0引言

搪玻璃反應(yīng)釜是一種具有良好化學穩(wěn)定性和金屬強度雙重特性的壓力容器，能耐絕大多數(shù)無機酸、有機酸、有機溶劑和弱堿的腐蝕，適于反應(yīng)、混合、蒸餾、萃取等各種單元操作，在化工、制藥、染料、有機合成以及涉及國防的生化等工業(yè)場合應(yīng)用廣泛，以代替昂貴的不銹鋼和有色金屬，降低設(shè)備成本。

搪玻璃反應(yīng)釜由金屬基體和涂敷燒結(jié)其內(nèi)的搪玻璃層共同構(gòu)成。對于承受內(nèi)壓金屬基體的強度設(shè)計已有成熟理論和方法，而對于搪玻璃層的設(shè)計迄今尚無指導(dǎo)理論，目前國內(nèi)仍沒有來自權(quán)威機構(gòu)的搪玻璃層的許用應(yīng)力值。搪玻璃反應(yīng)釜設(shè)計制造單位往往將其視為單純的鋼制壓力容器，按GB150-2011《壓力容器》進行設(shè)計，或仍沿用HG2432-2001《搪玻璃反應(yīng)釜技術(shù)條件》中相關(guān)經(jīng)驗公式進行強度設(shè)計，對搪玻璃層的設(shè)計缺少考慮。而生產(chǎn)實踐表明，搪玻璃反應(yīng)釜，在運行中，搪玻璃層常常產(chǎn)生裂紋或爆瓷，以致無法將腐蝕性介質(zhì)與金屬基體完全阻隔，較終導(dǎo)致搪玻璃反應(yīng)釜的腐蝕性破壞失效。為此，基于有限元分析和試驗測試，探討了搪玻璃反應(yīng)釜許用應(yīng)力的確定，以期為業(yè)內(nèi)提供參考。

1搪玻璃反應(yīng)釜材質(zhì)許用應(yīng)力

搪玻璃反應(yīng)釜的許用應(yīng)力應(yīng)由基體和搪玻璃層共同確定。一般，搪玻璃反應(yīng)釜常用的基體材料有Q245R，Q235B，Q345R，06Cr19Nil0等幾種材料，依GB150可查得這幾種材料在常用工況下的許用應(yīng)力，見表1。搪玻璃層由高含硅量的瓷釉涂于金屬基體表面，經(jīng)950℃高溫燒結(jié)而成，其力學性能因瓷釉組分和燒成工藝不同而略有差異，具體見表2。

從表1，2可以看出，搪玻璃反應(yīng)釜基體金屬的許用應(yīng)力均大于搪玻璃層抗拉強度的上限值，且搪玻璃層的延伸率近似為0，是非常脆的非金屬材料。由此可見，搪玻璃層是搪玻璃反應(yīng)釜強度的薄弱環(huán)節(jié)。因此傳統(tǒng)設(shè)計單純考慮基體金屬的強度，而忽略決定搪玻璃反應(yīng)釜可靠性的搪玻璃層的許用應(yīng)力航拉強度／安全系數(shù)），很可能導(dǎo)致在基體金屬強度足夠的情況下，在殼體接管等局部高應(yīng)力區(qū)的搪玻璃層產(chǎn)生裂紋，這種情況在實際工程上時有出現(xiàn)。如某企業(yè)進口的搪玻璃反應(yīng)釜，在運行不久其搪玻璃層即產(chǎn)生裂紋，見圖1。究其原因在于該外企只是按照ASMEⅧ-1分冊進行設(shè)計計算，沒有校核布管區(qū)域內(nèi)側(cè)搪玻璃層的應(yīng)力水平。

2搪玻璃反應(yīng)釜強度有限元分析

搪玻璃層是搪玻璃反應(yīng)釜強度的薄弱環(huán)節(jié)，作為一種脆性材料，對它的強度失效依據(jù)應(yīng)該是較大主應(yīng)力理論或較大主應(yīng)變理論，即按照較大主應(yīng)力理論或較大主應(yīng)變理論進行安全評定。為此，針對100m3搪玻璃臥式儲罐金屬基體在設(shè)計壓力0.4MPa下的強度進行了有限元分析，獲取了其較大主應(yīng)力和較大主應(yīng)變的分布云圖，具體見圖2，3。

從圖2，3可以看出，金屬基體較大主應(yīng)力出現(xiàn)在人孔接管H1與簡體相貫區(qū)域的左側(cè)內(nèi)角點位置，數(shù)值為70.9MPa，約為總體薄膜應(yīng)力的3倍。考慮到搪玻璃的彈性模量和泊松比（分別近似為79000MPa和0.21）均小于金屬的彈性模量與泊松比（分別近似為210000MPa和0.3），因此在燒結(jié)良好、分界面上各對應(yīng)點應(yīng)變相同的情況下，分界面上搪玻璃層的主應(yīng)力一定小于金屬基體，故可知搪玻璃層的較大主應(yīng)力一定小于70.9MPa。以上結(jié)果表明，金屬基體的總體薄膜應(yīng)力既不能體現(xiàn)開孔接管等局部高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中水平，更不能反映搪玻璃層的應(yīng)力大小。故計算金屬基體的總體薄膜應(yīng)力并將其與搪玻璃的抗拉強度進行簡單比較而進行強度評定是不合理的，且由于搪玻璃層的真實應(yīng)力水平往往大于總體薄膜應(yīng)力而導(dǎo)致偏于危險的結(jié)果。

此外，從較大主應(yīng)變角度考慮，100m3搪玻璃儲罐的主應(yīng)變較大值也出現(xiàn)在人孔H1左側(cè)內(nèi)角點位置，大小為0.0375%，屬于小變形范疇，對避免搪玻璃層與金屬基體剝離有益，確保了兩者間的結(jié)合強度足夠，進而也說明搪玻璃層主應(yīng)力很標是導(dǎo)致裂紋的較主要原因。

3搪玻璃反應(yīng)釜破壞性試驗測試

為進一步驗證簡單依據(jù)總體薄膜應(yīng)力進行搪玻璃反應(yīng)釜強度校核的做法存在缺陷，又分別選用≥20m3和≤1.0m3兩種規(guī)格搪玻璃儲罐進行了破壞性試驗測試，主要的試驗參數(shù)和結(jié)果見表3，表中的圓筒應(yīng)力即為總體薄膜應(yīng)力，依據(jù)GB150.3-2011計算得到。可以看出，各試驗工況下的圓筒總體薄膜應(yīng)力值均小于搪玻璃層抗拉強度的上限值90MPa），但工況1試樣試驗后經(jīng)目視檢查，發(fā)現(xiàn)其DN600管口與簡體相貫的內(nèi)倒角處搪玻璃層出現(xiàn)了長200mm、寬30mm的裂紋，具體見圖4。

4結(jié)論

經(jīng)對實際運行中搪玻璃反應(yīng)釜搪玻璃層發(fā)生裂紋的形態(tài)、位置分析，以及對典型搪玻璃臥式儲罐的有限元應(yīng)力分析和破壞性試驗測試，可以得出以下結(jié)論：

（1)考慮到開孔接管等局部高應(yīng)力區(qū)搪玻璃層的應(yīng)力水平一般高于金屬基體的總體薄膜應(yīng)力，同時考慮到搪玻璃層作為脆性材料的特性，簡單依據(jù)GB150進行某些規(guī)格、結(jié)構(gòu)和工況下搪玻璃反應(yīng)釜的設(shè)計是偏于危險的，此時還必須考慮搪玻璃層的許用抗拉應(yīng)力。

（2)有限元分析所確定的金屬基體較大主應(yīng)力位置與試驗時搪玻璃層爆裂位置非常一致，這說明金屬基體的較大主應(yīng)力出現(xiàn)位置與搪玻璃層的較大主應(yīng)力出現(xiàn)位置相同，且搪玻璃層的較大主應(yīng)力往往略高于金屬基體的總體薄膜應(yīng)力。故實際設(shè)計中可取1.2~1.5倍的金屬基體總體薄膜應(yīng)力作為搪玻璃層的較大主應(yīng)力進行校核。在此基礎(chǔ)上，還有必要對大開孔邊緣、非徑向接管和布管集中區(qū)域等高應(yīng)力區(qū)進行重點關(guān)注并采取措施降低其應(yīng)力水平，對降低這些部位與金屬基體緊密燒結(jié)在一起的搪玻璃層的應(yīng)力水平大有裨益。

（3）就目前國內(nèi)搪玻璃釉和搪玻璃層的質(zhì)量水平而言，我國搪玻璃反應(yīng)釜的設(shè)計仍缺少系統(tǒng)的指導(dǎo)理論，故需要企業(yè)及相關(guān)科研主體在對搪玻璃層的力學性能做進一步深入研究的基礎(chǔ)上，發(fā)掘形成新的設(shè)計方法與體系，以提高國產(chǎn)搪玻璃反應(yīng)釜的質(zhì)量，保障搪玻璃反應(yīng)釜安全運行的可靠性。