0引言

搪玻璃反應(yīng)釜是一種具有良好化學(xué)穩(wěn)定性和金屬?gòu)?qiáng)度雙重特性的壓力容器，能耐絕大多數(shù)無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、有機(jī)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(jī)合成以及涉及國(guó)防的生化等工業(yè)場(chǎng)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(duì)于承受內(nèi)壓金屬基體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)已有成熟理論和方法，而對(duì)于搪玻璃層的設(shè)計(jì)迄今尚無(wú)指導(dǎo)理論，目前國(guó)內(nèi)仍沒(méi)有來(lái)自權(quán)威機(jī)構(gòu)的搪玻璃層的許用應(yīng)力值。搪玻璃反應(yīng)釜設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yàn)公式進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，對(duì)搪玻璃層的設(shè)計(jì)缺少考慮。而生產(chǎn)實(shí)踐表明，搪玻璃反應(yīng)釜，在運(yùn)行中，搪玻璃層常常產(chǎn)生裂紋或爆瓷，以致無(wú)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(yàn)測(cè)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(jiàn)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?zé)Y(jié)而成，其力學(xué)性能因瓷釉組分和燒成工藝不同而略有差異，具體見(jiàn)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(qiáng)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(jiàn)，搪玻璃層是搪玻璃反應(yīng)釜強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。因此傳統(tǒng)設(shè)計(jì)單純考慮基體金屬的強(qiáng)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(qiáng)度／安全系數(shù)），很可能導(dǎo)致在基體金屬?gòu)?qiáng)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(shí)際工程上時(shí)有出現(xiàn)。如某企業(yè)進(jìn)口的搪玻璃反應(yīng)釜，在運(yùn)行不久其搪玻璃層即產(chǎn)生裂紋，見(jiàn)圖1。究其原因在于該外企只是按照ASMEⅧ-1分冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，沒(méi)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(qiáng)度有限元分析

搪玻璃層是搪玻璃反應(yīng)釜強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，作為一種脆性材料，對(duì)它的強(qiáng)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(jìn)行安全評(píng)定。為此，針對(duì)100m3搪玻璃臥式儲(chǔ)罐金屬基體在設(shè)計(jì)壓力0.4MPa下的強(qiáng)度進(jìn)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(jiàn)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(jiǎn)體相貫區(qū)域的左側(cè)內(nèi)角點(diǎn)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(duì)應(yīng)點(diǎn)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(kāi)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(jì)算金屬基體的總體薄膜應(yīng)力并將其與搪玻璃的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行簡(jiǎn)單比較而進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定是不合理的，且由于搪玻璃層的真實(shí)應(yīng)力水平往往大于總體薄膜應(yīng)力而導(dǎo)致偏于危險(xiǎn)的結(jié)果。

此外，從較大主應(yīng)變角度考慮，100m3搪玻璃儲(chǔ)罐的主應(yīng)變較大值也出現(xiàn)在人孔H1左側(cè)內(nèi)角點(diǎn)位置，大小為0.0375%，屬于小變形范疇，對(duì)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(qiáng)度足夠，進(jìn)而也說(shuō)明搪玻璃層主應(yīng)力很標(biāo)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(yàn)測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證簡(jiǎn)單依據(jù)總體薄膜應(yīng)力進(jìn)行搪玻璃反應(yīng)釜強(qiáng)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(chǔ)罐進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)測(cè)試，主要的試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果見(jiàn)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(jì)算得到?？梢钥闯?，各試驗(yàn)工況下的圓筒總體薄膜應(yīng)力值均小于搪玻璃層抗拉強(qiáng)度的上限值90MPa），但工況1試樣試驗(yàn)后經(jīng)目視檢查，發(fā)現(xiàn)其DN600管口與簡(jiǎn)體相貫的內(nèi)倒角處搪玻璃層出現(xiàn)了長(zhǎng)200mm、寬30mm的裂紋，具體見(jiàn)圖4。

4結(jié)論

經(jīng)對(duì)實(shí)際運(yùn)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(duì)典型搪玻璃臥式儲(chǔ)罐的有限元應(yīng)力分析和破壞性試驗(yàn)測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：

（1)考慮到開(kāi)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(shí)考慮到搪玻璃層作為脆性材料的特性，簡(jiǎn)單依據(jù)GB150進(jìn)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(jì)是偏于危險(xiǎn)的，此時(shí)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(yàn)時(shí)搪玻璃層爆裂位置非常一致，這說(shuō)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(shí)際設(shè)計(jì)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(jìn)行校核。在此基礎(chǔ)上，還有必要對(duì)大開(kāi)孔邊緣、非徑向接管和布管集中區(qū)域等高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注并采取措施降低其應(yīng)力水平，對(duì)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(guó)內(nèi)搪玻璃釉和搪玻璃層的質(zhì)量水平而言，我國(guó)搪玻璃反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)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(duì)搪玻璃層的力學(xué)性能做進(jìn)一步深入研究的基礎(chǔ)上，發(fā)掘形成新的設(shè)計(jì)方法與體系，以提高國(guó)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(yùn)行的可靠性。