搪玻璃压力容器爆瓷失效因素探析范文

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搪玻璃压力容器作为压力容器的一个重要分支，不但具有常规压力容器的共性，而且具有耐腐蚀性、不粘性、绝缘性及隔离性等特性，被广泛应用于化工、医药、冶金及食品等行业。搪玻璃压力容器的失效通常源于搪玻璃层的破损，制造过程中搪玻璃产品发生的爆瓷事故约占总事故的90%以上，其中约有40%发生在产品结构的R处，占爆瓷事故的第一位;另有28%的爆瓷事故发生在产品结构的焊接处［1］。搪玻璃层是一种非常脆的非金属材料，其延伸率近似为0，抗拉强度的上限小于金属基体的许用应力。搪玻璃层受到外加载荷产生的机械应力过大或其热应力和内部应力过大均会使其破裂。爆瓷失效主要分为应力爆瓷和鳞爆［2］，由物理应力引起的爆瓷称为应力爆瓷，由氢引起的爆瓷称为鳞爆，但两者均由主应力超过瓷层强度引起，并与搪玻璃设备的结构设计、材料及制造工艺等方面引起的应力有关。笔者从结构设计与制造两方面研究分析了搪玻璃压力容器爆瓷失效的应力来源与影响因素，并提出相应的改进措施。

1结构设计

在工程中常出现壳体接管R处搪玻璃层发生爆瓷，这与R处应力的大小和分布有关。压力容器管口接管附近的局部范围内，因结构不连续产生较高的不连续应力，从而形成局部高应力区。很多案例的有限元分析表明，接管R处金属基体的最大主应力出现位置与搪玻璃层的最大主应力出现位置相同，主应力超标是搪玻璃层开裂最主要的原因［3］。搪玻璃层试样的拉伸试验表明其崩溃不仅与应力的大小有关，还与应力的方向有关，在受多向应力作用时搪玻璃层更易受到损伤［4］。在接管R外圆弧处瓷层受到压应力的同时还受到一个与压应力垂直向外的张应力［5］。因此接管R处搪玻璃层的稳定性较平面的差，是最易出现搪玻璃层破坏的区域。降低接管R处应力是预防爆瓷的有效方法，GB25025-2010规定［6］:设备基体搪玻璃层不应存在非连续结构，所有转角部位应圆滑过渡，搪玻璃设备金属基体的管口应采用顶孔翻边对接形式。搪玻璃管口形式从外形上可分为A型(图1a、c)和B型(图1b、d);从管口与壳体的连接形式上可分为对接式(图1a、b)和嵌入式(图1c、d)。随着我国搪玻璃行业整体制造水平的提高，在HG/T2371～2372-1992《搪玻璃搅拌容器》中B型管口被大量采用;对接式结构相比于嵌入式结构，其容器的整体受力情况更好，因此HG/T2143-1991《搪玻璃设备管口》中搪玻璃设备零部件废止了嵌入式管口，而采用对接式管口。通过采用大圆弧或形状优化等方式降低大开孔边缘、非径向接管及布管集中区域等不连续结构高应力区的应力水平，接管采用带圆弧过渡的顶孔对接式结构，可有效降低金属基体的应力水平，从而降低搪玻璃层的应力。

2制造过程

2．1材料化学成分金属材料化学成分对搪玻璃层爆瓷的影响主要表现为:一方面制造过程中有害元素产生氢等气体，搪烧时因材料组织相变而使其溶氢能力产生差异，使氢等气体滞留在材料内部空穴积聚，当压力超过搪玻璃层强度极限时发生爆瓷;另一方面含C量高的材料的相转变温度低，搪烧时材料结构变形量大，致使结构应力增大从而引起爆瓷。钢的C含量越高，搪烧时产生的CO、CO2、H2越多;Mn含量大于0．6%、S含量大于0．055%时搪玻璃层的透水性急剧增加［7］，搪烧时产生的H2也越多，同时Mn含量高还会降低相转变温度;Si、Cr含量过高也会增加爆瓷机率。在900℃搪烧温度下，搪玻璃压力容器用钢Q235B和Q345R会发生铁素体α相→奥氏体γ相的转变，有过量的氢进入γ相的晶格间隙中;而在冷却过程中发生γ→α相的转变后，由于溶氢能力不同(γ相约为α相的1．5倍)，氢会重新释放出来聚集在材料内部空穴处。为了降低爆瓷概率，在金属材料选材上应合理控制材料的化学成分，降低氢等气体的形成概率，C含量宜控制在0．12%以下，应按标准控制钢材中Mn与S含量，适当增加Ni及P等抗鳞爆元素;通过添加元素(如Ti、Zr及B等元素)设置化学氢陷，降低因相组织的溶氢能力不同而使氢等气体滞留在材料内部空穴积聚;搪玻璃设备制造所用钢材应为搪玻璃专用钢。

2．2形状偏差压力容器壳体形状不连续(如表面凹凸不平、截面不圆及接缝错边等)会在壳体内部形成附加弯曲应力和剪应力，导致局部区域应力过高。搪玻璃压力容器椭圆度过大，壳体在压应力的作力下产生变形(向圆的方向扩张)，搪玻璃层在变形应力作用下易发生爆瓷。搪烧过程中高温使钢材刚度大幅下降，筒体过薄、搪烧温度过高、多次覆搪、搪烧变形控制不好及变形校正技术差等原因均会造成搪玻璃设备椭圆度增大。因此，必须严格控制壳体的椭圆度，搪玻璃设备内圆最大直径和最小直径差(圆度公差)应小于0．01DN［6］。厚度差(如筒体和封头的厚度不一致)也会导致搪玻璃层大面积开裂，一方面是因几何结构不连续，该部位局部应力过高;另一方面是搪烧时因厚度不一致产生温度梯度并形成很大的热应力，从而导致产生微裂纹;同时，较薄的部位在搪烧时升温快、高温时段长，使瓷面搪烧过火、瓷面韧性降低、脆性加大，使用时极易发生爆瓷。

2．3焊接及热处理焊接处是搪玻璃层爆瓷的高发部位，这是与焊接处形成的应力有关。搪烧后焊接部位存在较大的相变应力，对搪玻璃层产生一定的附加应力;同时，在搪烧过程中焊缝部位吸收并聚集了比母材多的氢等气体，在冷却过程中未及时得到彻底释放，搪玻璃层与焊缝间的应力比母材与搪玻璃层间的应力大。在相变应力形成的附加应力与H2形成的应力双重作用下，焊接处极易发生爆瓷。为降低焊接处的爆瓷概率，应制定合理的焊接工艺，降低H2含量，消除相变应力。焊接过程中氢等气体的形成与焊材中的有机物存在密切关系。一般酸性焊条的药皮中加有有机物，因此熔敷金属的含氧量和含氢量较高;碱性焊条的药皮中不加有机物，含氧量和含氢量较低。同时，使用酸性焊条产生的非金属夹杂物要比碱性焊条的多。焊缝中的非金属夹杂物在焊缝中不是均匀分布的，而是以偏析状态分布，它们的存在为搪烧加热过程中气体的吸收、储存提供了十分有利的条件，是焊缝吸收的气体多于母材的主要原因。使用碱性焊条能减少焊缝吸入的气体量，且碱性焊条施焊速度不会太快，改善了金属晶体结构，减少焊接产生的组织缺陷。试验研究表明，单独采用酸性焊条焊接与采用酸性焊条打底、碱性焊条盖面的焊接工艺相比较，后者的管口部位焊接处爆瓷概率明显降低，增强了搪烧成效。在制造过程中，由于钢板卷筒、冲压和焊接会产生大量的内应力，因此在搪烧底釉前应采用热处理将其消除，如未进行热处理或热处理不彻底，将致使设备残留大量应力，在接管R处和焊缝部位极易产生爆瓷。

2．4搪烧工艺搪烧是一个复杂的物理化学过程，也是搪玻璃压力容器制造的一个关键工序。影响搪烧质量的因素主要有湿度和搪烧工艺参数控制。湿度过大容易因氢压力产生的应力超过玻璃层强度而发生爆瓷;搪烧工艺不合理因较大的残余应力超过玻璃层强度而发生爆瓷。

2．4．1湿度鳞爆易受季节性的影响，湿度大的环境容易引发鳞爆，特别是梅雨季节出现鳞爆的概率远高于其他时间段。湿度大的环境为氢提供了来源，一方面在制造过程中，因钢材的透水性会有水分进入钢材;另一方面炉壁潮湿、釉浆喷涂层未烘干及采用煤/油为热源等增加了炉内湿度，在搪烧时汽化成水蒸气，水蒸气与碳、铁反应生成氢，搪烧温度超过350℃时氢被钢材大量吸收［7］，冷却时大量的氢在其空穴内积滞形成较高的内压，当应力超过玻璃层强度时发生爆瓷。因此，在搪玻璃设备制造过程中应保证各制造环节的干燥，从源头上防止鳞爆的产生。

2．4．2工艺参数控制搪玻璃复合层是玻璃层与金属基材在800～900℃温度下烧成后复合的，由于材料物理性能的差异，降温过程中玻璃釉的收缩变化率与温度呈非线性关系，而钢的收缩变化率与温度可视为线性变化关系，因此搪玻璃复合层中存在残余应力。研究表明，残余应力是引起爆瓷最主要的原因［8］。搪烧过程一般可分为升温过程和降温过程。升温过程是工件从室温进炉后受热升温至搪玻璃釉完全玻璃化的温度;降温过程是工件从搪玻璃釉完全玻璃化的温度降至室温。搪烧固化温度和冷却温度决定了瓷层中应力的大小和方向。搪玻璃设备由于结构复杂，产品各部位受热不均匀、温差大、各处瓷釉成形质量不一。出炉冷却过程是搪玻璃层残余应力形成的过程，冷却速度越快，釉层的残余应力越大。传统搪烧工艺采用线性快速升降温法，主要控制最低搪烧温度与最高搪烧温度。目前，国外搪玻璃设备公司普遍采用受控搪烧技术，它的特点是可根据产品的形状、瓷釉和钢材物化参数设定非线性升降温曲线，采用搪烧后缓冷方法降低残余应力和最大限度地释放钢材中的氢气，研究表明，受控搪烧技术较传统搪烧工艺，搪玻璃层的残余应力可降低39%［9］。因此，改善搪烧工艺可以提升搪瓷质量，降低爆瓷概率。

3结束语

笔者从结构设计和制造两方面分析了搪玻璃压力容器搪玻璃层爆瓷失效的应力来源和影响因素，发现导致爆瓷的应力来源主要有结构应力、氢等气体形成的应力、相变应力和残余应力。结构设计不合理和制造过程形状偏差均会产生结构应力，当结构应力超过搪玻璃层强度极限时发生爆瓷;材料化学成分不合理、焊接工艺不当、湿度过大均会因氢等气体形成的应力超过搪玻璃层强度极限发生爆瓷;搪烧时材料发生相变产生相变应力，当相变应力超过搪玻璃层强度极限时发生爆瓷;因搪烧工艺参数控制不当产生的残余应力超过搪玻璃层强度极限时发生爆瓷。为了降低搪玻璃压力容器制造过程中的爆瓷概率，在结构设计方面，对大开孔边缘、非径向接管及布管集中区等高应力区域尽量采用大圆弧或经形状优化的特殊曲线过渡来降低其应力水平;在制造方面，搪玻璃设备制造所用的钢材应为搪玻璃专用钢，并需严格控制Mn及S等有害元素的含量，要合理控制椭圆度和厚度差，选择合理的焊接工艺与热处理工艺，严格控制搪玻璃设备各制造环节的湿度，采用受控搪烧工艺，提升搪瓷质量。

作者：陈海云 邢璐 丁无极 盛水平 单位：杭州市特种设备检测研究院