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(gè)細(xì)節(jié)都會(huì)給設(shè)備留下隱患．因而，一個(gè)優(yōu)良的設(shè)計(jì)必須關(guān)注每個(gè)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(qiáng)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(qiáng)度小、延伸率低等特點(diǎn)，此部分設(shè)計(jì)成為搪玻璃反應(yīng)釜強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)的重點(diǎn)研究課題．

1設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)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(shí)隨溫度升高，因剛度不足搪玻璃層會(huì)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(dāng)橢圓度很標(biāo)、內(nèi)應(yīng)力大于搪玻璃的抗拉強(qiáng)度很限時(shí)，就會(huì)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(shí)升溫快、高溫時(shí)段長(zhǎng)，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(shí)很易發(fā)生爆瓷損壞．

適當(dāng)增加基體厚度才能避免釜體高溫搪燒時(shí)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(jì)者設(shè)計(jì)搪玻璃反應(yīng)釜基體厚度時(shí)，僅以一次薄膜應(yīng)力理論為基礎(chǔ)進(jìn)行金屬基體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而沒考慮搪玻璃本身的特殊性——多次進(jìn)爐高溫?zé)桑鲆暳颂虏ＡХ磻?yīng)釜的總體剛度研究，進(jìn)而在實(shí)際操作中就有可能發(fā)生爆瓷問題．因此，對(duì)于搪玻璃反應(yīng)釜基體厚度的設(shè)計(jì)，僅僅以一次薄膜應(yīng)力理論為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)是片面的、危險(xiǎn)的．

在以前的制造標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)搪玻璃反應(yīng)釜釜體的厚度有著嚴(yán)格的規(guī)定，其規(guī)定的數(shù)值遠(yuǎn)大于用一次薄膜理論計(jì)算所得出的厚度，其原因就是在于強(qiáng)調(diào)要保證設(shè)備的剛度．從搪玻璃制造經(jīng)驗(yàn)公式壁厚t=0.008Di+3mm（Di為簡(jiǎn)體內(nèi)徑）就可以看出，壁厚隨簡(jiǎn)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(duì)高溫剛度是嚴(yán)格控制的．盡管剛剛執(zhí)行的新標(biāo)準(zhǔn)（GB25025-2010《搪玻璃反應(yīng)釜技術(shù)條件》）取消了對(duì)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(qiáng)度即可，而是在保證強(qiáng)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(yàn)，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(jì)，也是新標(biāo)準(zhǔn)的本意．新標(biāo)準(zhǔn)著眼于鼓勵(lì)新技術(shù)、新工藝的開發(fā)，科學(xué)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(jìn)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?xiàng)l件確定保證強(qiáng)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(qiáng)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(jì)．

優(yōu)良的工藝水平是保證高溫剛度的重要手段．隨著新標(biāo)準(zhǔn)的公布實(shí)施，遼陽勝利化工機(jī)械有限公司結(jié)合本廠實(shí)際實(shí)施了一系列工藝改進(jìn)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(shí)也減少組對(duì)時(shí)的焊接應(yīng)力，并且減少了因圓度很標(biāo)增加的打砂量，從而減少不必要的壁厚損失．

(3)嚴(yán)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?yàn)楹附訒r(shí)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(huì)在搪瓷燒成后留下各種搪瓷缺陷，造成爆瓷．

(4)采用自動(dòng)噴．自動(dòng)噴使搪玻璃瓷層均勻，減少因人工噴涂導(dǎo)致薄厚不均而導(dǎo)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(dá)到減少燒成遍數(shù)，減少變形幾率，保證高溫剛度．

(6)搪燒時(shí)采用“低溫長(zhǎng)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(dǎo)電的．

(7)采用自動(dòng)燒．采用燒成自動(dòng)化，利用電腦監(jiān)控?zé)蓽囟?，這樣也可以達(dá)到控制燒成遍數(shù)的目的．

改進(jìn)工藝后，在此基礎(chǔ)上對(duì)一些定型產(chǎn)品（1000～6300L搪玻璃反應(yīng)釜）基體壁厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)圓度很標(biāo)能引發(fā)基體幾何變形，進(jìn)而導(dǎo)致爆瓷；法蘭平面度很標(biāo)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(dǎo)致爆瓷．因而，要嚴(yán)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(yán)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(jì)BFK16000（設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa，溫度為150℃）的高頸法蘭時(shí)，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(shí)法蘭變形，我們有意識(shí)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(jìn)行了強(qiáng)度校核，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)提高了法蘭剛度，如圖1所示．設(shè)備燒成后，檢測(cè)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(shí)例．

2設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)力爆瓷

對(duì)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(shí)際上是一種力學(xué)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(shí)，瓷層將會(huì)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(duì)設(shè)備基體高溫剛度的要求和設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)．結(jié)合搪玻璃反應(yīng)釜制造和運(yùn)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(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，單純依靠金屬基體的總體薄膜應(yīng)力進(jìn)行搪玻璃反應(yīng)釜的強(qiáng)度校核，并不能確保搪玻璃層的安全，故實(shí)際設(shè)計(jì)中必須同時(shí)兼顧金屬基體和搪玻璃層的強(qiáng)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(qiáng)度／安全系數(shù)），很可能導(dǎo)致在基體金屬強(qiáng)度足夠的情況下，搪玻璃層強(qiáng)度很標(biāo)，產(chǎn)生裂紋，這種情況在實(shí)際工程上時(shí)有出現(xiàn)．

遼陽勝利化工機(jī)械有限公司在制造BF16000L搪玻璃反應(yīng)罐時(shí)，原設(shè)計(jì)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?yàn)榛w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(gè)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(shí)也不會(huì)引起太大高溫變形，改進(jìn)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(jì)

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(jì)入手．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞決定著應(yīng)力的大?。?/p>

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(duì)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(shí)際生產(chǎn)中，由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的偏差影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況時(shí)有發(fā)生．如圖2所示，此圖是DN150帶視鏡手孔的原設(shè)計(jì)圖，采用25mm厚度的鋼板機(jī)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(jì)存在如下不足之處：(1)開孔直徑偏??；(2)視鏡凸臺(tái)（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(shí)熱應(yīng)力不易釋放．對(duì)此進(jìn)行重新設(shè)計(jì)：(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(tái)外側(cè)基體上表面也車凸臺(tái)，使壁厚趨于均勻；(3)內(nèi)孔擴(kuò)大，減少應(yīng)力集中，搪燒時(shí)可以很好地釋放熱殘余應(yīng)力．改進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)條件下的強(qiáng)度要求，搪玻璃基體強(qiáng)度和搪玻璃層的強(qiáng)度均要考慮．化工設(shè)備搪玻璃的設(shè)計(jì)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(jì)人員在實(shí)踐中不斷摸索總結(jié)，深入研究，建立搪玻璃特有的設(shè)計(jì)理念，這也是從事搪玻璃設(shè)計(jì)工作的首要問題．