李隆駿 洪君華 馬 剛

(臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心)

文獻(xiàn)[1]表明，20世紀(jì)80年代至90年代初，國內(nèi)水晶釜爆裂性事故有8起，釜體開裂和泄漏事故有數(shù)十臺，事故釜基本為通孔型結(jié)構(gòu)，事故原因大部分為應(yīng)力腐蝕開裂。有關(guān)科研機(jī)構(gòu)所做的失效分析認(rèn)為：引起水晶釜釜體破裂失效的原因是多方面因素共同作用的結(jié)果。除去制造帶來的材料本身質(zhì)量欠佳及釜體材料PCrNi3MoVA具有350～400℃長期等溫脆性傾向?qū)е虏牧闲阅芟陆档仍蛑?，水晶釜在生產(chǎn)工況下的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性是主要原因[2]。而應(yīng)力腐蝕失效的裂紋源基本位于底部臺階附近。

浙江某廠曾做過大量破裂失效水晶釜的解剖分析，發(fā)現(xiàn)大部分由底部內(nèi)表面軸向裂紋引起(國內(nèi)亦發(fā)生過內(nèi)表面周向裂紋引起的爆炸事故)，從內(nèi)壁呈輻射狀擴(kuò)展開，且裂紋源都在釜體底部堵底塞位置的臺階附近。

1 傳統(tǒng)通孔型水晶釜應(yīng)力腐蝕原因分析

超高壓水晶釜(以下簡稱水晶釜)的主要參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力151MPa，工作壓力137MPa；設(shè)計(jì)溫度400℃，工作溫度約380℃；工作介質(zhì)NaOH溶液；內(nèi)徑為φ180～400mm不等，壁厚80～120mm不等；主體材料為PCrNi3MoVA或708。工作方式為電阻絲或加熱帶筒體外纏繞加熱，一個工作周期為40～60d。

從生產(chǎn)條件可知，水晶釜在生產(chǎn)過程中已同時具備了應(yīng)力腐蝕的3個條件，即高溫、高堿濃度和拉伸應(yīng)力。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的通孔型水晶釜在釜體底部有一個內(nèi)徑臺階，堵底螺通過壓環(huán)作用于堵底密封環(huán)(材料為T2紫銅)上，頂緊臺階上的堵底塞產(chǎn)生初始密封(圖1)。裝配緊密之后，在堵底塞底面與釜體臺階之間會產(chǎn)生一個窄縫隙。

有關(guān)研究表明，上述底部結(jié)構(gòu)會在臺階處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)原勞動部鍋檢中心所做的φ280mm水晶釜耐壓試驗(yàn)應(yīng)力分析可知[2]：在205MPa耐壓試驗(yàn)壓力下，釜體內(nèi)壁最大環(huán)向拉伸應(yīng)力為380MPa；當(dāng)釜體處于正常生產(chǎn)的保溫狀態(tài)時，釜體內(nèi)壁最大環(huán)向拉伸應(yīng)力為382MPa；而當(dāng)釜體升溫過程中，壓力接近工作壓力時，出現(xiàn)了釜體的最大環(huán)向拉伸應(yīng)力，位于釜體底部臺階附近區(qū)域的內(nèi)壁，其值可達(dá)460MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.57，形成局部的高拉伸應(yīng)力區(qū)。此外，紫銅密封環(huán)熱膨脹也會造成局部的附加應(yīng)力。

1.2 介質(zhì)

當(dāng)水晶釜內(nèi)壁與介質(zhì)接觸后，會自然形成一種均勻、堅(jiān)硬的保護(hù)膜。但在高溫、高堿環(huán)境中，保護(hù)膜就不容易形成或生成后也被腐蝕溶解，造成金屬基體腐蝕，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生源。在堵底塞與釜體臺階處的窄縫隙內(nèi)易沉積堿性物質(zhì)，導(dǎo)致堿濃度更高。

1.3 工藝

在實(shí)際的水晶生產(chǎn)過程中，如果裝滿度控制不準(zhǔn)時，存在超壓運(yùn)行的可能性，同時存在由于裝滿度不夠而超溫運(yùn)行的可能性。在底部臺階部位，水晶生產(chǎn)工藝上要求加熱溫度比上部略高，存在一定的溫差。因此在水晶釜的釜體下部，工況尤為惡劣。底部臺階附近部位，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫差應(yīng)力、附加應(yīng)力的多重作用下，將加速應(yīng)力腐蝕微裂紋萌生與擴(kuò)展，最終導(dǎo)致水晶釜的破壞。典型應(yīng)力腐蝕裂紋如圖2所示。

圖2 應(yīng)力腐蝕裂紋

此外，通孔型水晶釜由于結(jié)構(gòu)上采用T2紫銅作為堵底密封環(huán)材料，還有如下缺點(diǎn)：

a. 長期的高溫、高壓環(huán)境會使銅材發(fā)生蠕變、松馳而造成泄漏，山東某一水晶廠曾發(fā)現(xiàn)過密封環(huán)銅帶從密封塞擠出進(jìn)入高壓釜內(nèi)腔達(dá)30mm的現(xiàn)象；

b. 高溫環(huán)境會導(dǎo)致銅的氧化速度加快，抗氧化性能變差，是造成泄漏的主要原因之一；

c. 微量的銅離子滲透進(jìn)入高壓釜內(nèi)腔，參與水晶生產(chǎn)過程，將影響水晶產(chǎn)品的質(zhì)量，江西某廠曾發(fā)現(xiàn)過生產(chǎn)結(jié)束后倒出來的剩余原料發(fā)藍(lán)，說明銅離子的滲透量已相當(dāng)大。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型建立

水晶釜生產(chǎn)的工況、工藝一般來說是難以改變的，所以，要盡可能避免應(yīng)力腐蝕失效，主要從設(shè)計(jì)上對盡量避免產(chǎn)生高的拉伸應(yīng)力區(qū)進(jìn)行考慮。筆者建立了一種水晶釜底部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型(圖3)。

圖3 水晶釜底部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

2.2 優(yōu)化措施

水晶釜釜體底部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有以下4種措施：

a. 在水晶釜釜體下部內(nèi)壁采用小角度外錐角(3°30′)取代內(nèi)徑臺階，以改善局部應(yīng)力狀況，要求拐角處圓滑過渡；

b. 堵底密封環(huán)外錐角設(shè)計(jì)為3°，與釜體內(nèi)壁有0.5°的角度差，以保證自緊式密封；

c. 堵底密封環(huán)內(nèi)錐面與堵底塞斜面也有0.5°的角度差，以保證自緊式密封；

d. 堵底密封環(huán)采用較高強(qiáng)度的低合金鋼(硬度值略低于釜體硬度)取代紫銅環(huán)，目的在軸向載荷的作用下，依靠兩個密封面的擠壓，使接觸應(yīng)力較高而產(chǎn)生局部塑性變形，但整體仍保持彈性變形，因?yàn)榫植康臄D壓應(yīng)力超過材料的屈服極限，密封條件得以保證。

2.3 工況分析

底部密封分兩個階段進(jìn)行：即初始密封和自緊密封。由于存在角度差，堵底密封環(huán)與釜體及堵底塞是線接觸的，堵底螺擰到位后，施以較大的力施緊預(yù)緊螺母，使堵底密封環(huán)楔尖局部塑性變形，達(dá)到初始密封。在水晶釜工作時，內(nèi)壓升高后，推動堵底塞的軸向力隨內(nèi)壓升高而增大，實(shí)現(xiàn)自緊式密封。

這種密封結(jié)構(gòu)裝配時，要求設(shè)備必須豎直放置，不可橫向裝配。并要求施加較大的預(yù)緊力。在經(jīng)過一至二次升壓后(即水壓試驗(yàn)和第一次工作后)均要求再次對預(yù)緊螺母進(jìn)行擰緊，保證初始密封，然后再裝上底座，以保護(hù)底部密封組件。因此，這種密封結(jié)構(gòu)不適于永久固定式的水晶釜生產(chǎn)方式。

值得注意的是，在吊裝及就位時，要注意保護(hù)底部，不使堵底塞受到軸向向上的推力，否則可能致漏。

底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更后的優(yōu)點(diǎn)主要有：改善了應(yīng)力集中狀況，保證自緊式密封，避免了銅材的使用，可保證水晶產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.4 其他

也有資料提出另一種優(yōu)化方案，完全取消釜體下部內(nèi)壁小角度外錐角，其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不變，堵底密封環(huán)仍采用T2銅材。該結(jié)構(gòu)雖然可能改善應(yīng)力集中情況，但不能避免出現(xiàn)不良結(jié)果。

3 運(yùn)行情況

該底部改進(jìn)設(shè)計(jì)方案完成后，通過了具有設(shè)計(jì)資格單位的設(shè)計(jì)校核、認(rèn)可。十年間，該改進(jìn)結(jié)果在原浙江水晶集團(tuán)兩百多臺水晶釜修理中得到應(yīng)用，修理成功的水晶釜在各地分廠已經(jīng)過了數(shù)年的實(shí)際使用，未見一起書面的底部應(yīng)力腐蝕破裂失效的反饋。除了發(fā)生過數(shù)次操作泄漏(操作時誤使堵底塞受到軸向向上的推力)外，均能保證水晶釜安全平穩(wěn)運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)束語

水晶釜開裂性事故起因大部分為應(yīng)力腐蝕，裂紋源多產(chǎn)生在釜體底部堵底塞位置的臺階附近。在底部臺階附近部位，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫差應(yīng)力、附加應(yīng)力的多重作用加速應(yīng)力腐蝕微裂紋萌生與擴(kuò)展，最終導(dǎo)致水晶釜的破壞。傳統(tǒng)通孔型結(jié)構(gòu)的水晶釜釜體底部的臺階是優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。釜體底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后能極大地改善釜體底部應(yīng)力集中狀況、避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，并能保證密封性能，運(yùn)用后起到了保障設(shè)備安全，提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 董尚元，李新成.超高壓水晶釜的使用與在役檢驗(yàn)[J].鍋爐壓力容器安全技術(shù)，1996，(6)：32～35.

[2] 張永生，梁金忠.PCrNi3MoV鋼350℃長時間等溫脆性傾向[J].壓力容器，1996，13(6)：71～73.