鋼化玻璃自爆原因分析及檢測(cè)方法研究

艷華

(1.蚌埠產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠市工商行政和質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理局 安徽 蚌埠 233000)

鋼化玻璃自爆原因分析及檢測(cè)方法研究

孫凱1杜黎黎1孫艷華2牛一群1

(1.蚌埠產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠市工商行政和質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理局 安徽 蚌埠 233000)

鋼化玻璃被廣泛應(yīng)用在建筑施工、交通、生活起居、科研等不同領(lǐng)域，給我們的工作和生活帶來(lái)了極大便利，但是鋼化玻璃自爆問(wèn)題始終無(wú)法回避，其特征表現(xiàn)為突發(fā)性和災(zāi)難性。因此，如何減少和預(yù)防鋼化玻璃自爆是工程應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。本文從多方面對(duì)鋼化玻璃自爆原因進(jìn)行分析，重點(diǎn)探討了鋼化玻璃自爆機(jī)理和檢測(cè)方法，為減少和預(yù)防鋼化玻璃自爆事故提供合理的解決方案。

鋼化玻璃；自爆；原因分析；檢測(cè)方法

一、前言

2003年12月4日，由國(guó)家質(zhì)檢總局、建設(shè)部、發(fā)改委與工商行政管理總局聯(lián)合發(fā)布的《建筑安全玻璃管理規(guī)定》中指出：鋼化玻璃、夾層玻璃及由鋼化玻璃或夾層玻璃組合加工而成的其他玻璃制品屬于安全玻璃。因鋼化玻璃有強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在建筑、家具制造行業(yè)、電子、儀表行業(yè)、家電制造行業(yè)、汽車(chē)制造行業(yè)、科研等不同領(lǐng)域，給我們的工作和生活帶來(lái)了極大便利。但鋼化玻璃一直是存在著一項(xiàng)不可回避的問(wèn)題——自爆，即鋼化玻璃在無(wú)直接機(jī)械外力作用下發(fā)生的自動(dòng)性炸裂的現(xiàn)象。鑒于這一缺陷，鋼化玻璃的應(yīng)用和發(fā)展受到了嚴(yán)重制約[1]。

自爆，是鋼化玻璃固有特性之一。在目前的鋼化玻璃生產(chǎn)技術(shù)來(lái)看，完全消除自爆這一缺陷是不可能的，雖然人們長(zhǎng)期在研究降低鋼化玻璃的自爆方法，如采用使鋼化玻璃均質(zhì)化、半鋼化等措施，但自爆現(xiàn)象仍不可避免。

二、鋼化玻璃自爆原因分析

從鋼化玻璃誕生起，就伴隨著自爆。因此，鋼化玻璃自爆可以表述為鋼化玻璃在沒(méi)有外力作用的情況下而發(fā)生破碎的現(xiàn)象，在生產(chǎn)加工、運(yùn)輸貯存、安裝使用等各環(huán)節(jié)中均有可能發(fā)生自爆。

(一)鋼化玻璃自爆分類(lèi)

1.玻璃內(nèi)部缺陷和雜質(zhì)

玻璃含有硫化鎳雜質(zhì)。在玻璃生產(chǎn)過(guò)程中，不銹鋼生產(chǎn)流水線(xiàn)機(jī)械是使玻璃中存在雜質(zhì)的最常見(jiàn)的原因。隨著時(shí)間的推移，這些含鎳的不銹鋼碎屑慢慢形成了玻璃的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超出了玻璃強(qiáng)度，就會(huì)形成爆裂。此外，在熔融玻璃時(shí)，里面的耐火磚碎渣可能會(huì)融進(jìn)玻璃內(nèi)，在玻璃出爐時(shí)形成雜質(zhì)。這些雜質(zhì)在玻璃加熱過(guò)程中會(huì)因異常受熱，而使玻璃爆裂。

2.安裝損壞

玻璃搬運(yùn)和安裝過(guò)程中，搬運(yùn)工往往會(huì)將玻璃邊緣弄出缺口或裂縫。在玻璃裝箱過(guò)程中，如果打包工人釘箱子時(shí)角度不正確，也容易將釘子和螺絲訂在玻璃上，使玻璃出現(xiàn)缺口或裂縫。這些小的缺口或裂縫可能不會(huì)立即導(dǎo)致爆裂，但不久后，隨著玻璃膨脹和收縮，在缺口周?chē)膽?yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致爆裂。通常情況下，鋼化玻璃會(huì)因此而整體爆裂。

3.熱應(yīng)力

有吸熱(反射)涂層的大塊密封中空玻璃(隔熱玻璃)最容易發(fā)生自爆。涂層用于“第二道”表面(外層玻璃的內(nèi)表面)，在太陽(yáng)的輻射下，外層玻璃和內(nèi)層玻璃受熱不均勻，隨著外層玻璃受熱擴(kuò)張，整個(gè)玻璃向外彎曲。如果間隔條或者其他玻璃邊部的連接點(diǎn)的距離太小，彎曲應(yīng)力會(huì)超過(guò)玻璃的強(qiáng)度，導(dǎo)致爆裂。

4.環(huán)境影響

玻璃膨脹和收縮與風(fēng)引起的玻璃表面溫度變化或偏轉(zhuǎn)有關(guān)，所以幾乎所有的現(xiàn)代玻璃都會(huì)在底部裝上彈性塊，并在安裝時(shí)玻璃頂部和四周會(huì)給玻璃膨脹預(yù)留出一定的空間。玻璃框內(nèi)的墊圈會(huì)有彈性，緩沖風(fēng)對(duì)玻璃的沖擊力使玻璃爆裂。

5.不恰當(dāng)?shù)牟ＡШ穸?/p>

玻璃厚度過(guò)大或過(guò)小，不能承受風(fēng)壓，在風(fēng)的作用下會(huì)導(dǎo)致爆裂。

(二)鋼化玻璃不可控自爆的特點(diǎn)

鋼化玻璃自爆發(fā)生的時(shí)間具有不確定性，可能是剛加工完成，也可能是出廠后1到2月，也有出廠1到2年后才發(fā)生自爆的，據(jù)了解，鋼化玻璃發(fā)生自爆時(shí)間較多的是產(chǎn)品生產(chǎn)完成后4到5年，且鋼化玻璃自爆率率為千分之三左右，個(gè)別生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的概率可能還要高。

鋼化玻璃發(fā)生自爆的根本原因是因?yàn)椴Ａг泻辛蚧嚭彤愘|(zhì)相顆粒雜質(zhì)。鎳最大可能的來(lái)源是生產(chǎn)設(shè)備上所使用的各種含鎳合金部件以及窯爐上所使用的各種耐熱合金。對(duì)于燃油的熔窯，曾有報(bào)道在小爐生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)富鎳的凝結(jié)物。硫主要來(lái)源于配合料中及燃料中的含硫物質(zhì)。當(dāng)加工溫度超過(guò)1000℃時(shí)，硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中，這些小液滴的固化溫度為797℃。1克硫化鎳就能生成約一千個(gè)直徑為0.15mm的結(jié)石。而硫化鎳在生產(chǎn)完成后任何時(shí)間都有可能發(fā)生，故現(xiàn)在還不能完全避免，至今也無(wú)有效的預(yù)防辦法，通常被稱(chēng)為“玻璃的癌癥”[2]。

(三)鋼化玻璃不可控自爆的原因

對(duì)硫化鎳微粒引發(fā)的鋼化玻璃自爆，已經(jīng)被學(xué)者們的廣泛研究。硫化鎳粒子造成鋼化玻璃自爆需要兩個(gè)條件：其一硫化鎳粒子所處位置的張應(yīng)力大小；其二硫化鎳粒子的尺寸。其機(jī)理是玻璃在鋼化的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)高溫處理，玻璃原片中所含有的硫化鎳將全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅翍B(tài)；在隨后的淬冷過(guò)程中，高溫α態(tài)的硫化鎳來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏卅聭B(tài)，即被凍結(jié)在鋼化玻璃中。而鋼化玻璃在使用中，通常處于室溫環(huán)境下，而此時(shí)的硫化鎳高溫態(tài)是不穩(wěn)定的，有可能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏貞B(tài)。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，硫化鎳將伴隨有約2%至4%的體積膨脹，使玻璃承受較大的相變張應(yīng)力，最終導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。學(xué)者們對(duì)異質(zhì)微粒引起的鋼化玻璃自爆也有了新的研究，在鋼化后的降溫過(guò)程中，玻璃對(duì)異質(zhì)微粒產(chǎn)生越來(lái)越大的壓應(yīng)力，反之異質(zhì)微粒對(duì)周邊的玻璃形成等值的徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力。對(duì)于物理鋼化玻璃，表面受壓應(yīng)力，中間受拉應(yīng)力區(qū)，異質(zhì)微粒周?chē)那邢蚶瓚?yīng)力與鋼化玻璃的拉應(yīng)力相互疊加，使得異質(zhì)微粒周?chē)怪庇诓Ａ娴睦瓚?yīng)力達(dá)到最大，當(dāng)局部拉應(yīng)力達(dá)到一定程度，就有可能導(dǎo)致鋼化玻璃破裂。同時(shí)，當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到玻璃的斷裂強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)形成一種危險(xiǎn)的不穩(wěn)定系統(tǒng)，一旦有溫度變化或者外部作用力，局部應(yīng)力就可能超過(guò)強(qiáng)度值而引發(fā)鋼化玻璃自爆。

通常，對(duì)鋼化玻璃自爆的研究，多為對(duì)爆裂后的玻璃碎片進(jìn)行分析。但此時(shí)鋼化自爆已經(jīng)發(fā)生，損失和傷害已經(jīng)發(fā)生。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)自爆前的鋼化玻璃進(jìn)行檢測(cè)，記錄查找各種可能與鋼化玻璃自爆相關(guān)的表征數(shù)據(jù)，然后通過(guò)鋼化玻璃發(fā)生自爆后，對(duì)其玻璃碎片進(jìn)行分析，找到鋼化玻璃自爆的起始點(diǎn)，分析該點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，找到鋼化玻璃自爆的特征參數(shù)，建立一種鋼化玻璃自爆的檢測(cè)方法，為鋼化玻璃相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善提供依據(jù)。

三、鋼化玻璃自爆的基本原理

鋼化玻璃硫化鎳、三氧化二鋁及其他異質(zhì)微粒與玻璃基體不同，在玻璃升溫和降溫過(guò)程中易在其周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中。以下公式給出了異質(zhì)微粒附近的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力[3]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中σr為徑向應(yīng)力，σt為切向應(yīng)力，a為顆粒半徑，r為球?qū)ΨQ(chēng)的軸坐標(biāo)，P為顆粒與玻璃之間界面的正壓應(yīng)力，它的函數(shù)算值如下：

(3)

式(3)中下標(biāo)p和m分別代表顆粒和基體；E、α、ν分別代表彈性模量、膨脹系數(shù)和泊松比。

在上述公式中，當(dāng)參數(shù)值溫度差△T或者(αm-αp)是負(fù)值，異質(zhì)顆粒將受到壓力；反之將受到拉力。對(duì)于顆粒在玻璃基體中，其降溫過(guò)程溫差是負(fù)的，也就是說(shuō)顆粒周邊的徑向應(yīng)力是壓力，切向應(yīng)力是拉力，即切向應(yīng)力是玻璃裂爆的起始根源。

因此，鋼化玻璃的自爆是由拉應(yīng)力層內(nèi)的局部應(yīng)力過(guò)于集中引起的，而應(yīng)力過(guò)于集中是由雜質(zhì)顆粒與玻璃之間的界面產(chǎn)生的壓力所致，而產(chǎn)生顆粒界面壓力的原因有多種，如硫化鎳、三氧化二鋁在溫度變化過(guò)程中的熱變形。因此，鋼化玻璃自爆的直接原因只有一個(gè)，那就是局部應(yīng)力集中，間接原因有很多種。鋼化玻璃應(yīng)力集中程度受到多種因素影響，引起這種應(yīng)力集中的缺陷或雜質(zhì)往往也多種多樣。

四、鋼化玻璃自爆檢測(cè)方法研究

運(yùn)用透射/反射兩用光彈掃描儀，采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像遠(yuǎn)程傳輸，結(jié)合PLC圖像分析系統(tǒng)，可完成鋼化玻璃自爆源及自爆風(fēng)險(xiǎn)的無(wú)損現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。檢測(cè)鋼化玻璃自爆源的透射式/反射式光彈掃描儀的原理和結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示[4]。

圖1 檢測(cè)鋼化玻璃自爆源的透射式/反射式光彈裝置示意圖

鋼化玻璃自爆源與自爆風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)光彈掃描儀可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼化玻璃自動(dòng)掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)自爆源應(yīng)力光斑時(shí)，PLC圖像分析系統(tǒng)可對(duì)自爆源及其自爆源光斑的位置、形貌、大小、明亮程度進(jìn)行分析，從而預(yù)測(cè)鋼化玻璃自爆源的自爆風(fēng)險(xiǎn)程度。

五、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)鋼化玻璃自爆危害、原因進(jìn)行分析，確定了鋼化玻璃自爆可控原因和不可控原因，直接原因和間接原因，探討了鋼化玻璃自爆的基本原理，結(jié)合掃描儀、PLC圖像分析等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，建立了鋼化玻璃自爆檢測(cè)方法，為現(xiàn)行鋼化玻璃國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的完善提供依據(jù)。

[1]萬(wàn)德田，包亦望等．門(mén)窗幕墻用鋼化玻璃自爆源和自爆機(jī)理分析及在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)[J]．中國(guó)建材科技，2010，S2: 178-184．

[2]包亦望，劉正權(quán)．鋼化玻璃自爆機(jī)理與自爆準(zhǔn)則及其影響因素[J]．無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2016，31 (4): 401-406．

[3]陳曉艷，劉軍．鋼化玻璃的自爆[J]．科技風(fēng)，2008，02: 26-27

[4]包亦望，萬(wàn)德田等．鋼化玻璃自爆源和自爆機(jī)理分析[J]．建筑玻璃與工業(yè)玻璃，2007，11: 10-14．

孫凱(1981.05-),男，漢族，籍貫皖.渦陽(yáng)，碩士，高級(jí)工程師，研究方向檢驗(yàn)檢測(cè)。