張德超，王有良

（山東省特種設(shè)備檢驗研究院臨沂分院，山東臨沂 276000）

0 引言

搪玻璃設(shè)備由含硅量高的瓷釉經(jīng)900 ℃左右高溫搪燒，使瓷釉密著于金屬胎表面而制成。搪玻璃層俗稱瓷層、瓷釉，厚度一般為（0.8～2.0）mm，可以隔絕介質(zhì)與金屬基體的接觸，達到防腐的目的。搪玻璃層的損壞脫落（俗稱爆瓷）是搪玻璃設(shè)備失效的最主要原因。因此，防止搪玻璃設(shè)備爆瓷是其生產(chǎn)和安全使用的關(guān)鍵。

搪玻璃設(shè)備爆瓷是一種瓷層脫落現(xiàn)象，表現(xiàn)為成塊或大小不等地從胚胎上脫落，焊接時的缺陷、應(yīng)力的作用和氫的影響都會導(dǎo)致爆瓷。

1 3 種常見的爆瓷特征和產(chǎn)生的原因

（1）由焊接缺陷導(dǎo)致的爆瓷。焊接缺陷主要是因為焊接工藝不當導(dǎo)致的。例如，焊接時的焊接電流過大、焊接速度過快，容易造成焊接接頭金屬過熱，從而導(dǎo)致焊縫處金屬的韌性和塑性降低，涂搪時容易出現(xiàn)麻泡爆瓷或“白條”爆瓷的現(xiàn)象，嚴重的時候底釉也會一起脫落。由于焊材未進行烘干處理或者施焊處設(shè)備母材表面處理不合格等，導(dǎo)致氣孔、夾渣等焊接缺陷產(chǎn)生，也會引起爆瓷。

（2）相變應(yīng)力爆瓷。搪燒后存在于焊接部位的相變應(yīng)力，與其他應(yīng)力共同作用，使搪玻璃層受到附加應(yīng)力的影響，焊接處極易發(fā)生爆瓷。

（3）殘余應(yīng)力爆瓷。搪玻璃復(fù)合層是由玻璃層與金屬基材在高溫燒成后復(fù)合的，由于兩種材料在降溫過程中的體積收縮變化率存在差異，從而導(dǎo)致搪玻璃復(fù)合層中產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。這是最主要的爆瓷原因。

2 預(yù)防常見爆瓷的主要措施

（1）結(jié)構(gòu)要求?，F(xiàn)行的搪玻璃設(shè)備技術(shù)標準充分考慮了以上因素，基本能夠有效控制爆瓷。搪玻璃基體各結(jié)構(gòu)接管法蘭等要求采用嵌入式接管或沖壓短接對接結(jié)構(gòu)，避免焊接接頭與形狀過渡區(qū)重合應(yīng)力疊加[1]，圓滑過渡厚度盡量均勻，在搪燒加熱冷卻過程中各部件溫度變化過程中基本均勻一致的升降，避免溫差應(yīng)力集中。

（2）預(yù)燒—正火處理。在噴施底瓷釉前待搪燒的鋼丕基體進行接近搪燒溫度的預(yù)燒[1]，實際是一個正火處理過程，細化晶粒，消除不均勻相變應(yīng)力，消除焊接成型加工過程中的殘余應(yīng)力。

3 氫致爆瓷及其原因

對近期幾個搪玻璃容器生產(chǎn)單位的調(diào)研表明，搪燒生產(chǎn)過程特別是搪燒返修（使用中搪玻璃層腐蝕破損搪燒返修）和使用初期的爆瓷，主要是由氫過量所致。金屬內(nèi)部的氫原子擴散至鐵坯與瓷層的界面處結(jié)合為氫分子，壓力超過瓷釉層的抗張強度極限時即產(chǎn)生魚鱗爆，也將這一現(xiàn)象稱之為鱗爆。氫的來源主要有4 個。

（1）焊接過程中產(chǎn)生的氫。主要存在于熔敷金屬中，來自焊條、焊劑、空氣中的水分。焊接過程中，焊縫里的氫的形成與焊材中的有機物存在密切關(guān)系，因為酸性焊條的藥皮中加有一定量的有機物，因此熔敷金屬中的氧和氫的含量要比不加有機物的堿性焊條高。同時，酸性焊條產(chǎn)生的非金屬夾雜物也比堿性焊條的多，它們以偏析狀態(tài)分布于焊縫當中，為搪燒加熱過程中氣體的吸收儲存提供了有利條件，從而導(dǎo)致焊縫處吸收的氣體多于母材。

（2）空氣中水分。鱗爆對環(huán)境濕度較為敏感，濕度越大發(fā)生鱗爆的概率越高。尤其是在雨季生產(chǎn)時，空氣中的水汽更易被鐵坯吸收，涂搪時反應(yīng)生成氫氣并轉(zhuǎn)移聚集在界面。

（3）底釉磨加物中有過多的含結(jié)晶水的原料。

（4）腐蝕環(huán)境中滲透的氫。在腐蝕或應(yīng)力腐蝕過程中，如果存在氫還原的陰極反應(yīng)，部分氫原子也可以進入金屬基體中[2]。使用過程中搪玻璃層破損腐蝕介質(zhì)與碳鋼搪玻璃金屬基體接觸，發(fā)生腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子進入碳鋼壁并向內(nèi)壁擴散，在碳鋼中保存了一定量氫。

4 氫致爆瓷解決措施

（1）減少氫的來源。在瓷釉配料中加入阻氫劑和降低瓷釉熔點的材料，阻止氫的生成，減少鋼板對氫的吸收。在底釉中磨加一定量的鈉、鈣、鋇的碳酸鹽，在燒成過程中通過無機鹽的分解，促使氣體揮發(fā)，增加底釉的氣孔率，擴大氣體的分布空間，從而降低氫氣壓力。降低胎體鋼板和焊條內(nèi)的水分含量，焊接所用的焊條、焊絲、焊劑使用前完全烘干。降低環(huán)境濕度，減少空氣中的含水量。

（2）防止致瓷層過早封閉阻塞水汽和氫氣的排出通道。在環(huán)境溫度高、空氣濕度大的季節(jié)，應(yīng)嚴格控制燒制溫度和燒制時間，避免高溫快燒，防止致瓷層封閉過早，以利于水分和氫氣的排出。

（3）排除鋼中的氫。根據(jù)不同的鋼材，在（200～350）℃的溫度范圍內(nèi)對鋼材進行消氫處理，溫度過低會影響消氫效果，達不到預(yù)期目的，溫度過高則容易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，影響鋼材性能。

（4）熔敷金屬消氫。搪玻璃基體一般使用碳素鋼和低氫度級別的低合金鋼，因其熔敷金屬含氫量一般不產(chǎn)生延遲裂紋而常被忽視，但對于搪燒影響卻不容忽視。焊后消氫處理也就是去除焊接過程中焊接接頭吸收的氫，溶解于金屬晶格中的氫會造成焊接接頭的韌性和塑性明顯下降，甚至還會使金屬產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致脆性斷裂，也就是通常所說的延遲裂紋。焊接完成后立即對設(shè)備進行熱處理，可以達到消氫的目的。在促使存在于焊接接頭中的氫逸出的同時，還可以對焊接應(yīng)力進行消除。對于沒有焊后熱處理要求的容器設(shè)備，也可按此方法進行消氫處理。NB/T 47015—2011 第4.5 規(guī)定后熱應(yīng)在焊后立即進行，溫度一般為（200～350）℃，保溫時間與后熱溫度、焊縫金屬厚度有關(guān)，一般不小于30 min[3]。

（5）正火不能代替消氫。傳統(tǒng)搪燒工藝采用線性快速升降溫法，主要控制最低搪燒溫度與最高搪燒溫度。通常搪玻璃設(shè)備燒成合格要經(jīng)過預(yù)燒、底瓷釉燒成、3～5 遍搪燒。入爐爐溫接近正火溫度，鋼材基體升溫速度過快，在（200～350）℃停留時間僅數(shù)分鐘，鋼中的氫不能充分溢出。超過350 ℃以后鋼材中的氫氣是吸收過程。另外，材料組織改變也將使溶氫能力產(chǎn)生差異，奧氏體的溶氫能力約為鐵素體的1.5 倍。在900 ℃的搪燒溫度下，搪玻璃設(shè)備的鋼材會因金屬組織的轉(zhuǎn)變而吸收過量的氫進入金屬晶格間隙，而在冷卻過程中同樣因為金屬組織的轉(zhuǎn)變，氫會重新釋放出來、聚集在材料內(nèi)部空穴處。有些發(fā)生鱗爆的設(shè)備經(jīng)過3～5 遍搪燒過程，同一部位仍有鱗爆。經(jīng)過多遍搪燒增加了成本，基體變形量增大，甚至超標。

（6）對使用中搪玻璃層破損的翻修搪燒尤其應(yīng)先消氫。使用過程中搪玻璃層破損腐蝕介質(zhì)與碳鋼搪玻璃金屬基體接觸發(fā)生腐蝕析氫進入碳鋼中。

（7）受控搪燒技術(shù)。目前，部分技術(shù)先進的國外搪玻璃設(shè)備公司采用了受控搪燒技術(shù)，其主要特點是有針對性地根據(jù)不同產(chǎn)品的形狀、瓷釉和鋼材種類，設(shè)定非線性溫度曲線來控制升溫和降溫過程，采用搪燒后緩冷的方法使鋼材中的氫得到充分釋放，同時降低焊接殘余應(yīng)力。研究表明，鋼材內(nèi)的氫氣在（300～350）℃排放最快，可以在燒成曲線中設(shè)計加入保溫脫氫階段，使鋼中的氫氣得到逸出。冷卻過程中除在釋放應(yīng)力溫度段保溫外，可以增加一個（300～350）℃溫度范圍的脫氫保溫段，使得鋼板中的氫氣得到最大限度的釋放。

受控搪燒一般采用爐內(nèi)緩冷出爐溫度小于400 ℃，可以有效減少出爐溫度過高、快速空冷導(dǎo)致的厚度不均、散熱不均導(dǎo)致的不同部位冷卻過程中的溫差應(yīng)力，保證良好的最終成型質(zhì)量。

5 結(jié)論

采用圓滑過渡結(jié)構(gòu)預(yù)燒可以較好地減少應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力，避免由此引起的爆瓷?？刂茪渲卤芍饕胧┯校孩贉p少氫的來源；②防止致瓷層過早封閉阻塞水汽和氫氣的排出通道；③排除熔敷金屬及其他鋼中的氫。對使用中搪玻璃層破損的翻修搪燒尤其應(yīng)先消氫。正火常規(guī)的搪燒不能代替消氫，應(yīng)保證消氫過程在（200～350）℃停留時間。采用受控搪燒技術(shù)也可以獲得更穩(wěn)定的搪玻璃質(zhì)量。