人造石英晶體超高壓釜爆炸原因分析及其預(yù)防措施

彭志國　張洋洋　唐起生　濮克淼

摘 要 現(xiàn)如今，國民經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)逐漸朝著智能化和自動化的方向發(fā)展。超高壓反應(yīng)釜在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，能夠滿足現(xiàn)代的工藝要求，保證工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。但是，超高壓釜在運行過程中，常常發(fā)生爆炸事故。基于此，文章主要對人造石英晶體超高壓反應(yīng)釜的爆炸原因進行了分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞 超高壓釜 人造石英晶體 爆炸原因 預(yù)防措施

中圖分類號：TQ052.4 文獻標(biāo)識碼：A

1超高壓釜概況

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，不同的生產(chǎn)工藝其對超高壓釜的參數(shù)設(shè)計也存在著很大的不同。為了充分了解超高壓釜爆炸原因，文章對超高壓釜的規(guī)格進行了設(shè)定：人造石英晶體超高壓釜的內(nèi)徑為270mm，最小壁厚為77.5mm，材料為PCrNi3MoVA，并經(jīng)整體鍛造、消除內(nèi)應(yīng)力熱處理、最后鏜孔而成，見圖1：

超高壓反應(yīng)釜外壁采用的是電阻絲加熱方式，然后利用保溫桶進行保溫，釜內(nèi)裝有碎水晶及當(dāng)量濃度為1.0-1.25N的氫氧化鈉溶液，（1.2N的氫氧化鈉溶液對應(yīng)的百分比濃度為5%）。加熱溫度在升高的過程中，超高壓反應(yīng)釜內(nèi)的溶液會汽化，反應(yīng)釜內(nèi)部的壓力也會隨之升高，導(dǎo)致碎水晶在高壓的條件下溶于堿溶液中。此外，超高壓反應(yīng)釜的設(shè)計壓力為151MPa，其上部溫度控制在335℃左右，下部的溫度大致控制在370℃左右。這樣的溫度控制模式，能夠使反應(yīng)釜的下部飽和水晶堿溶液達到釜上部，從而使得上部釜溫度降低，其溶液呈過渡飽和狀態(tài)，有利于水晶的析出。而在超高壓反應(yīng)釜內(nèi)上部掛著的晶種上再結(jié)晶，于是便制得人造水晶，其生長周期約50天，這種方法稱為水熱溫差制造法。

2爆炸事故發(fā)生原因分析

據(jù)報告顯示，超高壓反應(yīng)釜的爆破片未爆炸，其在爆炸前30分鐘內(nèi)的操作記錄顯示：超高壓反應(yīng)釜的壓力為138MPa，該壓力小于超高壓的反應(yīng)釜設(shè)計壓力，因此，不存在超壓爆炸的可能。對此，可以猜測，超高壓反應(yīng)釜爆炸事故的發(fā)生主要是由于堿液導(dǎo)致反應(yīng)釜發(fā)生應(yīng)力腐蝕，進而引發(fā)爆炸。超高壓反應(yīng)釜應(yīng)力腐蝕的發(fā)生需要滿足三個條件，才會引發(fā)爆炸事故：一是高溫度；二是高濃度；三是不均勻的拉伸應(yīng)力。超高壓反應(yīng)釜的最敏感區(qū)域是堿液濃度在30%左右和溶液沸點附近。而超高壓反應(yīng)釜應(yīng)力腐蝕引發(fā)的爆炸事故剛好滿足以上三個條件，理由如下：

（1）在反應(yīng)過程中，超高壓反應(yīng)釜的上部穩(wěn)定與下部穩(wěn)定都大于300度，滿足高溫的要求；

（2）反應(yīng)釜內(nèi)的氫氧化鈉溶液經(jīng)常在局部地區(qū)富集，例如，溶液蒸發(fā)率高的地方、含堿的水加熱器中等等，這些都是氫氧化鈉溶液富集的地方。而氫氧化鈉溶液富集，其濃縮達到10%的是完全有可能的。

（3）在超高壓反應(yīng)釜中，其斷面附近受周向和軸向拉伸應(yīng)力不均勻，如，有臺階的筒體，其上、下壁的厚度不同，運行過程中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力也不均勻。斷裂發(fā)生的主要因素是由于堿和鐵了化學(xué)反應(yīng)：Fe+3OH-HFeO2-+H2O+2e-，于是在存有較濃堿溶液的縫隙等處的鋼件強度降低，因而發(fā)生脆性斷裂。

3人造石英晶體超高壓反應(yīng)釜爆炸的預(yù)防措施

3.1釜的設(shè)計、制造方面

（1）在對堿液儲存設(shè)備設(shè)計及制造過程中，需要采用焊接工藝進行處理，其焊接工藝水平直接影響者堿液儲存設(shè)備的抗腐蝕性。對此，在焊接過程中，尤其是對焊縫的處理，應(yīng)進行退火處理，消除其內(nèi)應(yīng)力，降低應(yīng)力拉伸。此外，在超高壓反應(yīng)釜運行過程中，引發(fā)其應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)還有很多，除卻氫氧化鈉溶液后，其氫氧化鉀、碳酸鉀、氧化鈉鋁等等，都會導(dǎo)致設(shè)備腐蝕。因此，在設(shè)計及制造過程中，要充分考慮反應(yīng)釜的應(yīng)力腐蝕斷裂問題，以防止其在使用中產(chǎn)生不均勻拉伸應(yīng)力，從而防止堿脆破裂的發(fā)生。

（2）盡量降低釜內(nèi)表面的粗糙度。實踐證明：如果容器內(nèi)表面的粗糙度低，當(dāng)上述蒸汽泡離開時，此處的堿液濃度會重新變得均勻（即自趨均勻），而如果內(nèi)表面粗糙度較高，則此處的堿液將慢慢被濃縮而使堿濃度逐漸增大。因此，前者有利于防止堿脆斷裂的產(chǎn)生。

3.2釜的使用管理方面

（1）在超高壓反應(yīng)釜使用過程中，要想降低其應(yīng)力腐蝕的發(fā)生幾率，就需要對堿液進行除氧處理工作。避免堿液中的晶粒發(fā)生鈍化反應(yīng)，而出現(xiàn)晶界的活化，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂的發(fā)生。

（2）檢測超高壓反應(yīng)釜內(nèi)的堿液濃度，若其濃度大于1.25N則需加入清水進行稀釋，確保其濃度在1.0-1.25N之間。

（3）經(jīng)常清洗釜內(nèi)，防止堿液在局部地方出現(xiàn)濃縮。在鹽（如K2CO3、Na2AlO3）的沉積物和多孔性物質(zhì)（如氧化皮）的下面及蒸發(fā)速率高的地方，其堿的濃度通常較高。在含有堿的水加熱器中，所形成的每一個蒸汽泡都會使在其下部的溶液含堿量比其它地方要高些。因此，經(jīng)常對釜內(nèi)進行清洗，就可大大消除堿液被局部濃縮的可能性，防止堿脆斷裂的發(fā)生。

4結(jié)語

綜上所述，人造石英晶體超高壓反應(yīng)釜在運行過程中，由于生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，其常常會發(fā)生堿脆（應(yīng)力腐蝕）現(xiàn)象，若不及時處理則會引發(fā)泄露或爆炸事故，給工業(yè)企業(yè)帶來嚴重的影響。因此，在超高壓反應(yīng)釜運行過程中，應(yīng)對其工藝參數(shù)進行合理規(guī)劃，加強設(shè)備檢修力度，做好預(yù)防工作，降低爆炸事故的發(fā)生。

參考文獻

[1] 袁耿民，邵傅.人造石英晶體超高壓釜爆炸原因分析及其預(yù)防措施[J].化工裝備技術(shù)，1994，（06）：24-26.