0引言
搪玻璃反应釜是一种具有良好化学稳定性和金属强度双重特性的压力容器，能耐绝大多数无机酸、有机酸、有机溶剂和弱碱的腐蚀，适于反应、混合、蒸馏、萃取等各种单元操作，在化工、制药、染料、有机合成以及涉及国防的生化等工业场合应用广泛，以代替昂贵的不锈钢和有色金属，降低设备成本。
搪玻璃反应釜由金属基体和涂敷烧结其内的搪玻璃层共同构成。对于承受内压金属基体的强度设计已有成熟理论和方法，而对于搪玻璃层的设计迄今尚无指导理论，目前国内仍没有来自权威机构的搪玻璃层的许用应力值。搪玻璃反应釜设计制造单位往往将其视为单纯的钢制压力容器，按GB150-2011《压力容器》进行设计，或仍沿用HG2432-2001《搪玻璃反应釜技术条件》中相关经验公式进行强度设计，对搪玻璃层的设计缺少考虑。而生产实践表明，搪玻璃反应釜，在运行中，搪玻璃层常常产生裂纹或爆瓷，以致无法将腐蚀性介质与金属基体完全阻隔，较终导致搪玻璃反应釜的腐蚀性破坏失效。为此，基于有限元分析和试验测试，探讨了搪玻璃反应釜许用应力的确定，以期为业内提供参考。
1搪玻璃反应釜材质许用应力
搪玻璃反应釜的许用应力应由基体和搪玻璃层共同确定。一般，搪玻璃反应釜常用的基体材料有Q245R，Q235B，Q345R，06Cr19Nil0等几种材料，依GB150可查得这几种材料在常用工况下的许用应力，见表1。搪玻璃层由高含硅量的瓷釉涂于金属基体表面，经950℃高温烧结而成，其力学性能因瓷釉组分和烧成工艺不同而略有差异，具体见表2。
从表1，2可以看出，搪玻璃反应釜基体金属的许用应力均大于搪玻璃层抗拉强度的上限值，且搪玻璃层的延伸率近似为0，是非常脆的非金属材料。由此可见，搪玻璃层是搪玻璃反应釜强度的薄弱环节。因此传统设计单纯考虑基体金属的强度，而忽略决定搪玻璃反应釜可靠性的搪玻璃层的许用应力航拉强度／安全系数），很可能导致在基体金属强度足够的情况下，在壳体接管等局部高应力区的搪玻璃层产生裂纹，这种情况在实际工程上时有出现。如某企业进口的搪玻璃反应釜，在运行不久其搪玻璃层即产生裂纹，见图1。究其原因在于该外企只是按照ASMEⅧ-1分册进行设计计算，没有校核布管区域内侧搪玻璃层的应力水平。
2搪玻璃反应釜强度有限元分析
搪玻璃层是搪玻璃反应釜强度的薄弱环节，作为一种脆性材料，对它的强度失效依据应该是较大主应力理论或较大主应变理论，即按照较大主应力理论或较大主应变理论进行安全评定。为此，针对100m3搪玻璃卧式储罐金属基体在设计压力0.4MPa下的强度进行了有限元分析，获取了其较大主应力和较大主应变的分布云图，具体见图2，3。
从图2，3可以看出，金属基体较大主应力出现在人孔接管H1与简体相贯区域的左侧内角点位置，数值为70.9MPa，约为总体薄膜应力的3倍。考虑到搪玻璃的弹性模量和泊松比（分别近似为79000MPa和0.21）均小于金属的弹性模量与泊松比（分别近似为210000MPa和0.3），因此在烧结良好、分界面上各对应点应变相同的情况下，分界面上搪玻璃层的主应力一定小于金属基体，故可知搪玻璃层的较大主应力一定小于70.9MPa。以上结果表明，金属基体的总体薄膜应力既不能体现开孔接管等局部高应力区的应力集中水平，更不能反映搪玻璃层的应力大小。故计算金属基体的总体薄膜应力并将其与搪玻璃的抗拉强度进行简单比较而进行强度评定是不合理的，且由于搪玻璃层的真实应力水平往往大于总体薄膜应力而导致偏于危险的结果。
此外，从较大主应变角度考虑，100m3搪玻璃储罐的主应变较大值也出现在人孔H1左侧内角点位置，大小为0.0375%，属于小变形范畴，对避免搪玻璃层与金属基体剥离有益，确保了两者间的结合强度足够，进而也说明搪玻璃层主应力很标是导致裂纹的较主要原因。
3搪玻璃反应釜破坏性试验测试
为进一步验证简单依据总体薄膜应力进行搪玻璃反应釜强度校核的做法存在缺陷，又分别选用≥20m3和≤1.0m3两种规格搪玻璃储罐进行了破坏性试验测试，主要的试验参数和结果见表3，表中的圆筒应力即为总体薄膜应力，依据GB150.3-2011计算得到。可以看出，各试验工况下的圆筒总体薄膜应力值均小于搪玻璃层抗拉强度的上限值90MPa），但工况1试样试验后经目视检查，发现其DN600管口与简体相贯的内倒角处搪玻璃层出现了长200mm、宽30mm的裂纹，具体见图4。
4结论
经对实际运行中搪玻璃反应釜搪玻璃层发生裂纹的形态、位置分析，以及对典型搪玻璃卧式储罐的有限元应力分析和破坏性试验测试，可以得出以下结论：
（1)考虑到开孔接管等局部高应力区搪玻璃层的应力水平一般高于金属基体的总体薄膜应力，同时考虑到搪玻璃层作为脆性材料的特性，简单依据GB150进行某些规格、结构和工况下搪玻璃反应釜的设计是偏于危险的，此时还必须考虑搪玻璃层的许用抗拉应力。
（2)有限元分析所确定的金属基体较大主应力位置与试验时搪玻璃层爆裂位置非常一致，这说明金属基体的较大主应力出现位置与搪玻璃层的较大主应力出现位置相同，且搪玻璃层的较大主应力往往略高于金属基体的总体薄膜应力。故实际设计中可取1.2~1.5倍的金属基体总体薄膜应力作为搪玻璃层的较大主应力进行校核。在此基础上，还有必要对大开孔边缘、非径向接管和布管集中区域等高应力区进行重点关注并采取措施降低其应力水平，对降低这些部位与金属基体紧密烧结在一起的搪玻璃层的应力水平大有裨益。
（3）就目前国内搪玻璃釉和搪玻璃层的质量水平而言，我国搪玻璃反应釜的设计仍缺少系统的指导理论，故需要企业及相关科研主体在对搪玻璃层的力学性能做进一步深入研究的基础上，发掘形成新的设计方法与体系，以提高国产搪玻璃反应釜的质量，保障搪玻璃反应釜安全运行的可靠性。
