搪玻璃反应釜的质量涉及搪玻璃基体质量、瓷釉质量、成型工艺、涂搪工艺及烧成工艺等一系列环节，疏忽任何一个细节都会给设备留下隐患．因而，一个优良的设计必须关注每个环节，综合考虑玻璃设备．搪玻璃反应釜由金属基体和涂敷烧结金属表面的搪玻璃层组成，具有良好的耐腐性和一定的金属强度，被广泛应用于化工制药行业．但由于搪玻璃层本身的薄、脆，以及抗拉强度小、延伸率低等特点，此部分设计成为搪玻璃反应釜强度设计的薄弱环节，其失效的具体表现为爆瓷．提高高温刚度、减少内在应力、降低应力水平，可以从强度和刚度理论上减少爆瓷现象的发生，是搪玻璃优化设计的重点研究课题．
1设计时应保证高温刚度
高温刚度不足，基体变形过大，是搪玻璃反应釜爆瓷的原因之一，设计时可以通过增加设备整体壁厚和高颈法兰刚度等方面来保证高温刚度．
1.1增加设备整体壁厚
搪玻璃反应釜基体其刚度随温度升高而降低，因此在搪烧时随温度升高，因刚度不足搪玻璃层会发生变形．搪玻璃反应釜釜体的壁厚偏薄，是造成刚度不足的重要原因之一．壁厚偏薄，刚度不足，产生变形，使搪玻璃层在形变处产生较大的内在应力，并随着变形的增大而增大．当椭圆度很标、内应力大于搪玻璃的抗拉强度很限时，就会发生爆瓷．另外，减少搪玻璃反应釜釜体的壁厚，也容易造成瓷面过烧．壁薄的部位在搪烧时升温快、高温时段长，瓷面搪烧过火，该处的底釉烧沸、面釉韧性降低、脆性加大，使用时很易发生爆瓷损坏．
适当增加基体厚度才能避免釜体高温搪烧时的变形，提高高温刚度．在众多搪玻璃质量问题中，因刚度不足产生爆瓷的设备不在少数，分析其原因主要是由于设计者设计搪玻璃反应釜基体厚度时，仅以一次薄膜应力理论为基础进行金属基体的强度设计，而没考虑搪玻璃本身的特殊性——多次进炉高温烧成，忽视了搪玻璃反应釜的总体刚度研究，进而在实际操作中就有可能发生爆瓷问题．因此，对于搪玻璃反应釜基体厚度的设计，仅仅以一次薄膜应力理论为基础进行设计是片面的、危险的．
在以前的制造标准中有关搪玻璃反应釜釜体的厚度有着严格的规定，其规定的数值远大于用一次薄膜理论计算所得出的厚度，其原因就是在于强调要保证设备的刚度．从搪玻璃制造经验公式壁厚t=0.008Di+3mm（Di为简体内径）就可以看出，壁厚随简体内径增加而增加，并有3mm的制造加工余量，从这些也可看出规定对高温刚度是严格控制的．尽管刚刚执行的新标准（GB25025-2010《搪玻璃反应釜技术条件》）取消了对搪玻璃反应釜釜体壁厚的限制，但并不意味着仅仅是满足设备的强度即可，而是在保证强度的前提下根据本公司的烧成设备及工艺措施，摸索出一定的经验，采用较优化的搪烧工艺，获得保证高温刚度的较小壁厚，这才是较优化的设计，也是新标准的本意．新标准着眼于鼓励新技术、新工艺的开发，科学地节约能源，取消了壁厚的限制，可以让制造厂发挥各自才能，采用先进的工艺措施，在保证高温刚度的前提下减少壁厚，根据自身条件确定保证强度和刚度的壁厚，这就意味着各制造厂同一种产品可以有不同的壁厚．一味地降低厚度并不能保证搪玻璃反应釜的质量，既要保证基体强度，也要保证基体高温刚度，二者兼顾才是搪玻璃反应釜的较优化设计．
优良的工艺水平是保证高温刚度的重要手段．随着新标准的公布实施，辽阳胜利化工机械有限公司结合本厂实际实施了一系列工艺改进措施，提高了搪玻璃反应釜制造水平，从而保证了搪玻璃反应釜的总体刚度，有效控制搪烧加工余量，减少烧成遍数和因工艺低下带来的壁厚增加．所采取的工艺措施如下：
(1)控制钢板质量．减少因氧化皮、油污等钢板本身缺陷而带来的打砂量，减少壁厚的加工损失量．
(2)保证基体的圆度．减少内应力，增加防变形能力，同时也减少组对时的焊接应力，并且减少了因圆度很标增加的打砂量，从而减少不必要的壁厚损失．
(3)严格控制基体的焊接质量．焊接的质量决定着产品涂搪瓷后的质量，因为焊接时造成的焊缝缺陷，如有较多较大的气孔、气泡、大型夹杂、裂缝、未焊合等，都会在搪瓷烧成后留下各种搪瓷缺陷，造成爆瓷．
(4)采用自动喷．自动喷使搪玻璃瓷层均匀，减少因人工喷涂导致薄厚不均而导致烧成遍数的增加．
(5)改善烧成炉，控制炉内气氛和水蒸气的含量．较大限度减少氢的生成，较少气孔的产生，从而达到减少烧成遍数，减少变形几率，保证高温刚度．
(6)搪烧时采用“低温长烧”、“搪烧后缓冷”的烧制工艺，一般在搪烧3次后就没有了气孔，以后的3～4次搪烧仅仅是瓷层的加厚，这样的瓷层至少一半以上的厚度是致密不导电的．
(7)采用自动烧．采用烧成自动化，利用电脑监控烧成温度，这样也可以达到控制烧成遍数的目的．
改进工艺后，在此基础上对一些定型产品（1000～6300L搪玻璃反应釜）基体壁厚进行优化设计，既降低了成本，又保证了质量，如表1所示．
1.2增加高颈法兰刚度
保证法兰刚度即控制法兰的圆度和平面度，也能够保证搪玻璃反应釜的高温刚度．高温时圆度很标能引发基体几何变形，进而导致爆瓷；法兰平面度很标的设备不容易密封，为了制止泄露，过度紧固法兰又易使法兰几何变形导致爆瓷．因而，要严格控制高颈法兰的圆度和平面度，其适宜数值范围如表2所示（见97页）．
严格控制工艺，保证形位公差，增加高颈法兰厚度和高度均能提高法兰刚度．在设计BFK16000（设计压力为0.6MPa，温度为150℃）的高颈法兰时，由于设备直径偏大，常规的高颈法兰满足不了刚度的要求，为避免搪烧时法兰变形，我们有意识地增加了法兰厚度和法兰高度，将常规法兰颈高度由80mm增至90mm，法兰厚度也由40mm增至48mm，并进行了强度校核，改进后的设计提高了法兰刚度，如图1所示．设备烧成后，检测罐口圆度及平面度，其值均在允许范围内．这也是从结构上改善刚度的实例．
2设计时应考虑应力爆瓷
对搪玻璃的研究，千万不要忽视应力的作用．
爆瓷是一种瓷层脱落现象，实际上是一种力学作用现象．主要是由于瓷层和金属坯体的热膨胀系数存在巨大的差异而引起的．在大多数情况下，金属坯体的热膨胀系数大于瓷层的热膨胀系数，这就意味着在常温下瓷层总是存在着残余的应力．残余应力受热膨胀系数差、温度、釉层厚度、基材厚度等因素的影响．瓷层的压应力足够大时，瓷层将会出现剥落，即爆瓷．
要克服爆瓷，从理论上讲，就要使搪玻璃层的应力水平限制在搪玻璃层的许用应力范围内．因此，GB25025-2011《搪玻璃反应釜技术条件》明确规定：充分考虑搪玻璃过程对设备基体高温刚度的要求和设计条件下设备基体各部分的应力不得大于搪玻璃层许用应力的大小‘1]．搪玻璃层的抗拉强度为60～90MPa，且搪玻璃层的延伸率近似为0，是非常脆的非金属材料，而搪玻璃基体是金属制成的，许用应力均在90MPa以上，且韧性好于搪玻璃层．因此，搪玻璃层是搪玻璃反应釜强度的薄弱环节．结合搪玻璃反应釜制造和运行中常常出现的裂纹或爆瓷等现象，借助有限元分析和破坏性试验测试，结果表明，单纯依靠金属基体的总体薄膜应力进行搪玻璃反应釜的强度校核，并不能确保搪玻璃层的安全，故实际设计中必须同时兼顾金属基体和搪玻璃层的强度．忽略决定搪玻璃反应釜可靠性的搪玻璃层的许用应力（抗拉强度／安全系数），很可能导致在基体金属强度足够的情况下，搪玻璃层强度很标，产生裂纹，这种情况在实际工程上时有出现．
辽阳胜利化工机械有限公司在制造BF16000L搪玻璃反应罐时，原设计入孔盖为球冠形入孔盖，厚度为20mm，整体冲压成型无焊缝，搪烧后在冲孔转角边缘硼瓷，经多次返修、调整转角半径，重新喷涂搪瓷，仍在转角处爆瓷．分析其原因是因为基体厚度过大，再经冲压成型，内部存在很大的内应力，这个由于冲压变形而造成的内应力值大于搪玻璃层的许用应力，造成搪玻璃层因应力过大而开裂，将人孔盖厚度改为16mm后冲压成型，由于厚度减薄，冲压产生的内应力也随之减少，这样就把冲压变形产生的内应力限制在搪玻璃层的许用应力以下，使瓷面不被破坏，DN500的人孔盖16mm厚度在搪烧时也不会引起太大高温变形，改进后，选择16mm厚度的DN500人孔盖经烧成后不再爆瓷，从而可以看出，搪玻璃厚度的选择是很重要的，既要考虑基体本身的承压能力，又要考虑高温刚度的问题，还要考虑厚度过大而引起的内应力的大小，不能很过搪玻璃的许用应力．
3结构的优化设计
内在应力与产品的结构形状有很大且直接的关系．在制品曲率半径小的部位、应力集中且瓷层厚的部位，均能产生爆瓷．消除和减少内应力，应从结构设计入手．结构设计的好坏决定着应力的大小．
GB25025-2011《搪玻璃反应釜技术条件》规定：设备基体搪玻璃侧不应存在非连续结构，所有转角部位应圆滑过渡，所有焊接接头部位应以搪玻璃侧对齐为原则，用于同一设备基体材料的厚度比值不宜大于3，且应逐渐过渡．其目的在于对大开孔边缘，非径向接管和布管集中区域等高应力区采取措施降低其应力水平．再者新标准明确搪玻璃反应釜金属基体管口应采用顶孔翻边的对接形式，也是从结构上改善应力集中，降低峰值应力．
在实际生产中，由于设计结构的偏差影响产品质量的情况时有发生．如图2所示，此图是DN150带视镜手孔的原设计图，采用25mm厚度的钢板机器加工而成，烧成后发现在开孔转角处爆瓷，分析其原因，设计存在如下不足之处：(1)开孔直径偏小；(2)视镜凸台（15mm处）与手孔基体厚度(25mm)尺寸相差太大．这种结构在转角处应力集中，且在烧成时热应力不易释放．对此进行重新设计：(1)将原板厚整体增至20mm，从壁厚上降低内应力；(2)在视镜凸台外侧基体上表面也车凸台，使壁厚趋于均匀；(3)内孔扩大，减少应力集中，搪烧时可以很好地释放热残余应力．改进后的结构未发生爆瓷现象．图3为修改后的手孔．
4结语
综上所述，搪玻璃反应釜的许用应力设计应由基体和搪玻璃层共同确定，设备基体各部分的应力不得大于搪玻璃层的许用应力；设计厚度要适度，结构要合理，即充分考虑搪玻璃反应釜基体高温刚度的要求和设计条件下的强度要求，搪玻璃基体强度和搪玻璃层的强度均要考虑．化工设备搪玻璃的设计是围绕搪玻璃反应釜本身特有的形态来展开的，需要设计人员在实践中不断摸索总结，深入研究，建立搪玻璃特有的设计理念，这也是从事搪玻璃设计工作的首要问题．
