1前言

耐壓試驗(yàn)是壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)的一個(gè)重要手段，在我國(guó)現(xiàn)有的壓力容器安全性檢驗(yàn)工作中占有重要的地位。我國(guó)《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》(1999版)（以下簡(jiǎn)稱《容規(guī)》）明文規(guī)定對(duì)于容積大于5000L帶夾套搪玻璃設(shè)備應(yīng)逐臺(tái)進(jìn)行內(nèi)筒及夾套的耐壓試驗(yàn)，并規(guī)定耐壓試驗(yàn)壓力必須符合圖樣的要求且不小于1.25倍設(shè)計(jì)壓力。

然而搪玻璃反應(yīng)釜廣泛用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中，其耐腐蝕性能取決于搪玻璃層的致密性和完整性，較高的耐壓試驗(yàn)壓力是否會(huì)造成搪玻璃這種很度脆性材料出現(xiàn)微裂紋等損傷而影響其使用壽命，一直為搪玻璃反應(yīng)釜制造廠和用戶所關(guān)注。

文中通過(guò)應(yīng)力計(jì)算和試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：將耐壓試驗(yàn)壓力確定為1.25倍設(shè)計(jì)壓力并不足以對(duì)搪玻璃層造成直接的損傷。

2搪玻璃反應(yīng)釜耐壓試驗(yàn)情況的現(xiàn)狀

對(duì)一些規(guī)模較大的搪玻璃容器制造廠家進(jìn)行了調(diào)研，其中大多數(shù)搪玻璃反應(yīng)釜制造廠對(duì)內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力0.6MPa以上以及中壓帶夾套的搪玻璃反應(yīng)罐和容積在10m3以上的大規(guī)格搪玻璃儲(chǔ)罐，均按照《容規(guī)》的要求執(zhí)行了耐壓試驗(yàn)，但對(duì)于內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力Q6MPa以下的帶夾套的搪玻璃反應(yīng)罐，并沒有嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的耐壓試驗(yàn)的檢驗(yàn)要求。

企業(yè)方面認(rèn)為：一方面，考慮到搪燒過(guò)程有可能出現(xiàn)的失穩(wěn)，一般搪玻璃反應(yīng)釜筒體厚度遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)厚度；另一方面，搪玻璃反應(yīng)釜大多具有攪拌功能，在出廠時(shí)按設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和密封試驗(yàn)。因此沒有必要再一味強(qiáng)調(diào)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

3搪玻璃試樣拉伸試驗(yàn)

為了確切地認(rèn)知耐壓試驗(yàn)對(duì)搪玻璃層產(chǎn)生的影響，同時(shí)觀察搪玻璃的試樣在受不斷增大的拉伸載荷時(shí)的失效過(guò)程，文中設(shè)計(jì)進(jìn)行了搪玻璃試樣的拉伸試驗(yàn)。

3.1試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

試樣為板條型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，試樣的幾何尺寸根據(jù)GB/T228—2002《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行選取，并在不同的搪玻璃反應(yīng)釜制造廠按其正常的搪燒工藝進(jìn)行搪燒，試樣的幾何尺寸如圖1所示，試樣同時(shí)具有不同的試板厚度和搪玻璃層厚度，如表1所示。

試驗(yàn)的拉伸速率是影響試驗(yàn)效率和觀察效果的關(guān)鍵因素，經(jīng)過(guò)多次試?yán)?，本次試?yàn)確定的加載速率根據(jù)不同的鋼板厚度分別取0.4和Q25kN/s，試驗(yàn)在多功能拉伸試驗(yàn)機(jī)MTS-880上進(jìn)行，試驗(yàn)的具體操作步驟參照GB/T228-2002的規(guī)定執(zhí)行。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)獲得了大量的數(shù)據(jù)、圖片和影像資料，受文章篇幅所限不能詳細(xì)列出，其中圖2給出了典型的試樣拉伸過(guò)程的視頻截圖。

雖然各廠家均采用相同牌號(hào)的材料制備試樣，但由于材料的生產(chǎn)廠家不同，材料的物理力學(xué)性能是不一樣的，因此在統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果的時(shí)候，本文主要考察的是搪玻璃層崩潰時(shí)拉應(yīng)力與材料實(shí)測(cè)的屈服應(yīng)的比值。

舍棄3個(gè)不合理的試驗(yàn)結(jié)果，圖3給出了剩余27個(gè)試樣搪玻璃層崩潰時(shí)拉應(yīng)力分布的情況其中橫坐標(biāo)為搪玻璃層崩潰時(shí)試樣的拉伸應(yīng)力與試樣實(shí)測(cè)屈服應(yīng)力的比值，縱坐標(biāo)為統(tǒng)計(jì)的試樣數(shù)目。從圖中可以看出，搪玻璃層崩潰時(shí)的拉伸應(yīng)力與實(shí)測(cè)屈服應(yīng)力十分接近，其值約在實(shí)測(cè)屈服應(yīng)力值的87.44%～109.60%之間，又為材料說(shuō)明書所標(biāo)定的屈服應(yīng)力的8742%～127.46之間。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)本次試驗(yàn)過(guò)程的觀察，如圖2所示，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析和研究，有如下的發(fā)現(xiàn)：

（1)搪玻璃層崩潰應(yīng)力與生產(chǎn)廠家的工藝水平和材料質(zhì)量水平有關(guān)，一般同一生產(chǎn)采用相同批次材料的試樣的試驗(yàn)結(jié)果十分接近。

(2)搪玻璃層崩潰應(yīng)力與搪玻璃層的厚度有關(guān)，同一組試樣當(dāng)中，搪玻璃層較厚的試樣崩潰時(shí)的應(yīng)力值明顯高于較薄的試樣。

（3）搪玻璃層的破裂速度很快，一旦出現(xiàn)起裂點(diǎn)，搪玻璃層即會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速崩潰，這也證明了搪玻璃層脆性很大的特點(diǎn)。

（4)煨據(jù)觀察的結(jié)果，搪玻璃層的破裂往往是分層破裂，即往往是搪玻璃層的表層先破裂，隨著載荷的進(jìn)一步加大，底層才進(jìn)一步崩潰，因此證明搪玻璃層崩潰的原因并不取決于搪玻璃層和筒體的貼合界面的失效，而是由搪玻璃層本身很大的脆性所決定。

(5)從圖3中可以看出：搪玻璃層崩潰時(shí)的應(yīng)力水平與材料的屈服應(yīng)力大致相當(dāng)，從而證實(shí)了液壓試驗(yàn)本身并不會(huì)先于設(shè)備簡(jiǎn)體對(duì)搪玻璃層產(chǎn)生破壞性影響。

（6）搪玻璃層崩潰的起裂點(diǎn)往往不是位于試樣較終斷裂的頸縮區(qū)域，而是位于應(yīng)力情況較為復(fù)雜的試樣兩端，因此可以確定搪玻璃層的崩潰不僅與應(yīng)力的大小有關(guān)，也與應(yīng)力的方向有關(guān)，顯然搪玻璃層在受多向應(yīng)力時(shí)更易受到損傷乃至崩潰。

4搪玻璃反應(yīng)釜應(yīng)力分析

典型的搪玻璃反應(yīng)釜通常由內(nèi)筒和夾套組成，由于夾套內(nèi)同樣存在有壓力載荷，因此夾套與內(nèi)筒聯(lián)接處的應(yīng)力情況復(fù)雜，產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性非常大。為了確切了解此部位應(yīng)力集中的情況，文中利用ANSYs有限元分析工具對(duì)典型帶夾套搪玻璃反應(yīng)器進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析，模擬中建立的是夾套與內(nèi)筒聯(lián)接處的局部簡(jiǎn)化模型。

本例中取材于某公司DN3000的搪玻璃夾套反應(yīng)器，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及《容規(guī)》的規(guī)定，選取內(nèi)筒和夾套的耐壓試驗(yàn)壓力都為0.81MPa。

根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，耐壓試驗(yàn)的情況下此部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象十分明顯，但其值遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度值，圖4給出了該模型有限元計(jì)算結(jié)果的VONMise應(yīng)力云圖。

因此根據(jù)本文對(duì)搪玻璃試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，在《容規(guī)》規(guī)定的耐壓試驗(yàn)壓力下對(duì)該設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，并不足以對(duì)設(shè)備本身的搪玻璃層造成損害。

5討論與總結(jié)

事實(shí)上國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定是類似的，主要的差別往往體現(xiàn)在對(duì)系數(shù)取值的不同。在《容規(guī)》的基礎(chǔ)上，我國(guó)相關(guān)的行業(yè)部門也正在力圖對(duì)搪玻璃設(shè)備水壓試驗(yàn)壓力進(jìn)行研究和修正。

GB/T7994-2005《搪玻璃水壓試驗(yàn)方法》是我國(guó)較近出臺(tái)的一部有關(guān)搪玻璃設(shè)備水壓試驗(yàn)的國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)。GB/T7994-2005根據(jù)《容規(guī)》(1999版)的規(guī)定，在GB/T7994-1987的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些修訂，其對(duì)水壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定如表2所示。顯然，與《容規(guī)》（1999版）相比，GB/T7994-2005并沒有從本質(zhì)上對(duì)耐壓試驗(yàn)壓力進(jìn)行修改，只是明確了簡(jiǎn)體與夾套須采用不同的試驗(yàn)壓力計(jì)算方法。

歐美國(guó)家也有著相似的規(guī)定，ASME(2004)強(qiáng)制性附錄27《搪玻璃容器的另一種要求》274“耐壓試驗(yàn)”特別的規(guī)定：搪玻璃容器的液壓試驗(yàn)壓力至少應(yīng)等于（但不必很過(guò)）容器銘牌上規(guī)定的較大許用工作壓力值；搪玻璃容器的夾套液壓試驗(yàn)壓力至少應(yīng)等于（但不必很過(guò)）夾套上。規(guī)定的較大許用壓力值。

由于在對(duì)帶夾套的搪玻璃反應(yīng)罐的設(shè)計(jì)方案中，考慮到搪燒時(shí)的簡(jiǎn)體變形，設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)筒壁厚一般遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)壁厚，因此ASME所規(guī)定的耐壓試驗(yàn)壓力遠(yuǎn)大于我國(guó)《容規(guī)》（1999版）的規(guī)定，證明我國(guó)當(dāng)前對(duì)搪玻璃設(shè)備耐壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定是較為保守的。

6結(jié)論與展望

針對(duì)搪玻璃設(shè)備制造企業(yè)對(duì)現(xiàn)有液壓試驗(yàn)規(guī)范的疑問(wèn)，文中通過(guò)一系列研究工作認(rèn)為：我國(guó)現(xiàn)行的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)于搪玻璃設(shè)備的液壓試驗(yàn)壓力的規(guī)定，并不是造成搪玻璃容器在試驗(yàn)中多次損害的直接原因，且是保守的。

實(shí)際上在液壓試驗(yàn)中也并未大量出現(xiàn)過(guò)因液壓試驗(yàn)本身而產(chǎn)生的簡(jiǎn)體搪玻璃層的損壞情況，只是試驗(yàn)過(guò)程中的一些人為動(dòng)作，諸如：緊固夾頭裝夾等，常常會(huì)損傷搪瓷面，造成設(shè)備功能完整性的缺失，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。因此進(jìn)一步嚴(yán)格規(guī)范搪玻璃設(shè)備的水壓試驗(yàn)的步驟，提高試驗(yàn)人員的業(yè)務(wù)水平是解決當(dāng)前制造企業(yè)擔(dān)憂的有效手段。