搪玻璃設備瓷層損壞與原因分析
一、   概述
搪玻璃設備是將含硅量較高的搪瓷釉料（搪玻璃釉料）經合理的搪燒工藝，涂附于鐵胎鋼材表面而成的化工設備。所以搪玻璃設備兼有這兩種材料的優異性質，既有金屬的強度，又有搪瓷的耐化學腐蝕性、光滑和保鮮性等。
但由于鋼材與搪瓷釉是兩種完全不同的材料，許多性能如：延伸率、彈性、抗拉強度等有較大差異，見表1：

材質性質	抗拉強度（N/mm2）	抗壓強度（N/mm2）	延伸率	線性膨脹系數（X10-7C-1）	張性模數（N/mm2）
搪玻璃釉	70～90	800～1000	0.1％	85～95	75000
鋼材	380～515	～240	15～35％	136	210000

由于鋼材的膨脹系數比搪玻璃瓷層大，在燒成冷卻過程中可使搪玻璃瓷層得到殘余壓縮應力，如圖1所示，而搪玻璃釉的抗壓強度是非常高的（是鋼材的4倍左右），只要選擇合理的搪玻璃釉的膨脹系數，使得搪玻璃瓷層的壓縮應力在合理的范圍（80～100 N/mm2），加上搪玻璃底釉對鋼板的密著優良，使兩者成為穩定、牢固的復合體。
搪玻璃設備瓷層的損壞與搪玻璃釉的性質是緊密相關聯的。搪玻璃釉類似于玻璃，它的最大的弱點是有很大的脆性，同時它的延伸率很低、彈性較差、承受的抗拉（張）強度較小，從圖1（c）可以看出，在圓弧處，瓷層受到壓應力的同時還受到一個向外推的合力，所以外R處的瓷層的穩定性較平面上的差一些。在運輸及使用過程中處理不當會引起接孔及法蘭處瓷層脫落。

搪玻璃設備的耐化學腐蝕性能與玻璃一樣非常優良，能耐各種濃度的無機酸、有機酸等。但它對于氫氟酸、含氟離子的介質、強堿以及溫度高于120℃的濃磷酸就不適應。
二、瓷層損壞類型與原因
搪玻璃設備瓷層損壞常見的有以下幾種類型：
● 機械損壞
● 溫差急變及熱應力損壞
● 超壓損壞
● 腐蝕
● 在役搪玻璃設備的鱗爆損壞
● “梯形”缺陷損壞
●其它形式損壞
其中以機械損壞最多，占整個損壞比例的70%左右，其次為溫差急變及熱應力損壞，占整個損壞比例的20%左右，其它幾種損壞比例較小。下面分別加以討論。
（一） 機械損壞
機械損壞一般都是人為因素造成的，包括有：1、機械碰撞，主要是維修工具或口袋中的卷尺等小物品掉入罐內砸傷瓷面，還有就是隨身的利器如鞋底的釘子或皮帶扣等擦傷搪瓷面。2、螺栓（或卡子）擰緊壓應力過大或不均勻會引起爆瓷。在擰緊螺栓時要用帶計量的扭力扳手。另外在設備使用時，設備與設備之間的管道連接如果沒有安裝膨脹節或波紋管（應靠近接孔安裝），這樣將會導致設備接孔應力改變而引起爆瓷。3、運輸或吊安裝時違規操作，將搪瓷的接孔當吊耳用。4、安裝時電焊飛濺灼傷搪瓷面。
（二）溫差急變及熱應力損壞
前面已經講過，瓷層在常溫下處在受壓狀態是相對穩定、安全的。如果將瓷層加熱到一定的溫度（約315℃），瓷層受到的壓應力會從大到小，最后到無壓應力狀態。這時瓷層損壞的風險是很大的，因為搪玻璃瓷層的強度會隨著壓應力的減少而降低。如果溫度有突變，瓷層里的壓應力也將會突變，引起瓷層“爆瓷”。


搪玻璃設備溫差急變損壞有四種情況：

1、夾套處于加熱狀態，此時罐壁溫度與夾套介質溫度相同，將冷卻物料加進罐內，使搪瓷面突然受到冷卻（如圖2）。
2、夾套內通冷卻水，罐壁溫度與冷卻水溫度相同，將熱物料加進罐內，使搪瓷面突然加熱（如圖2）。
3、反應罐內貯存有冷的物料，罐壁溫度與物料溫度相同，將熱的介質通入夾套內，使搪瓷面反面突然受熱（如圖3）。
4、反應罐內貯存有熱的物料，罐壁溫度與物料溫度相同，將冷的介質通入夾套內，使搪瓷面反面突然受冷（如圖3）。
從圖2、3可看出搪玻璃設備使用溫差范圍隨罐壁溫度的升高而縮小，也就是說隨著搪玻璃設備使用溫度的升高，溫差損壞傾向也隨之增加。
（三）超壓損壞
搪玻璃設備設計時，在一定溫度下罐內及夾套有特定的壓力或真空度，但當 使用后，在惡劣的條件下就會由于某些原因，造成超壓或真空度過高，使設備變形或失穩，導致瓷層脫落。搪玻璃設備的超壓有時是因為超溫而引起的。
（四） 腐蝕
1.堿的腐蝕
搪玻璃層一般不耐堿，堿對瓷層的侵蝕是通過OH—離子破壞硅氧骨架（≡Si-O- Si≡�。┒�產生≡Si-O- 群，使SiO2溶解在溶液中。所以，在瓷層侵蝕過程中，不形成硅酸凝膠薄膜，瓷層的侵蝕程度與侵蝕時間成直線關系。

瓷層受堿侵蝕的過程可分為如下三個階段：第一階段：堿溶液中的陽離子首先吸附在玻璃表面上；第二階段：由于陽離子有束縛其周圍的OH— 離子的作用，因此，當陽離子吸附在玻璃表面的同時，玻璃表面附近的OH—離子濃度相應增高，起著“攻擊”和斷裂玻璃表面硅氧鍵（≡Si-O-Si≡）的作用。第三階段：≡Si—O—Si≡骨架破壞后，產生≡Si—O—群，最后變成了硅酸離子。有時它和吸附在瓷層表面的陽離子形成硅酸鹽，并逐漸溶解在堿溶液中。圖4為NaOH的等腐蝕曲線
從圖中可看出對于強堿PH 13,溫度應低于70℃,因此使用熱堿必須小心。
2．氫氟酸及濃磷酸腐蝕
氫氟酸會嚴重地腐蝕瓷層。氫氟酸與瓷層的主要成份SiO2反應，以蒸汽的狀態形成SiF4.
SiO2+4HF→SiF4↑＝2H2O
濃磷酸是多種磷酐水合物的混合物，其主要存在形態決定于溶液中H2O/P2O5的摩爾比。濃磷酸具有脫水傾向，在200℃以下，濃磷酸主要以正磷酸（3H2O·P2O5）的形態存在，但在200℃以上，正磷酸脫水而轉變為焦磷酸（2H2O·P2O5）。正磷酸和焦磷酸對搪瓷面具有不同的腐蝕性。
85％的濃磷酸對搪瓷面的腐蝕很可能首先是侵蝕瓷釉表面的非網絡形成劑，在瓷釉表面生成了富氧化硅的保護膜，阻緩了進一步的腐蝕。與濃磷酸相比，焦磷酸具有較強的酸性，其電離常數K1=10-1，是正磷酸（K1=75×10-3）的12倍，因而對搪瓷面具有較強的腐蝕作用（見圖5）。
焦磷酸和玻璃的作用首先是磷酐和硅酐在搪瓷表面進行了相互交換，即：(HO)2P(O)(O)P(O)(OH)2+三SiOSi三→2［（H2O)P(O)Si三］
再經過進一步的縮合就生成了磷酸硅晶體。由于大部分搪瓷面可溶于焦磷酸溶液中，并產生磷酸鹽晶體，可以認為焦磷酸首先是侵蝕瓷釉中非網絡形成劑，使之脫離氧化硅網絡，其次再和氧化硅網絡作用而生成磷酸硅晶體。在溫度較低及焦磷酸的含量較少的情況下，氧化硅網絡和焦磷酸作用生成了含P2O5較少的晶體（SiO2/P2O5＝1.5）即3SiO2·2P2O5晶體，在較高溫度和焦磷酸含量較大的情況下，生成的晶體SiO2/P2O5=1，即P2O5的成份增加。
所以，焦磷酸對搪玻璃設備的腐蝕是相當嚴重的，生成的反應產物不能形成連續的保護性膜層。

（五）在役搪玻璃設備的鱗爆損壞
初生態氫是在役搪玻璃設備產生鱗爆損壞的直接原因，有兩種情況：一是夾套內進了酸（PH值小于6）或搪瓷反面（金屬壁）遇到殘留酸液，在其表面產生氫，即初生態氫原子。這種氫（原子）在微觀下通過金屬組織內部的晶格，到達相反一側的瓷層與鋼板之間的界面后，滯留于此。當儲存到一定量的壓力后，就形成了向瓷面一側的強推動力，使瓷層產生鱗爆現象。另一種情況是夾套內的冷卻水或蒸汽腐蝕鋼材，即銹蝕鋼材（微電池作用）也會產生初生態氫（氫原子）引起鱗爆，特別是設備使用后再停一段時間，腐蝕會更厲害。鋼材銹蝕的程度還與溫度有關：
1.在相同的PH值下，溫度提高30℃銹蝕速度會提高2倍。
2.反應罐罐壁溫差大，銹蝕速度也會加快。銹蝕越嚴重，發生鱗爆的可能性也會相應增加。
反應罐冷卻用水有內部循環用水、地下水、深井水、自來水、海水等，其中的酸類和鹽類雜質都能嚴重銹蝕鋼材，應引起重視。
我們可嘗試在冷卻水中加入一定的緩蝕劑，調節水的PH值來抑制冷卻水對夾套鋼材的腐蝕，緩蝕劑的種類是氨或其他揮發性堿性胺，如嗎啉、環己胺、哌啶等。
（六）“梯形”缺陷損壞
這是一種在溫差沖擊和機械壓力共同作用下產生的缺陷。這僅發生在用蒸汽加熱和冷卻介質（如通過管道進入夾套的水）的反應罐里。在熱循環結束時關閉蒸汽，剩余蒸汽冷凝形成真空，如果與夾套連接的冷卻水閥門沒有關掉，那么冷卻水會被吸入夾套內從而沖擊反應罐金屬基體，改變應力，損壞瓷層。這種損壞的特點是：即使溫差在許可范圍也會發生。該缺陷以一個或多個水平方向的裂縫出現在瓷層里，并有不同的長度，一個在另一個的下面，就象梯子的橫檔一樣。
（七）其它類型的損壞
其它類型缺陷損壞主要與反應物料及工藝過程有關，主要有：
1.靜電釋放缺陷--——是由于兩種不能相互混合的物料，而至少有一種物料不導電，在攪拌器的作用下，產生摩擦，生成靜電。電壓達到50000～100000V，如果處理不當會擊穿瓷層，甚至會引起火災、爆炸。
2.磨損——當反應物料中有硬質粉末物料時，在短時內不能反應（或溶解）完全，就會對瓷層產生磨損，而攪拌與折流板會更嚴重些。
3.攪拌扭力過量——攪拌器在工作時，如果物料粘稠，超過設計條件，就會發生扭力過大，引起攪拌器變形而爆瓷。
4.氣窩現象——主要是由于操作不當，使反應物料中產生大量的氣泡，引起對瓷層的沖擊損壞。下列操作會產生氣窩：
a. 在攪拌器葉片附近注入氣體。
b. 在沸點或接近沸點時攪拌物料。
c. 反應物料液面較低時攪拌物料。
5.冰凍——搪玻璃配件如測溫管、擋板等是空心的，在頂部又是敞開的，如果存放不當水進入這些配件內部，遇到氣溫降低，這些水會結成冰而膨脹，對瓷層造成較大的向外推力，引起瓷層爆瓷或產生肉眼看不出來的微裂紋。