0引言

搪玻璃反應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、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)場合應用廣泛，以代替昂貴的不銹鋼和有色金屬，降低設備成本。

搪玻璃反應釜由金屬基體和涂敷燒結其內的搪玻璃層共同構成。對于承受內壓金屬基體的強度設計已有成熟理論和方法，而對于搪玻璃層的設計迄今尚無指導理論，目前國內仍沒有來自權威機構的搪玻璃層的許用應力值。搪玻璃反應釜設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》進行設計，或仍沿用HG2432-2001《搪玻璃反應釜技術條件》中相關經驗公式進行強度設計，對搪玻璃層的設計缺少考慮。而生產實踐表明，搪玻璃反應釜，在運行中，搪玻璃層常常產生裂紋或爆瓷，以致無法將腐蝕性介質與金屬基體完全阻隔，較終導致搪玻璃反應釜的腐蝕性破壞失效。為此，基于有限元分析和試驗測試，探討了搪玻璃反應釜許用應力的確定，以期為業(yè)內提供參考。

1搪玻璃反應釜材質許用應力

搪玻璃反應釜的許用應力應由基體和搪玻璃層共同確定。一般，搪玻璃反應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950℃高溫燒結而成，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，搪玻璃反應釜基體金屬的許用應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釜強度的薄弱環(huán)節(jié)。因此傳統(tǒng)設計單純考慮基體金屬的強度，而忽略決定搪玻璃反應釜可靠性的搪玻璃層的許用應力航拉強度／安全系數(shù)），很可能導致在基體金屬強度足夠的情況下，在殼體接管等局部高應力區(qū)的搪玻璃層產生裂紋，這種情況在實際工程上時有出現(xiàn)。如某企業(yè)進口的搪玻璃反應釜，在運行不久其搪玻璃層即產生裂紋，見圖1。究其原因在于該外企只是按照ASMEⅧ-1分冊進行設計計算，沒有校核布管區(qū)域內側搪玻璃層的應力水平。

2搪玻璃反應釜強度有限元分析

搪玻璃層是搪玻璃反應釜強度的薄弱環(huán)節(jié)，作為一種脆性材料，對它的強度失效依據(jù)應該是較大主應力理論或較大主應變理論，即按照較大主應力理論或較大主應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，獲取了其較大主應力和較大主應變的分布云圖，具體見圖2，3。

從圖2，3可以看出，金屬基體較大主應力出現(xiàn)在人孔接管H1與簡體相貫區(qū)域的左側內角點位置，數(shù)值為70.9MPa，約為總體薄膜應力的3倍?？紤]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），因此在燒結良好、分界面上各對應點應變相同的情況下，分界面上搪玻璃層的主應力一定小于金屬基體，故可知搪玻璃層的較大主應力一定小于70.9MPa。以上結果表明，金屬基體的總體薄膜應力既不能體現(xiàn)開孔接管等局部高應力區(qū)的應力集中水平，更不能反映搪玻璃層的應力大小。故計算金屬基體的總體薄膜應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力水平往往大于總體薄膜應力而導致偏于危險的結果。

此外，從較大主應變角度考慮，100m3搪玻璃儲罐的主應變較大值也出現(xiàn)在人孔H1左側內角點位置，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，確保了兩者間的結合強度足夠，進而也說明搪玻璃層主應力很標是導致裂紋的較主要原因。

3搪玻璃反應釜破壞性試驗測試

為進一步驗證簡單依據(jù)總體薄膜應力進行搪玻璃反應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)和結果見表3，表中的圓筒應力即為總體薄膜應力，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試樣試驗后經目視檢查，發(fā)現(xiàn)其DN600管口與簡體相貫的內倒角處搪玻璃層出現(xiàn)了長200mm、寬30mm的裂紋，具體見圖4。

4結論

經對實際運行中搪玻璃反應釜搪玻璃層發(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力分析和破壞性試驗測試，可以得出以下結論：

（1)考慮到開孔接管等局部高應力區(qū)搪玻璃層的應力水平一般高于金屬基體的總體薄膜應力，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、結構和工況下搪玻璃反應釜的設計是偏于危險的，此時還必須考慮搪玻璃層的許用抗拉應力。

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

（3）就目前國內搪玻璃釉和搪玻璃層的質量水平而言，我國搪玻璃反應釜的設計仍缺少系統(tǒng)的指導理論，故需要企業(yè)及相關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上，發(fā)掘形成新的設計方法與體系，以提高國產搪玻璃反應釜的質量，保障搪玻璃反應釜安全運行的可靠性。