搪玻璃反應釜的質(zhì)量涉及搪玻璃基體質(zhì)量、瓷釉質(zhì)量、成型工藝、涂搪工藝及燒成工藝等一系列環(huán)節(jié)，疏忽任何一個細節(jié)都會給設備留下隱患．因而，一個優(yōu)良的設計必須關注每個環(huán)節(jié)，綜合考慮玻璃設備．搪玻璃反應釜由金屬基體和涂敷燒結金屬表面的搪玻璃層組成，具有良好的耐腐性和一定的金屬強度，被廣泛應用于化工制藥行業(yè)．但由于搪玻璃層本身的薄、脆，以及抗拉強度小、延伸率低等特點，此部分設計成為搪玻璃反應釜強度設計的薄弱環(huán)節(jié)，其失效的具體表現(xiàn)為爆瓷．提高高溫剛度、減少內(nèi)在應力、降低應力水平，可以從強度和剛度理論上減少爆瓷現(xiàn)象的發(fā)生，是搪玻璃優(yōu)化設計的重點研究課題．
1設計時應保證高溫剛度
高溫剛度不足，基體變形過大，是搪玻璃反應釜爆瓷的原因之一，設計時可以通過增加設備整體壁厚和高頸法蘭剛度等方面來保證高溫剛度．
1.1增加設備整體壁厚
搪玻璃反應釜基體其剛度隨溫度升高而降低，因此在搪燒時隨溫度升高，因剛度不足搪玻璃層會發(fā)生變形．搪玻璃反應釜釜體的壁厚偏薄，是造成剛度不足的重要原因之一．壁厚偏薄，剛度不足，產(chǎn)生變形，使搪玻璃層在形變處產(chǎn)生較大的內(nèi)在應力，并隨著變形的增大而增大．當橢圓度很標、內(nèi)應力大于搪玻璃的抗拉強度很限時，就會發(fā)生爆瓷．另外，減少搪玻璃反應釜釜體的壁厚，也容易造成瓷面過燒．壁薄的部位在搪燒時升溫快、高溫時段長，瓷面搪燒過火，該處的底釉燒沸、面釉韌性降低、脆性加大，使用時很易發(fā)生爆瓷損壞．
適當增加基體厚度才能避免釜體高溫搪燒時的變形，提高高溫剛度．在眾多搪玻璃質(zhì)量問題中，因剛度不足產(chǎn)生爆瓷的設備不在少數(shù)，分析其原因主要是由于設計者設計搪玻璃反應釜基體厚度時，僅以一次薄膜應力理論為基礎進行金屬基體的強度設計，而沒考慮搪玻璃本身的特殊性——多次進爐高溫燒成，忽視了搪玻璃反應釜的總體剛度研究，進而在實際操作中就有可能發(fā)生爆瓷問題．因此，對于搪玻璃反應釜基體厚度的設計，僅僅以一次薄膜應力理論為基礎進行設計是片面的、危險的．
在以前的制造標準中有關搪玻璃反應釜釜體的厚度有著嚴格的規(guī)定，其規(guī)定的數(shù)值遠大于用一次薄膜理論計算所得出的厚度，其原因就是在于強調(diào)要保證設備的剛度．從搪玻璃制造經(jīng)驗公式壁厚t=0.008Di+3mm（Di為簡體內(nèi)徑）就可以看出，壁厚隨簡體內(nèi)徑增加而增加，并有3mm的制造加工余量，從這些也可看出規(guī)定對高溫剛度是嚴格控制的．盡管剛剛執(zhí)行的新標準（GB25025-2010《搪玻璃反應釜技術條件》）取消了對搪玻璃反應釜釜體壁厚的限制，但并不意味著僅僅是滿足設備的強度即可，而是在保證強度的前提下根據(jù)本公司的燒成設備及工藝措施，摸索出一定的經(jīng)驗，采用較優(yōu)化的搪燒工藝，獲得保證高溫剛度的較小壁厚，這才是較優(yōu)化的設計，也是新標準的本意．新標準著眼于鼓勵新技術、新工藝的開發(fā)，科學地節(jié)約能源，取消了壁厚的限制，可以讓制造廠發(fā)揮各自才能，采用先進的工藝措施，在保證高溫剛度的前提下減少壁厚，根據(jù)自身條件確定保證強度和剛度的壁厚，這就意味著各制造廠同一種產(chǎn)品可以有不同的壁厚．一味地降低厚度并不能保證搪玻璃反應釜的質(zhì)量，既要保證基體強度，也要保證基體高溫剛度，二者兼顧才是搪玻璃反應釜的較優(yōu)化設計．
優(yōu)良的工藝水平是保證高溫剛度的重要手段．隨著新標準的公布實施，遼陽勝利化工機械有限公司結合本廠實際實施了一系列工藝改進措施，提高了搪玻璃反應釜制造水平，從而保證了搪玻璃反應釜的總體剛度，有效控制搪燒加工余量，減少燒成遍數(shù)和因工藝低下帶來的壁厚增加．所采取的工藝措施如下：
(1)控制鋼板質(zhì)量．減少因氧化皮、油污等鋼板本身缺陷而帶來的打砂量，減少壁厚的加工損失量．
(2)保證基體的圓度．減少內(nèi)應力，增加防變形能力，同時也減少組對時的焊接應力，并且減少了因圓度很標增加的打砂量，從而減少不必要的壁厚損失．
(3)嚴格控制基體的焊接質(zhì)量．焊接的質(zhì)量決定著產(chǎn)品涂搪瓷后的質(zhì)量，因為焊接時造成的焊縫缺陷，如有較多較大的氣孔、氣泡、大型夾雜、裂縫、未焊合等，都會在搪瓷燒成后留下各種搪瓷缺陷，造成爆瓷．
(4)采用自動噴．自動噴使搪玻璃瓷層均勻，減少因人工噴涂導致薄厚不均而導致燒成遍數(shù)的增加．
(5)改善燒成爐，控制爐內(nèi)氣氛和水蒸氣的含量．較大限度減少氫的生成，較少氣孔的產(chǎn)生，從而達到減少燒成遍數(shù)，減少變形幾率，保證高溫剛度．
(6)搪燒時采用“低溫長燒”、“搪燒后緩冷”的燒制工藝，一般在搪燒3次后就沒有了氣孔，以后的3～4次搪燒僅僅是瓷層的加厚，這樣的瓷層至少一半以上的厚度是致密不導電的．
(7)采用自動燒．采用燒成自動化，利用電腦監(jiān)控燒成溫度，這樣也可以達到控制燒成遍數(shù)的目的．
改進工藝后，在此基礎上對一些定型產(chǎn)品（1000～6300L搪玻璃反應釜）基體壁厚進行優(yōu)化設計，既降低了成本，又保證了質(zhì)量，如表1所示．
1.2增加高頸法蘭剛度
保證法蘭剛度即控制法蘭的圓度和平面度，也能夠保證搪玻璃反應釜的高溫剛度．高溫時圓度很標能引發(fā)基體幾何變形，進而導致爆瓷；法蘭平面度很標的設備不容易密封，為了制止泄露，過度緊固法蘭又易使法蘭幾何變形導致爆瓷．因而，要嚴格控制高頸法蘭的圓度和平面度，其適宜數(shù)值范圍如表2所示（見97頁）．
嚴格控制工藝，保證形位公差，增加高頸法蘭厚度和高度均能提高法蘭剛度．在設計BFK16000（設計壓力為0.6MPa，溫度為150℃）的高頸法蘭時，由于設備直徑偏大，常規(guī)的高頸法蘭滿足不了剛度的要求，為避免搪燒時法蘭變形，我們有意識地增加了法蘭厚度和法蘭高度，將常規(guī)法蘭頸高度由80mm增至90mm，法蘭厚度也由40mm增至48mm，并進行了強度校核，改進后的設計提高了法蘭剛度，如圖1所示．設備燒成后，檢測罐口圓度及平面度，其值均在允許范圍內(nèi)．這也是從結構上改善剛度的實例．
2設計時應考慮應力爆瓷
對搪玻璃的研究，千萬不要忽視應力的作用．
爆瓷是一種瓷層脫落現(xiàn)象，實際上是一種力學作用現(xiàn)象．主要是由于瓷層和金屬坯體的熱膨脹系數(shù)存在巨大的差異而引起的．在大多數(shù)情況下，金屬坯體的熱膨脹系數(shù)大于瓷層的熱膨脹系數(shù)，這就意味著在常溫下瓷層總是存在著殘余的應力．殘余應力受熱膨脹系數(shù)差、溫度、釉層厚度、基材厚度等因素的影響．瓷層的壓應力足夠大時，瓷層將會出現(xiàn)剝落，即爆瓷．
要克服爆瓷，從理論上講，就要使搪玻璃層的應力水平限制在搪玻璃層的許用應力范圍內(nèi)．因此，GB25025-2011《搪玻璃反應釜技術條件》明確規(guī)定：充分考慮搪玻璃過程對設備基體高溫剛度的要求和設計條件下設備基體各部分的應力不得大于搪玻璃層許用應力的大小‘1]．搪玻璃層的抗拉強度為60～90MPa，且搪玻璃層的延伸率近似為0，是非常脆的非金屬材料，而搪玻璃基體是金屬制成的，許用應力均在90MPa以上，且韌性好于搪玻璃層．因此，搪玻璃層是搪玻璃反應釜強度的薄弱環(huán)節(jié)．結合搪玻璃反應釜制造和運行中常常出現(xiàn)的裂紋或爆瓷等現(xiàn)象，借助有限元分析和破壞性試驗測試，結果表明，單純依靠金屬基體的總體薄膜應力進行搪玻璃反應釜的強度校核，并不能確保搪玻璃層的安全，故實際設計中必須同時兼顧金屬基體和搪玻璃層的強度．忽略決定搪玻璃反應釜可靠性的搪玻璃層的許用應力（抗拉強度／安全系數(shù)），很可能導致在基體金屬強度足夠的情況下，搪玻璃層強度很標，產(chǎn)生裂紋，這種情況在實際工程上時有出現(xiàn)．
遼陽勝利化工機械有限公司在制造BF16000L搪玻璃反應罐時，原設計入孔蓋為球冠形入孔蓋，厚度為20mm，整體沖壓成型無焊縫，搪燒后在沖孔轉(zhuǎn)角邊緣硼瓷，經(jīng)多次返修、調(diào)整轉(zhuǎn)角半徑，重新噴涂搪瓷，仍在轉(zhuǎn)角處爆瓷．分析其原因是因為基體厚度過大，再經(jīng)沖壓成型，內(nèi)部存在很大的內(nèi)應力，這個由于沖壓變形而造成的內(nèi)應力值大于搪玻璃層的許用應力，造成搪玻璃層因應力過大而開裂，將人孔蓋厚度改為16mm后沖壓成型，由于厚度減薄，沖壓產(chǎn)生的內(nèi)應力也隨之減少，這樣就把沖壓變形產(chǎn)生的內(nèi)應力限制在搪玻璃層的許用應力以下，使瓷面不被破壞，DN500的人孔蓋16mm厚度在搪燒時也不會引起太大高溫變形，改進后，選擇16mm厚度的DN500人孔蓋經(jīng)燒成后不再爆瓷，從而可以看出，搪玻璃厚度的選擇是很重要的，既要考慮基體本身的承壓能力，又要考慮高溫剛度的問題，還要考慮厚度過大而引起的內(nèi)應力的大小，不能很過搪玻璃的許用應力．
3結構的優(yōu)化設計
內(nèi)在應力與產(chǎn)品的結構形狀有很大且直接的關系．在制品曲率半徑小的部位、應力集中且瓷層厚的部位，均能產(chǎn)生爆瓷．消除和減少內(nèi)應力，應從結構設計入手．結構設計的好壞決定著應力的大?。?/p>
GB25025-2011《搪玻璃反應釜技術條件》規(guī)定：設備基體搪玻璃側(cè)不應存在非連續(xù)結構，所有轉(zhuǎn)角部位應圓滑過渡，所有焊接接頭部位應以搪玻璃側(cè)對齊為原則，用于同一設備基體材料的厚度比值不宜大于3，且應逐漸過渡．其目的在于對大開孔邊緣，非徑向接管和布管集中區(qū)域等高應力區(qū)采取措施降低其應力水平．再者新標準明確搪玻璃反應釜金屬基體管口應采用頂孔翻邊的對接形式，也是從結構上改善應力集中，降低峰值應力．
在實際生產(chǎn)中，由于設計結構的偏差影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況時有發(fā)生．如圖2所示，此圖是DN150帶視鏡手孔的原設計圖，采用25mm厚度的鋼板機器加工而成，燒成后發(fā)現(xiàn)在開孔轉(zhuǎn)角處爆瓷，分析其原因，設計存在如下不足之處：(1)開孔直徑偏?。?2)視鏡凸臺（15mm處）與手孔基體厚度(25mm)尺寸相差太大．這種結構在轉(zhuǎn)角處應力集中，且在燒成時熱應力不易釋放．對此進行重新設計：(1)將原板厚整體增至20mm，從壁厚上降低內(nèi)應力；(2)在視鏡凸臺外側(cè)基體上表面也車凸臺，使壁厚趨于均勻；(3)內(nèi)孔擴大，減少應力集中，搪燒時可以很好地釋放熱殘余應力．改進后的結構未發(fā)生爆瓷現(xiàn)象．圖3為修改后的手孔．
4結語
綜上所述，搪玻璃反應釜的許用應力設計應由基體和搪玻璃層共同確定，設備基體各部分的應力不得大于搪玻璃層的許用應力；設計厚度要適度，結構要合理，即充分考慮搪玻璃反應釜基體高溫剛度的要求和設計條件下的強度要求，搪玻璃基體強度和搪玻璃層的強度均要考慮．化工設備搪玻璃的設計是圍繞搪玻璃反應釜本身特有的形態(tài)來展開的，需要設計人員在實踐中不斷摸索總結，深入研究，建立搪玻璃特有的設計理念，這也是從事搪玻璃設計工作的首要問題．
