搪玻璃反應(yīng)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(shè)備留下隱患．因而，一個優(yōu)良的設(shè)計必須關(guān)注每個環(huán)節(jié)，綜合考慮玻璃設(shè)備．搪玻璃反應(yīng)釜由金屬基體和涂敷燒結(jié)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(yīng)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(shè)計成為搪玻璃反應(yīng)釜強度設(shè)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(yīng)力、降低應(yīng)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(shè)計的重點研究課題．
1設(shè)計時應(yīng)保證高溫剛度
高溫剛度不足，基體變形過大，是搪玻璃反應(yīng)釜爆瓷的原因之一，設(shè)計時可以通過增加設(shè)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(shè)備整體壁厚
搪玻璃反應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，并隨著變形的增大而增大．當橢圓度很標、內(nèi)應(yīng)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(yīng)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(shè)備不在少數(shù)，分析其原因主要是由于設(shè)計者設(shè)計搪玻璃反應(yīng)釜基體厚度時，僅以一次薄膜應(yīng)力理論為基礎(chǔ)進行金屬基體的強度設(shè)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(yīng)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(yīng)釜基體厚度的設(shè)計，僅僅以一次薄膜應(yīng)力理論為基礎(chǔ)進行設(shè)計是片面的、危險的．
在以前的制造標準中有關(guān)搪玻璃反應(yīng)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(shè)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(yīng)釜技術(shù)條件》）取消了對搪玻璃反應(yīng)釜釜體壁厚的限制，但并不意味著僅僅是滿足設(shè)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(shè)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(shè)計，也是新標準的本意．新標準著眼于鼓勵新技術(shù)、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(yīng)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(yīng)釜的較優(yōu)化設(shè)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(jié)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(yīng)釜制造水平，從而保證了搪玻璃反應(yīng)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(yīng)力，增加防變形能力，同時也減少組對時的焊接應(yīng)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(chǔ)上對一些定型產(chǎn)品（1000～6300L搪玻璃反應(yīng)釜）基體壁厚進行優(yōu)化設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計BFK16000（設(shè)計壓力為0.6MPa，溫度為150℃）的高頸法蘭時，由于設(shè)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(shè)計提高了法蘭剛度，如圖1所示．設(shè)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(jié)構(gòu)上改善剛度的實例．
2設(shè)計時應(yīng)考慮應(yīng)力爆瓷
對搪玻璃的研究，千萬不要忽視應(yīng)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(yīng)力．殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平限制在搪玻璃層的許用應(yīng)力范圍內(nèi)．因此，GB25025-2011《搪玻璃反應(yīng)釜技術(shù)條件》明確規(guī)定：充分考慮搪玻璃過程對設(shè)備基體高溫剛度的要求和設(shè)計條件下設(shè)備基體各部分的應(yīng)力不得大于搪玻璃層許用應(yīng)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(yīng)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(yīng)釜強度的薄弱環(huán)節(jié)．結(jié)合搪玻璃反應(yīng)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(jié)果表明，單純依靠金屬基體的總體薄膜應(yīng)力進行搪玻璃反應(yīng)釜的強度校核，并不能確保搪玻璃層的安全，故實際設(shè)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(yīng)釜可靠性的搪玻璃層的許用應(yīng)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(yīng)罐時，原設(shè)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(yīng)力，這個由于沖壓變形而造成的內(nèi)應(yīng)力值大于搪玻璃層的許用應(yīng)力，造成搪玻璃層因應(yīng)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(yīng)力也隨之減少，這樣就把沖壓變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力限制在搪玻璃層的許用應(yīng)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(yīng)力的大小，不能很過搪玻璃的許用應(yīng)力．
3結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
內(nèi)在應(yīng)力與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀有很大且直接的關(guān)系．在制品曲率半徑小的部位、應(yīng)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(yīng)力，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計入手．結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞決定著應(yīng)力的大小．
GB25025-2011《搪玻璃反應(yīng)釜技術(shù)條件》規(guī)定：設(shè)備基體搪玻璃側(cè)不應(yīng)存在非連續(xù)結(jié)構(gòu)，所有轉(zhuǎn)角部位應(yīng)圓滑過渡，所有焊接接頭部位應(yīng)以搪玻璃側(cè)對齊為原則，用于同一設(shè)備基體材料的厚度比值不宜大于3，且應(yīng)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(yīng)力區(qū)采取措施降低其應(yīng)力水平．再者新標準明確搪玻璃反應(yīng)釜金屬基體管口應(yīng)采用頂孔翻邊的對接形式，也是從結(jié)構(gòu)上改善應(yīng)力集中，降低峰值應(yīng)力．
在實際生產(chǎn)中，由于設(shè)計結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計存在如下不足之處：(1)開孔直徑偏小；(2)視鏡凸臺（15mm處）與手孔基體厚度(25mm)尺寸相差太大．這種結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中，且在燒成時熱應(yīng)力不易釋放．對此進行重新設(shè)計：(1)將原板厚整體增至20mm，從壁厚上降低內(nèi)應(yīng)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(yīng)力集中，搪燒時可以很好地釋放熱殘余應(yīng)力．改進后的結(jié)構(gòu)未發(fā)生爆瓷現(xiàn)象．圖3為修改后的手孔．
4結(jié)語
綜上所述，搪玻璃反應(yīng)釜的許用應(yīng)力設(shè)計應(yīng)由基體和搪玻璃層共同確定，設(shè)備基體各部分的應(yīng)力不得大于搪玻璃層的許用應(yīng)力；設(shè)計厚度要適度，結(jié)構(gòu)要合理，即充分考慮搪玻璃反應(yīng)釜基體高溫剛度的要求和設(shè)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(shè)備搪玻璃的設(shè)計是圍繞搪玻璃反應(yīng)釜本身特有的形態(tài)來展開的，需要設(shè)計人員在實踐中不斷摸索總結(jié)，深入研究，建立搪玻璃特有的設(shè)計理念，這也是從事搪玻璃設(shè)計工作的首要問題．
