)生鐵素體α相→奧氏體γ相的轉(zhuǎn)變，有過量的氫進(jìn)入γ相的晶格間隙中；而在冷卻過程中發(fā)生γ→α相的轉(zhuǎn)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(nèi)部空穴處。

為了降低爆瓷概率，在金屬材料選材上應(yīng)合理控制材料的化學(xué)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(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)控制鋼材中Mn與S含量，適當(dāng)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(shè)置化學(xué)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(nèi)部空穴積聚；搪玻璃設(shè)備制造所用鋼材應(yīng)為搪玻璃專用鋼。

2.2形狀偏差

壓力容器殼體形狀不連續(xù)(如表面凹凸不平、截面不圓及接縫錯(cuò)邊等)會在殼體內(nèi)部形成附加彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力過高。搪玻璃壓力容器橢圓度過大，殼體在壓應(yīng)力的作力下產(chǎn)生變形(向圓的方向擴(kuò)張)，搪玻璃層在變形應(yīng)力作用下易發(fā)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(shù)差等原因均會造成搪玻璃設(shè)備橢圓度增大。因此，必須嚴(yán)格控制殼體的橢圓度，搪玻璃設(shè)備內(nèi)圓最大直徑和最小直徑差(圓度公差)應(yīng)小于0.01DN[6]。

厚度差(如筒體和封頭的厚度不一致)也會導(dǎo)致搪玻璃層大面積開裂，一方面是因幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)，該部位局部應(yīng)力過高；另一方面是搪燒時(shí)因厚度不一致產(chǎn)生溫度梯度并形成很大的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋；同時(shí)，較薄的部位在搪燒時(shí)升溫快、高溫時(shí)段長，使瓷面搪燒過火、瓷面韌性降低、脆性加大，使用時(shí)極易發(fā)生爆瓷。

2.3焊接及熱處理

焊接處是搪玻璃層爆瓷的高發(fā)部位，這是與焊接處形成的應(yīng)力有關(guān)。搪燒后焊接部位存在較大的相變應(yīng)力，對搪玻璃層產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力；同時(shí)，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(shí)得到徹底釋放，搪玻璃層與焊縫間的應(yīng)力比母材與搪玻璃層間的應(yīng)力大。在相變應(yīng)力形成的附加應(yīng)力與H2形成的應(yīng)力雙重作用下，焊接處極易發(fā)生爆瓷。

為降低焊接處的爆瓷概率，應(yīng)制定合理的焊接工藝，降低H2含量，消除相變應(yīng)力。焊接過程中氫等氣體的形成與焊材中的有機(jī)物存在密切關(guān)系。一般酸性焊條的藥皮中加有有機(jī)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(jī)物，含氧量和含氫量較低。同時(shí)，使用酸性焊條產(chǎn)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(tài)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(jié)構(gòu)，減少焊接產(chǎn)生的組織缺陷。試驗(yàn)研究表明，單獨(dú)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(qiáng)了搪燒成效[1]。

在制造過程中，由于鋼板卷筒、沖壓和焊接會產(chǎn)生大量的內(nèi)應(yīng)力，因此在搪燒底釉前應(yīng)采用熱處理將其消除，如未進(jìn)行熱處理或熱處理不徹底，將致使設(shè)備殘留大量應(yīng)力，在接管R處和焊縫部位極易產(chǎn)生爆瓷。

2.4搪燒工藝

搪燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，也是搪玻璃壓力容器制造的一個(gè)關(guān)鍵工序。影響搪燒質(zhì)量的因素主要有濕度和搪燒工藝參數(shù)控制。濕度過大容易因氫壓力產(chǎn)生的應(yīng)力超過玻璃層強(qiáng)度而發(fā)生爆瓷；搪燒工藝不合理因較大的殘余應(yīng)力超過玻璃層強(qiáng)度而發(fā)生爆瓷。

2.4.1濕度

鱗爆易受季節(jié)性的影響，濕度大的環(huán)境容易引發(fā)鱗爆，特別是梅雨季節(jié)出現(xiàn)鱗爆的概率遠(yuǎn)高于其他時(shí)間段。濕度大的環(huán)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(jìn)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(nèi)濕度，在搪燒時(shí)汽化成水蒸氣，水蒸氣與碳、鐵反應(yīng)生成氫，搪燒溫度超過350℃時(shí)氫被鋼材大量吸收[7]，冷卻時(shí)大量的氫在其空穴內(nèi)積滯形成較高的內(nèi)壓，當(dāng)應(yīng)力超過玻璃層強(qiáng)度時(shí)發(fā)生爆瓷。因此，在搪玻璃設(shè)備制造過程中應(yīng)保證各制造環(huán)節(jié)的干燥，從源頭上防止鱗爆的產(chǎn)生。

2.4.2工藝參數(shù)控制

搪玻璃復(fù)合層是玻璃層與金屬基材在800～900℃溫度下燒成后復(fù)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(guān)系，而鋼的收縮變化率與溫度可視為線性變化關(guān)系，因此搪玻璃復(fù)合層中存在殘余應(yīng)力。研究表明，殘余應(yīng)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(jìn)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(yīng)力的大小和方向。搪玻璃設(shè)備由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品各部位受熱不均勻、溫差大、各處瓷釉成形質(zhì)量不一。出爐冷卻過程是搪玻璃層殘余應(yīng)力形成的過程，冷卻速度越快，釉層的殘余應(yīng)力越大。

傳統(tǒng)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(shè)備公司普遍采用受控搪燒技術(shù)，它的特點(diǎn)是可根據(jù)產(chǎn)品的形狀、瓷釉和鋼材物化參數(shù)設(shè)定非線性升降溫曲線，采用搪燒后緩冷方法降低殘余應(yīng)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(shù)較傳統(tǒng)搪燒工藝，搪玻璃層的殘余應(yīng)力可降低39%[9]。因此，改善搪燒工藝可以提升搪瓷質(zhì)量，降低爆瓷概率。

3 結(jié)束語

筆者從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)力來源和影響因素，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致爆瓷的應(yīng)力來源主要有結(jié)構(gòu)應(yīng)力、氫等氣體形成的應(yīng)力、相變應(yīng)力和殘余應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和制造過程形狀偏差均會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力，當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過搪玻璃層強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生爆瓷；材料化學(xué)成分不合理、焊接工藝不當(dāng)、濕度過大均會因氫等氣體形成的應(yīng)力超過搪玻璃層強(qiáng)度極限發(fā)生爆瓷；搪燒時(shí)材料發(fā)生相變產(chǎn)生相變應(yīng)力，當(dāng)相變應(yīng)力超過搪玻璃層強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生爆瓷；因搪燒工藝參數(shù)控制不當(dāng)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力超過搪玻璃層強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，對大開孔邊緣、非徑向接管及布管集中區(qū)等高應(yīng)力區(qū)域盡量采用大圓弧或經(jīng)形狀優(yōu)化的特殊曲線過渡來降低其應(yīng)力水平；在制造方面，搪玻璃設(shè)備制造所用的鋼材應(yīng)為搪玻璃專用鋼，并需嚴(yán)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(yán)格控制搪玻璃設(shè)備各制造環(huán)節(jié)的濕度，采用受控搪燒工藝，提升搪瓷質(zhì)量。

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