陳仁樹，秦富友

（1.河南省應(yīng)急管理科學(xué)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000；2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016）

壓力噴放罐主要應(yīng)用在蒸汽噴爆制漿過程中。蒸汽噴爆法的主要設(shè)備包括蒸汽發(fā)生器、壓力噴放罐和接收裝置。在一定溫度、壓力的水蒸汽作用下，纖維素的結(jié)晶度提高，聚合度下降，半纖維素部分降解，木素軟化，植物纖維間的橫向聯(lián)結(jié)強度下降，甚至柔軟可塑，當(dāng)高壓蒸汽驟然減壓時，纖維孔隙中的氣體急劇膨脹，產(chǎn)生“爆破”效果，使部分木素剝離，并將原料脹裂為細(xì)小纖維。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于利用秸稈制取酒精的預(yù)處理過程當(dāng)中。在預(yù)處理過程中，秸稈在壓力噴放罐中恒壓蒸煮至預(yù)定時間，壓力噴放罐承受高溫與高壓的共同作用。若秸稈未經(jīng)預(yù)浸處理，在壓力噴放罐里，蒸汽把秸稈快速加熱到預(yù)定溫度，高壓的水蒸汽通過擴散作用，滲透進木質(zhì)纖維細(xì)胞壁內(nèi)，冷凝成液態(tài)水，使細(xì)胞壁受到潤濕，一部分半纖維素的乙酰基團水解，生成有機酸如乙酸和糠醛酸等，使得噴爆漿呈酸性，對壓力噴放罐起到一定的腐蝕作用[1-5]。

應(yīng)力腐蝕破裂是各種腐蝕行為中破壞性最大的一種，其腐蝕速度極快，常常在沒有任何預(yù)兆的情況下突然造成災(zāi)難性的事故，導(dǎo)致巨大的生命和財產(chǎn)損失[6]。因此人們越來越重視對應(yīng)力腐蝕的研究，并取得了重大的進展。但導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的因素較為復(fù)雜，環(huán)境、力學(xué)、冶金等眾多因素交織在一起，至今尚無統(tǒng)一的理論。

本文以壓力噴放罐為研究對象，根據(jù)壓力噴放罐的工作條件設(shè)計實驗裝置和配置溶液，采用U型彎曲試驗法進行應(yīng)力腐蝕實驗，并對腐蝕后的試件做金相分析，以確定試件是否受到應(yīng)力腐蝕作用。實驗結(jié)果有助于了解應(yīng)力腐蝕破裂的特征和規(guī)律，對壓力噴放罐在工作過程中的安全性進行評定，以提前采取必要的預(yù)防措施，避免事故的發(fā)生。

1 實驗條件的確定

1.1 壓力噴放罐的相關(guān)參數(shù)

壓力噴放罐由上部進料口（橢圓封頭部分）、中間筒體、下部出料口（錐形封頭部分）等部分組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。進料口示意圖如圖2所示，錐形封頭示意圖如圖3所示。壓力噴放罐罐體的材料為16MnR，設(shè)計壓力為2.3MPa，工作載荷為1.8MPa，加壓、卸壓循環(huán)，每30min波動1次，年操作時間為8760h，設(shè)計壽命為10a，工作溫度為210℃左右，此溫度下的彈性模量Et為201×103MPa 。

圖1 壓力噴放罐結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 進料口示意圖

圖3 錐形封頭示意圖

1.2 壓力噴放罐的局部應(yīng)力分析[7]

局部應(yīng)力的數(shù)值較大，破壞性也較大，很難對其進行理論計算，因此利用ANSYS有限元分析軟件，在壓力噴放罐的正常工作壓力1.8MPa下，對壓力噴放罐的局部應(yīng)力進行分析。分析結(jié)果顯示，進料口接管處的應(yīng)力最大值為此處的峰值應(yīng)力229.1MPa，筒體接管處的應(yīng)力最大值為此處的峰值應(yīng)力151.4MPa，錐形封頭折邊處的應(yīng)力最大值為此處的峰值應(yīng)力94MPa。

1.3 酸度的確定

在實驗室條件下，用玉米秸稈在1.8MPa壓力下做了10次噴爆實驗，分別測量所得噴爆漿的pH值，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，秸稈不經(jīng)過預(yù)浸處理時，所得噴爆漿的pH值在4.8～5.2之間。因此，此次應(yīng)力腐蝕實驗采用的是一定濃度的醋酸溶液，pH值在5左右，與壓力噴放罐在實際工作中接觸到的溶液酸度相符。

表1 1.8MPa壓力下不同爆破時間的噴爆漿對應(yīng)的pH值

2 試件的設(shè)計

由壓力噴放罐局部應(yīng)力的分析結(jié)果可知，壓力噴放罐在工作壓力下的最大應(yīng)力為229.1MPa，位置位于進料口與橢圓形封頭接管處，此處存在應(yīng)力集中，取應(yīng)力集中系數(shù)為3，故最大應(yīng)力有可能會達(dá)到687.3MPa。試件中的應(yīng)力應(yīng)該達(dá)到熱噴罐工作中可能達(dá)到的最大值，同時考慮到試件加工的難度，故設(shè)計試件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖4。

圖4 試件結(jié)構(gòu)尺寸圖（單位mm）

3 應(yīng)力腐蝕實驗

3.1 實驗方法

本實驗采用U形彎曲試驗法，實驗所用器材包括容器、pH計、電磁繼電器、溫度顯示儀表、電阻應(yīng)變儀、應(yīng)變片、精密溫度計、電加熱套、熱電偶溫度計、試件等。

各器材的相關(guān)參數(shù)如下：容器內(nèi)徑500mm，高度500mm，厚度5mm。PHS-25型pH計，電磁繼電器為CJT1-40交流接觸器，量程0～200℃的溫度調(diào)節(jié)儀，YJ-35型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，型號為BE120-2BA的應(yīng)變片，電阻值為120.1Ω，靈敏系數(shù)為2.20；量程為0～50℃、最小刻度為0.1℃的精密溫度計；電加熱套的額定功率為2500W，分度號為CK的銅-康銅熱電偶溫度計，測量范圍為0～200℃；試件結(jié)構(gòu)及尺寸見圖4，材料為16MnR。建好的實驗裝置如圖5所示。

圖5 實驗裝置示意圖

3.2 實驗過程

將試件進行加載，用電測法對試件進行應(yīng)力測量并記錄和處理實驗數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測得的試件中的應(yīng)變和應(yīng)力值

將一定量的冰醋酸放入容器中，加入蒸餾水并攪拌均勻，用pH計測量pH值達(dá)到5.00為止。將加載好的試件和配置好的溶液放入筒體中并開始加熱，將溶液溫度設(shè)定在100℃。每隔一段時間用小燒杯在筒體中取少量溶液，先用精密溫度計測出溫度值，再用pH計測出pH值。如果所測得的pH值與5.00相差過大，可向筒體內(nèi)加醋酸或蒸餾水，重新調(diào)節(jié)pH值在5.00左右，以保證試件一直浸泡在此pH值范圍的溶液中。

4 實驗結(jié)果

將所測得的幾次pH值取平均值，作為這1天溶液的pH值。醋酸溶液的pH值隨時間的變化情況如表3所示。

表3 醋酸溶液的pH值隨時間的變化表

加載過的試件在未腐蝕前、腐蝕后以及清理完表面腐蝕產(chǎn)物后的局部圖，分別如圖6(a)、(b)、(c)所示。

圖6 試件的局部圖

5 金相觀測

對腐蝕過的試件和未腐蝕過的試件分別取樣，制成金相試樣，利用金相顯微鏡對拋光后的金相試樣進行觀測，觀察其顯微組織的變化并采集照片。未腐蝕的試樣內(nèi)部組織如圖7(a)所示，腐蝕過的試樣內(nèi)部組織如圖7(b)、(c)、(d)、(e)所示。

圖7 未腐蝕和腐蝕試樣的金相照片

6 結(jié)論

1）由實驗結(jié)果可知，腐蝕后的試件在宏觀上無破裂現(xiàn)象；由金相觀測結(jié)果可知，在微觀上，組織內(nèi)部有一些蝕坑和一些微裂紋，微裂紋的方向無任何規(guī)律，周圍比較平滑，很少有裂紋分枝存在，與應(yīng)力腐蝕破裂的裂紋特征相差很大，因此試件受到的腐蝕并非應(yīng)力腐蝕。

2）醋酸溶液對試件的腐蝕屬于全面腐蝕。從宏觀圖像上可以看出，試件整體厚度變薄，外表面均勻覆蓋了一層較厚的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物呈紅色，說明在腐蝕過程中有氧的參與，加快了腐蝕速率。從微觀圖像上可以看出，內(nèi)部組織的微裂紋較多，表明醋酸溶液對試件的腐蝕比較嚴(yán)重。

3）壓力噴放罐在正常工作環(huán)境中沒有受到應(yīng)力腐蝕作用。在爆破未經(jīng)預(yù)浸處理的物料時，壓力噴放罐在工作過程中受到的全面腐蝕較為嚴(yán)重，局部腐蝕則不是很嚴(yán)重。