搪瓷設備爆瓷原因與生產(chǎn)質(zhì)量控制

張德超，王有良

（山東省特種設備檢驗研究院臨沂分院，山東臨沂 276000）

0 引言

搪玻璃設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）是搪玻璃設備失效的最主要原因。因此，防止搪玻璃設備爆瓷是其生產(chǎn)和安全使用的關鍵。

搪玻璃設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、應力的作用和氫的影響都會導致爆瓷。

1 3 種常見的爆瓷特征和產(chǎn)生的原因

（1）由焊接缺陷導致的爆瓷。焊接缺陷主要是因為焊接工藝不當導致的。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備母材表面處理不合格等，導致氣孔、夾渣等焊接缺陷產(chǎn)生，也會引起爆瓷。

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

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

2 預防常見爆瓷的主要措施

（1）結構要求?，F(xiàn)行的搪玻璃設備技術標準充分考慮了以上因素，基本能夠有效控制爆瓷。搪玻璃基體各結構接管法蘭等要求采用嵌入式接管或沖壓短接對接結構，避免焊接接頭與形狀過渡區(qū)重合應力疊加[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，避免溫差應力集中。

（2）預燒—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，消除不均勻相變應力，消除焊接成型加工過程中的殘余應力。

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晶水的原料。

（4）腐蝕環(huán)境中滲透的氫。在腐蝕或應力腐蝕過程中，如果存在氫還原的陰極反應，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，還可以對焊接應力進行消除。對于沒有焊后熱處理要求的容器設備，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，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。通常搪玻璃設備燒成合格要經(jīng)過預燒、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。目前，部分技術先進的國外搪玻璃設備公司采用了受控搪燒技術，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、快速空冷導致的厚度不均、散熱不均導致的不同部位冷卻過程中的溫差應力，保證良好的最終成型質(zhì)量。

5 結論

采用圓滑過渡結構預燒可以較好地減少應力集中、殘余應力，避免由此引起的爆瓷。控制氫致爆瓷主要措施有：①減少氫的來源；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先消氫。正火常規(guī)的搪燒不能代替消氫，應保證消氫過程在（200～350）℃停留時間。采用受控搪燒技術也可以獲得更穩(wěn)定的搪玻璃質(zhì)量。