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探究搪玻璃反应釜的耐压试验压力

发布日期:[ 2016年3月24日 ] 共阅[ 3847 ]次

1前言

耐压试验是压力容器检验检测的一个重要手段,在我国现有的压力容器安全性检验工作中占有重要的地位。我国《压力容器安全监察规程》(1999版)(以下简称《容规》)明文规定对于容积大于5000L带夹套搪玻璃设备应逐台进行内筒及夹套的耐压试验,并规定耐压试验压力必须符合图样的要求且不小于1.25倍设计压力。

然而搪玻璃反应釜广泛用于强酸、强碱等强腐蚀性介质环境中,其耐腐蚀性能取决于搪玻璃层的致密性和完整性,较高的耐压试验压力是否会造成搪玻璃这种很度脆性材料出现微裂纹等损伤而影响其使用寿命,一直为搪玻璃反应釜制造厂和用户所关注。

文中通过应力计算和试验分析,结果表明:将耐压试验压力确定为1.25倍设计压力并不足以对搪玻璃层造成直接的损伤。

2搪玻璃反应釜耐压试验情况的现状

对一些规模较大的搪玻璃容器制造厂家进行了调研,其中大多数搪玻璃反应釜制造厂对内筒设计压力0.6MPa以上以及中压带夹套的搪玻璃反应罐和容积在10m3以上的大规格搪玻璃储罐,均按照《容规》的要求执行了耐压试验,但对于内筒设计压力Q6MPa以下的带夹套的搪玻璃反应罐,并没有严格执行相应的耐压试验的检验要求。

企业方面认为:一方面,考虑到搪烧过程有可能出现的失稳,一般搪玻璃反应釜筒体厚度远大于其设计厚度;另一方面,搪玻璃反应釜大多具有搅拌功能,在出厂时按设计压力进行运转试验和密封试验。因此没有必要再一味强调进行耐压试验。

3搪玻璃试样拉伸试验

为了确切地认知耐压试验对搪玻璃层产生的影响,同时观察搪玻璃的试样在受不断增大的拉伸载荷时的失效过程,文中设计进行了搪玻璃试样的拉伸试验。

3.1试验的设计

试样为板条型标准拉伸试样,试样的几何尺寸根据GB/T228—2002《金属室温拉伸试验方法》进行选取,并在不同的搪玻璃反应釜制造厂按其正常的搪烧工艺进行搪烧,试样的几何尺寸如图1所示,试样同时具有不同的试板厚度和搪玻璃层厚度,如表1所示。
表1试样及搪玻璃层厚度

试验的拉伸速率是影响试验效率和观察效果的关键因素,经过多次试拉伸,本次试验确定的加载速率根据不同的钢板厚度分别取0.4和Q25kN/s,试验在多功能拉伸试验机MTS-880上进行,试验的具体操作步骤参照GB/T228-2002的规定执行。

3.2试验结果

本次试验获得了大量的数据、图片和影像资料,受文章篇幅所限不能详细列出,其中图2给出了典型的试样拉伸过程的视频截图。

虽然各厂家均采用相同牌号的材料制备试样,但由于材料的生产厂家不同,材料的物理力学性能是不一样的,因此在统计试验结果的时候,本文主要考察的是搪玻璃层崩溃时拉应力与材料实测的屈服应的比值。

舍弃3个不合理的试验结果,图3给出了剩余27个试样搪玻璃层崩溃时拉应力分布的情况其中横坐标为搪玻璃层崩溃时试样的拉伸应力与试样实测屈服应力的比值,纵坐标为统计的试样数目。从图中可以看出,搪玻璃层崩溃时的拉伸应力与实测屈服应力十分接近,其值约在实测屈服应力值的87.44%~109.60%之间,又为材料说明书所标定的屈服应力的8742%~127.46之间。

3.3试验结果分析

通过对本次试验过程的观察,如图2所示,经过进一步分析和研究,有如下的发现:
图2典型的搪玻璃试样崩溃过程视频截图

(1)搪玻璃层崩溃应力与生产厂家的工艺水平和材料质量水平有关,一般同一生产采用相同批次材料的试样的试验结果十分接近。

(2)搪玻璃层崩溃应力与搪玻璃层的厚度有关,同一组试样当中,搪玻璃层较厚的试样崩溃时的应力值明显高于较薄的试样。

(3)搪玻璃层的破裂速度很快,一旦出现起裂点,搪玻璃层即会在短时间内迅速崩溃,这也证明了搪玻璃层脆性很大的特点。

(4)煨据观察的结果,搪玻璃层的破裂往往是分层破裂,即往往是搪玻璃层的表层先破裂,随着载荷的进一步加大,底层才进一步崩溃,因此证明搪玻璃层崩溃的原因并不取决于搪玻璃层和筒体的贴合界面的失效,而是由搪玻璃层本身很大的脆性所决定。

(5)从图3中可以看出:搪玻璃层崩溃时的应力水平与材料的屈服应力大致相当,从而证实了液压试验本身并不会先于设备简体对搪玻璃层产生破坏性影响。
图3搪玻璃层启裂时应力分布情况统计

(6)搪玻璃层崩溃的起裂点往往不是位于试样较终断裂的颈缩区域,而是位于应力情况较为复杂的试样两端,因此可以确定搪玻璃层的崩溃不仅与应力的大小有关,也与应力的方向有关,显然搪玻璃层在受多向应力时更易受到损伤乃至崩溃。

4搪玻璃反应釜应力分析

典型的搪玻璃反应釜通常由内筒和夹套组成,由于夹套内同样存在有压力载荷,因此夹套与内筒联接处的应力情况复杂,产生应力集中的可能性非常大。为了确切了解此部位应力集中的情况,文中利用ANSYs有限元分析工具对典型带夹套搪玻璃反应器进行应力强度分析,模拟中建立的是夹套与内筒联接处的局部简化模型。

本例中取材于某公司DN3000的搪玻璃夹套反应器,并根据设计图纸及《容规》的规定,选取内筒和夹套的耐压试验压力都为0.81MPa。

根据模拟计算的结果,耐压试验的情况下此部位的应力集中现象十分明显,但其值远小于材料的屈服强度值,图4给出了该模型有限元计算结果的VONMise应力云图。
VoNMises应力云图

因此根据本文对搪玻璃试样的拉伸试验结果,在《容规》规定的耐压试验压力下对该设备进行耐压试验,并不足以对设备本身的搪玻璃层造成损害。

5讨论与总结

事实上国内外相关标准对水压试验压力的规定是类似的,主要的差别往往体现在对系数取值的不同。在《容规》的基础上,我国相关的行业部门也正在力图对搪玻璃设备水压试验压力进行研究和修正。

GB/T7994-2005《搪玻璃水压试验方法》是我国较近出台的一部有关搪玻璃设备水压试验的国家推荐标准。GB/T7994-2005根据《容规》(1999版)的规定,在GB/T7994-1987的基础上进行了一些修订,其对水压试验压力的规定如表2所示。显然,与《容规》(1999版)相比,GB/T7994-2005并没有从本质上对耐压试验压力进行修改,只是明确了简体与夹套须采用不同的试验压力计算方法。
表2水压试验压力值

欧美国家也有着相似的规定,ASME(2004)强制性附录27《搪玻璃容器的另一种要求》274“耐压试验”特别的规定:搪玻璃容器的液压试验压力至少应等于(但不必很过)容器铭牌上规定的较大许用工作压力值;搪玻璃容器的夹套液压试验压力至少应等于(但不必很过)夹套上。规定的较大许用压力值。

由于在对带夹套的搪玻璃反应罐的设计方案中,考虑到搪烧时的简体变形,设计时内筒壁厚一般远大于设计壁厚,因此ASME所规定的耐压试验压力远大于我国《容规》(1999版)的规定,证明我国当前对搪玻璃设备耐压试验压力的规定是较为保守的。

6结论与展望

针对搪玻璃设备制造企业对现有液压试验规范的疑问,文中通过一系列研究工作认为:我国现行的检验标准和规范对于搪玻璃设备的液压试验压力的规定,并不是造成搪玻璃容器在试验中多次损害的直接原因,且是保守的。

实际上在液压试验中也并未大量出现过因液压试验本身而产生的简体搪玻璃层的损坏情况,只是试验过程中的一些人为动作,诸如:紧固夹头装夹等,常常会损伤搪瓷面,造成设备功能完整性的缺失,从而导致经济损失。因此进一步严格规范搪玻璃设备的水压试验的步骤,提高试验人员的业务水平是解决当前制造企业担忧的有效手段。

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